WBG 器件给栅极驱动器电源带来的挑战

发布者:EE小广播最新更新时间:2024-09-25 来源: EEWORLD关键字:WBG  器件  栅极驱动器  电源  氮化镓  宽带隙  晶体管 手机看文章 扫描二维码
随时随地手机看文章

碳化硅 (SiC) 和氮化镓 (GaN) 器件的栅极驱动器电源必须满足这些宽带隙半导体的独特偏置要求。本文将讨论在 SiC 和 GaN 应用中设计栅极驱动器电源时需要考虑的关键因素。


image.png


SiC 和 GaN 是宽带隙 (WBG) 半导体材料,因其开关更快且损耗更低,相较于传统硅 (Si) 在电力电子应用领域更具优势。对于需要关键考量高效率和高功率密度的应用来说,这类材料的市场占有率正在不断增加。 


早期采用者因技术而异。  技术更为成熟的 SiC 已基本取代 Si IGBT,用于为电动汽车的牵引逆变器供电,而 GaN 技术在笔记本电脑和类似设备的充电器应用方面也取得了巨大成功。 


image.png

图 1:RECOM 针对 WBG 栅极驱动器应用进行了优化的一些DC/DC转换器(来源:RECOM)


WBG 器件的栅极驱动器要求


image.png

图 2:SiC 和 GaN 器件的驱动器电压比较(来源:RECOM)


SiC 和 GaN 晶体管的栅极驱动器必须根据每个器件的具体特性进行定制。对于高侧栅极驱动器,栅极驱动器和其直流电源必须采取隔离措施。


第一代 SiC MOSFET 通常在导通状态下需要 + 20 V 栅极驱动电压 (VDD),以提供最低的导通电阻。由于栅极导通阈值可以小于 2 V,为了实现最佳的开关可靠性,SiC MOSFET 驱动器通常在关断阶段摆动至负栅极电压。 


对于下一代设备,最佳导通和关断电压分别为 +15 或 +18 V 和 -3 或 -4 V。栅极驱动器必须具备非常快的上升和下降时间(大约几纳秒),但除此之外,大多数栅极驱动器都可以与非对称 VDD 和 VEE 电源电压使用而不会有任何问题。栅极驱动器的功耗随开关频率的提高而增加,但峰值栅极驱动电流由靠近驱动器电源引脚放置的电容器提供,并且只需要 2 W 至 3 W 的低功耗 DC/DC 转换器。


GaN 高电子迁移率晶体管 (HEMT) 的典型全增强电压为 7 V,但如果 VGS 超过 10 V 就会损坏,这远低于 SiC 栅极驱动器所需的栅极电压。由于 HEMT 结构的低电容栅极沟道的上升和下降时间极快,因此外部栅极驱动中任何过大电感都可能导致电压尖峰或电压振铃,进而超过这些电压限值。因此,6V 栅极驱动电压是一种良好的折衷,既能保持高效率,又能处于安全工作范围内。不同于 SiC MOSFET,HEMT 栅极通道的低电容允许关断电压为零伏。


SiC 或 GaN 栅极驱动器的电源必须能够提供上述所需的电压水平。该电源由一个隔离型 DC/DC 转换器组成,通常为 SiC MOSFET 提供 +20/-5 V 电压(第二代器件为 +15/-3 V 电压)或为 GaN HEMT 提供 +6 V 和 +9 V 电压。 


许多 SiC 和 GaN 应用中的高侧驱动电路通常比地电位高出数百伏,需要对驱动器及其相关电路进行电气隔离。光耦合器为控制信号提供隔离,但电源也需要隔离。 


采用最简单(功能性)隔离的 DC/DC 转换器最长可以承受一秒的 1 kVDC 电压,但这对于桥式配置的高侧栅极驱动器来说往往不够。DC/DC 隔离电压至少是工作电压的两倍,但这些高功率 SiC 和 GaN 晶体管产生的高环境温度和快速开关会对隔离屏障施加额外应力。因此,需要高隔离型 DC/DC 转换器来为栅极驱动器供电。


针对 SiC 和 GaN 栅极驱动器的 RECOM 解决方案


RECOM 用于栅极驱动器的 DC/DC 转换器是一种即插即用型模块,可为 WBG 应用中栅极驱动器提供可靠、耐用的解决方案。我们提供一系列隔离型 DC/DC 转换器模块,为 SiC MOSFET 或 GaN HEMT 功率器件提供简单的电源解决方案。这些转换器具备非对称输出电压、高绝缘电压和低隔离电容等特点。 


适用于 SiC 和 GaN 驱动技术的最佳 RECOM DC/DC 转换器系列有哪些?


