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發布日期：2022-05-18 點擊率：165
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【導讀】基于碳化硅(SiC)和氮化鎵(GaN)等材料的新型功率開關技術的出現促使性能大幅提升，超越了基于MOSFET和IGBT技術的傳統系統。更高的開關頻率將減小元件尺寸，從而減小成本、系統尺寸和重量；這些是汽車和能源等市場中的主要優勢。新型功率開關還將促使其控制元件發生變化，其中包括柵極驅動器。本文將探討GaN和SiC開關與IGBT/MOSFET的一些主要差異，以及柵極驅動器將如何為這些差異提供支持。
多年來，功率輸出系統的功率開關技術選擇一直非常簡單。在 低電壓水平(通常為600 V以下)，通常會選擇MOSFET；在高電壓 水平，通常會更多地選擇IGBT。隨著氮化鎵和碳化硅形式的新 型功率開關技術的出現，這種情況正面臨威脅。
這些新型開關技術在性能方面具有多項明顯優勢。更高的開關 頻率可減小系統尺寸和重量，這對太陽能面板等能源應用中使 用的光伏逆變器以及汽車等目標市場非常重要。開關速度從 20 kHz提高至100 kHz可大幅減小變壓器重量，從而使電動汽車的 電機更輕，而且還能擴大太陽能應用中所用的逆變器的范圍， 減小其尺寸，從而使其更適合國內應用。另外，更高的工作溫 度(尤其是GaN器件)和更低的開啟驅動要求還可簡化系統架構師 的設計工作。
與MOSFET/IGBT一樣，這些新技術(至少在初始階段)看起來能夠 滿足不同的應用需求。直到最近，GaN產品通常還處于200 V范圍 內，盡管近年來這些產品已經飛速發展，并且出現了多種600 V 范圍內的產品。但這仍然遠不及SiC的主要范圍(接近1000 V)，這 表明，GaN已自然而然地取代了MOSFET器件，而SiC則取代了 IGBT器件。既然超結MOSFET能夠跨越此鴻溝并實現最高達900 V 的高電壓應用，一些GaN研發開始提供能夠應對電壓在600 V以上 的應用的器件，這完全不足為奇。
然而，雖然這些優勢使得GaN和SiC功率開關對設計人員極具吸 引力，但這種好處并非毫無代價。最主要的代價是成本提高， 這種器件的價格比同等MOSFET/IGBT產品高出好幾倍。IGBT和 MOSFET生產是一種發展良好且極易掌握的過程，這意味著與其 新對手相比，其成本更低、價格競爭力更高。目前，與其傳統 對手相比，SiC和GaN器件的價格仍然高出數倍，但其價格競爭 力正在不斷提高。許多專家和市場調查報告已經表明，必須在 廣泛應用前大幅縮小價格差距。即使縮小了價格差距，新型功 率開關也不太可能立即實現大規模應用，甚至從長期預測來 看，傳統開關技術也仍將在未來一段時間內繼續占據大部分 市場。
除純成本和財務因素外，技術因素也會有一些影響。更高的開 關速度和工作溫度可能非常適合GaN/SiC開關，但是它們仍然會 為完成功率轉換信號鏈所需的周邊IC支持器件帶來問題。隔離 系統的一種典型信號鏈如圖1所示。雖然更高的開關速度會對 控制轉換的處理器和提供反饋回路的電流檢測系統產生影響， 但本文的其余部分將重點討論為功率開關提供控制信號的柵極 驅動器所遇到的變化。
圖1. 典型功率轉換信號鏈
GaN/SiC柵極驅動器
柵極驅動器可接收系統控制過程產生的邏輯電平控制信號，并 提供驅動功率開關柵極所需的驅動信號。在隔離系統中，它們 還可實現隔離，將系統帶電側的高電壓信號與在安全側的用戶 和敏感低電壓電路分離。為了充分利用GaN/SiC技術能夠提供更 高開關頻率的功能，柵極驅動器必須提高其控制信號的頻率。 當前的基于IGBT的系統可能在數十kHz范圍內切換；新出現的要 求表明，可能需要數百kHz、甚至是一至兩MHz的開關頻率。這 會對系統設計人員產生困擾，因為他們試圖消除從柵極驅動器 到功率開關之間的信號路徑中的電感。最大限度縮短走線長度 以避免走線電感將非常關鍵，柵極驅動器和功率開關的靠近布 局可能會成為標準做法。GaN供應商提供的推薦布局指南的絕 大部分都強調了低阻抗走線和平面的重要性。此外，使用者將 希望功率開關和支持IC供應商能夠解決封裝和金線引起的各種 問題。
SiC/GaN開關提供的更高工作溫度范圍也對系統設計人員極具吸 引力，因為這能夠讓他們更自由地提升性能，而不必擔心散熱 問題。雖然功率開關將在更高溫度下工作，但其周圍的硅類元 件仍然會遇到常規的溫度限制。由于必須將驅動器放置在開關 旁邊，希望充分利用新開關的更高工作范圍的設計人員正面臨 著一個問題，即溫度不能超過硅類元件溫度極限。
圖2. 典型柵極驅動器的傳播延遲和CMTI性能
更高的開關頻率還會產生共模瞬變抗擾性問題，這對系統設計 人員來說是一個非常嚴重的問題。在隔離式柵極驅動器中的 隔離柵上耦合的高壓擺率信號可能破壞數據傳輸，導致輸出 端出現不必要的信號。在傳統的基于IGBT的系統中，抗擾度介 于20 kV/μs和30 kV/μs之間的柵極驅動器足以抵抗共模干擾。但 是，GaN器件往往具有超過這種限制的壓擺率，為魯棒系統選 擇柵極驅動器，其共模瞬變抗擾度至少應為100 kV/μs。最近推 出的產品，例如ADuM4135采用了ADI公司的iCoupler?技術，提供最高達100 kV/μs的共模瞬變抗擾度，能夠應對此類應用。但 是，提高CMTI性能往往會產生額外的延遲。延遲增加意味著高 端和低端開關之間的死區時間增加，這會降低性能。在隔離式 柵極驅動器領域尤其如此，因為在此類領域中，信號在隔離柵 上傳輸，一般具有更長時間的延遲。但是，ADuM4135不僅提供 100 kV/μs CMTI，而且其傳播延遲僅為50 ns。
當然，對于承擔推動新型功率開關技術向前發展這一任務的柵 極驅動器，并非完全是壞消息。典型IGBT的柵極充電電荷高達 數百nC，因此，我們通常會發現柵極驅動器在2 A至6 A范圍內提 供輸出驅動能力。目前，市場上提供的GaN開關的柵極充電電 荷性能提升了10倍以上，通常處于5 nC至7 nC范圍內，因此，柵 極驅動器的驅動要求已顯著降低。降低柵極驅動器的驅動要求 可使柵極驅動器尺寸更小、速度更快，而且還能減少添加外部 緩沖器以增強電流輸出的需求，從而能夠節約空間和成本。
結論
人們很早以前就預測到，GaN和SiC器件將成為功率轉換應用中 的新型解決方案，這種技術人們期待已久，現在終于得以實 現。雖然這種技術能夠提供極具吸引力的優勢，但它們并非沒 有代價。為了提供出色性能，新型開關技術需要更改所用隔離 式柵極驅動器的要求，并且會為系統設計人員帶來新的問題。 優勢很明顯，并且也已經出現了多種解決這些問題的方案。而 且，市場上已經有現成且可行的GaN和SiC解決方案。
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