使用 SiC 柵極驅(qū)動器可以將能量損失降低 30%，同時最大限度地延長系統(tǒng)正常運(yùn)行時間。

Maxim Integrated 推出了用于工業(yè)市場高效電源的碳化硅 (SiC) 隔離式柵極驅(qū)動器。該公司聲稱，與競爭解決方案相比，新設(shè)備的功率損耗降低了 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(jìn)展，現(xiàn)在有可以高速切換的產(chǎn)品，提高系統(tǒng)級效率，同時減小解決方案尺寸。

隨著設(shè)備變得更小，電源需要跟上步伐。因此，今天的設(shè)計師有一個優(yōu)先目標(biāo)：最大化單位體積的功率 (W/mm ³ )。實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的一種方法是使用高性能電源開關(guān)。氮化鎵 (GaN) 和 SiC 已經(jīng)為通往新型電力電子產(chǎn)品的道路鋪平了道路，即使需要進(jìn)一步的研發(fā)計劃來提高性能和安全性，即使使用這些寬帶隙 (WBG) 材料進(jìn)行設(shè)計需要在設(shè)計期間進(jìn)行額外的工作階段。

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)體中獲得的主要好處。基于 WBG 半導(dǎo)體的功率開關(guān)模塊的優(yōu)勢包括高電流密度、更快的開關(guān)以及更低的漏源電阻 (R _DS(on) )。

SiC 將在多個工業(yè)應(yīng)用中設(shè)定功率速率。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提供了比相同封裝規(guī)模的硅更高的電壓性能。SiC 更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 解決方案來提高能效和系統(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)生噪聲的瞬態(tài)運(yùn)行困難，從而使整個系統(tǒng)效率低下。與硅相比，新技術(shù)的化學(xué)結(jié)構(gòu)使新器件具有低電荷和快速開關(guān)。

隔離式柵極驅(qū)動器廣泛用于驅(qū)動 MOSFET 和 IGBT 并提供電流隔離。高于 10 kHz 的開關(guān)頻率在 MOSFET 和 IGBT 中很常見。然而，基于 SiC 和 GaN 的系統(tǒng)可以在更高的開關(guān)頻率下運(yùn)行，而在轉(zhuǎn)換期間不會出現(xiàn)明顯的功率損耗。顯著的優(yōu)點(diǎn)是尺寸減小和失真更少（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)制損耗甚至永久性系統(tǒng)損壞。為了解決這個問題，需要提高用于驅(qū)動系統(tǒng)的組件的抗噪能力。此外，與開關(guān)相關(guān)的功耗和傳導(dǎo)損耗會產(chǎn)生熱量，必須通過散熱器散熱，從而增加了解決方案的尺寸。

這些瞬變的強(qiáng)度可能是由雜散脈沖門的驅(qū)動電路引起的，從而導(dǎo)致短路。控制功率轉(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變的能力是其共模瞬變抗擾度 (CMTI)，以 kV/μs 表示。CMTI 是處理兩個獨(dú)立接地參考（隔離式柵極驅(qū)動器）之間差分電壓的所有柵極驅(qū)動器的關(guān)鍵參數(shù)。

了解和測量對這些瞬變的敏感性是新電源設(shè)計中的重要一步。跨過隔離柵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，從而延長了系統(tǒng)正常運(yùn)行時間。該驅(qū)動器專為太陽能逆變器、電機(jī)驅(qū)動和儲能系統(tǒng)等大功率工業(yè)系統(tǒng)中的開關(guān)電源而設(shè)計。MAX22701E 與 SiC 和 GaN 兼容，用于驅(qū)動基于任何一種 WBG 材料的 FET。據(jù)該公司稱，其技術(shù)規(guī)格可減少停機(jī)時間和能源損失。

MAX22701E 采用 8 引腳 (3.90 × 4.90-mm) 窄體 SOIC 封裝，擴(kuò)展溫度范圍為 –40°C 至 125°C（圖 2）。

圖 2： MAX22701E 框圖（圖片：Maxim Integrated）

高 CMTI 決定了驅(qū)動器兩側(cè)的正確操作，最大限度地減少錯誤，從而增強(qiáng)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 在高端和低端柵極驅(qū)動器之間提供業(yè)界最低的器件間傳播延遲匹配，最大為 5ns。這有助于最大限度地減少晶體管的死區(qū)時間并最大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。

“隨著 SiC 和 GaN 等功率半導(dǎo)體器件的不斷進(jìn)步和采用，該行業(yè)正朝著更節(jié)能和[更]可靠的解決方案邁進(jìn)，”Maxim 工業(yè)和醫(yī)療保健業(yè)務(wù)部高級業(yè)務(wù)經(jīng)理 Suravi Karmacharya 說融合的。“與傳統(tǒng)的 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，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，可最大限度地提高系統(tǒng)功率效率并延長嘈雜環(huán)境中的正常運(yùn)行時間。”

審核編輯：劉清