用于GaN MOSFET的隔离式栅极驱动器

隔离设备是一种集成电路，允许在高低压单元之间传输数据和能量，防止来自网络的危险或不受控制的瞬态电流的存在。目标是通过提高电源效率和增加功率传输速率（也称为开关频率，以千赫兹为单位）来增加功率密度和提供绝缘强度。

高功率密度和稳健性在能源管理应用中变得越来越重要，例如电源、太阳能逆变器和电动汽车 (EV) 的 DC/DC 转换器。绝缘稳健性是通过将隔离器与称为高速隔离栅极驱动器的关键功率组件集成来实现的。

图 1：隔离式栅极驱动器路线图

栅极驱动器在一个系统中实现，当电源开关在开/关模式下工作时，该系统在开关模式下工作，因此消耗零能量，理想情况下具有高开关频率。驱动器的工作原理类似于功率放大器，它接受来自 IC 控制器的低功率输入，并为功率 MOSFET 产生适当的高电流栅极驱动来开启或关闭。该方案适用于需要具有复杂智能的电力电子设备以满足严格的能耗和效率参数的高效和稳健的系统。应用包括数据中心、电信基站、工业自动化、电机驱动和网络基础设施。

电力转换市场趋势

随着串式逆变器取代中央逆变器，电力电子领域，尤其是功率转换领域，效率不断提高。这种转变可以加快电动汽车的充电速度，并支持相关的电动汽车系统，例如牵引逆变器和运动控制。高压储能系统可提高电机控制性能并优化相对于负载的功率性能。从能源的角度来看，98.5%的峰值转换效率是可以实现的，同样功率的直流电可以减少31%到37%。可以实现更小、更轻的车载逆变器，效率提高 10% 以上，体积减少 80%。

设计方面

提高集成度是实现电源在消耗更少电路板空间的同时实现更高功率水平的必要条件。共模瞬态抗扰度 (CMTI) 是一个重要参数，也是决定栅极驱动器稳健性的关键区别因素。高 CMTI 值意味着隔离式栅极驱动器可用于具有高开关频率的应用。

随着氮化镓 (GaN) 和碳化硅 (SiC) 等宽带隙半导体材料的出现，CMTI 正成为隔离式栅极驱动器的最关键参数。ADI 公司的小型隔离式栅极驱动器专为满足 SiC 和 GaN 等功率开关技术所需的高开关速度和严格的系统尺寸限制而设计。这些驱动器使发动机功率能够满足苛刻的新效率要求，其卓越的定时性能稳定性可减少电压失真。

小型栅极驱动器使设计人员能够灵活地设计下一代能量转换系统。它们为 IGBT 和 MOSFET 的开关特性提供可靠的控制。在需要多个电源开关的系统中，小型隔离式栅极驱动器可最大限度地减少 PCB 的布局空间，从而降低冷却要求。此外，驱动器的小尺寸使设计人员可以将它们放置在电源开关附近，以减少驱动器和开关之间的寄生电感。隔离式栅极驱动器采用 2.5 V 至 6.5 V 之间的输入电源运行，提供与低电压系统的兼容性，从而实现输入和输出之间的电流隔离。

技术比较

GaN 是市场增长率最高的宽带隙技术，并且正在从工业到汽车领域的应用中寻找设计位置。这里的重点不是工业伺服驱动器的运动或电机控制，而是能量存储、光伏逆变器和汽车电力电子设备。栅极电容的降低意味着驱动要求的降低，从而允许更高的开关频率。例如，典型的 IGBT 系统在低于 10 kHz 的频率下运行，而 SiC 可以增加到 100 kHz，而 GaN 允许在兆赫兹范围内运行。宽带隙材料更大的电子迁移率允许实现更高的开关速度并降低开关损耗。

ADI 产品组合中的解决方案提供现有 IGBT 和 MOSFET 应用所需的通用功能，同时提供新兴开关技术所需的性能水平。IGBT 的典型工作电压为 600/1,200/1,700 V 及以上，SiC 为 1,200 V 和 1,700 V，GaN 为 100 至 650 V。IGBT 的工作温度范围高达 125°C，SiC 和 GaN 器件的工作温度范围高达 225°C。IGBT 的开关频率约为 1 至 10 kHz，基于 SiC 的驱动器约为 100 kHz，而基于 GaN 的驱动器的开关频率在兆赫范围内。IGBT 的导通/关断电压范围高达 15 V，SiC 为 –6 V（关断）至 17 V（导通），GaN 为 –2 V（关断）至 8 V（导通）。IGBT 的栅极电荷约为 70 纳库仑 (nC) 或更多，SiC 的栅极电荷小于 30 nC，GaN 的栅极电荷小于 10 nC。

审核编辑：刘清