隨著新應(yīng)用領(lǐng)域和市場的出現(xiàn)，近年來全球電力需求猛增，使節(jié)能成為設(shè)備設(shè)計的一個重要方面。這使得高效逆變器電路和轉(zhuǎn)換器必不可少，特別是對于需要高功率轉(zhuǎn)換的電源和驅(qū)動器。

隨著實現(xiàn)高效率的需要，減小器件尺寸的挑戰(zhàn)也增加了。這種降低通常是通過提高工作頻率來實現(xiàn)的。反過來，這種增加需要更復(fù)雜的驅(qū)動器和碳化硅 (SiC) MOSFET 或 IGBT 的驅(qū)動電壓優(yōu)化。

提高效率同時減小器件尺寸的目標增加了對高性能功率器件和柵極驅(qū)動器的需求。因此，預(yù)計 SiC 功率器件的市場將擴大，它是高效率的縮影，在新一代逆變器中越來越受歡迎。SiC 二極管已經(jīng)用于電源和大功率逆變器的功率因數(shù)校正 (PFC) 電路中，并且 SiC MOSFET 越來越多地用于開關(guān)應(yīng)用。SiC MOSFET 可以通過實現(xiàn)高速開關(guān)以及故障保護和配置的電路布局來提高逆變器效率，以降低柵極控制電路中產(chǎn)生的噪聲。

田村柵極驅(qū)動模塊

憑借在磁路方面的核心競爭力，田村在 SiC/IGBT 柵極驅(qū)動器模塊 (GDM) 的開發(fā)方面擁有多年經(jīng)驗。該公司的目標是設(shè)計高度集成的設(shè)備，例如模塊，而不是單個組件。這些模塊簡化了電路設(shè)計，因為它們本質(zhì)上是即插即用的：根據(jù) Tamura 的說法，設(shè)計人員只需要定義輸入和輸出信號，其他一切都由模塊在內(nèi)部執(zhí)行。

柵極驅(qū)動器模塊的一個顯著特點是使用磁耦合傳輸柵極驅(qū)動信號，這是田村擁有豐富經(jīng)驗的技術(shù)。其模塊提供獨立版本(“驅(qū)動模塊”)和連接器板(“驅(qū)動單元”)，能夠安裝在任何制造商的相應(yīng)電源模塊上。田村希望優(yōu)化其模塊的占地面積和外形，最近推出的設(shè)備將更大的變壓器換成平面等效物。據(jù)該公司稱，改用平面變壓器將絕緣電壓提高到 5 kV。

大多數(shù)模塊的額定最大輸出功率約為 150 kW，但也可提供可提供高達 1 MW 的“4in1”驅(qū)動器單元。第一代(高達 1,200-V)產(chǎn)品包括驅(qū)動器模塊和驅(qū)動器單元。第二代(高達 1,700 V)設(shè)備還包括三電平 DC/DC 轉(zhuǎn)換器和一個 4 合 1 驅(qū)動器單元。

根據(jù)具體應(yīng)用，設(shè)計人員可以決定是圍繞 DC/DC 轉(zhuǎn)換器設(shè)計完整的驅(qū)動器還是使用 2in1 解決方案(模塊和驅(qū)動器單元)。Tamura 表示，其一體化解決方案節(jié)省了完整設(shè)計活動所需的時間和成本，該公司還引用了其模塊的其他優(yōu)勢。

例如，假設(shè)存在共模噪聲問題，我們希望消除由此引起的任何故障。典型的解決方案是提高 dV/dt，但這需要低寄生電容。Tamura 模塊的雜散電容非常低(2DD 系列為 9 pF，2DMB 系列為 12 pF)，因此可以抑制由高 dV/dt 引起的共模噪聲，防止由于噪聲傳播到輸入側(cè)引起的設(shè)備故障和其他渠道。

圖 1：軟關(guān)斷保護(圖片：Tamura)

Tamura 表示，即使在更高的開關(guān)頻率下，驅(qū)動器電路的內(nèi)部阻抗也非常低，僅為 50 mΩ 或更低;因此，開關(guān)速度不受柵極阻抗的抑制。小型模塊封裝適合大多數(shù)電源模塊類型的占位面積，讓設(shè)計人員在安排模塊布局時有一定的自由度，以最大限度地提高效率并最大限度地降低噪聲。田村設(shè)計了自己的平面變壓器，適用于 1,700-V 模塊系列。

