适用于高性能功率器件的 SiC 隔离解决方案

随着设备变得越来越小，电源也需要跟上步伐。因此，当今的设计人员有一个优先目标：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。尽管需要进一步的研发计划来提高性能和安全性，并且使用这些宽带隙 (WBG) 材料进行设计需要在设计过程中进行额外的工作，但氮化镓 (GaN) 和 SiC 已经为新型电力电子产品铺平了道路阶段。

使用 SiC 栅极驱动器可以减少 30% 的能量损耗，同时限度地延长系统正常运行时间。
Maxim Integrated 推出了一款碳化硅 (SiC) 隔离式栅极驱动器，用于工业市场的高效电源。该公司声称，与竞争解决方案相比，新设备的功耗降低了 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，现在已经有了可以高速开关的产品，提高了系统级效率，同时缩小了解决方案尺寸。
随着设备变得越来越小，电源也需要跟上步伐。因此，当今的设计人员有一个优先目标：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。尽管需要进一步的研发计划来提高性能和安全性，并且使用这些宽带隙 (WBG) 材料进行设计需要在设计过程中进行额外的工作，但氮化镓 (GaN) 和 SiC 已经为新型电力电子产品铺平了道路阶段。
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优势。基于WBG 半导体的功率开关模块的优点包括高电流密度、更快的开关和更低的漏源电阻(R DS(on) )。
SiC 将决定多种工业应用的功率速率。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可提供比相同封装规模的硅更高的电压性能。SiC 较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 解决方案来提高能源效率和系统可靠性。

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瞬变的操作困难，从而导致整个系统效率低下。与硅的化学结构相比，新技术的化学结构使得新器件具有低电荷和快速开关的特性。
隔离栅极驱动器广泛用于驱动 MOSFET 和 IGBT 并提供电流隔离。MOSFET 和 IGBT 的开关频率通常高于 10 kHz。然而，基于 SiC 和 GaN 的系统可以在更高的开关频率下运行，并且在转换过程中不会出现显着的功率损耗。显着的优点是尺寸减小和变形更少（图 1）。
快速开关会产生噪声瞬变，从而导致闩锁，从而导致调制损失甚至性系统损坏。为了解决这个问题，需要提高用于驱动系统的元件的抗噪声能力。此外，与开关相关的功耗和传导损耗会产生必须通过散热器散发的热量，从而增加了解决方案的尺寸。
这些瞬变的强度可能是由寄生脉冲门的驱动电路引起的，从而导致短路情况。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态的能力是其共模瞬态抗扰度 (CMTI)，以 kV/μs 表示。CMTI 是所有处理两个独立接地参考（隔离栅极驱动器）之间差分电压的栅极驱动器的关键参数。
了解和测量对这些瞬变的敏感度是设计新电源的重要一步。隔离栅上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，从而延长系统正常运行时间。该驱动器专为高功率工业系统中的开关电源而设计，例如太阳能逆变器、电机驱动器和储能系统。MAX22701E 与 SiC 和 GaN 兼容，可驱动基于任一 WBG 材料的 FET。据该公司称，其技术规格减少了停机时间和能源损失。
MAX22701E 采用八引脚 (3.90 × 4.90mm) 窄体 SOIC 封装，工作温度范围为 –40°C 至 125°C (图 2)。

图 2： MAX22701E 框图（图片Maxim Integrated）

高 CMTI 决定驱动器两侧的正确操作，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提供业界的器件间传播延迟匹配，高侧和低侧栅极驱动器之间的传播延迟匹配为5 ns（值）。这有助于限度地减少晶体管的死区时间并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。
Maxim 工业和医疗保健业务部业务经理 Suravi Karmacharya 表示：“随着 SiC 和 GaN 等功率半导体器件的不断进步和采用，行业正在转向更节能、更可靠的解决方案。”融合的。“与传统 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，并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，可限度地提高系统电源效率并增加嘈杂环境中的正常运行时间。”