適用于高性能功率器件的 SiC 隔離解決方案

隨著設(shè)備變得越來越小，電源也需要跟上步伐。因此，當(dāng)今的設(shè)計人員有一個優(yōu)先目標(biāo)：化單位體積的功率（W/mm 3）。實現(xiàn)這一目標(biāo)的一種方法是使用高性能電源開關(guān)。盡管需要進一步的研發(fā)計劃來提高性能和安全性，并且使用這些寬帶隙 (WBG) 材料進行設(shè)計需要在設(shè)計過程中進行額外的工作，但氮化鎵 (GaN) 和 SiC 已經(jīng)為新型電力電子產(chǎn)品鋪平了道路階段。

使用 SiC 柵極驅(qū)動器可以減少 30% 的能量損耗，同時限度地延長系統(tǒng)正常運行時間。
Maxim Integrated 推出了一款碳化硅 (SiC) 隔離式柵極驅(qū)動器，用于工業(yè)市場的高效電源。該公司聲稱，與競爭解決方案相比，新設(shè)備的功耗降低了 30%，碳足跡降低了 30%。
系統(tǒng)制造商對提高其設(shè)計的電源效率越來越感興趣；能源效率和降低成本的結(jié)合對于市場領(lǐng)導(dǎo)地位變得至關(guān)重要。從半導(dǎo)體材料的角度來看，這一領(lǐng)域已經(jīng)取得了相當(dāng)大的進展，現(xiàn)在已經(jīng)有了可以高速開關(guān)的產(chǎn)品，提高了系統(tǒng)級效率，同時縮小了解決方案尺寸。
隨著設(shè)備變得越來越小，電源也需要跟上步伐。因此，當(dāng)今的設(shè)計人員有一個優(yōu)先目標(biāo)：化單位體積的功率（W/mm 3）。實現(xiàn)這一目標(biāo)的一種方法是使用高性能電源開關(guān)。盡管需要進一步的研發(fā)計劃來提高性能和安全性，并且使用這些寬帶隙 (WBG) 材料進行設(shè)計需要在設(shè)計過程中進行額外的工作，但氮化鎵 (GaN) 和 SiC 已經(jīng)為新型電力電子產(chǎn)品鋪平了道路階段。
帶隙、擊穿場、熱導(dǎo)率、電子遷移率和電子漂移速度等特性是工程師可以從使用 GaN 和 SiC 等 WBG 半導(dǎo)體中獲得的主要優(yōu)勢。基于WBG 半導(dǎo)體的功率開關(guān)模塊的優(yōu)點包括高電流密度、更快的開關(guān)和更低的漏源電阻(R DS(on) )。
SiC 將決定多種工業(yè)應(yīng)用的功率速率。它的帶隙為 3.2 電子伏特 (eV)，在導(dǎo)帶中移動電子所需的能量可提供比相同封裝規(guī)模的硅更高的電壓性能。SiC 較高的工作溫度和高導(dǎo)熱性支持高效的熱管理。
許多開關(guān)電源應(yīng)用正在采用 SiC 解決方案來提高能源效率和系統(tǒng)可靠性。

圖 1：隔離式柵極驅(qū)動器的一般框圖

電源中的高開關(guān)頻率會導(dǎo)致產(chǎn)生噪聲瞬變的操作困難，從而導(dǎo)致整個系統(tǒng)效率低下。與硅的化學(xué)結(jié)構(gòu)相比，新技術(shù)的化學(xué)結(jié)構(gòu)使得新器件具有低電荷和快速開關(guān)的特性。
隔離柵極驅(qū)動器廣泛用于驅(qū)動 MOSFET 和 IGBT 并提供電流隔離。MOSFET 和 IGBT 的開關(guān)頻率通常高于 10 kHz。然而，基于 SiC 和 GaN 的系統(tǒng)可以在更高的開關(guān)頻率下運行，并且在轉(zhuǎn)換過程中不會出現(xiàn)顯著的功率損耗。顯著的優(yōu)點是尺寸減小和變形更少（圖 1）。
快速開關(guān)會產(chǎn)生噪聲瞬變，從而導(dǎo)致閂鎖，從而導(dǎo)致調(diào)制損失甚至性系統(tǒng)損壞。為了解決這個問題，需要提高用于驅(qū)動系統(tǒng)的元件的抗噪聲能力。此外，與開關(guān)相關(guān)的功耗和傳導(dǎo)損耗會產(chǎn)生必須通過散熱器散發(fā)的熱量，從而增加了解決方案的尺寸。
這些瞬變的強度可能是由寄生脈沖門的驅(qū)動電路引起的，從而導(dǎo)致短路情況?？刂乒β兽D(zhuǎn)換器的驅(qū)動電路必須設(shè)計成能夠承受這些噪聲源，從而避免二次短路。驅(qū)動器電路承受共模噪聲瞬態(tài)的能力是其共模瞬態(tài)抗擾度 (CMTI)，以 kV/μs 表示。CMTI 是所有處理兩個獨立接地參考（隔離柵極驅(qū)動器）之間差分電壓的柵極驅(qū)動器的關(guān)鍵參數(shù)。
了解和測量對這些瞬變的敏感度是設(shè)計新電源的重要一步。隔離柵上的電容為快速瞬變穿過隔離柵并破壞輸出波形提供了路徑。
Maxim Integrated 的新型MAX22701E驅(qū)動器具有 300kV/μs 的高 CMTI，從而延長系統(tǒng)正常運行時間。該驅(qū)動器專為高功率工業(yè)系統(tǒng)中的開關(guān)電源而設(shè)計，例如太陽能逆變器、電機驅(qū)動器和儲能系統(tǒng)。MAX22701E 與 SiC 和 GaN 兼容，可驅(qū)動基于任一 WBG 材料的 FET。據(jù)該公司稱，其技術(shù)規(guī)格減少了停機時間和能源損失。
MAX22701E 采用八引腳 (3.90 × 4.90mm) 窄體 SOIC 封裝，工作溫度范圍為 –40°C 至 125°C (圖 2)。

圖 2： MAX22701E 框圖（圖片Maxim Integrated）

高 CMTI 決定驅(qū)動器兩側(cè)的正確操作，限度地減少錯誤，從而增強所用柵極驅(qū)動器的魯棒性。CMTI 是與隔離器相關(guān)的三個關(guān)鍵特性之一。其他是傳播延遲匹配和工作電壓。據(jù)Maxim Integrated稱，MAX22701E提供業(yè)界的器件間傳播延遲匹配，高側(cè)和低側(cè)柵極驅(qū)動器之間的傳播延遲匹配為5 ns（值）。這有助于限度地減少晶體管的死區(qū)時間并限度地提高電源效率。該器件提供 3 kV rms的電流隔離，持續(xù) 60 秒。
Maxim 工業(yè)和醫(yī)療保健業(yè)務(wù)部業(yè)務(wù)經(jīng)理 Suravi Karmacharya 表示：“隨著 SiC 和 GaN 等功率半導(dǎo)體器件的不斷進步和采用，行業(yè)正在轉(zhuǎn)向更節(jié)能、更可靠的解決方案?！比诤系??！芭c傳統(tǒng) MOSFET 和 IGBT 解決方案相比，該設(shè)備需要越來越高性能的開關(guān)頻率，并在開關(guān)瞬態(tài)時具有高 dV/dt 特性。我們的隔離式 SiC 柵極驅(qū)動器提供了一種解決方案，可限度地提高系統(tǒng)電源效率并增加嘈雜環(huán)境中的正常運行時間?！?/p>