隨著新應(yīng)用領(lǐng)域和市場(chǎng)的出現(xiàn)，近年來(lái)全球電力需求猛增，使節(jié)能成為設(shè)備設(shè)計(jì)的一個(gè)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(duì)于需要高功率轉(zhuǎn)換的電源和驅(qū)動(dòng)器。

隨著實(shí)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(guò)提高工作頻率來(lái)實(shí)現(xiàn)的。反過(guò)來(lái)，這種增加需要更復(fù)雜的驅(qū)動(dòng)器和碳化硅 (SiC) MOSFET 或 IGBT 的驅(qū)動(dòng)電壓優(yōu)化。

提高效率同時(shí)減小器件尺寸的目標(biāo)增加了對(duì)高性能功率器件和柵極驅(qū)動(dòng)器的需求。因此，預(yù)計(jì) SiC 功率器件的市場(chǎng)將擴(kuò)大，它是高效率的縮影，在新一代逆變器中越來(lái)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(lái)越多地用于開(kāi)關(guān)應(yīng)用。SiC MOSFET 可以通過(guò)實(shí)現(xiàn)高速開(kāi)關(guān)以及故障保護(hù)和配置的電路布局來(lái)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(dòng)模塊

憑借在磁路方面的核心競(jìng)爭(zhēng)力，田村在 SiC/IGBT 柵極驅(qū)動(dòng)器模塊 (GDM) 的開(kāi)發(fā)方面擁有多年經(jīng)驗(yàn)。該公司的目標(biāo)是設(shè)計(jì)高度集成的設(shè)備，例如模塊，而不是單個(gè)組件。這些模塊簡(jiǎn)化了電路設(shè)計(jì)，因?yàn)樗鼈儽举|(zhì)上是即插即用的：根據(jù) Tamura 的說(shuō)法，設(shè)計(jì)人員只需要定義輸入和輸出信號(hào)，其他一切都由模塊在內(nèi)部執(zhí)行。

柵極驅(qū)動(dòng)器模塊的一個(gè)顯著特點(diǎn)是使用磁耦合傳輸柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)，這是田村擁有豐富經(jīng)驗(yàn)的技術(shù)。其模塊提供獨(dú)立版本(“驅(qū)動(dòng)模塊”)和連接器板(“驅(qū)動(dòng)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(chēng)，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(dá) 1 MW 的“4in1”驅(qū)動(dòng)器單元。第一代(高達(dá) 1,200-V)產(chǎn)品包括驅(qū)動(dòng)器模塊和驅(qū)動(dòng)器單元。第二代(高達(dá) 1,700 V)設(shè)備還包括三電平 DC/DC 轉(zhuǎn)換器和一個(gè) 4 合 1 驅(qū)動(dòng)器單元。

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

例如，假設(shè)存在共模噪聲問(wèn)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(hù)(圖片：Tamura)

Tamura 表示，即使在更高的開(kāi)關(guān)頻率下，驅(qū)動(dòng)器電路的內(nèi)部阻抗也非常低，僅為 50 mΩ 或更低;因此，開(kāi)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(lèi)型的占位面積，讓設(shè)計(jì)人員在安排模塊布局時(shí)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(jì)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(hù)模式，例如軟關(guān)斷。如圖 1 所示，通過(guò)在軟關(guān)斷引腳上增加一個(gè)電阻，可以定義關(guān)斷時(shí)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(hù)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(hù)電源模塊免受影響集電極-發(fā)射極電壓 (VCE) 信號(hào)的浪涌影響。

羅姆、TI、Maxim 和英飛凌

羅姆半導(dǎo)體開(kāi)發(fā)了帶有集成隔離器的柵極驅(qū)動(dòng)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(hù)，而 BM60014FV 的簡(jiǎn)單設(shè)計(jì)加速了產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程。柵極驅(qū)動(dòng)器采用緊湊型封裝，該公司稱(chēng)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(cè)功能的隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器，適用于 IGBT 和 SiC MOSFET。據(jù) TI 稱(chēng)，這些新產(chǎn)品具有先進(jìn)的監(jiān)控和保護(hù)系統(tǒng)，并提高了汽車(chē)和工業(yè)應(yīng)用的總體系統(tǒng)效率。柵極驅(qū)動(dòng)器讓設(shè)計(jì)人員能夠創(chuàng)建特別緊湊的設(shè)計(jì)，同時(shí)為牽引逆變器、集成電池充電器、光伏逆變器和電機(jī)驅(qū)動(dòng)器等應(yīng)用實(shí)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(jiǎn)化設(shè)計(jì)并在高達(dá) 1.5 kVrms 的應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)更高的系統(tǒng)可靠性。

Maxim Integrated 的新型 MAX22701E 驅(qū)動(dòng)器具有 300 kV/μs 的高共模瞬態(tài)抗擾度 (CMTI)，可延長(zhǎng)系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)間。寄生脈沖門(mén)的驅(qū)動(dòng)電路可能會(huì)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(dòng)電路的設(shè)計(jì)必須能夠承受這些噪聲源。Maxim Integrated 的驅(qū)動(dòng)器專(zhuān)為太陽(yáng)能逆變器、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和儲(chǔ)能系統(tǒng)等大功率工業(yè)系統(tǒng)中的開(kāi)關(guān)電源而設(shè)計(jì)。

MAX22701E 與 SiC 和氮化鎵 (GaN) FET 兼容，并具有該公司表示可減少停機(jī)時(shí)間和損失的技術(shù)規(guī)格。該驅(qū)動(dòng)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(dòng)器適用于服務(wù)器、電信和工業(yè)開(kāi)關(guān)電源中的高壓 PFC 和 DC/DC 級(jí)以及同步研磨級(jí)。其他應(yīng)用包括 48 至 12V DC/DC 轉(zhuǎn)換器、電池和電動(dòng)汽車(chē)充電站、智能電網(wǎng)和太陽(yáng)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(qiáng)大的集成電流隔離對(duì)于半橋配置非常重要，無(wú)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(chēng)，增強(qiáng)型集成輸入到輸出隔離可在需要時(shí)提供電氣安全。

EiceDRIVER 系列的低電阻輸出級(jí)最大限度地降低了內(nèi)部功耗，因此柵極驅(qū)動(dòng)器可以為功率 MOSFET 柵極提供最大功率。隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器在許多應(yīng)用中廣泛用于驅(qū)動(dòng) 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(kāi)關(guān)頻率下運(yùn)行，而不會(huì)在過(guò)渡期間產(chǎn)生顯著的功率損耗。

　審核編輯：湯梓紅