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新型功率开关技术和隔离式栅极驱动器不断变化的格局

发布时间:2020-08-04 来源:Maurice Moroney 责任编辑:wenwei

【导读】基于碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)等材料的新型功率开关技术的出现促使性能大幅提升,超越了基于MOSFET和IGBT技术的传统系统。更高的开关频率将减小元件尺寸,从而减小成本、系统尺寸和重量;这些是汽车和能源等市场中的主要优势。新型功率开关还将促使其控制元件发生变化,其中包括栅极驱动器。本文将探讨GaN和SiC开关与IGBT/MOSFET的一些主要差异,以及栅极驱动器将如何为这些差异提供支持。
 
多年来,功率输出系统的功率开关技术选择一直非常简单。在 低电压水平(通常为600 V以下),通常会选择MOSFET;在高电压 水平,通常会更多地选择IGBT。随着氮化镓和碳化硅形式的新 型功率开关技术的出现,这种情况正面临威胁。
 
这些新型开关技术在性能方面具有多项明显优势。更高的开关 频率可减小系统尺寸和重量,这对太阳能面板等能源应用中使 用的光伏逆变器以及汽车等目标市场非常重要。开关速度从 20 kHz提高至100 kHz可大幅减小变压器重量,从而使电动汽车的 电机更轻,而且还能扩大太阳能应用中所用的逆变器的范围, 减小其尺寸,从而使其更适合国内应用。另外,更高的工作温 度(尤其是GaN器件)和更低的开启驱动要求还可简化系统架构师 的设计工作。
 
与MOSFET/IGBT一样,这些新技术(至少在初始阶段)看起来能够 满足不同的应用需求。直到最近,GaN产品通常还处于200 V范围 内,尽管近年来这些产品已经飞速发展,并且出现了多种600 V 范围内的产品。但这仍然远不及SiC的主要范围(接近1000 V),这 表明,GaN已自然而然地取代了MOSFET器件,而SiC则取代了 IGBT器件。既然超结MOSFET能够跨越此鸿沟并实现最高达900 V 的高电压应用,一些GaN研发开始提供能够应对电压在600 V以上 的应用的器件,这完全不足为奇。
 
然而,虽然这些优势使得GaN和SiC功率开关对设计人员极具吸 引力,但这种好处并非毫无代价。最主要的代价是成本提高, 这种器件的价格比同等MOSFET/IGBT产品高出好几倍。IGBT和 MOSFET生产是一种发展良好且极易掌握的过程,这意味着与其 新对手相比,其成本更低、价格竞争力更高。目前,与其传统 对手相比,SiC和GaN器件的价格仍然高出数倍,但其价格竞争 力正在不断提高。许多专家和市场调查报告已经表明,必须在 广泛应用前大幅缩小价格差距。即使缩小了价格差距,新型功 率开关也不太可能立即实现大规模应用,甚至从长期预测来 看,传统开关技术也仍将在未来一段时间内继续占据大部分 市场。
 
除纯成本和财务因素外,技术因素也会有一些影响。更高的开 关速度和工作温度可能非常适合GaN/SiC开关,但是它们仍然会 为完成功率转换信号链所需的周边IC支持器件带来问题。隔离 系统的一种典型信号链如图1所示。虽然更高的开关速度会对 控制转换的处理器和提供反馈回路的电流检测系统产生影响, 但本文的其余部分将重点讨论为功率开关提供控制信号的栅极 驱动器所遇到的变化。
 
新型功率开关技术和隔离式栅极驱动器不断变化的格局
图1. 典型功率转换信号链
 
GaN/SiC栅极驱动器
 
栅极驱动器可接收系统控制过程产生的逻辑电平控制信号,并 提供驱动功率开关栅极所需的驱动信号。在隔离系统中,它们 还可实现隔离,将系统带电侧的高电压信号与在安全侧的用户 和敏感低电压电路分离。为了充分利用GaN/SiC技术能够提供更 高开关频率的功能,栅极驱动器必须提高其控制信号的频率。 当前的基于IGBT的系统可能在数十kHz范围内切换;新出现的要 求表明,可能需要数百kHz、甚至是一至两MHz的开关频率。这 会对系统设计人员产生困扰,因为他们试图消除从栅极驱动器 到功率开关之间的信号路径中的电感。最大限度缩短走线长度 以避免走线电感将非常关键,栅极驱动器和功率开关的靠近布 局可能会成为标准做法。GaN供应商提供的推荐布局指南的绝 大部分都强调了低阻抗走线和平面的重要性。此外,使用者将 希望功率开关和支持IC供应商能够解决封装和金线引起的各种 问题。
 
SiC/GaN开关提供的更高工作温度范围也对系统设计人员极具吸 引力,因为这能够让他们更自由地提升性能,而不必担心散热 问题。虽然功率开关将在更高温度下工作,但其周围的硅类元 件仍然会遇到常规的温度限制。由于必须将驱动器放置在开关 旁边,希望充分利用新开关的更高工作范围的设计人员正面临 着一个问题,即温度不能超过硅类元件温度极限。
 
新型功率开关技术和隔离式栅极驱动器不断变化的格局
图2. 典型栅极驱动器的传播延迟和CMTI性能
 
更高的开关频率还会产生共模瞬变抗扰性问题,这对系统设计 人员来说是一个非常严重的问题。在隔离式栅极驱动器中的 隔离栅上耦合的高压摆率信号可能破坏数据传输,导致输出 端出现不必要的信号。在传统的基于IGBT的系统中,抗扰度介 于20 kV/μs和30 kV/μs之间的栅极驱动器足以抵抗共模干扰。但 是,GaN器件往往具有超过这种限制的压摆率,为鲁棒系统选 择栅极驱动器,其共模瞬变抗扰度至少应为100 kV/μs。最近推 出的产品,例如ADuM4135采用了ADI公司的iCoupler®技术,提供最高达100 kV/μs的共模瞬变抗扰度,能够应对此类应用。但 是,提高CMTI性能往往会产生额外的延迟。延迟增加意味着高 端和低端开关之间的死区时间增加,这会降低性能。在隔离式 栅极驱动器领域尤其如此,因为在此类领域中,信号在隔离栅 上传输,一般具有更长时间的延迟。但是,ADuM4135不仅提供 100 kV/μs CMTI,而且其传播延迟仅为50 ns。
 
当然,对于承担推动新型功率开关技术向前发展这一任务的栅 极驱动器,并非完全是坏消息。典型IGBT的栅极充电电荷高达 数百nC,因此,我们通常会发现栅极驱动器在2 A至6 A范围内提 供输出驱动能力。目前,市场上提供的GaN开关的栅极充电电 荷性能提升了10倍以上,通常处于5 nC至7 nC范围内,因此,栅 极驱动器的驱动要求已显著降低。降低栅极驱动器的驱动要求 可使栅极驱动器尺寸更小、速度更快,而且还能减少添加外部 缓冲器以增强电流输出的需求,从而能够节约空间和成本。
 
结论
 
人们很早以前就预测到,GaN和SiC器件将成为功率转换应用中 的新型解决方案,这种技术人们期待已久,现在终于得以实 现。虽然这种技术能够提供极具吸引力的优势,但它们并非没 有代价。为了提供出色性能,新型开关技术需要更改所用隔离 式栅极驱动器的要求,并且会为系统设计人员带来新的问题。 优势很明显,并且也已经出现了多种解决这些问题的方案。而 且,市场上已经有现成且可行的GaN和SiC解决方案。
 
 
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