新型电源开关技术和隔离式栅极驱动器不断变化的格局

基于材料的新型电源开关技术的出现 如碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）提供了跳跃 性能优于基于 MOSFET 和 IGBT 的传统系统 科技。更高的开关频率将减小元件尺寸， 允许降低成本、尺寸和重量;这些是关键优势 在汽车和能源等市场。新的电源开关也将 控制它们的组件（包括浇口）上的力变化 司机。本文将探讨GaN和 SiC 开关与 IGBT/MOSFET，并讨论栅极驱动器将如何支持 这些差异。

多年来电源开关技术的供电选择 系统非常简单。在较低电压电平下 （通常高达 600 V），MOSFET 通常是事实上的选择，具有 更高的电压电平通常是IGBT的域。 随着新型电源开关的出现，现状受到威胁 氮化镓和碳化硅形式的技术。

这些新的开关技术在以下方面具有以下显著优势： 性能条款。更高的开关频率减小了系统尺寸 和重量，这在考虑目标市场时很重要，例如 作为汽车和光伏逆变器用于能源应用，例如 太阳能电池板。将开关速度从 20 kHz 提高到 100 kHz 可提供 显著减轻变压器重量，使电机更轻 电动汽车，增加续航里程，缩小逆变器尺寸 用于太阳能应用，使其更容易被家庭接受 应用。此外，更高的工作温度（特别是 GaN器件）和较低的导通驱动要求简化了设计工作 对于系统架构师。

与MOSFET / IGBT一样，新技术（至少在最初）似乎可以发挥作用 不同的应用需求。直到最近，GaN产品通常都是 在 200 V 范围内，尽管近年来这种情况迅速扩大 并且已经出现了600V范围内的几种产品。这仍然不是 侵占SiC的主要范围，更接近1000 V范围， 可能表明GaN成为MOSFET的自然继承人 器件，使SiC成为IGBT器件的替代品。然而 正如SJ MOSFET跨越间隙进入更高电压的应用一样 到 900 V，一些 GaN 开发是 开始提供能够处理上述应用程序的设备 600V电平。

然而，虽然这些优势使GaN和SiC功率开关成为 对设计师有吸引力的主张，好处不是免费提供的。 首先是成本，设备价格比成本高出几倍 它们的MOSFET/IGBT等效物。IGBT和MOSFET生产是一口井 开发和高度理解的工艺，这意味着它的成本很高 与较新的竞争对手相比，在价格竞争方面进行了优化和定位。 目前，SiC和GaN器件的价格仍然高出几倍，而 与传统竞争对手相比，不断变得更具价格竞争力。多 专家和市场报告表示，定价差距将有 在广泛采用之前显着关闭。即便如此， 不应该期望大规模转换，即使是长期估计 将预测传统开关技术保留大部分 未来一段时间的市场。

除了纯粹的成本和财务考虑之外，技术考虑 也开始发挥作用。更高的开关速度和更高的操作性 温度可能是氮化镓/碳化硅开关的良好工作点， 但它们仍然给周围IC的配角带来问题 需要完成电源转换信号链。典型信号 隔离系统的链如图1所示。虽然增加 开关速度对控制的两个处理器都有影响 转换和电流感，提供反馈 循环，本文的其余部分将重点介绍 为电源开关提供控制信号的栅极驱动器。

图1.典型功率转换信号链

用于氮化镓/碳化硅的栅极驱动器

栅极驱动器接收过程产生的逻辑电平控制信号 控制系统，并提供驱动所需的驱动信号 电源开关的栅极。在隔离的系统中，它们还提供 隔离，分离系统带电侧的高压信号 两个用户，安全侧具有敏感的低压电路。 充分利用 GaN/SiC技术中，栅极驱动器必须提高其频率 控制信号。目前基于IGBT的系统可能会切换数十个 千赫范围;新出现的需求表明开关频率 在数百kHz，可能高达一到两MHz范围内 是必需的。这给系统设计人员带来了问题，因为他们试图 消除从栅极驱动器到电源开关的信号路径中的电感。 最小化走线长度以避免走线电感将是关键和关闭 栅极驱动器与电源开关的共置可能成为常态。 GaN供应商推荐的大多数（如果不是全部）布局指南强调 低阻抗走线和平面的重要性。此外，采用者 将寻求电源开关和支持IC供应商来解决问题 由包装和键合线引起。

SiC/GaN 开关提供的更高工作温度范围将 对系统设计人员也具有吸引力，允许更多的自由推动 性能不会遇到散热问题。而电源开关 将在更高的温度下工作，硅基组件 它们周围仍然面临与往常相同的温度限制。鉴于 需要将驱动器放置在开关旁边，设计人员希望 利用新开关更高的工作温度 面对不超过硅基温度限制的问题 部件。

图2.典型栅极驱动器的传播延迟与CMTI性能的关系。

较高的开关频率也可能导致最大的 系统设计人员面临的问题：共模鲁棒性 瞬 变。跨隔离栅耦合的高压摆率信号 在隔离式栅极驱动器中发现会破坏数据传输，从而导致 在输出上不需要的信号中。在传统的基于IGBT的系统中， 已知抗扰度为 20 kV/μs 至 30 kV/μs 的栅极驱动器 提供足够的共模事件抗扰度。然而 氮化镓器件的压摆率通常超过这些限值，并且 稳健的系统设计栅极驱动器，支持共模瞬变 需要 100 kV/μs 及以上的抗扰度。更多最新 产品，如ADuM4135，采用i耦合器技术 ADI公司，提供对共模瞬变的抗扰度 直接响应 100 kV/μs。提高CMTI性能， 但是，通常可能会以额外的延迟为代价。延迟增加 意味着增加高边和低边开关之间的死区时间， 性能下降。在孤立地区尤其如此 栅极驱动器，传统上由于传输而具有更长的延迟 跨越隔离栅的信号。但是，ADuM4135 在 提供 100 kV/μs CMTI，同时仍提供 50 ns 的传播延迟。®

对于负责驱动新电源的栅极驱动器来说，这个消息并不全是坏消息 开关技术。典型的IGBT具有数百种栅极电荷 nC 范围，因此，通常会找到栅极驱动器产品 2 A 至 6 A 范围内的输出驱动能力。目前，可用的氮化镓 开关可将栅极电荷提高 10× 以上，通常 5 nC 至 7 nC 范围，因此栅极驱动器的驱动要求 显著减少。降低栅极驱动器的驱动要求允许 更小的更快栅极驱动器，减少了对外部缓冲器升压的需求 电流输出，从而节省空间和成本。

结论

GaN和SiC器件作为功率转换的新解决方案的出现 应用早已被预测，翘首以盼，终于有了 到。虽然这些技术提供了有吸引力的好处，但它们不是免费的。 的成本。为了提供最佳性能，新的开关技术 将更改对使用的隔离式栅极驱动器的要求，以及 将给系统设计人员带来新的问题。好处是显着的 这些问题的解决方案已经出现;此外，可行的氮化镓 基于 SiC 的解决方案随时可用。

审核编辑：郭婷