使用SiC隔离栅极驱动器提高能源效率

使用碳化硅栅极驱动器可以将能量损失减少30％，同时最大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正成为关键的市场领导地位。从半导体材料的角度来看，该领域已经取得了相当大的进步，现在有可以高速切换的产品，在减小尺寸的同时提高了系统级效率。

随着设备变得越来越小，电源需要跟上步伐。因此，当今的设计师有一个优先目标：最大化每体积的功率（W / mm3）。实现此目的的一种方法是使用高性能电源开关。即使仍需要进一步的研发计划来提高性能和安全性，即使使用这些宽禁带（WBG）材料进行设计仍需要额外的工作，但新的电力电子技术的道路已经被GaN（氮化镓）和SiC铺平了。设计阶段。

诸如带隙（eV），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从使用GaN和SiC等WBG半导体时可以获得的主要好处。 WBG半导体电源开关模块的优点包括高电流密度，更快的开关速度和更低的漏源电阻（RDS（on））。

SiC将确定几种工业应用中的功率速率。它具有3.2电子伏特（eV）的带隙，并且在相同的封装尺寸下，使电子在导带中移动所需的能量提供了更高的电压性能。较高的工作温度范围和导热系数可支持高效的热管理。

许多开关电源应用都采用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导致产生噪声瞬变的操作困难，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设备具有低电荷性能，并有机会快速切换。

隔离式栅极驱动器被广泛用于驱动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。但是，基于SiC和GaN的系统可以在更高的开关频率下工作，而在过渡期间不会出现明显的功率损耗。显著的优势是减小尺寸和减少失真（图1）。

快速开关会产生瞬态噪声，由于闩锁现象，瞬态噪声可能导致调制损失，甚至对系统造成永久性损害。为了解决这个问题，有必要提高用于驱动系统的组件的抗噪性。开关过程中的功率耗散或传导损耗会产生必须通过散热片散发的热量。散热器的尺寸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，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，从而承受可能的二次短路。驱动器电路承受这些共模噪声瞬变的能力由共模瞬变抗扰度（CMTI）定义，以kV / µs表示，它是处理两个独立地之间的差分电压的所有栅极驱动器的关键参数参考（隔离栅极驱动器）。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。势垒两端的电容为这些快速瞬变提供了穿越隔离势垒并破坏输出波形的路径。

新型MAX22701E驱动器具有300 kV / µs的高CMTI抗扰度，从而延长了系统正常运行时间。该驱动器设计用于在大功率工业系统中切换电源，例如太阳能逆变器，电机驱动器和能量存储系统。 MAX22701E兼容驱动SiC或GaN FET。技术规范大大减少了停机时间和能源损失。 MAX22701E采用8引脚（3.90mm x 4.90mm）窄体SOIC封装，温度范围为-40至+125摄氏度（图2）。

图2：MAX22701E的框图

较高的CMTI决定了驱动器两侧的正确操作，从而最大程度地减少了误差，从而使所使用的栅极驱动器的可靠性更高。 CMTI是与隔离器相关的三个关键功能之一。其他关键特性是传播延迟匹配和工作电压。 MAX22701E在高端和低端栅极驱动器之间提供业界最低的5ns（最大）的部件间传播延迟匹配。这有助于最小化晶体管的死区时间并最大化功率效率。该器件可提供3kVRMS的强大电流隔离，持续60s。

“随着功率半导体器件（例如SiC和GaN）的不断发展和采用，该行业正在朝着更加节能和可靠的解决方案发展。与传统的MOSFET和IGBT解决方案相比，该设备需要越来越高的高性能开关频率，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，可在嘈杂的环境中最大化系统电源效率并增加正常运行时间； Maxim Integrated工业和医疗保健业务部高级业务经理Suravi Karmacharya说。

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