WBG 器件給柵極驅動器電源帶來的挑戰(zhàn)

碳化硅 (SiC) 和氮化鎵 (GaN) 器件的柵極驅動器電源必須滿足這些寬帶隙半導體的獨特偏置要求。本文將討論在 SiC 和 GaN 應用中設計柵極驅動器電源時需要考慮的關鍵因素。

圖 1：RECOM 眾多 DC/DC 模塊針對 WBG 柵極驅動器應用進行優(yōu)化中的一部分

SiC 和 GaN 是寬帶隙 (WBG) 半導體材料，因其開關更快且損耗更低，相較于傳統(tǒng)硅 (Si) 在電力電子應用領域更具優(yōu)勢。對于需要關鍵考量高效率和高功率密度的應用來說，這類材料的市場占有率正在不斷增加。

早期采用者因技術而異。技術更為成熟的 SiC 已基本取代 Si IGBTs，用于為電動汽車的牽引逆變器供電，而 GaN 技術在筆記本電腦和類似設備的充電器應用方面也取得了巨大成功。

WBG 器件的柵極驅動器要求

SiC 和 GaN 晶體管的柵極驅動器必須根據(jù)每個器件的具體特性進行定制。對于高側柵極驅動器，柵極驅動器和其直流電源必須采取隔離措施。

第一代 SiC MOSFETs 通常在導通狀態(tài)下需要 +20V 柵極驅動電壓 (VDD)，以提供最低的導通電阻。由于柵極導通閾值可以小于 2 V，為了實現(xiàn)最佳的開關可靠性，SiC MOSFET 驅動器通常在關斷階段擺動至負柵極電壓。

圖 2: SiC 和 GaN 器件的驅動器電壓比較

對于下一代設備，最佳導通和關斷電壓分別為 +15 或 +18V 和 -3 或 -4V。柵極驅動器必須具備非?？斓纳仙拖陆禃r間（大約幾納秒），但除此之外，大多數(shù)柵極驅動器都可以與非對稱 VDD 和 VEE 電源電壓使用而不會有任何問題。柵極驅動器的功耗隨開關頻率的提高而增加，但峰值柵極驅動電流由靠近驅動器電源引腳放置的電容器提供，并且只需要 2 W 至 3 W 的低功耗 DC/DC 轉換器。

GaN 高電子遷移率晶體管 (HEMT) 的典型全增強電壓為7V，但如果 VGS 超過 10 V 就會損壞，這遠低于 SiC 柵極驅動器所需的柵極電壓。由于 HEMT 結構的低電容柵極溝道的上升和下降時間極快，因此外部柵極驅動中任何過大電感都可能導致電壓尖峰或電壓振鈴，進而超過這些電壓限值。因此，6V 柵極驅動電壓是一種良好的折衷，既能保持高效率，又能處于安全工作范圍內。不同于SiC MOSFET，HEMT 柵極通道的低電容允許關斷電壓為零伏。

WBG 柵極驅動器電源的關鍵規(guī)格

SiC 或 GaN 柵極驅動器的電源必須能夠提供上述所需的電壓水平。該電源由一個隔離型 DC/DC 轉換器組成，通常為 SiC MOSFET 提供 +20/-5 V 電壓（第二代器件為 +15/-3V 電壓）或為 GaN HEMT 提供 +6V 和 +9V 電壓。

許多 SiC 和 GaN 應用中的高側驅動電路通常比地電位高出數(shù)百伏，需要對驅動器及其相關電路進行電氣隔離。光耦合器為控制信號提供隔離，但電源也需要隔離。

采用最簡單（功能性）隔離的 DC/DC 轉換器最長可以承受一秒的 1kVDC 電壓，但這對于橋式配置的高側柵極驅動器來說往往不夠。DC/DC 隔離電壓至少是工作電壓的兩倍，但這些高功率 SiC 和 GaN 晶體管產生的高環(huán)境溫度和快速開關會對隔離屏障施加額外應力。因此，需要高隔離型 DC/DC 轉換器來為柵極驅動器供電。

針對 SiC 和 GaN 柵極驅動器的解決方案

RECOM 用于柵極驅動器的 DC/DC 轉換器是一種即插即用型模塊，可為 WBG 應用中柵極驅動器提供可靠、耐用的解決方案。我們提供一系列隔離型 DC/DC 轉換器模塊 ，為 SiC MOSFET 或 GaN HEMT 功率器件提供簡單的電源解決方案。這些轉換器具備非對稱輸出電壓、高絕緣電壓和低隔離電容等特點。

