碳化硅隔離柵器件解析

什么是碳化硅隔離柵器件?它的作用是什么?Maxim Integrated推出了一款碳化硅(SiC)隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器，用于工業(yè)市場(chǎng)的高效電源。該公司聲稱，與競(jìng)爭(zhēng)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(duì)提高設(shè)計(jì)的電源效率越來越感興趣。能源效率和降低成本的結(jié)合正成為關(guān)鍵的市場(chǎng)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(dāng)大的進(jìn)步，現(xiàn)在有可以高速切換的產(chǎn)品，在減小尺寸的同時(shí)提高了系統(tǒng)級(jí)效率。

隨著設(shè)備變得越來越小，電力供應(yīng)需要跟上步伐。因此，現(xiàn)在的設(shè)計(jì)師有一個(gè)優(yōu)先目標(biāo):最大限度地提高每體積的功率(W/mm3)。實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的一種方法是使用高性能電源開關(guān)。新型電力電子的發(fā)展道路已經(jīng)由氮化鎵(GaN)和碳化硅(SiC)鋪設(shè)好了，盡管還需要進(jìn)一步的研發(fā)項(xiàng)目來提高性能和安全性，盡管在設(shè)計(jì)階段使用這些寬禁帶(WBG)材料進(jìn)行設(shè)計(jì)需要額外的工作。

能帶隙(eV)、擊穿場(chǎng)、熱導(dǎo)率、電子遷移率和電子漂移速度等性能是工程師從使用GaN和SiC等WBG半導(dǎo)體中獲得的主要好處。WBG半導(dǎo)體電源開關(guān)模塊的優(yōu)點(diǎn)包括高電流密度、更快的開關(guān)速度和更低的漏源電阻(RDS (on))。

SiC將確定幾種工業(yè)應(yīng)用中的功率速率。它具有3.2電子伏特(eV)的帶隙，并且在相同的封裝尺寸下，使電子在導(dǎo)帶中移動(dòng)所需的能量提供了更高的電壓性能。較高的工作溫度范圍和導(dǎo)熱系數(shù)可支持高效的熱管理。

許多開關(guān)電源應(yīng)用都采用SiC解決方案來提高能源效率和系統(tǒng)可靠性。

電源中的高開關(guān)頻率導(dǎo)致產(chǎn)生噪聲瞬變的操作困難，從而使整個(gè)系統(tǒng)效率低下。與硅相比，新技術(shù)的化學(xué)結(jié)構(gòu)使新設(shè)備具有低電荷性能，并有機(jī)會(huì)快速切換。

隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器被廣泛用于驅(qū)動(dòng)MOSFET和IGBT，并提供電流隔離。高于10 kHz的開關(guān)頻率在MOSFET和IGBT中很常見。但是，基于SiC和GaN的系統(tǒng)可以在更高的開關(guān)頻率下工作，而在過渡期間不會(huì)出現(xiàn)明顯的功率損耗。顯著的優(yōu)勢(shì)是減小尺寸和減少失真(圖1)。

快速開關(guān)會(huì)產(chǎn)生瞬態(tài)噪聲，由于閂鎖現(xiàn)象，瞬態(tài)噪聲可能導(dǎo)致調(diào)制損失，甚至對(duì)系統(tǒng)造成永久性損害。為了解決這個(gè)問題，有必要提高用于驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的組件的抗噪性。開關(guān)過程中的功率耗散或傳導(dǎo)損耗會(huì)產(chǎn)生必須通過散熱片散發(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(qiáng)度可能是由寄生脈沖門的驅(qū)動(dòng)電路引起的，導(dǎo)致短路情況?？刂乒β兽D(zhuǎn)換器的驅(qū)動(dòng)電路必須設(shè)計(jì)成能夠承受這些噪聲源，從而承受可能的二次短路。驅(qū)動(dòng)器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，以kV / μs表示，它是處理兩個(gè)獨(dú)立地之間的差分電壓的所有柵極驅(qū)動(dòng)器的關(guān)鍵參數(shù)參考(隔離柵極驅(qū)動(dòng)器)。了解和測(cè)量對(duì)這些瞬變的敏感度是設(shè)計(jì)新電源的重要一步。勢(shì)壘兩端的電容為這些快速瞬變提供了穿越隔離勢(shì)壘并破壞輸出波形的路徑。

新型MAX22701E驅(qū)動(dòng)器具有300 kV / μs的高CMTI抗擾度，從而延長了系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)間。該驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)用于在大功率工業(yè)系統(tǒng)中切換電源，例如太陽能逆變器，電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和能量存儲(chǔ)系統(tǒng)。 MAX22701E兼容驅(qū)動(dòng)SiC或GaN FET。技術(shù)規(guī)范大大減少了停機(jī)時(shí)間和能源損失。 MAX22701E采用8引腳(3.90 x 4.90mm)窄體SOIC封裝，擴(kuò)展的溫度范圍為-40至+125°C(圖2)。

較高的CMTI決定了驅(qū)動(dòng)器兩側(cè)的正確操作，從而最大程度地減少了誤差，從而使所使用的柵極驅(qū)動(dòng)器的可靠性更高。 CMTI是與隔離器相關(guān)的三個(gè)關(guān)鍵功能之一。 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(dòng)器之間提供業(yè)界最低的5ns(最大)的部件間傳播延遲匹配。 這有助于最小化晶體管的死區(qū)時(shí)間并最大化功率效率。 該器件可提供3kVRMS的強(qiáng)大電流隔離，持續(xù)60s。以上就是碳化硅隔離柵器件的高效解決方案，希望在設(shè)計(jì)的時(shí)候能給大家?guī)椭?