寬帶隙 (WBG) 功率晶體管正逐漸成為主流，不斷有新產(chǎn)品涌入市場。柵極驅動器也必須不斷發(fā)展以滿足這些新器件的要求。在本博客中，我們將重點介紹 WBG 功率開關器件技術的一些最新創(chuàng)新，以及柵極驅動器及其電源如何應對所帶來的挑戰(zhàn)。

?
碳化硅 (SiC)?和氮化鎵 (GaN)?技術都在不斷改進，具備更高的額定電壓和更低的開關損耗。目前市場上已經(jīng)有額定電壓高達 2200 V 的?SiC MOSFETs?，可作為單獨器件使用，也可封裝在包含多達六個器件的模塊中。 大多數(shù) GaN 器件的額定電壓仍為 650 V，但預計到 2024 年年中，會有額定電壓為 1200 V 的模塊上市。

柵極驅動器保持同步

柵極驅動器 IC?充當數(shù)字或模擬控制器的控制信號與電源開關（IGBT、MOSFET、SiC MOSFET 或 GaN HEMT）之間的接口。 它們提供克服柵極電容所需的高驅動電流，以實現(xiàn)快速開關，并將低壓驅動信號與高端電壓參考晶體管端子隔離。隔離柵極驅動器也越來越多地用于低端晶體管，以消除電感路徑不平衡的影響。因此，柵極驅動器在優(yōu)化 WBG 晶體管性能和可靠性方面發(fā)揮著至關重要的作用，并且也在不斷發(fā)展以應對新的挑戰(zhàn)。
?
例如，集成柵極驅動器解決方案通常將多個驅動器與保護功能和故障檢測功能結合在一起。與離散實現(xiàn)的設計相比，這些產(chǎn)品降低了設計復雜性、縮短了開發(fā)時間、減少了物料清單 (BOM) 成本并提高了可靠性。
?
例如，半橋 GaN 驅動器包括獨立且 TTL 兼容的頂部和底部驅動器級、邏輯控制以及短路、欠壓和過電壓保護功能。 這些器件可以配置成各種拓撲結構，包括同步半橋、全橋、降壓、升壓和降壓-升壓配置。
?
超快柵極驅動器?是另一項最新研發(fā)成果。最近推出的器件可以向 200 pF 負載提供高達 7 A 的輸出電流，上升和下降時間分別為 0.65 ns 和 0.70 ns。這些驅動器的柵極驅動器電壓范圍為 4.5 V 至 5.5 V，專為 GaN 器件量身定制。
?
所有這些隔離柵極驅動器都需要滿足一個共同的要求，即需要為隔離輸出級提供隔離電源。盡管峰值電流很高，但平均功耗只有幾瓦，因此這些?DC/DC 電源體積可以非常小巧。它們需要滿足的另一個要求是，需要產(chǎn)生不對稱電壓。例如，許多?SiC 晶體管可在高達 +18 V 低至 -4 V 柵極驅動電壓驅動時達到最佳性能。其他器件可能需要不同的柵極驅動電壓才能達到最佳性能，例如 +20 V/-5 V、+15 V/-3 V、+6 V/-1 V 或 +15 V/-9 V。
?

共同封裝可以簡化設計任務

鑒于驅動 WBG 晶體管本就困難，一些制造商嘗試通過將 SiC 或 GaN 功率器件和柵極驅動器集成到單個封裝中來完全避免這些問題，也就不足為奇了。這種方法有利有弊。有利的一面在于：

提高空間效率。將柵極驅動器和功率晶體管集成在單個封裝中，可以減少印刷電路板 (PCB) 的占用空間，簡化布局并降低成本。

減少寄生效應。集成柵極驅動器和功率晶體管可最大限度縮短兩者之間的互連長度。因此，可降低寄生電感和電容，從而提高開關性能并降低電磁干擾 (EMI)。

增強性能。共同封裝可以優(yōu)化柵極驅動電路。柵極驅動器可根據(jù)功率晶體管的特性進行專門定制，確保高效開關并降低開關損耗。

改善散熱性能。如果柵極驅動器和功率晶體管共用同一散熱路徑，散熱會更有效，從而實現(xiàn)更好的熱管理和更高的可靠性。

當然，也可能存在不利的一面。

靈活性有限。集成封裝可能無法提供獨立選擇不同柵極驅動器或功率晶體管的靈活性。

隔離要求。柵極驅動器和功率晶體管需要進行電氣隔離，以防止串擾并確保安全。共同封裝的解決方案必須有效滿足隔離要求。

測試和調試復雜性。當柵極驅動器和功率晶體管封裝在一起時，故障排除變得更具挑戰(zhàn)性。如出現(xiàn)隔離故障或失效，需要采用專門的工具和專業(yè)知識解決。

雖然共同封裝對于開關斜率陡峭的高速開關而言利大于弊，但仍然需要外部隔離電源。這些 DC/DC 轉換器需要能夠應對高 dv/dt 開關轉換，因此必須具備低隔離電容和高 CMTI 抗擾度。

RECOM 適用于 WBG 功率級的電源

RECOM 擁有多個隔離型 DC/DC 轉換器系列，可以為 SiC 和 GaN 柵極驅動器供電。
?
SiC MOSFET.?RxxP22005D 和 RKZ-xx2005D 系列提供 +20 V 和 -5 V 的不對稱輸出電壓，可高效且有效地開關 SiC MOSFET。RxxP21503D 系列提供 +15 V 和 -3 V 的不對稱輸出電壓，可高效開關第二代 SiC MOSFET。
?
GaN HEMT.?采用 RECOM 的 RP-xx06S 和 RxxP06S 系列 DC/DC 轉換器（具有高隔離電壓和低隔離電容）供電時，高壓擺率 GaN 晶體管驅動器?可在 +6 V 電壓下實現(xiàn)最佳開關性能。在必須考慮較高噪聲和干擾的 GaN 應用中，RECOM 還提供具有 +9 V 輸出電壓的轉換器，該輸出電壓可以通過齊納二極管分為 +6 V 和 -3 V，以在關斷時提供負柵極電壓，確保柵極電壓始終低于導通閾值。
?
下表總結了推薦用于?WBG 器件和 IGBT 的 DC/DC 轉換器。
?
R-REF-HB 半橋柵極驅動器電源參考設計 (RD) 包括一個半橋和一個完全隔離的驅動器級，前者適用于高達 1 kVDC 的電壓，后者為低側和高側開關晶體管提供隔離電源。
?
R-REF01-HB 包括兩個 R12P22005D、R12P21503D、R12P21509D 和 R12P06S DC/DC 轉換器，可產(chǎn)生適用于 SiC 和 GaN 器件的柵極驅動電壓。利用這些轉換器，可以輸出以下柵極驅動電壓：
?? +20V/-5V
?? +15 V/-3V 或 +18V*
?? +15V/-9V
?? +6V
?
RECOM 工程師密切關注該領域的發(fā)展，并隨著新器件的上市推薦合適的柵極驅動器電源。

例如，Gen IV 35 mΩ 650 V GaN FET 采用 TO-247 封裝，并帶有額外的開爾文源級引腳，可實現(xiàn)最佳開關控制。RECOM 推薦使用可輸出 +15/-3 V 柵極驅動器電壓的 R-REF01-HB，以充分發(fā)揮這種新型技術的性能。

結論

WBG 功率器件技術領域發(fā)展迅速，新的柵極驅動器?不斷涌入市場以適應新的器件和拓撲結構。 RECOM 密切關注這一市場，我們的工程師將能夠為您的 WBG 應用推薦合適的電源解決方案。
?