基于材料的新型電源開關技術的出現 如碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）提供了跳躍 性能優于基于 MOSFET 和 IGBT 的傳統系統 科技。更高的開關頻率將減小元件尺寸， 允許降低成本、尺寸和重量;這些是關鍵優勢 在汽車和能源等市場。新的電源開關也將 控制它們的組件（包括澆口）上的力變化 司機。本文將探討GaN和 SiC 開關與 IGBT/MOSFET，并討論柵極驅動器將如何支持 這些差異。

多年來電源開關技術的供電選擇 系統非常簡單。在較低電壓電平下 （通常高達 600 V），MOSFET 通常是事實上的選擇，具有 更高的電壓電平通常是IGBT的域。 隨著新型電源開關的出現，現狀受到威脅 氮化鎵和碳化硅形式的技術。

這些新的開關技術在以下方面具有以下顯著優勢： 性能條款。更高的開關頻率減小了系統尺寸 和重量，這在考慮目標市場時很重要，例如 作為汽車和光伏逆變器用于能源應用，例如 太陽能電池板。將開關速度從 20 kHz 提高到 100 kHz 可提供 顯著減輕變壓器重量，使電機更輕 電動汽車，增加續航里程，縮小逆變器尺寸 用于太陽能應用，使其更容易被家庭接受 應用。此外，更高的工作溫度（特別是 GaN器件）和較低的導通驅動要求簡化了設計工作 對于系統架構師。

與MOSFET / IGBT一樣，新技術（至少在最初）似乎可以發揮作用 不同的應用需求。直到最近，GaN產品通常都是 在 200 V 范圍內，盡管近年來這種情況迅速擴大 并且已經出現了600V范圍內的幾種產品。這仍然不是 侵占SiC的主要范圍，更接近1000 V范圍， 可能表明GaN成為MOSFET的自然繼承人 器件，使SiC成為IGBT器件的替代品。然而 正如SJ MOSFET跨越間隙進入更高電壓的應用一樣 到 900 V，一些 GaN 開發是 開始提供能夠處理上述應用程序的設備 600V電平。

然而，雖然這些優勢使GaN和SiC功率開關成為 對設計師有吸引力的主張，好處不是免費提供的。 首先是成本，設備價格比成本高出幾倍 它們的MOSFET/IGBT等效物。IGBT和MOSFET生產是一口井 開發和高度理解的工藝，這意味著它的成本很高 與較新的競爭對手相比，在價格競爭方面進行了優化和定位。 目前，SiC和GaN器件的價格仍然高出幾倍，而 與傳統競爭對手相比，不斷變得更具價格競爭力。多 專家和市場報告表示，定價差距將有 在廣泛采用之前顯著關閉。即便如此， 不應該期望大規模轉換，即使是長期估計 將預測傳統開關技術保留大部分 未來一段時間的市場。

除了純粹的成本和財務考慮之外，技術考慮 也開始發揮作用。更高的開關速度和更高的操作性 溫度可能是氮化鎵/碳化硅開關的良好工作點， 但它們仍然給周圍IC的配角帶來問題 需要完成電源轉換信號鏈。典型信號 隔離系統的鏈如圖1所示。雖然增加 開關速度對控制的兩個處理器都有影響 轉換和電流感，提供反饋 循環，本文的其余部分將重點介紹 為電源開關提供控制信號的柵極驅動器。

圖1.典型功率轉換信號鏈

用于氮化鎵/碳化硅的柵極驅動器

柵極驅動器接收過程產生的邏輯電平控制信號 控制系統，并提供驅動所需的驅動信號 電源開關的柵極。在隔離的系統中，它們還提供 隔離，分離系統帶電側的高壓信號 兩個用戶，安全側具有敏感的低壓電路。 充分利用 GaN/SiC技術中，柵極驅動器必須提高其頻率 控制信號。目前基于IGBT的系統可能會切換數十個 千赫范圍;新出現的需求表明開關頻率 在數百kHz，可能高達一到兩MHz范圍內 是必需的。這給系統設計人員帶來了問題，因為他們試圖 消除從柵極驅動器到電源開關的信號路徑中的電感。 最小化走線長度以避免走線電感將是關鍵和關閉 柵極驅動器與電源開關的共置可能成為常態。 GaN供應商推薦的大多數（如果不是全部）布局指南強調 低阻抗走線和平面的重要性。此外，采用者 將尋求電源開關和支持IC供應商來解決問題 由包裝和鍵合線引起。

SiC/GaN 開關提供的更高工作溫度范圍將 對系統設計人員也具有吸引力，允許更多的自由推動 性能不會遇到散熱問題。而電源開關 將在更高的溫度下工作，硅基組件 它們周圍仍然面臨與往常相同的溫度限制。鑒于 需要將驅動器放置在開關旁邊，設計人員希望 利用新開關更高的工作溫度 面對不超過硅基溫度限制的問題 部件。

圖2.典型柵極驅動器的傳播延遲與CMTI性能的關系。

較高的開關頻率也可能導致最大的 系統設計人員面臨的問題：共模魯棒性 瞬 變。跨隔離柵耦合的高壓擺率信號 在隔離式柵極驅動器中發現會破壞數據傳輸，從而導致 在輸出上不需要的信號中。在傳統的基于IGBT的系統中， 已知抗擾度為 20 kV/μs 至 30 kV/μs 的柵極驅動器 提供足夠的共模事件抗擾度。然而 氮化鎵器件的壓擺率通常超過這些限值，并且 穩健的系統設計柵極驅動器，支持共模瞬變 需要 100 kV/μs 及以上的抗擾度。更多最新 產品，如ADuM4135，采用i耦合器技術 ADI公司，提供對共模瞬變的抗擾度 直接響應 100 kV/μs。提高CMTI性能， 但是，通常可能會以額外的延遲為代價。延遲增加 意味著增加高邊和低邊開關之間的死區時間， 性能下降。在孤立地區尤其如此 柵極驅動器，傳統上由于傳輸而具有更長的延遲 跨越隔離柵的信號。但是，ADuM4135 在 提供 100 kV/μs CMTI，同時仍提供 50 ns 的傳播延遲。?

對于負責驅動新電源的柵極驅動器來說，這個消息并不全是壞消息 開關技術。典型的IGBT具有數百種柵極電荷 nC 范圍，因此，通常會找到柵極驅動器產品 2 A 至 6 A 范圍內的輸出驅動能力。目前，可用的氮化鎵 開關可將柵極電荷提高 10× 以上，通常 5 nC 至 7 nC 范圍，因此柵極驅動器的驅動要求 顯著減少。降低柵極驅動器的驅動要求允許 更小的更快柵極驅動器，減少了對外部緩沖器升壓的需求 電流輸出，從而節省空間和成本。

結論

GaN和SiC器件作為功率轉換的新解決方案的出現 應用早已被預測，翹首以盼，終于有了 到。雖然這些技術提供了有吸引力的好處，但它們不是免費的。 的成本。為了提供最佳性能，新的開關技術 將更改對使用的隔離式柵極驅動器的要求，以及 將給系統設計人員帶來新的問題。好處是顯著的 這些問題的解決方案已經出現;此外，可行的氮化鎵 基于 SiC 的解決方案隨時可用。

審核編輯：郭婷