用于高性能功率器件的SiC隔离解决方案

使用 SiC 栅极驱动器可以将能量损失降低 30%，同时最大限度地延长系统正常运行时间。

Maxim Integrated 推出了用于工业市场高效电源的碳化硅 (SiC) 隔离式栅极驱动器。该公司声称，与竞争解决方案相比，新设备的功率损耗降低了 30%，碳足迹降低了 30%。

系统制造商对提高其设计的电源效率越来越感兴趣。能源效率和降低成本的结合对于市场领导地位变得至关重要。从半导体材料的角度来看，这一领域已经取得了相当大的进展，现在有可以高速切换的产品，提高系统级效率，同时减小解决方案尺寸。

随着设备变得更小，电源需要跟上步伐。因此，今天的设计师有一个优先目标：最大化单位体积的功率 (W/mm ³ )。实现这一目标的一种方法是使用高性能电源开关。氮化镓 (GaN) 和 SiC 已经为通往新型电力电子产品的道路铺平了道路，即使需要进一步的研发计划来提高性能和安全性，即使使用这些宽带隙 (WBG) 材料进行设计需要在设计期间进行额外的工作阶段。

带隙、击穿场、热导率、电子迁移率和电子漂移速度等特性是工程师可以从使用 GaN 和 SiC 等 WBG 半导体中获得的主要好处。基于 WBG 半导体的功率开关模块的优势包括高电流密度、更快的开关以及更低的漏源电阻 (R _DS(on) )。

SiC 将在多个工业应用中设定功率速率。它的带隙为 3.2 电子伏特 (eV)，在导带中移动电子所需的能量提供了比相同封装规模的硅更高的电压性能。SiC 更高的工作温度和高导热性支持高效的热管理。

许多开关电源应用正在采用 SiC 解决方案来提高能效和系统可靠性。

图 1：隔离式栅极驱动器的一般框图

电源中的高开关频率会导致产生噪声的瞬态运行困难，从而使整个系统效率低下。与硅相比，新技术的化学结构使新器件具有低电荷和快速开关。

隔离式栅极驱动器广泛用于驱动 MOSFET 和 IGBT 并提供电流隔离。高于 10 kHz 的开关频率在 MOSFET 和 IGBT 中很常见。然而，基于 SiC 和 GaN 的系统可以在更高的开关频率下运行，而在转换期间不会出现明显的功率损耗。显着的优点是尺寸减小和失真更少（图 1）。

快速开关会产生噪声瞬变，从而导致闩锁，从而导致调制损耗甚至永久性系统损坏。为了解决这个问题，需要提高用于驱动系统的组件的抗噪能力。此外，与开关相关的功耗和传导损耗会产生热量，必须通过散热器散热，从而增加了解决方案的尺寸。

这些瞬变的强度可能是由杂散脉冲门的驱动电路引起的，从而导致短路。控制功率转换器的驱动电路必须设计成能够承受这些噪声源，从而避免二次短路。驱动器电路承受共模噪声瞬变的能力是其共模瞬变抗扰度 (CMTI)，以 kV/µs 表示。CMTI 是处理两个独立接地参考（隔离式栅极驱动器）之间差分电压的所有栅极驱动器的关键参数。

了解和测量对这些瞬变的敏感性是新电源设计中的重要一步。跨过隔离栅的电容为快速瞬变穿过隔离栅并破坏输出波形提供了路径。

Maxim Integrated 的新型MAX22701E驱动器具有 300kV/µs 的高 CMTI，从而延长了系统正常运行时间。该驱动器专为太阳能逆变器、电机驱动和储能系统等大功率工业系统中的开关电源而设计。MAX22701E 与 SiC 和 GaN 兼容，用于驱动基于任何一种 WBG 材料的 FET。据该公司称，其技术规格可减少停机时间和能源损失。

MAX22701E 采用 8 引脚 (3.90 × 4.90-mm) 窄体 SOIC 封装，扩展温度范围为 –40°C 至 125°C（图 2）。

图 2： MAX22701E 框图（图片：Maxim Integrated）

高 CMTI 决定了驱动器两侧的正确操作，最大限度地减少错误，从而增强所用栅极驱动器的鲁棒性。CMTI 是与隔离器相关的三个关键特性之一。其他是传播延迟匹配和工作电压。据 Maxim Integrated 称，MAX22701E 在高端和低端栅极驱动器之间提供业界最低的器件间传播延迟匹配，最大为 5ns。这有助于最大限度地减少晶体管的死区时间并最大限度地提高电源效率。_{该器件提供 3 kV rms}的电流隔离，持续 60 秒。

“随着 SiC 和 GaN 等功率半导体器件的不断进步和采用，该行业正朝着更节能和[更]可靠的解决方案迈进，”Maxim 工业和医疗保健业务部高级业务经理 Suravi Karmacharya 说融合的。“与传统的 MOSFET 和 IGBT 解决方案相比，该设备需要越来越高性能的开关频率，在开关瞬态时具有高 dV/dt 特性。我们的隔离式 SiC 栅极驱动器提供了一种解决方案，可最大限度地提高系统功率效率并延长嘈杂环境中的正常运行时间。”

审核编辑：刘清