為應(yīng)對(duì) Si、SiC 和GaN 等不斷發(fā)展的技術(shù)，優(yōu)化功率驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)需要適應(yīng)性強(qiáng)的柵極驅(qū)動(dòng)解決方案。本文重點(diǎn)介紹了可編程輸出的隔離型 DC/DC 轉(zhuǎn)換器的優(yōu)勢(shì)，展現(xiàn)柵極驅(qū)動(dòng)電源在高效工作、靈活運(yùn)用及經(jīng)受未來(lái)考驗(yàn)方面的卓越性能。

摘 要

隨著各行業(yè)轉(zhuǎn)向使用更高的開關(guān)頻率和電壓，以提高性能并盡量縮小整體系統(tǒng)尺寸，設(shè)計(jì)人員在平衡成本、效率和可靠性方面面臨愈發(fā)明顯的挑戰(zhàn)。功率驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)優(yōu)化的一個(gè)關(guān)鍵方面是選擇合適的 柵極驅(qū)動(dòng)解決方案，這些解決方案夠適應(yīng)不斷變化的電流，以及如硅 (Si)、碳化硅 (SiC)和氮化鎵 (GaN)等新興的晶體管技術(shù)要求。本文探討了標(biāo)準(zhǔn)柵極驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)所面臨的挑戰(zhàn)，并強(qiáng)調(diào)了使用可編程輸出的隔離型 DC/DC 轉(zhuǎn)換器的優(yōu)勢(shì)，為 IGBT、Si 和 SiC MOSFET 提供高效、靈活、經(jīng)得起未來(lái)考驗(yàn)的柵極驅(qū)動(dòng)電源。

功率驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)的當(dāng)前挑戰(zhàn)

電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員在為功率驅(qū)動(dòng)選擇柵極驅(qū)動(dòng)解決方案時(shí)面臨一種困境——雖然固定柵極驅(qū)動(dòng)電壓解決方案簡(jiǎn)單易于實(shí)現(xiàn)，但缺乏靈活性，無(wú)法滿足不同晶體管技術(shù)的要求。例如，IGBTs、Si 和 SiC MOSFET的最佳柵極電壓各不相同，因此在使用新一代晶體管時(shí)，可能需要使用柵極驅(qū)動(dòng)電路或重新設(shè)計(jì)整個(gè)功率驅(qū)動(dòng)。

IGBT 通常需要 +15 V 至 +20 V 的正柵極電壓才能完全導(dǎo)通。為了實(shí)現(xiàn)快速關(guān)斷并防止誤觸發(fā)，IGBT 還需要 -5 V 至 -15 V 的負(fù)柵極電壓。相比之下，Si MOSFET 對(duì)柵極電壓的要求較低，通常需要 +10 V 至 +15 V 的電壓導(dǎo)通，0 V 至 -5 V 的電壓進(jìn)行關(guān)斷。SiC MOSFET 具備高開關(guān)速度和低導(dǎo)通電阻，其柵極電壓接近 IGBT 的要求，而有些器件需要高達(dá) +25 V 的電壓才能達(dá)到最佳性能。如果對(duì)多個(gè)晶體管采用固定的柵極驅(qū)動(dòng)電壓解決方案，則可能會(huì)因柵極電壓不足或過(guò)高而導(dǎo)致性能不理想、損耗增加和故障。因此，設(shè)計(jì)人員可能需要針對(duì)每種晶體管類型使用專門的柵極驅(qū)動(dòng)器電路，這不僅增加了整體系統(tǒng)的復(fù)雜性，還增加了成本和電路板占用空間。

提升開關(guān)頻率和電壓以提高效率和功率密度確實(shí)帶來(lái)了諸多挑戰(zhàn)。更高的頻率意味著需要更快的開關(guān)轉(zhuǎn)換，這可能會(huì)導(dǎo)致電磁干擾 (EMI) 和噪聲問(wèn)題增加。更快的開關(guān)邊沿(高 dv/dt 和 di/dt)可以通過(guò)電路的寄生電容(包括晶體管封裝、PCB 走線和隔離屏障)耦合噪聲。這種噪聲會(huì)干擾柵極驅(qū)動(dòng)電路的正常工作，導(dǎo)致意外開關(guān)，甚至增加功耗和設(shè)備故障的風(fēng)險(xiǎn)。

為實(shí)現(xiàn)更快的開關(guān)，使用高性能元器件的成本則更高，設(shè)計(jì)人員必須根據(jù)應(yīng)用和市場(chǎng)需求在成本和性能之間找到平衡。例如，設(shè)計(jì)人員可能會(huì)在注重成本的消費(fèi)應(yīng)用中選擇成本較低的 Si MOSFET 或 IGBT。這種選擇以犧牲效率和性能為代價(jià)，但卻是更經(jīng)濟(jì)的解決方案。另一方面，在要求高性能的 工業(yè)或者汽車應(yīng)用中，選擇昂貴的 SiC MOSFET 可能更為合理，以達(dá)到效率、可靠性和功率密度的基準(zhǔn)。