該公司的 GDM 包括多種保護模式，例如軟關(guān)斷。如圖 1 所示，通過在軟關(guān)斷引腳上增加一個電阻，可以定義關(guān)斷時間。

GDM 中的米勒鉗位功能可防止具有低閾值電壓和高 dV/dt 的 SiC 功率模塊發(fā)生故障。這種保護可防止由于連接到輸出引腳的功率器件的米勒電流而導(dǎo)致柵極電壓升高。最后，有源鉗位柵極功能可保護電源模塊免受影響集電極-發(fā)射極電壓 (VCE) 信號的浪涌影響。

羅姆、TI、Maxim 和英飛凌

羅姆半導(dǎo)體開發(fā)了帶有集成隔離器的柵極驅(qū)動器，可充分利用 IGBT 和 MOSFET 功率的性能。據(jù)羅姆介紹，BM6104FV 集成了短路保護，而 BM60014FV 的簡單設(shè)計加速了產(chǎn)品開發(fā)過程。柵極驅(qū)動器采用緊湊型封裝，該公司稱這是業(yè)內(nèi)包含隔離器的最小封裝。這些產(chǎn)品結(jié)合了公司的 Bi-CDMOS 技術(shù)和新的片上變壓器技術(shù)。

去年年底，德州儀器 (TI) 推出了具有集成檢測功能的隔離式柵極驅(qū)動器，適用于 IGBT 和 SiC MOSFET。據(jù) TI 稱，這些新產(chǎn)品具有先進的監(jiān)控和保護系統(tǒng)，并提高了汽車和工業(yè)應(yīng)用的總體系統(tǒng)效率。柵極驅(qū)動器讓設(shè)計人員能夠創(chuàng)建特別緊湊的設(shè)計，同時為牽引逆變器、集成電池充電器、光伏逆變器和電機驅(qū)動器等應(yīng)用實現(xiàn)更高的效率和更高的性能。新器件為 SiC IGBT 和 MOSFET 提供集成傳感功能，簡化設(shè)計并在高達 1.5 kVrms 的應(yīng)用中實現(xiàn)更高的系統(tǒng)可靠性。

Maxim Integrated 的新型 MAX22701E 驅(qū)動器具有 300 kV/μs 的高共模瞬態(tài)抗擾度 (CMTI)，可延長系統(tǒng)正常運行時間。寄生脈沖門的驅(qū)動電路可能會導(dǎo)致共模瞬變，從而導(dǎo)致短路情況?？刂齐娫崔D(zhuǎn)換器的驅(qū)動電路的設(shè)計必須能夠承受這些噪聲源。Maxim Integrated 的驅(qū)動器專為太陽能逆變器、電機驅(qū)動器和儲能系統(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 和氮化鎵 (GaN) FET 兼容，并具有該公司表示可減少停機時間和損失的技術(shù)規(guī)格。該驅(qū)動器采用 8 引腳、3.9 × 4.9 毫米窄體小外形 IC 封裝，溫度范圍為 –40°C 至 125°C(圖 2)。

圖 2：MAX22701E 的框圖(圖片：Maxim Integrated)

Infineon Technologies 擁有一系列用于高性能電源轉(zhuǎn)換應(yīng)用的雙通道 EiceDRIVER 集成電路。柵極驅(qū)動器適用于服務(wù)器、電信和工業(yè)開關(guān)電源中的高壓 PFC 和 DC/DC 級以及同步研磨級。其他應(yīng)用包括 48 至 12V DC/DC 轉(zhuǎn)換器、電池和電動汽車充電站、智能電網(wǎng)和太陽能微型逆變器。

圖 3：EiceDRIVER 系列(圖片：Infineon Technologies)

EiceDRIVER 系列提供 7 ns 的輸入到輸出傳播延遲精度和 3 ns 的通道到通道精度，支持功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)所需的效率水平。該系列強大的集成電流隔離對于半橋配置非常重要，無論是從輸入到輸出還是在輸出通道之間。此外，據(jù)英飛凌稱，增強型集成輸入到輸出隔離可在需要時提供電氣安全。

EiceDRIVER 系列的低電阻輸出級最大限度地降低了內(nèi)部功耗，因此柵極驅(qū)動器可以為功率 MOSFET 柵極提供最大功率。隔離式柵極驅(qū)動器在許多應(yīng)用中廣泛用于驅(qū)動 MOSFET 和 IGBT，并提供電流隔離。正如最近的介紹所表明的那樣，基于 SiC 和 GaN 的系統(tǒng)可以在更高的開關(guān)頻率下運行，而不會在過渡期間產(chǎn)生顯著的功率損耗。

　審核編輯：湯梓紅