我聽說氮化鎵（GaN）和碳化硅（SiC）可以在不久的將來取代MOSFET和IGBT功率開關(guān)。它們更小更快的事實(shí)聽起來很棒，但與往常一樣，我懷疑沒有免費(fèi)的午餐。在開始考慮在設(shè)計(jì)中使用GaN和SiC之前，我是否需要注意任何陷阱？

你沒聽錯(cuò)。隨著能源效率變得越來越重要，GaN和SiC晶體管比當(dāng)前的大功率開關(guān)技術(shù)更小、更快，看起來完全有望成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)。但是，這不是一個(gè)直接的交換。選擇使用它們將對柵極驅(qū)動(dòng)器電路的選擇產(chǎn)生影響，我現(xiàn)在將通過幾個(gè)示例進(jìn)行解釋：

圖1所示電路顯示了一個(gè)電路，其中低壓微控制器與高壓域（包括輸出開關(guān)及其柵極驅(qū)動(dòng)器）電氣隔離（出于安全原因）。更快的開關(guān)速度意味著更快的開關(guān)瞬變。例如，GaN功率系統(tǒng)的開關(guān)時(shí)間通常為5ns（比傳統(tǒng)的MOSFET系統(tǒng)快一個(gè)數(shù)量級）。假設(shè)典型的600V高壓軌，這會(huì)導(dǎo)致（600V/5ns）= 120kV/μs的開關(guān)瞬態(tài)。

圖1.典型的隔離式電源轉(zhuǎn)換器電路。

快速噪聲瞬變會(huì)破壞隔離柵上的數(shù)據(jù)傳輸，或者更糟糕的是，會(huì)導(dǎo)致毛刺，從而觸發(fā)兩個(gè)功率FET同時(shí)導(dǎo)通，從而觸發(fā)危險(xiǎn)的電氣短路。為了防止這種情況的發(fā)生，對于使用典型120V高壓軌的設(shè)計(jì)，快速開關(guān)技術(shù)需要至少600kV/μs的柵極驅(qū)動(dòng)器共模瞬變抗擾度（CMTI）。CMTI定義為施加在兩個(gè)隔離電路之間的共模電壓的最大容許上升或下降速率。單位通常為千伏/微秒。高CMTI意味著當(dāng)隔離柵被高壓共模信號擊中時(shí)，隔離柵兩側(cè)的信號電平保持不變（在數(shù)據(jù)手冊限制范圍內(nèi)）。

傳播延遲匹配

您需要注意的第二件事與開關(guān)的開/關(guān)時(shí)序有關(guān)。在圖2所示電路中，在任何情況下都不應(yīng)兩個(gè)開關(guān)同時(shí)“導(dǎo)通”，因?yàn)檫@會(huì)導(dǎo)致短路類型（通常稱為直通）情況。

圖2.半橋推挽電路。

為了防止這種情況發(fā)生，設(shè)計(jì)必須允許少量的“死區(qū)時(shí)間”，其中兩個(gè)開關(guān)都處于“關(guān)斷狀態(tài)”。然而，GaN開關(guān)即使在反向偏置時(shí)也能繼續(xù)傳導(dǎo)一些電流。這會(huì)降低效率，因?yàn)樵诖似陂g并非所有功率都傳輸?shù)截?fù)載。因此，在留下足夠安全的“死區(qū)時(shí)間”和由此導(dǎo)致的效率降低之間需要權(quán)衡。要達(dá)成最佳解決方案，需要了解各個(gè)柵極驅(qū)動(dòng)器器件之間傳播延遲的可變性，稱為器件間（或具有多個(gè)通道的器件的通道間）傳播延遲匹配或偏斜。在設(shè)計(jì)此類電路時(shí)，具有盡可能低傳播延遲偏斜的柵極驅(qū)動(dòng)器是最佳選擇，因?yàn)樗兄谧畲笙薅鹊販p少死區(qū)時(shí)間，同時(shí)確保永遠(yuǎn)不會(huì)發(fā)生“直通”情況。

兩全其美

您會(huì)很高興地知道，有一系列隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器IC可以解決這兩個(gè)問題。圖3所示為MAX22700D/MAX22702D的功能框圖。它們具有 300kV/μs 的最高可用 CMTI 水平。傳播延遲偏斜在室溫下僅為2ns（最大值），在-5°C至+40°C工作溫度范圍內(nèi)為125ns（最大值），有助于最大限度地減少設(shè)計(jì)中的死區(qū)時(shí)間，從而提高效率。

圖3.MAX22700D/MAX22702D高CMTI隔離柵極驅(qū)動(dòng)器。

這些器件的其他優(yōu)點(diǎn)包括精密欠壓鎖定（UVLO），可確保多個(gè)器件并聯(lián)驅(qū)動(dòng)開關(guān)在相同的啟動(dòng)電壓下工作。在設(shè)置SiC晶體管的VGS時(shí)，這一點(diǎn)很重要。柵極驅(qū)動(dòng)器公共引腳提供輸出選項(xiàng)：GNDB （MAX22700）、米勒箝位 （MAX22701） 和可調(diào) UVLO （MAX22702）。此外，還提供差分（D版本）或單端（E版本）輸入版本。隔離柵的耐壓額定值為 3kVRMS，持續(xù) 60 秒，可提供穩(wěn)健的性能。這些 IC 可以驅(qū)動(dòng)具有不同輸出柵極驅(qū)動(dòng)電路和 B 側(cè)電源電壓的 SiC 或 GaN FET。

審核編輯：郭婷