縮減整體系統(tǒng)尺寸是功率驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)的另一重大挑戰(zhàn)。隨著功率密度的重要性日益增加，設(shè)計(jì)人員必須找到實(shí)現(xiàn)更大程度微型化和無(wú)縫集成柵極驅(qū)動(dòng)電路的方法，同時(shí)又不影響性能或可靠性。遺憾的是，標(biāo)準(zhǔn)柵極驅(qū)動(dòng)解決方案依賴于離散元件和獨(dú)立電源，這會(huì)占用本就有限的電路板空間并使設(shè)計(jì)變得復(fù)雜。離散柵極驅(qū)動(dòng)電路由以下部分組成：柵極驅(qū)動(dòng) IC、隔離電源、電阻器、電容器、二極管等無(wú)源元器件。只有在仔細(xì)考慮功率耗散、熱管理和信號(hào)完整性等因素后，才能選擇和放置 PCB 上的每個(gè)元件。隨著功率驅(qū)動(dòng)中晶體管數(shù)量不斷增加，柵極驅(qū)動(dòng)電路的復(fù)雜性和尺寸也隨之增加。

適用于IGBT、Si和 SiC MOSFET 的隔離型轉(zhuǎn)換器

市場(chǎng)上大多數(shù)隔離型 DC/DC 轉(zhuǎn)換器都提供固定的輸出電壓，由于缺乏靈活性，導(dǎo)致難以滿足不同晶體管技術(shù)(包括 IGBT、Si 和 SiC MOSFET)的柵極電壓要求。因此，設(shè)計(jì)人員可能需要使用多個(gè)隔離型 DC/DC 轉(zhuǎn)換器或采用額外的電路來(lái)實(shí)現(xiàn)所需的柵極驅(qū)動(dòng)電壓，這會(huì)增加系統(tǒng)的復(fù)雜性、尺寸和成本。

為了解決這一問(wèn)題，設(shè)計(jì)人員轉(zhuǎn)向使用可編程隔離型 DC/DC 轉(zhuǎn)換器作為解決方案。這款轉(zhuǎn)換器集隔離電源和柵極驅(qū)動(dòng)器電路的功能于一體，同時(shí)可以調(diào)整輸出電壓，以符合所選晶體管技術(shù)的需求。通過(guò)為每個(gè)晶體管提供可編程輸出電壓的柵極驅(qū)動(dòng)器，設(shè)計(jì)人員可以優(yōu)化功率驅(qū)動(dòng)的導(dǎo)通和關(guān)斷特性，同時(shí)簡(jiǎn)化整體設(shè)計(jì)，并縮減系統(tǒng)尺寸。

使用可編程隔離型 DC/DC 轉(zhuǎn)換器可以獨(dú)立控制每個(gè)晶體管的正柵電壓 (Vpos) 和負(fù)柵電壓 (Vneg)。因其靈活性，設(shè)計(jì)人員能夠精確調(diào)整柵極驅(qū)動(dòng)電壓，確保晶體管的充分增強(qiáng)和快速放電，同時(shí)最大限度地減少開關(guān)損耗并提高效率。通過(guò)選擇特定的 Vpos 和 Vneg 值，柵極電壓可以保持在晶體管的安全限值內(nèi)，同時(shí)充分提升性能。例如，在基于 IGBT 的功率驅(qū)動(dòng)中，可編程隔離型 DC/DC 轉(zhuǎn)換器可以設(shè)置為提供 +15 V 的 Vpos 和 -8 V 的 Vneg，確保導(dǎo)通期間的充分增強(qiáng)和關(guān)斷期間的快速柵極電容放電。同樣，在SiC MOSFET 設(shè)計(jì)中，轉(zhuǎn)換器可配置為提供 +20 V 的 Vpos 和 -5 V 的 Vneg，從而針對(duì) SiC 器件的特定要求優(yōu)化柵極驅(qū)動(dòng)電壓。

圖 1：IGBT、SiC FET 和 GaN FET 的典型柵極電壓要求

提供獨(dú)立于主電源、穩(wěn)定且穩(wěn)壓良好的柵極電壓電源，是隔離型 DC/DC 轉(zhuǎn)換器的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)。在典型的柵極驅(qū)動(dòng)器電路中，主電源通過(guò)線性穩(wěn)壓器或引導(dǎo)電路來(lái)獲取柵極電壓。雖然線性穩(wěn)壓器簡(jiǎn)單易于實(shí)現(xiàn)，但如果輸入和輸出電壓之間存在較大差異，往往效率較差，且功耗較大。過(guò)多功耗可能會(huì)導(dǎo)致熱管理問(wèn)題，并且可能需要額外的散熱器或冷卻解決方案。另一方面，引導(dǎo)電路依靠電荷泵機(jī)制在半橋配置中提供高側(cè)晶體管的柵極電壓。因此，需要仔細(xì)選擇引導(dǎo)電容的尺寸，確保整個(gè)導(dǎo)通時(shí)間內(nèi)的電荷足以驅(qū)動(dòng)晶體管的柵極。占空比和開關(guān)頻率會(huì)影響電路的性能，導(dǎo)致壓降并出現(xiàn)不穩(wěn)定的情況。

