隨著新應用領域和市場的出現，近年來全球電力需求猛增，使節能成為設備設計的一個重要方面。這使得高效逆變器電路和轉換器必不可少，特別是對于需要高功率轉換的電源和驅動器。

隨著實現高效率的需要，減小器件尺寸的挑戰也增加了。這種降低通常是通過提高工作頻率來實現的。反過來，這種增加需要更復雜的驅動器和碳化硅 (SiC) MOSFET 或 IGBT 的驅動電壓優化。

提高效率同時減小器件尺寸的目標增加了對高性能功率器件和柵極驅動器的需求。因此，預計 SiC 功率器件的市場將擴大，它是高效率的縮影，在新一代逆變器中越來越受歡迎。SiC 二極管已經用于電源和大功率逆變器的功率因數校正 (PFC) 電路中，并且 SiC MOSFET 越來越多地用于開關應用。SiC MOSFET 可以通過實現高速開關以及故障保護和配置的電路布局來提高逆變器效率，以降低柵極控制電路中產生的噪聲。

田村柵極驅動模塊

憑借在磁路方面的核心競爭力，田村在 SiC/IGBT 柵極驅動器模塊 (GDM) 的開發方面擁有多年經驗。該公司的目標是設計高度集成的設備，例如模塊，而不是單個組件。這些模塊簡化了電路設計，因為它們本質上是即插即用的：根據 Tamura 的說法，設計人員只需要定義輸入和輸出信號，其他一切都由模塊在內部執行。

柵極驅動器模塊的一個顯著特點是使用磁耦合傳輸柵極驅動信號，這是田村擁有豐富經驗的技術。其模塊提供獨立版本(“驅動模塊”)和連接器板(“驅動單元”)，能夠安裝在任何制造商的相應電源模塊上。田村希望優化其模塊的占地面積和外形，最近推出的設備將更大的變壓器換成平面等效物。據該公司稱，改用平面變壓器將絕緣電壓提高到 5 kV。

大多數模塊的額定最大輸出功率約為 150 kW，但也可提供可提供高達 1 MW 的“4in1”驅動器單元。第一代(高達 1,200-V)產品包括驅動器模塊和驅動器單元。第二代(高達 1,700 V)設備還包括三電平 DC/DC 轉換器和一個 4 合 1 驅動器單元。

根據具體應用，設計人員可以決定是圍繞 DC/DC 轉換器設計完整的驅動器還是使用 2in1 解決方案(模塊和驅動器單元)。Tamura 表示，其一體化解決方案節省了完整設計活動所需的時間和成本，該公司還引用了其模塊的其他優勢。

例如，假設存在共模噪聲問題，我們希望消除由此引起的任何故障。典型的解決方案是提高 dV/dt，但這需要低寄生電容。Tamura 模塊的雜散電容非常低(2DD 系列為 9 pF，2DMB 系列為 12 pF)，因此可以抑制由高 dV/dt 引起的共模噪聲，防止由于噪聲傳播到輸入側引起的設備故障和其他渠道。

圖 1：軟關斷保護(圖片：Tamura)

Tamura 表示，即使在更高的開關頻率下，驅動器電路的內部阻抗也非常低，僅為 50 mΩ 或更低;因此，開關速度不受柵極阻抗的抑制。小型模塊封裝適合大多數電源模塊類型的占位面積，讓設計人員在安排模塊布局時有一定的自由度，以最大限度地提高效率并最大限度地降低噪聲。田村設計了自己的平面變壓器，適用于 1,700-V 模塊系列。

該公司的 GDM 包括多種保護模式，例如軟關斷。如圖 1 所示，通過在軟關斷引腳上增加一個電阻，可以定義關斷時間。

GDM 中的米勒鉗位功能可防止具有低閾值電壓和高 dV/dt 的 SiC 功率模塊發生故障。這種保護可防止由于連接到輸出引腳的功率器件的米勒電流而導致柵極電壓升高。最后，有源鉗位柵極功能可保護電源模塊免受影響集電極-發射極電壓 (VCE) 信號的浪涌影響。

羅姆、TI、Maxim 和英飛凌

羅姆半導體開發了帶有集成隔離器的柵極驅動器，可充分利用 IGBT 和 MOSFET 功率的性能。據羅姆介紹，BM6104FV 集成了短路保護，而 BM60014FV 的簡單設計加速了產品開發過程。柵極驅動器采用緊湊型封裝，該公司稱這是業內包含隔離器的最小封裝。這些產品結合了公司的 Bi-CDMOS 技術和新的片上變壓器技術。

去年年底，德州儀器 (TI) 推出了具有集成檢測功能的隔離式柵極驅動器，適用于 IGBT 和 SiC MOSFET。據 TI 稱，這些新產品具有先進的監控和保護系統，并提高了汽車和工業應用的總體系統效率。柵極驅動器讓設計人員能夠創建特別緊湊的設計，同時為牽引逆變器、集成電池充電器、光伏逆變器和電機驅動器等應用實現更高的效率和更高的性能。新器件為 SiC IGBT 和 MOSFET 提供集成傳感功能，簡化設計并在高達 1.5 kVrms 的應用中實現更高的系統可靠性。

Maxim Integrated 的新型 MAX22701E 驅動器具有 300 kV/μs 的高共模瞬態抗擾度 (CMTI)，可延長系統正常運行時間。寄生脈沖門的驅動電路可能會導致共模瞬變，從而導致短路情況。控制電源轉換器的驅動電路的設計必須能夠承受這些噪聲源。Maxim Integrated 的驅動器專為太陽能逆變器、電機驅動器和儲能系統等大功率工業系統中的開關電源而設計。

MAX22701E 與 SiC 和氮化鎵 (GaN) FET 兼容，并具有該公司表示可減少停機時間和損失的技術規格。該驅動器采用 8 引腳、3.9 × 4.9 毫米窄體小外形 IC 封裝，溫度范圍為 –40°C 至 125°C(圖 2)。

圖 2：MAX22701E 的框圖(圖片：Maxim Integrated)

Infineon Technologies 擁有一系列用于高性能電源轉換應用的雙通道 EiceDRIVER 集成電路。柵極驅動器適用于服務器、電信和工業開關電源中的高壓 PFC 和 DC/DC 級以及同步研磨級。其他應用包括 48 至 12V DC/DC 轉換器、電池和電動汽車充電站、智能電網和太陽能微型逆變器。

圖 3：EiceDRIVER 系列(圖片：Infineon Technologies)

EiceDRIVER 系列提供 7 ns 的輸入到輸出傳播延遲精度和 3 ns 的通道到通道精度，支持功率轉換系統所需的效率水平。該系列強大的集成電流隔離對于半橋配置非常重要，無論是從輸入到輸出還是在輸出通道之間。此外，據英飛凌稱，增強型集成輸入到輸出隔離可在需要時提供電氣安全。

EiceDRIVER 系列的低電阻輸出級最大限度地降低了內部功耗，因此柵極驅動器可以為功率 MOSFET 柵極提供最大功率。隔離式柵極驅動器在許多應用中廣泛用于驅動 MOSFET 和 IGBT，并提供電流隔離。正如最近的介紹所表明的那樣，基于 SiC 和 GaN 的系統可以在更高的開關頻率下運行，而不會在過渡期間產生顯著的功率損耗。

　審核編輯：湯梓紅