SiC MOSFET。RxxP22005D 和 RKZ-xx2005D系列提供 +20 V 和 -5 V 的不对称输出电压,可高效且有效地开关 SiC MOSFET。RxxP21503D 系列提供 +15 和 -3 V 的不对称输出电压,可高效开关第二代 SiC MOSFET。 


GaN HEMT。采用 RECOM 的 RP-xx06S 和 RxxP06S 系列 DC/DC 转换器(具有高隔离电压和低隔离电容)供电时,高压摆率 GaN 晶体管驱动器可在 +6 V 电压下实现最佳开关性能。在必须考虑较高噪声和干扰的 GaN 应用中,RECOM 还提供具有 +9 V 输出电压的转换器,该输出电压可以用齐纳二极管分为 +6 V 和 -3 V,以在关断时提供负栅极电压,确保栅极电压始终低于导通阈值。

 

RA3 系列针对栅极驱动器进行了优化


RECOM RA3 系列非稳压 3 W DC/DC 转换器,专门设计用于为晶体管栅极驱动器供电。这些模块的输入电压为 5、12 或 24 VDC,并提供单路或双路不对称输出,范围涵盖最新的 Si、SiC 和 GaN 晶体管。 


紧凑的 SMD 设计确保电路板所需空间最小化,尤其是对于多层 PCB 而言更是如此。该模块提供 5.2 kVDC/1 min 强大隔离和小于 10 pF 的隔离电容。典型效率范围为 78% 至 82%,满载时的工作温度范围为 -40C 至 +85°C,可满足太阳能逆变器、感应加热、电信、电动汽车电池充电器和电机驱动等严苛环境要求。


经得起未来考验的 WBG 设计


最佳栅极驱动器电源电压组合根据晶体管类型(IGBT、SiC 或 GaN)、制造商、技术代以及是否使用共源共栅配置而有所不同(图 3)。电子行业对此存在一些担忧。我如何才能让我的设计经得起未来考验,以便能够轻松适应未来几代或替代源晶体管供应商提供的不同最佳导通和关断电压? 


image.png

图 3:不同 IGBT、SiC 和 GaN 器件的推荐和绝对最大驱动器电压比较(来源:RECOM)


采用 RECOM R24C2T25 新型转换器可以解决这一难题。这是一款隔离型 SMD DC/DC 转换器,采用 IC 式 SSOP 封装,专为给隔离型 WBG 栅极驱动器供电而设计。通过使用预设电阻器,可在 +2.5 V 至 +22.5 V/-2.5 V 至 -22.5 V 范围内独立调节稳压正负输出电压,因此仅用一个产品即可覆盖 IGBT、MOSFET、SiC(所有代)甚至 GaN 的所有现有栅极驱动器电压范围(图 4)。


输出为基本隔离等级,隔离电压为 3 kVrms/1 min,并且在 -40°C 至 +105°C 的整个工作温度范围内可提供 1.5 W 功率而无需降额(温度最高达到 +85°C 时为 2 W)。CMTI(共模瞬态抗扰度)值超过 150 kV/µs,因此该电源可在极快的开关边沿下正常工作。该产品采用 SMD SSOP 封装,可以安装在靠近开关晶体管的位置,并且输出端提供全面保护措施(UVLO、OTP、SCP、OLP),可让您安装无忧。


image.png

图 4:R24C2T25 可调非对称输出电压栅极驱动电源。 


结论


宽带隙晶体管在大功率应用中独具优势,但对 SiC 和 GaN 栅极驱动器电源的设计人员来说颇具挑战。DC/DC 转换器的标准隔离水平不足以满足这些电路的要求,因此需要专门的解决方案。RECOM 结合所需的高绝缘电压、非对称输出电压和低隔离电容,推出多个系列 DC/DC 模块,这些模块针对 SiC 和 GaN 栅极驱动设计进行优化,易于使用。