適用于 SiC 和 GaN 驅動技術的最佳 DC/DC 轉換器有哪些？

SiC MOSFET

RxxP22005D 和 RKZ-xx2005D 系列提供 +20V 和 -5V 的不對稱輸出電壓，可高效且有效地開關 SiC MOSFET。

RxxP21503D 系列提供 +15 和 -3V 的不對稱輸出電壓，可高效開關第二代 SiC MOSFET。

GaN HEMT

采用 RECOM 的 RP-xx06S 和 RxxP06S 系列 DC/DC 轉換器（具有高隔離電壓和低隔離電容）供電時，高壓擺率 GaN 晶體管驅動器可在 +6V 電壓下實現(xiàn)最佳開關性能。在必須考慮較高噪聲和干擾的 GaN 應用中，RECOM 還提供具有 +9V 輸出電壓的轉換器，該輸出電壓可以用齊納二極管分為 +6V 和 -3V，以在關斷時提供負柵極電壓，確保柵極電壓始終低于導通閾值。

RA3 系列針對柵極驅動器進行優(yōu)化

RECOM RA3 系列非穩(wěn)壓 3W DC/DC 轉換器，專門設計用于為晶體管柵極驅動器供電。這些模塊的輸入電壓為 5、12 或 24VDC，并提供單路或雙路不對稱輸出，范圍涵蓋最新的 Si、SiC 和 GaN 晶體管。

緊湊的 SMD 設計確保電路板所需空間最小化，尤其是對于多層 PCB 而言更是如此。該模塊提供 5.2kVDC/1 min 強大隔離和小于 10pF 的隔離電容。典型效率范圍為 78% 至 82%，滿載時的工作溫度范圍為 -40C 至 +85°C，可滿足太陽能逆變器、感應加熱、電信、電動汽車電池充電器和電機驅動等嚴苛環(huán)境要求。

經(jīng)得起考驗的 WBG 設計

圖 3：不同 IGBT、SiC 和 GaN 器件的推薦和絕對最大驅動器電壓比較

最佳柵極驅動器電源電壓組合根據(jù)晶體管類型（IGBT、SiC 或 GaN）、制造商、技術代以及是否使用共源共柵配置而有所不同（圖3）。電子行業(yè)對此存在一些擔憂。我如何才能讓我的設計經(jīng)得起未來考驗，以便能夠輕松適應未來幾代或替代源晶體管供應商提供的不同最佳導通和關斷電壓？

采用 RECOM R24C2T25 新型轉換器可以解決這一難題。這是一款隔離型 SMD DC/DC 轉換器，采用 IC 式 SSOP 封裝，專為給隔離型 WBG 柵極驅動器供電而設計。通過使用預設電阻器，可在 +2.5V 至 +22.5V/-2.5V 至 -22.5V 范圍內獨立調節(jié)穩(wěn)壓正負輸出電壓，因此僅用一個產品即可覆蓋 IGBT、MOSFET、SiC（所有代）甚至 GaN 的所有現(xiàn)有柵極驅動器電壓范圍（圖 4）。

圖 4：R24C2T25 可調非對稱輸出電壓柵極驅動電源

輸出為基本隔離等級，隔離電壓為 3kVrms/1 min，并且在 -40°C 至 +105°C 的整個工作溫度范圍內可提供 1.5W 功率而無需降額（溫度最高達到 +85°C 時為 2W）。CMTI（共模瞬態(tài)抗擾度）值超過 150kV/μs，因此該電源可在極快的開關邊沿下正常工作。該產品采用 SMD SSOP 封裝，可以安裝在靠近開關晶體管的位置，并且輸出端提供全面保護措施（UVLO、OTP、SCP、OLP），可讓您安裝無憂。

結 論

寬帶隙晶體管在大功率應用中獨具優(yōu)勢，但對 SiC 和 GaN 柵極驅動器電源的設計人員來說頗具挑戰(zhàn)。DC/DC 轉換器的標準隔離水平不足以滿足這些電路的要求，因此需要專門的解決方案。RECOM 結合所需的高絕緣電壓、非對稱輸出電壓和低隔離電容，推出多個系列 DC/DC 模塊，這些模塊針對 SiC 和 GaN 柵極驅動設計進行優(yōu)化，易于使用。