DQZHAN技術訊：新型功率開關技術和隔離式柵極驅動器不斷變化的格局
Maurice Moroney 市場經理 ADI公司
基于碳化硅(SiC)和氮化鎵(GaN)等材料的新型功率開關技術的出現促使性能大幅提升，超越了基于MOSFET和IGBT技術的傳統系統。更高的開關頻率將減小元件尺寸，從而減小成本、系統尺寸和重量；這些是汽車和能源等市場中的主要優勢。新型功率開關還將促使其控制元件發生變化，其中包括柵極驅動器。本文將探討GaN和SiC開關與IGBT/MOSFET的一些主要差異，以及柵極驅動器將如何為這些差異提供支持。
多年來，功率輸出系統的功率開關技術選擇一直非常簡單。在低電壓水平(通常為600 V以下)，通常會選擇MOSFET；在高電壓水平，通常會更多地選擇IGBT。隨著氮化鎵和碳化硅形式的新型功率開關技術的出現，這種情況正面臨威脅。
這些新型開關技術在性能方面具有多項明顯優勢。更高的開關頻率可減小系統尺寸和重量，這對太陽能面板等能源應用中使用的光伏逆變器以及汽車等目標市場非常重要。開關速度從20 kHz提高至100 kHz可大幅減小變壓器重量，從而使電動汽車的電機更輕，而且還能擴大太陽能應用中所用的逆變器的范圍，減小其尺寸，從而使其更適合國內應用。另外，更高的工作溫度(尤其是GaN器件)和更低的開啟驅動要求還可簡化系統架構師的設計工作。
與MOSFET/IGBT一樣，這些新技術(至少在初始階段)看起來能夠滿足不同的應用需求。GaN產品通常還處于200 V范圍內，盡管近年來這些產品已經飛速發展，并且出現了多種600 V范圍內的產品。但這仍然遠不及SiC的主要范圍(接近1000 V)，這表明，GaN已自然而然地取代了MOSFET器件，而SiC則取代了IGBT器件。既然超結MOSFET能夠跨越此鴻溝并實現高達900 V的高電壓應用，一些GaN研發開始提供能夠應對電壓在600 V以上的應用的器件，這完全不足為奇。
然而，雖然這些優勢使得GaN和SiC功率開關對設計人員**吸引力，但這種好處并非毫無代價。主要的代價是成本提高，這種器件的價格比同等MOSFET/IGBT產品高出好幾倍。IGBT和MOSFET生產是一種發展良好且極易掌握的過程，這意味著與其新對手相比，其成本更低、價格競爭力更高。目前，與其傳統對手相比，SiC和GaN器件的價格仍然高出數倍，但其價格競爭力正在不斷提高。許多專家和市場調查報告已經表明，必須在廣泛應用前大幅縮小價格差距。即使縮小了價格差距，新型功率開關也不太可能立即實現大規模應用，甚至從長期預測來看，傳統開關技術也仍將在未來一段時間內繼續占據大部分市場。
除純成本和財務因素外，技術因素也會有一些影響。更高的開關速度和工作溫度可能非常適合GaN/SiC開關，但是它們仍然會為完成功率轉換信號鏈所需的周邊IC支持器件帶來問題。隔離系統的一種典型信號鏈如圖1所示。雖然更高的開關速度會對控制轉換的處理器和提供反饋回路的電流檢測系統產生影響，但本文的其余部分將重點討論為功率開關提供控制信號的柵極驅動器所遇到的變化。
圖1. 典型功率轉換信號鏈
GaN/SiC柵極驅動器
柵極驅動器可接收系統控制過程產生的邏輯電平控制信號，并提供驅動功率開關柵極所需的驅動信號。在隔離系統中，它們還可實現隔離，將系統帶電側的高電壓信號與的用戶和敏感低電壓電路分離。為了充分利用GaN/SiC技術能夠提供更高開關頻率的功能，柵極驅動器必須提高其控制信號的頻率。
當前的基于IGBT的系統可能在數十kHz范圍內切換；新出現的要求表明，可能需要數百kHz、甚至是一至兩MHz的開關頻率。這會對系統設計人員產生困擾，因為他們試圖消除從柵極驅動器到功率開關之間的信號路徑中的電感。大限度縮短走線長度以避免走線電感將非常關鍵，柵極驅動器和功率開關的靠近布局可能會成為標準做法。GaN供應商提供的推薦布局指南的絕大部分都強調了低阻抗走線和平面的重要性。此外，使用者將希望功率開關和支持IC供應商能夠解決封裝和金線引起的各種問題。
SiC/GaN開關提供的更高工作溫度范圍也對系統設計人員**吸引力，因為這能夠讓他們更自由地提升性能，而不必擔心散熱問題。雖然功率開關將在更高溫度下工作，但其周圍的硅類元件仍然會遇到常規的溫度限制。由于必須將驅動器放置在開關旁邊，希望充分利用新開關的更高工作范圍的設計人員正面臨著一個問題，即溫度不能超過硅類元件溫度極限。
圖2. 典型柵極驅動器的傳播延遲和CMTI性能
更高的開關頻率還會產生共模瞬變抗擾性問題，這對系統設計人員來說是一個非常嚴重的問題。在隔離式柵極驅動器中的隔離柵上耦合的高壓擺率信號可能破壞數據傳輸，導致輸出端出現不必要的信號。在傳統的基于IGBT的系統中，抗擾度介于20 kV/μs和30 kV/μs之間的柵極驅動器足以抵抗共模干擾。但是，GaN器件往往具有超過這種限制的壓擺率，為魯棒系統選擇柵極驅動器，其共模瞬變抗擾度至少應為100 kV/μs。推出的產品，例如ADuM4135，采用了ADI公司的iCoupler?技術，提供高達100 kV/μs的共模瞬變抗擾度，能夠應對此類應用。但是，提高CMTI性能往往會產生額外的延遲。延遲增加意味著低端開關之間的死區時間增加，這會降低性能。在隔離式柵極驅動器領域尤其如此，因為在此類領域中，信號在隔離柵上傳輸，一般具有更長時間的延遲。但是，ADuM4135不僅提供100 kV/μs CMTI，而且其傳播延遲僅為50 ns。
當然，對于承擔推動新型功率開關技術向前發展這一任務的柵極驅動器，并非完全是壞消息。典型IGBT的柵極充電電荷高達數百nC，因此，我們通常會發現柵極驅動器在2 A至6 A范圍內提供輸出驅動能力。目前，市場上提供的GaN開關的柵極充電電荷性能提升了10倍以上，通常處于5 nC至7 nC范圍內，因此，柵極驅動器的驅動要求已顯著降低。降低柵極驅動器的驅動要求可使柵極驅動器尺寸更小、速度更快，而且還能減少添加外部緩沖器以增強電流輸出的需求，從而能夠節約空間和成本。
結論
人們很早以前就預測到，GaN和SiC器件將成為功率轉換應用中的新型解決方案，這種技術人們期待已久，現在終于得以實現。雖然這種技術能夠提供**吸引力的優勢，但它們并非沒有代價。為了提供出色性能，新型開關技術需要更改所用隔離式柵極驅動器的要求，并且會為系統設計人員帶來新的問題。優勢很明顯，并且也已經出現了多種解決這些問題的方案。而且，市場上已經有現成且可行的GaN和SiC解決方案。