关键字:WBG  器件  栅极驱动器  电源  氮化镓  宽带隙  晶体管 引用地址:WBG 器件给栅极驱动器电源带来的挑战

上一篇:英飞凌率先开发全球首项300 mm氮化镓功率半导体技术, 推动行业变革
下一篇:【泰克先进半导体实验室】 远山半导体发布新一代高压氮化镓功率器件

推荐阅读最新更新时间:2024-11-02 13:57

共模半导体继续推出超低噪声、超高PSRR线性稳压电源GM12051
『共模半导体』在前期推出高性能低压差线性稳压电源GM1205后,再推出一款同系列高端电源芯片-GM12051,GM12051输出电流可达1A,其采用的超低噪声和超高电源抑制比(PSRR)架构对噪声敏感的信号采集和无线通信应用供电。 GM12051被设计为一个高性能电流基准后跟随一个高性能电压缓冲器,其可容易地通过并联以进一步降低噪声、增加输出电流和改善PCB上的散热量。 GM12051系列产品介绍 GM12051可在 225mV 典型压差电压条件下提供1A,该产品正常工作静态电流的典型值为 3.1mA,并在停机模式中低于 1μA。该器件通过片外电阻调节输出电压,能够在宽输出电压范围(1V 至 15V)内保持单位增益工作,从
[电源管理]
共模半导体继续推出超低噪声、超高PSRR线性稳压<font color='red'>电源</font>GM12051
LED灯具驱动电源设计心得总结
要普及LED灯具,不但需要大幅度降低成本,更需要解决技术性的问题。如何解决能效和可靠性这些难题,PowerIntegrations市场营销副总裁DougBailey分享了高效高可靠LED灯具设计的心得。   一、不要使用双极型功率器件    DougBailey指出由于双极型功率器件比MOSFET便宜,一般是2美分左右一个,所以一些设计师为了降低LED驱动成本而使用双极型功率器件,这样会严重影响电路的可靠性,因为随着LED驱动电路板温度的提升,双极型器件的有效工作范围会迅速缩小,这样会导致器件在温度上升时故障从而影响LED灯具的可靠性,正确的做法是要选用MOSFET器件,MOSFET器件的使用寿命要远远长于双极型器件。  
[电源管理]
一种POL终端匹配电源的热模拟研究
  POL(P0int Of LOad)终端匹配电源广泛应用于存储器、CPU等高速信号端口。端口电压能够自动跟踪1/2主电源的电压,并输出或吸入信号的匹配电流。本文中自主研制的端口匹配电源DDRl2V4520,输出稳压精度高、响应快、电压设定数字化,已广泛应用于多个工程项目,实际使用效果良好。本文对比该电源的热模拟仿真结果与实测结果,*估电源的温升,确认了模型的准确性。在以后的同类电源设计中,通过仿真计算,可以相当准确地预计电源的热工作状况。   1 工作原理   电源DDR12V4520的主电源输出电压为1.5V~2.8V,额定输出电流45A。匹配电源跟踪l/2主电源电压,可以输出或吸入电流,额定容量20A。图
[电源管理]
一种POL终端匹配<font color='red'>电源</font>的热模拟研究
碳化硅在三大领域的作用
人类1905年 第一次在陨石中发现碳化硅,现在主要来源于人工合成,碳化硅有许多用途,行业跨度大,可用于单晶硅、多晶硅、砷化钾、石英晶体等、太阳能光伏产业、半导体产业、压电晶体产业工程性加工材料。 在半导体领域的应用 碳化硅一维纳米材料由于自身的微观形貌和晶体结构使其具备更多独特的优异性能和更加广泛的应用前景,被普遍认为有望成为第三代宽带隙半导体材料的重要组成单元。 第三代半导体材料即宽禁带半导体材料,又称高温半导体材料,主要包括碳化硅、氮化镓、氮化铝、氧化锌、金刚石等。这类材料具有宽的禁带宽度(禁带宽度大于2.2ev)、高的热导率、高的击穿电场、高的抗辐射能力、高的电子饱和速率等特点,适用于高温、高频、抗辐射及大 功率器件 的制
