宽带隙栅极驱动器的新兴发展趋势

宽带隙 (WBG) 功率晶体管正逐渐成为主流，不断有新产品涌入市场。栅极驱动器也必须不断发展以满足这些新器件的要求。在本博客中，我们将重点介绍 WBG 功率开关器件技术的一些最新创新，以及栅极驱动器及其电源如何应对所带来的挑战。

 
碳化硅 (SiC) 和氮化镓 (GaN) 技术都在不断改进，具备更高的额定电压和更低的开关损耗。目前市场上已经有额定电压高达 2200 V 的 SiC MOSFETs ，可作为单独器件使用，也可封装在包含多达六个器件的模块中。 大多数 GaN 器件的额定电压仍为 650 V，但预计到 2024 年年中，会有额定电压为 1200 V 的模块上市。

栅极驱动器保持同步

栅极驱动器 IC 充当数字或模拟控制器的控制信号与电源开关（IGBT、MOSFET、SiC MOSFET 或 GaN HEMT）之间的接口。 它们提供克服栅极电容所需的高驱动电流，以实现快速开关，并将低压驱动信号与高端电压参考晶体管端子隔离。隔离栅极驱动器也越来越多地用于低端晶体管，以消除电感路径不平衡的影响。因此，栅极驱动器在优化 WBG 晶体管性能和可靠性方面发挥着至关重要的作用，并且也在不断发展以应对新的挑战。
 
例如，集成栅极驱动器解决方案通常将多个驱动器与保护功能和故障检测功能结合在一起。与离散实现的设计相比，这些产品降低了设计复杂性、缩短了开发时间、减少了物料清单 (BOM) 成本并提高了可靠性。
 
例如，半桥 GaN 驱动器包括独立且 TTL 兼容的顶部和底部驱动器级、逻辑控制以及短路、欠压和过电压保护功能。 这些器件可以配置成各种拓扑结构，包括同步半桥、全桥、降压、升压和降压-升压配置。
 
超快栅极驱动器 是另一项最新研发成果。最近推出的器件可以向 200 pF 负载提供高达 7 A 的输出电流，上升和下降时间分别为 0.65 ns 和 0.70 ns。这些驱动器的栅极驱动器电压范围为 4.5 V 至 5.5 V，专为 GaN 器件量身定制。
 
所有这些隔离栅极驱动器都需要满足一个共同的要求，即需要为隔离输出级提供隔离电源。尽管峰值电流很高，但平均功耗只有几瓦，因此这些 DC/DC 电源体积可以非常小巧。它们需要满足的另一个要求是，需要产生不对称电压。例如，许多 SiC 晶体管可在高达 +18 V 低至 -4 V 栅极驱动电压驱动时达到最佳性能。其他器件可能需要不同的栅极驱动电压才能达到最佳性能，例如 +20 V/-5 V、+15 V/-3 V、+6 V/-1 V 或 +15 V/-9 V。
 

共同封装可以简化设计任务

鉴于驱动 WBG 晶体管本就困难，一些制造商尝试通过将 SiC 或 GaN 功率器件和栅极驱动器集成到单个封装中来完全避免这些问题，也就不足为奇了。这种方法有利有弊。有利的一面在于：

提高空间效率。将栅极驱动器和功率晶体管集成在单个封装中，可以减少印刷电路板 (PCB) 的占用空间，简化布局并降低成本。

减少寄生效应。集成栅极驱动器和功率晶体管可最大限度缩短两者之间的互连长度。因此，可降低寄生电感和电容，从而提高开关性能并降低电磁干扰 (EMI)。

增强性能。共同封装可以优化栅极驱动电路。栅极驱动器可根据功率晶体管的特性进行专门定制，确保高效开关并降低开关损耗。

改善散热性能。如果栅极驱动器和功率晶体管共用同一散热路径，散热会更有效，从而实现更好的热管理和更高的可靠性。

当然，也可能存在不利的一面。

灵活性有限。集成封装可能无法提供独立选择不同栅极驱动器或功率晶体管的灵活性。

隔离要求。栅极驱动器和功率晶体管需要进行电气隔离，以防止串扰并确保安全。共同封装的解决方案必须有效满足隔离要求。

测试和调试复杂性。当栅极驱动器和功率晶体管封装在一起时，故障排除变得更具挑战性。如出现隔离故障或失效，需要采用专门的工具和专业知识解决。

虽然共同封装对于开关斜率陡峭的高速开关而言利大于弊，但仍然需要外部隔离电源。这些 DC/DC 转换器需要能够应对高 dv/dt 开关转换，因此必须具备低隔离电容和高 CMTI 抗扰度。

RECOM 适用于 WBG 功率级的电源

RECOM 拥有多个隔离型 DC/DC 转换器系列，可以为 SiC 和 GaN 栅极驱动器供电。
 
SiC MOSFET. RxxP22005D 和 RKZ-xx2005D 系列提供 +20 V 和 -5 V 的不对称输出电压，可高效且有效地开关 SiC MOSFET。RxxP21503D 系列提供 +15 V 和 -3 V 的不对称输出电压，可高效开关第二代 SiC MOSFET。
 
GaN HEMT. 采用 RECOM 的 RP-xx06S 和 RxxP06S 系列 DC/DC 转换器（具有高隔离电压和低隔离电容）供电时，高压摆率 GaN 晶体管驱动器 可在 +6 V 电压下实现最佳开关性能。在必须考虑较高噪声和干扰的 GaN 应用中，RECOM 还提供具有 +9 V 输出电压的转换器，该输出电压可以通过齐纳二极管分为 +6 V 和 -3 V，以在关断时提供负栅极电压，确保栅极电压始终低于导通阈值。
 
下表总结了推荐用于 WBG 器件和 IGBT 的 DC/DC 转换器。
 
R-REF-HB 半桥栅极驱动器电源参考设计 (RD) 包括一个半桥和一个完全隔离的驱动器级，前者适用于高达 1 kVDC 的电压，后者为低侧和高侧开关晶体管提供隔离电源。
 
R-REF01-HB 包括两个 R12P22005D、R12P21503D、R12P21509D 和 R12P06S DC/DC 转换器，可产生适用于 SiC 和 GaN 器件的栅极驱动电压。利用这些转换器，可以输出以下栅极驱动电压：
  +20V/-5V
  +15 V/-3V 或 +18V*
  +15V/-9V
  +6V
 
RECOM 工程师密切关注该领域的发展，并随着新器件的上市推荐合适的栅极驱动器电源。

例如，Gen IV 35 mΩ 650 V GaN FET 采用 TO-247 封装，并带有额外的开尔文源级引脚，可实现最佳开关控制。RECOM 推荐使用可输出 +15/-3 V 栅极驱动器电压的 R-REF01-HB，以充分发挥这种新型技术的性能。

结论

WBG 功率器件技术领域发展迅速，新的栅极驱动器 不断涌入市场以适应新的器件和拓扑结构。 RECOM 密切关注这一市场，我们的工程师将能够为您的 WBG 应用推荐合适的电源解决方案。