面向IGBT与MOSFET的栅极驱动器

随着新的应用领域和市场的出现，近年来全球电力需求猛增，使得节能成为设备设计的重要方面。这使得高效逆变器电路和转换器必不可少，特别是对于需要高功率转换的电源和驱动器。

随着实现高效率的需要，减小器件尺寸的挑战也增加了。这种降低通常是通过提高工作频率来实现的。反过来，这种增加需要更复杂的驱动器和优化碳化硅 (SiC) MOSFET 或 IGBT 的驱动电压。

在减小器件尺寸的同时提高效率的目标增加了对高性能功率器件和栅极驱动器的需求。因此，预计 SiC 功率器件的市场将扩大，它体现了高效率，并在新一代逆变器中越来越受欢迎。SiC 二极管已经用于电源和大功率逆变器的功率因数校正 (PFC) 电路中，并且 SiC MOSFET 越来越多地用于开关应用。SiC MOSFET 可通过实现高速开关以及故障保护和配置的电路布局来降低栅极控制电路中产生的噪声，从而提高逆变器效率。

Tamura 栅极驱动器模块 Tamura

在磁路领域具有核心竞争力，在开发 SiC/IGBT 栅极驱动器模块 (GDM) 方面拥有多年经验。该公司的目标是设计高度集成的设备，例如模块，而不是单个组件。这些模块简化了电路设计，因为它们本质上是即插即用的：根据 Tamura 的说法，设计人员只需要定义输入和输出信号，其他一切都由模块内部执行。

栅极驱动器模块的一个显着特点是栅极驱动信号使用磁耦合传输，这是 Tamura 拥有丰富经验的技术。它的模块有独立版本(“驱动模块”)和连接器板(“驱动单元”)，能够安装在任何制造商的相应电源模块上。Tamura 希望优化其模块的占地面积和外形，并最近推出了将更大的变压器换成平面等效物的设备。据该公司称，改用平面变压器将绝缘电压提高到 5 kV。

大多数模块的额定最大输出功率约为 150 kW，但也可提供能够提供高达 1 MW 的“4in1”驱动单元。第一代(最高 1,200V)产品包括驱动模块和驱动单元。第二代(最高 1,700V)器件还包括三电平 DC/DC 转换器和 4 合 1 驱动器单元。

根据具体应用，设计人员可以决定是围绕 DC/DC 转换器设计一个完整的驱动器，还是使用 2in1 解决方案(模块和驱动器单元)。Tamura 表示，其一体化解决方案节省了完整设计活动所需的时间和成本，该公司还引用了其模块的其他优势。

例如，假设共模噪声存在问题，我们希望消除由它引起的任何故障。一个典型的解决方案是提高 dV/dt，但这需要低寄生电容。Tamura 模块的杂散电容非常低(2DD 系列为 9 pF，2DMB 系列为 12 pF)，因此可以抑制由高 dV/dt 引起的共模噪声，防止由于噪声传播到输入侧而导致设备故障和其他渠道。

图 1：软关断保护(图片：Tamura)

根据 Tamura 的说法，即使在更高的开关频率下，驱动器电路的内部阻抗也非常低，仅为 50 mΩ 或更低;因此，开关速度不受栅极阻抗的影响。小型模块封装适合大多数功率模块类型的占位面积，使设计人员在安排模块布局时具有一定的自由度，以最大限度地提高效率并最大限度地降低噪声。Tamura 设计了自己的平面变压器，适用于 1,700-V 模块系列。

该公司的 GDM 包括多种保护模式，例如软关断。如图 1所示，通过在软关断引脚上添加一个电阻，可以定义关断时间。

GDM 中的米勒钳位功能可防止具有低阈值电压和高 dV/dt 的 SiC 功率模块发生故障。这种保护可防止由于连接到输出引脚的功率器件的米勒电流导致栅极电压升高。最后，有源钳位栅极功能可保护电源模块免受影响集电极-发射极电压 (VCE) 信号的浪涌影响。

ROHM、TI、Maxim 和英飞凌

ROHM Semiconductor 已开发出具有集成隔离器的栅极驱动器，可充分利用 IGBT 和 MOSFET 电源的性能。据 ROHM 称，BM6104FV 集成了短路保护，而 BM60014FV 的简单设计加快了产品开发过程。栅极驱动器采用紧凑型封装，该公司称这是业内最小的包含隔离器的封装。这些产品结合了公司的 Bi-CDMOS 技术和新的片上变压器技术。

去年年底，德州仪器推出了具有集成检测功能的隔离式栅极驱动器，适用于 IGBT 和 SiC MOSFET。据 TI 称，这些新产品具有先进的监控和保护系统，并提高了汽车和工业应用中的整体系统效率。栅极驱动器让设计人员能够创建特别紧凑的设计，同时为牵引逆变器、集成电池充电器、光伏逆变器和电机驱动器等应用实现更高的效率和更高的性能。新器件为 SiC IGBT 和 MOSFET 提供集成传感功能，简化设计并在高达 1.5 kVrms 的应用中实现更高的系统可靠性。

Maxim Integrated 的新型 MAX22701E 驱动器具有 300 kV/µs 的高共模瞬态抗扰度 (CMTI)，可延长系统正常运行时间。杂散脉冲栅极的驱动电路可能会导致共模瞬变，从而导致短路。控制功率转换器的驱动电路必须设计成能承受这些噪声源。Maxim Integrated 的驱动器专为太阳能逆变器、电机驱动和储能系统等大功率工业系统中的开关电源而设计。

MAX22701E 与 SiC 和氮化镓 (GaN) FET 兼容，并具有该公司表示可减少停机时间和损耗的技术规格。该驱动器采用 8 引脚 3.9 × 4.9mm 窄体小外形 IC 封装，温度范围扩展为 –40°C 至 125°C(图 2)。

图 2：MAX22701E 框图(图片：Maxim Integrated)

英飞凌科技拥有一系列用于高性能电源转换应用的双通道 EiceDRIVER 集成电路。栅极驱动器适用于服务器、电信和工业开关电源中的高压 PFC 和 DC/DC 级以及同步研磨级。其他应用包括 48 至 12 V DC/DC 转换器、电池和电动汽车充电站、智能电网和太阳能微型逆变器。

EiceDRIVER 系列提供 7 ns 的输入到输出传播延迟精度和 3 ns 的通道到通道精度，支持电源转换系统所需的效率水平。该系列强大的集成电流隔离对于半桥配置非常重要，无论是从输入到输出还是在输出通道之间。此外，据英飞凌称，增强型集成输入到输出隔离可在需要时提供电气安全性。

审核编辑：汤梓红