隔離設備是一種集成電路，允許在高低壓單元之間傳輸數(shù)據(jù)和能量，防止來自網(wǎng)絡的危險或不受控制的瞬態(tài)電流的存在。目標是通過提高電源效率和增加功率傳輸速率（也稱為開關頻率，以千赫茲為單位）來增加功率密度和提供絕緣強度。

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

圖 1：隔離式柵極驅動器路線圖

柵極驅動器在一個系統(tǒng)中實現(xiàn)，當電源開關在開/關模式下工作時，該系統(tǒng)在開關模式下工作，因此消耗零能量，理想情況下具有高開關頻率。驅動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?shù)母唠娏鳀艠O驅動來開啟或關閉。該方案適用于需要具有復雜智能的電力電子設備以滿足嚴格的能耗和效率參數(shù)的高效和穩(wěn)健的系統(tǒng)。應用包括數(shù)據(jù)中心、電信基站、工業(yè)自動化、電機驅動和網(wǎng)絡基礎設施。

電力轉換市場趨勢

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

設計方面

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

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

小型柵極驅動器使設計人員能夠靈活地設計下一代能量轉換系統(tǒng)。它們?yōu)?IGBT 和 MOSFET 的開關特性提供可靠的控制。在需要多個電源開關的系統(tǒng)中，小型隔離式柵極驅動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，驅動器的小尺寸使設計人員可以將它們放置在電源開關附近，以減少驅動器和開關之間的寄生電感。隔離式柵極驅動器采用 2.5 V 至 6.5 V 之間的輸入電源運行，提供與低電壓系統(tǒng)的兼容性，從而實現(xiàn)輸入和輸出之間的電流隔離。

技術比較

GaN 是市場增長率最高的寬帶隙技術，并且正在從工業(yè)到汽車領域的應用中尋找設計位置。這里的重點不是工業(yè)伺服驅動器的運動或電機控制，而是能量存儲、光伏逆變器和汽車電力電子設備。柵極電容的降低意味著驅動要求的降低，從而允許更高的開關頻率。例如，典型的 IGBT 系統(tǒng)在低于 10 kHz 的頻率下運行，而 SiC 可以增加到 100 kHz，而 GaN 允許在兆赫茲范圍內運行。寬帶隙材料更大的電子遷移率允許實現(xiàn)更高的開關速度并降低開關損耗。

ADI 產(chǎn)品組合中的解決方案提供現(xiàn)有 IGBT 和 MOSFET 應用所需的通用功能，同時提供新興開關技術所需的性能水平。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 125°C，SiC 和 GaN 器件的工作溫度范圍高達 225°C。IGBT 的開關頻率約為 1 至 10 kHz，基于 SiC 的驅動器約為 100 kHz，而基于 GaN 的驅動器的開關頻率在兆赫范圍內。IGBT 的導通/關斷電壓范圍高達 15 V，SiC 為 –6 V（關斷）至 17 V（導通），GaN 為 –2 V（關斷）至 8 V（導通）。IGBT 的柵極電荷約為 70 納庫侖 (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