面向IGBT與MOSFET的柵極驅(qū)動器

隨著新的應(yīng)用領(lǐng)域和市場的出現(xiàn)，近年來全球電力需求猛增，使得節(jié)能成為設(shè)備設(shè)計的重要方面。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，這種增加需要更復雜的驅(qū)動器和優(yōu)化碳化硅 (SiC) MOSFET 或 IGBT 的驅(qū)動電壓。

在減小器件尺寸的同時提高效率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，預計 SiC 功率器件的市場將擴大，它體現(xiàn)了高效率，并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降低柵極控制電路中產(chǎn)生的噪聲，從而提高逆變器效率。

Tamura 柵極驅(qū)動器模塊 Tamura

在磁路領(lǐng)域具有核心競爭力，在開發(fā) SiC/IGBT 柵極驅(qū)動器模塊 (GDM) 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，其他一切都由模塊內(nèi)部執(zhí)行。

柵極驅(qū)動器模塊的一個顯著特點是柵極驅(qū)動信號使用磁耦合傳輸，這是 Tamura 擁有豐富經(jīng)驗的技術(shù)。它的模塊有獨立版本(“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。Tamura 希望優(yōu)化其模塊的占地面積和外形，并最近推出了將更大的變壓器換成平面等效物的設(shè)備。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，但也可提供能夠提供高達 1 MW 的“4in1”驅(qū)動單元。第一代(最高 1,200V)產(chǎn)品包括驅(qū)動模塊和驅(qū)動單元。第二代(最高 1,700V)器件還包括三電平 DC/DC 轉(zhuǎn)換器和 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)計一個完整的驅(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)共模噪聲存在問題，我們希望消除由它引起的任何故障。一個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)而導致設(shè)備故障和其他渠道。

圖 1：軟關(guān)斷保護(圖片：Tamura)

根據(jù) Tamura 的說法，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影響。小型模塊封裝適合大多數(shù)功率模塊類型的占位面積，使設(shè)計人員在安排模塊布局時具有一定的自由度，以最大限度地提高效率并最大限度地降低噪聲。Tamura 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)斷引腳上添加一個電阻，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導致柵極電壓升高。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。

ROHM、TI、Maxim 和英飛凌

ROHM Semiconductor 已開發(fā)出具有集成隔離器的柵極驅(qū)動器，可充分利用 IGBT 和 MOSFET 電源的性能。據(jù) ROHM 稱，BM6104FV 集成了短路保護，而 BM60014FV 的簡單設(shè)計加快了產(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)最小的包含隔離器的封裝。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)用中的整體系統(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。雜散脈沖柵極的驅(qū)動電路可能會導致共模瞬變，從而導致短路。控制功率轉(zhuǎn)換器的驅(qū)動電路必須設(shè)計成能承受這些噪聲源。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耗的技術(shù)規(guī)格。該驅(qū)動器采用 8 引腳 3.9 × 4.9mm 窄體小外形 IC 封裝，溫度范圍擴展為 –40°C 至 125°C(圖 2)。

圖 2：MAX22701E 框圖(圖片：Maxim Integrated)

英飛凌科技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 12 V 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。

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，支持電源轉(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性。

審核編輯：湯梓紅