圖 2：典型的高側(cè)引導(dǎo)電源電路示意圖，顯示可能會(huì)對(duì)柵極驅(qū)動(dòng)性能產(chǎn)生負(fù)面影響的不必要寄生電感

如圖 2 所示，寄生電感會(huì)對(duì)柵極驅(qū)動(dòng)性能產(chǎn)生負(fù)面影響。這些電感主要源自電路的物理布局和元件互連。例如，引導(dǎo)二極管的引線和封裝會(huì)與二極管串聯(lián)引入少量電感。同樣，引導(dǎo)電容器和柵極驅(qū)動(dòng)器 IC 之間的走線和互連會(huì)造成寄生電感。從柵極驅(qū)動(dòng)器 IC 到高側(cè)晶體管柵極的路徑(包括封裝引線和 PCB 走線)也會(huì)增加?xùn)艠O驅(qū)動(dòng)回路的電感。

高側(cè)晶體管的源極到低側(cè)晶體管的漏極，再回到直流鏈路電容器的高電流路徑形成了一個(gè)環(huán)路，其中包含來(lái)自 PCB 走線和元件封裝的寄生電感。這些電感與電路的快速開關(guān)瞬變相互作用，導(dǎo)致柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)出現(xiàn)電壓尖峰和振鈴現(xiàn)象。由此產(chǎn)生的振蕩可能會(huì)導(dǎo)致誤觸發(fā)并增加開關(guān)損耗。

雖然隔離型 DC/DC 轉(zhuǎn)換器不能直接消除柵極驅(qū)動(dòng)器和 MOSFET 電路中的寄生電感，但可提供獨(dú)立于主電源、穩(wěn)壓良好的柵極電壓電源，從而無(wú)需使用引導(dǎo)電路，也可避免壓降和不穩(wěn)定等相關(guān)限制的需求。

R24C2T25 系列的產(chǎn)品應(yīng)用

作為行業(yè)領(lǐng)先的電源轉(zhuǎn)換解決方案提供商，我們開發(fā)了 RxxC2Txx 系列隔離型 DC/DC 轉(zhuǎn)換器，可滿足大功率應(yīng)用中對(duì)高效、靈活、可靠的柵極驅(qū)動(dòng)電源的需求。

R24C2T25作為該系列中的一款關(guān)鍵產(chǎn)品，具備一系列功能和優(yōu)勢(shì)，適合為 IGBT、Si MOSFET 和 SiC MOSFET 供電。RECOM 的 RxxC2Txx 系列尺寸僅為 7.5 x 12.83 mm，采用表面貼裝 SSOP-36 封裝，并集成隔離變壓器，對(duì)于希望盡量縮小柵極驅(qū)動(dòng)器電路占用空間的設(shè)計(jì)人員來(lái)說(shuō)是理想選擇。RxxC2Txx 系列的緊湊尺寸和 SMT 兼容性適用于空間受限的應(yīng)用場(chǎng)合，并可輕松集成到現(xiàn)有設(shè)計(jì)中。SSOP-36 封裝還提供出色的散熱性能，封裝底部的裸焊盤有助于散熱。

圖 3：RxxC2T25 采用 SOIC 封裝，提供可編程非對(duì)稱穩(wěn)壓輸出

R24C2T25 提供 2 W 的連續(xù)輸出功率，確保向柵極驅(qū)動(dòng)器電路輸送充足的電力。因其高輸出功率，該轉(zhuǎn)換器能夠驅(qū)動(dòng)更大或并聯(lián)的多個(gè)晶體管，適用于包括工業(yè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、太陽(yáng)能逆變器和電動(dòng)汽車牽引逆變器在內(nèi)的高電流應(yīng)用。該產(chǎn)品的隔離額定值高達(dá) 3kVAC/1 min，可在輸入和輸出級(jí)之間提供可靠隔離。R24C2T25 憑借專有的變壓器設(shè)計(jì)和先進(jìn)的絕緣材料，可實(shí)現(xiàn)高隔離電壓，即使在惡劣的環(huán)境下也能可靠工作。此外，R24C2T25 具有 150kV/μs 的高共模瞬態(tài)抗擾度 (CMTI)。CMTI 是隔離柵極驅(qū)動(dòng)器應(yīng)用中的一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，表示轉(zhuǎn)換器承受共模電壓快速變化而不會(huì)導(dǎo)致信號(hào)受到干擾或設(shè)備受到損壞的能力。

在大功率系統(tǒng)中，快速開關(guān)晶體管會(huì)產(chǎn)生相當(dāng)顯著的共模瞬變，這些瞬變可能通過(guò)隔離屏障耦合并干擾柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)。高 CMTI 額定值可以確保轉(zhuǎn)換器在這些瞬變存在的情況下，仍然能夠保持信號(hào)完整性和可靠工作。R24C2T25 還具有低于 3.5pF 的超低隔離電容，這對(duì)于最大限度減少共模噪聲和降低高 dv/dt 瞬變對(duì)柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)的影響至關(guān)重要。在大功率應(yīng)用中，開關(guān)晶體管會(huì)產(chǎn)生較大的…。