隔離設(shè)備是一種集成電路，允許在高低壓?jiǎn)卧g傳輸數(shù)據(jù)和能量，防止來自網(wǎng)絡(luò)的危險(xiǎn)或不受控制的瞬態(tài)電流的存在。目標(biāo)是通過提高電源效率和增加功率傳輸速率（也稱為開關(guān)頻率，以千赫茲為單位）來增加功率密度和提供絕緣強(qiáng)度。

高功率密度和穩(wěn)健性在能源管理應(yīng)用中變得越來越重要，例如電源、太陽能逆變器和電動(dòng)汽車 (EV) 的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器。絕緣穩(wěn)健性是通過將隔離器與稱為高速隔離柵極驅(qū)動(dòng)器的關(guān)鍵功率組件集成來實(shí)現(xiàn)的。

圖 1：隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器路線圖

柵極驅(qū)動(dòng)器在一個(gè)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)，當(dāng)電源開關(guān)在開/關(guān)模式下工作時(shí)，該系統(tǒng)在開關(guān)模式下工作，因此消耗零能量，理想情況下具有高開關(guān)頻率。驅(qū)動(dòng)器的工作原理類似于功率放大器，它接受來自 IC 控制器的低功率輸入，并為功率 MOSFET 產(chǎn)生適當(dāng)?shù)母唠娏鳀艠O驅(qū)動(dòng)來開啟或關(guān)閉。該方案適用于需要具有復(fù)雜智能的電力電子設(shè)備以滿足嚴(yán)格的能耗和效率參數(shù)的高效和穩(wěn)健的系統(tǒng)。應(yīng)用包括數(shù)據(jù)中心、電信基站、工業(yè)自動(dòng)化、電機(jī)驅(qū)動(dòng)和網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施。

電力轉(zhuǎn)換市場(chǎng)趨勢(shì)

隨著串式逆變器取代中央逆變器，電力電子領(lǐng)域，尤其是功率轉(zhuǎn)換領(lǐng)域，效率不斷提高。這種轉(zhuǎn)變可以加快電動(dòng)汽車的充電速度，并支持相關(guān)的電動(dòng)汽車系統(tǒng)，例如牽引逆變器和運(yùn)動(dòng)控制。高壓儲(chǔ)能系統(tǒng)可提高電機(jī)控制性能并優(yōu)化相對(duì)于負(fù)載的功率性能。從能源的角度來看，98.5%的峰值轉(zhuǎn)換效率是可以實(shí)現(xiàn)的，同樣功率的直流電可以減少31%到37%。可以實(shí)現(xiàn)更小、更輕的車載逆變器，效率提高 10% 以上，體積減少 80%。

設(shè)計(jì)方面

提高集成度是實(shí)現(xiàn)電源在消耗更少電路板空間的同時(shí)實(shí)現(xiàn)更高功率水平的必要條件。共模瞬態(tài)抗擾度 (CMTI) 是一個(gè)重要參數(shù)，也是決定柵極驅(qū)動(dòng)器穩(wěn)健性的關(guān)鍵區(qū)別因素。高 CMTI 值意味著隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器可用于具有高開關(guān)頻率的應(yīng)用。

隨著氮化鎵 (GaN) 和碳化硅 (SiC) 等寬帶隙半導(dǎo)體材料的出現(xiàn)，CMTI 正成為隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器的最關(guān)鍵參數(shù)。ADI 公司的小型隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器專為滿足 SiC 和 GaN 等功率開關(guān)技術(shù)所需的高開關(guān)速度和嚴(yán)格的系統(tǒng)尺寸限制而設(shè)計(jì)。這些驅(qū)動(dòng)器使發(fā)動(dòng)機(jī)功率能夠滿足苛刻的新效率要求，其卓越的定時(shí)性能穩(wěn)定性可減少電壓失真。

小型柵極驅(qū)動(dòng)器使設(shè)計(jì)人員能夠靈活地設(shè)計(jì)下一代能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。它們?yōu)?IGBT 和 MOSFET 的開關(guān)特性提供可靠的控制。在需要多個(gè)電源開關(guān)的系統(tǒng)中，小型隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器可最大限度地減少 PCB 的布局空間，從而降低冷卻要求。此外，驅(qū)動(dòng)器的小尺寸使設(shè)計(jì)人員可以將它們放置在電源開關(guān)附近，以減少驅(qū)動(dòng)器和開關(guān)之間的寄生電感。隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器采用 2.5 V 至 6.5 V 之間的輸入電源運(yùn)行，提供與低電壓系統(tǒng)的兼容性，從而實(shí)現(xiàn)輸入和輸出之間的電流隔離。

技術(shù)比較

GaN 是市場(chǎng)增長(zhǎng)率最高的寬帶隙技術(shù)，并且正在從工業(yè)到汽車領(lǐng)域的應(yīng)用中尋找設(shè)計(jì)位置。這里的重點(diǎn)不是工業(yè)伺服驅(qū)動(dòng)器的運(yùn)動(dòng)或電機(jī)控制，而是能量存儲(chǔ)、光伏逆變器和汽車電力電子設(shè)備。柵極電容的降低意味著驅(qū)動(dòng)要求的降低，從而允許更高的開關(guān)頻率。例如，典型的 IGBT 系統(tǒng)在低于 10 kHz 的頻率下運(yùn)行，而 SiC 可以增加到 100 kHz，而 GaN 允許在兆赫茲范圍內(nèi)運(yùn)行。寬帶隙材料更大的電子遷移率允許實(shí)現(xiàn)更高的開關(guān)速度并降低開關(guān)損耗。

ADI 產(chǎn)品組合中的解決方案提供現(xiàn)有 IGBT 和 MOSFET 應(yīng)用所需的通用功能，同時(shí)提供新興開關(guān)技術(shù)所需的性能水平。IGBT 的典型工作電壓為 600/1,200/1,700 V 及以上，SiC 為 1,200 V 和 1,700 V，GaN 為 100 至 650 V。IGBT 的工作溫度范圍高達(dá) 125°C，SiC 和 GaN 器件的工作溫度范圍高達(dá) 225°C。IGBT 的開關(guān)頻率約為 1 至 10 kHz，基于 SiC 的驅(qū)動(dòng)器約為 100 kHz，而基于 GaN 的驅(qū)動(dòng)器的開關(guān)頻率在兆赫范圍內(nèi)。IGBT 的導(dǎo)通/關(guān)斷電壓范圍高達(dá) 15 V，SiC 為 –6 V（關(guān)斷）至 17 V（導(dǎo)通），GaN 為 –2 V（關(guān)斷）至 8 V（導(dǎo)通）。IGBT 的柵極電荷約為 70 納庫(kù)侖 (nC) 或更多，SiC 的柵極電荷小于 30 nC，GaN 的柵極電荷小于 10 nC。

審核編輯：劉清