用于高效解決方案的SiC隔離式柵極器件

Maxim Integrated 推出了一款碳化硅 (SiC) 隔離式柵極驅(qū)動器，用于工業(yè)市場的高效電源。該公司聲稱，與競爭解決方案相比，新設(shè)備的功耗降低了 30%，碳足跡降低了 30%。

系統(tǒng)制造商對提高其設(shè)計的能效越來越感興趣；能源效率和降低成本的結(jié)合正在成為關(guān)鍵的市場領(lǐng)導(dǎo)地位。從半導(dǎo)體材料的角度來看，該領(lǐng)域已經(jīng)取得了相當大的進展，現(xiàn)在已經(jīng)有了可以高速切換的產(chǎn)品，在減小尺寸的同時提高了系統(tǒng)級效率。

隨著設(shè)備變得越來越小，電源需要跟上步伐。因此，今天的設(shè)計師有一個優(yōu)先目標：最大限度地提高單位體積的功率 (W/mm3)。實現(xiàn)這一目標的一種方法是使用高性能電源開關(guān)。GaN（氮化鎵）和 SiC 已經(jīng)為新型電力電子設(shè)備鋪平了道路，即使仍需要進一步的研發(fā)計劃來提高性能和安全性，而且即使使用這些寬帶隙 (WBG) 材料進行設(shè)計需要額外的工作設(shè)計階段。

帶隙 (eV)、擊穿場、熱導(dǎo)率、電子遷移率和電子漂移速度等特性是工程師可以從使用 GaN 和 SiC 等 WBG 半導(dǎo)體中獲得的主要好處。WBG 半導(dǎo)體功率開關(guān)模塊的優(yōu)點包括高電流密度、更快的開關(guān)和更低的漏源電阻 (RDS(on))。

碳化硅將在多個工業(yè)應(yīng)用中設(shè)定功率速率。它的帶隙為 3.2 電子伏特 (eV)，在導(dǎo)帶中移動電子所需的能量提供比相同封裝規(guī)模的硅更高的電壓性能。更高的溫度工作范圍和導(dǎo)熱性支持高效的熱管理。

許多開關(guān)電源應(yīng)用正在采用 SiC 解決方案來提高能效和系統(tǒng)可靠性。

圖 1：隔離式柵極驅(qū)動器的一般框圖

電源中的高開關(guān)頻率會導(dǎo)致產(chǎn)生噪聲的瞬變操作困難，從而使整個系統(tǒng)效率低下。與硅的化學(xué)結(jié)構(gòu)相比，新技術(shù)的化學(xué)結(jié)構(gòu)使新器件具有低電荷和快速切換的機會。

隔離式柵極驅(qū)動器廣泛用于驅(qū)動 MOSFET 和 IGBT 并提供電流隔離。10 kHz 以上的開關(guān)頻率在 MOSFET 和 IGBT 中很常見。然而，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。顯著的優(yōu)勢是尺寸減小和失真更少（圖 1）。

由于閂鎖現(xiàn)象，快速開關(guān)會產(chǎn)生噪聲瞬變，這可能會導(dǎo)致調(diào)制丟失甚至對系統(tǒng)造成永久性損壞。為了解決這個問題，需要提高用于驅(qū)動系統(tǒng)的組件的抗噪能力。開關(guān)過程中的功耗或傳導(dǎo)損耗會產(chǎn)生必須通過散熱器散發(fā)的熱量。散熱器的尺寸增加了解決方案的尺寸。

這些瞬變的強度可能是由寄生脈沖門的驅(qū)動電路造成的，從而導(dǎo)致短路狀況?？刂齐娫?a target="_blank">轉(zhuǎn)換器的驅(qū)動電路的設(shè)計必須能夠承受這些噪聲源，從而承受可能的二次短路。驅(qū)動電路承受這些共模噪聲瞬變的能力由共模瞬變抗擾度 (CMTI) 定義，CMTI 以 kV/μs 表示，它是所有柵極驅(qū)動器處理兩個獨立接地之間的差分電壓的關(guān)鍵參數(shù)參考（隔離柵極驅(qū)動器）。了解和測量對這些瞬變的敏感性是設(shè)計新電源的重要一步。

該新MAX22701E 驅(qū)動器具有的300千伏/微秒，這導(dǎo)致更長的系統(tǒng)正常運行時間高CMTI免疫力。該驅(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 兼容驅(qū)動 SiC 或 GaN FET。技術(shù)規(guī)范可顯著減少停機時間和能源損失。MAX22701E采用8引腳(3.90 x 4.90mm)窄體SOIC封裝，擴展溫度范圍為-40至+125°C(圖2)。

圖 2：MAX22701E 框圖

高 CMTI 決定了驅(qū)動器兩側(cè)的正確操作，從而最大限度地減少錯誤，從而決定所用柵極驅(qū)動器的穩(wěn)健性。CMTI 是與隔離器相關(guān)的三個關(guān)鍵特性之一。其他關(guān)鍵特性是傳播延遲匹配和工作電壓。MAX22701E 在高端和低端柵極驅(qū)動器之間提供業(yè)界最低的 5ns（最大值）部件間傳播延遲匹配。這有助于最大限度地減少晶體管死區(qū)時間并最大限度地提高功率效率。該部件可提供 60 秒內(nèi) 3kVRMS 的穩(wěn)健電流隔離。

審核編輯：劉清