[嵌入式]
阳光电源为洛克希德•马丁公司2.25MW太阳能车棚供应组串式逆变器
阳光电源(Sungrow),世界领先的光伏逆变器制造商之一,宣布为洛克希德˙马丁公司(NYSE:LMT)持有的一个2.25MW太阳能车棚提供其60kw组串式逆变器。洛克希德˙马丁公司与佛罗里达州州长里克˙斯科特(Rick Scott)、Duke Energy的佛罗里达业务部门总裁亚历克斯˙格伦(Alex Glenn)及其他地方官员一道,庆祝覆盖其位于佛罗里达克利尔沃特附近的设施的停车场的光伏阵列通电,该光伏阵列占地面积151,400平方英尺。该项目代表着佛罗里达最大的私人光伏阵列。 洛克希德˙马丁公司与总承包商Advanced Green Technologies (AGT)于2015年三月破土动工该项目。自此,韩华新能源公司(H
[新能源]
5代线入广电电子 广电信息仍是空壳
  上广电完成内部整合之后,广电电子借5代线可以做强,而广电信息却仍是没有主营业务的空壳,今后的发展还很尴尬,同时不排除被卖掉的可能。   在停牌4个月后,上海广电集团(下称:上广电)旗下两家上市公司——广电电子(600602.SH)、广电信息(600637.SH)的整合计划近日终于浮出水面。   5月12日,广电电子发布的公告称,公司将向上广电收购其所持有的“上海广电光电子公司”62.5%的股权,同时向广电信息收购其所持有的“上海广电光电子公司”18.75%的股权。本次收购完成后,广电电子将持有光电子的股权增至100%,并拥有完整的第五代TFT-LCD(薄膜晶体管液晶显示器)业务。   有分析称,上广电将5代线注入广电电子
[焦点新闻]
如何测量直流转换电源纹波(图解)
DC/DC模块的电源纹波指标是一项很重要的参数。干净的电源是数字电路稳定工作的前提,也是模拟器件的各项参数的重要保障。为确定电源的质量,必须对DC/DC模块的输出纹波进行测量。但很多人测量得到的纹波值动辄上百mV,甚至几百mV,远远比器件手册提供的最大纹波值大,这主要是测量方法的不正确造成的。    正确的测量方法   1)限制示波器带宽为20MHz(大多中低端示波器档位限制在20MHz,高端产品还有200MHz带宽限制的选择),目的是避免数字电路的高频噪声影响纹波测量,尽量保证测量的准确性。   2)设置耦合方式为交流耦合,方便测量(以更小档位来仔细观测纹波,不关心直流电平).   3)保证探头接地尽量短(测量纹
[电源管理]
如何测量直流转换<font color='red'>电源</font>纹波(图解)
LDO低压差线性稳压器在开关电源中的应用
LDO简介   LDO是一种微功耗的低压差线性稳压器,它通常具有极低的自有噪声和较高的电源抑制比PSRR(PowerSupplyRejectionRatio)。   LDO低压差线性稳压器的结构如图(2)主要包括启动电路、恒流源偏置单元、使能电路、调整元件、基准源、误差放大器、反馈电阻网络和保护电路等。基本工作原理是这样的:系统加电,如果使能脚处于高电平时,电路开始启动,恒流源电路给整个电路提供偏置,基准源电压快速建立,输出随着输入不断上升,当输出即将达到规定值时,由反馈网络得到的输出反馈电压也接近于基准电压值,此时误差放大器将输出反馈电压和基准电压之间的误差小信号进行放大,再经调整管放大到输出,从而形成负反馈,保证了输出
[电源管理]
小广播
最新电源管理文章
电子工程世界版权所有 京ICP证060456号 京ICP备10001474号-1 电信业务审批[2006]字第258号函 京公网安备 11010802033920号 Copyright © 2005-2024 EEWORLD.com.cn, Inc. All rights reserved