本白皮書概述了SiC MOSFET柵極驅動光電耦合器。它討論了SiC MOSFET能夠在高電壓，高頻率和高溫度下工作的優勢。它還討論了SiC MOSFET如何將整體系統效率提高10％以上，并具有更高的開關能力，從而可以減小整體系統尺寸和成本。

介紹

碳化硅（SiC）功率半導體正在迅速進入商業市場，與傳統的基于硅的功率半導體相比，具有許多優勢。SiC MOSFET可以將整體系統效率提高10％以上，而更高的開關能力可以減小整體系統的尺寸和成本。技術優勢加上較低的成本，使得SiC功率半導體在工業電機控制，感應加熱和工業電源以及可再生能源等應用中得到了快速采用。

Avago Technologies的柵極驅動光電耦合器廣泛用于驅動IGBT和功率MOSFET等基于硅的半導體。光耦合器用于在控制電路與高壓和功率半導體之間提供增強的電絕緣。抑制高共模噪聲（CMR）的能力將防止在高頻切換過程中功率半導體的錯誤驅動。本文將討論下一代柵極驅動光耦合器如何用于保護和驅動SiC MOSFET。

SiC MOSFET的優勢

碳化硅是一種由硅和碳組成的寬帶隙（3.2 eV）化合物。寬帶隙SiC除了能夠在高電壓，頻率和溫度下工作外，其導通電阻和柵極電荷還比硅材料低一個數量級。在CREE進行的評估中，比較了第二代1200 V / 20 A SiC MOSFET與使用10 KW硬開關交錯式Boost DC / DC轉換器的硅高速1200 V / 40 A H3 IGBT。結果表明，即使開關頻率是原來的五倍，SiC解決方案在100 KHz時仍可實現99.3％的最大效率，與IGBT解決方案在20 KHz時的最佳效率相比，損耗降低了18％。

CREE最近發布的C2M MOSFET系列為工程師提供了廣泛的，價格具有競爭力的1200 V和1700 V SiC MOSFET，適用于各種應用。Cree能夠顯著降低成本，同時提供改進的開關性能和更低的Rds（on）。增加開關頻率可以顯著減小電感器的尺寸。較低的傳導和開關損耗使工程師可以減小散熱器的尺寸，或者潛在地移除風扇并轉向被動冷卻解決方案。較小的電感器和散熱器可以顯著減小系統尺寸。盡管SiC半導體的成本高于Si，但整個系統的BOM成本可以比Si技術低20％。

SiC MOSFET市場及采用

SiC技術現已被公認為是硅的可靠替代品。全球已有30多家公司建立了SiC技術制造能力，并開展了相關的商業和促銷活動。許多功率模塊和功率逆變器制造商已將SiC納入其未來產品的路線圖。

太陽能逆變器制造商和服務器電源是最早采用SiC半導體的公司，因為效率對其技術排名至關重要。2013年，歐洲頂級太陽能逆變器制造商REFU，SMA和Delta宣布了一種內部裝有SiC的新型號。與同等的IGBT逆變器相比，《光子》雜志對SMA SiC逆變器進行了評估，效率從98％提高到99％，逆變器的物理重量減少了30％。隨著可用性的提高，電壓種類的增加和成本的降低，SiC半導體的產量將逐漸增加，從而導致在電機驅動，鐵路牽引工業UPS甚至混合動力汽車等應用中得到更多的采用。

Avago Technologies的柵極驅動光電耦合器已廣泛用于驅動IGBT等基于硅的半導體。本文將討論如何復制下一代柵極驅動光電耦合器的改進，以驅動和保護SiC MOSFET。

SiC MOSFET柵極驅動光耦合器

Avago Technologies已與SiC市場領先者CREE Inc緊密合作，以確定適合SiC MOSFET操作的合適的柵極驅動光電耦合器。我們使用100 kHz的8A SEPIC DC-DC轉換器評估了帶有CREE C2M SiC MOSFET的柵極驅動光電耦合器ACPL-W346和ACPL-339J。這兩個光耦合器的柵極驅動能力滿足了
CREE的98％的效率要求，如圖1所示。

利用Avago柵極驅動光電耦合器和CREE C2M0080120D SiC MOSFET實現高效率

為了匹配CREE SiC MOSFET的低開關損耗，柵極驅動器必須能夠以快速壓擺率提供高輸出電流和電壓，以克服SiC MOSFET的柵極電容。圖2中的示波器捕獲顯示ACPL-W346在SiC MOSFET的柵極具有20 V的快速上升和下降時間信號曲線，這對于有效地切換SiC MOSFET是必需的。

ACPL-W346 SiC MOSFET柵極信號曲線

ACPL-W346是基本的柵極驅動器光耦合器，用于隔離和驅動在高直流總線電壓下工作的SiC MOSFET。它具有軌至軌輸出，最大輸出電流為2.5A。

ACPL-W346的獨特功能是速度，并且是同類產品中最快的。最大傳播延遲為120 ns，典型的上升和下降時間約為10 ns。

需要很高的CMR，50 kV / μs的共模抑制比，才能將高頻工作期間的高瞬態噪聲與引起錯誤輸出的信號隔離開來。ACPL-W346與雙極性電流緩沖級配合使用時，可提供快速切換的高電壓和高驅動電流，以高效，可靠地導通和關斷SiC MOSFET。與使用專用MOSFET驅動器和專有電路的較早的參考設計相比，ACPLW346和通用的現成雙極電流緩沖器提供了一種更便宜且易于實現的柵極驅動解決方案。

ACPL-W346和CREE SiC MOSFET參考設計

編輯：hfy