在全球发达国家持续转向清洁能源，远离化石燃料之际，技术市场也在发生变化，以满足不断演变的客户需求。这种演变的一个方面是微电子元件新材料的研究和采用。本文探讨 GaN 和 SiC 技术及其如何革新隔离式栅极驱动器 iC。
摘要
随着 GaN 和 SiC FET 开始在功率开关应用中取代 MOSFET 和 IGBT 技术，我们将讨论选择隔离式栅极驱动器的关键规格。我们解释了 CMTI 和传播延迟偏斜的重要性，并介绍了适合这些新型功率晶体管使用的隔离式栅极驱动器 IC。
前言
“俗话说，石器时代的结束并不是因为石头用完了，而是我们找到了更好的解决方案。在能源效率和清洁能源方面，我们也面临着同样的机遇。”现在世界正加速摆脱化石燃料，倒向清洁能源，而这一切远远早于化石燃料枯竭的预测，因此诺贝尔奖获得者朱棣文的话语在这里非常贴切。碳化硅 (SiC) 和氮化镓 (GaN) 等新型半导体材料将成为这场能效革命的先锋。与现有的 MOSFET 和 IGBT 技术相比，这些新材料能够制造出更小、更轻的元件，从而降低从汽车到太阳能电池逆变器等各种应用的成本和能耗（图 1）。
图 1. 连接到光伏面板的逆变器箱。
使用这些材料的新型功率开关将对控制开关的组件提出不同的要求，尤其是栅极驱动器。在本设计解决方案中，我们将探讨 GaN 和 SiC 与 MOSFET 和 IGBT 开关的应用领域，并讨论其对栅极驱动器的影响。我们先解释选择隔离式栅极驱动器的关键规格，然后介绍一系列性能水平比其他产品更适合这些新技术的 IC。
挑战现状
直到最近，为供电系统选择开关技术还相对简单。MOSFET 通常用于高达 600V 的电压，而 IGBT 则是更高电压的技术选择。然而，氮化镓和碳化硅等新型电源开关技术采用横向晶体结构，在性能方面相比现有技术具有多个显著优势。第一个优势是体积更小，可实现更高的开关频率。将开关速度从几十千赫提高到几百千赫可提高效率。其次，它们可以在更高的电流和温度下安全运行。这意味着它们需要的变压器和散热器更小，从而减轻电机重量。在电动汽车中，这种尺寸和重量的减小，可增加续航里程。同样，太阳能逆变器的尺寸减小后，也更适合家用。最新的 GaN 器件可以在高达 600V 的电压下工作。随着该技术成本的降低，它最终有望取代 MOSFET 技术，在更高电压的应用中用 SiC 取代 IGBT。
天下没有免费的午餐
虽然这些优势相当可观，但也有一个注意事项。图 2 显示的电路中，低压微控制器与包括输出开关及其栅极驱动器在内的高压域电流隔离（出于安全原因）。更快的开关速度会增加对更快开关瞬变的敏感性。例如，GaN 功率系统的开关时间通常为 5ns（比传统 MOSFET 系统快一个数量级）。假设典型的高压轨为 600V，则开关瞬态电压为 (600V/5ns) = 120kV/µs。
图 2：典型隔离式电源转换器电路。
快速瞬态噪声会破坏隔离栅的数据传输，更有甚者，导致触发两个功率 FET 同时导通的毛刺，造成危险的电气短路。为防止这种情况发生，快速开关技术需要至少 120kV/µs 的栅极驱动器共模瞬变抗扰度 (CMTI)，才能满足使用典型 600V 高电压的设计要求。CMTI 定义为两个隔离电路之间施加的共模电压的最大容许上升或下降速率。单位通常为 kV/µs。高 CMTI 意味着当高压共模信号冲击隔离栅时，隔离栅两侧的信号电平保持不变（在数据手册限值范围内）。图 3 是简化的 CMTI 测试设置。
图 3：测量 CMTI。
传播延迟匹配
在图 4 所示的电路中，在任何情况下都不能同时接通两个开关，否则这会导致潜在的破坏性短路（通常称为击穿）情况。为防止这种情况发生，设计中必须允许或留有少量允许两个开关都“关断”的“死区时间”。然而，GaN 开关即使在反向偏置时也会继续传导一些电流。这会降低效率，因为在此期间并非所有功率都传输到负载。因此，在留出足够安全的“死区时间”与由此导致的效率降低之间，需要进行权衡与取舍。要获得最佳解决方案，就必须了解各栅极驱动器器件之间的传播延迟差异，即器件间（或多通道器件的通道间）传播延迟匹配或偏斜情况。设计此类电路时，传播延迟偏斜最低的栅极驱动器是最佳选择，因为它可以最大限度地减少死区时间，同时确保永远不会出现“击穿”情况。
图 4. 推挽半桥电路。
二合一解决方案
图 5 显示的一系列隔离式栅极驱动器 IC 解决了前面讨论的两个难题。
如图 6 所示，这些器件的 CMTI 为 300kV/µs（典型值），保护水平超过同类器件，非常适合使用 GaN 和 SiC 开关的应用。
图 6. MAX22700 的 CMTI 测量值。
传播延迟偏斜在室温下仅为 2ns（最大值），在 -40°C 至 +125°C 工作温度范围内为 5ns（最大值），有助于最大限度减少死区时间，从而提高效率。其他优势包括精密欠压闭锁 (UVLO)，可确保多个并联驱动开关在相同的启动电压下工作。为 SiC 晶体管设置 VGS 时，这一点非常重要。栅极驱动器公共引脚有多种输出选项：GNDB (MAX22700)、米勒箝位 (MAX22701) 和可调 UVLO (MAX22702)。此外，还提供差分（D 版本）或单端（E 版本）输入版本。隔离栅的耐压额定值为 3kVRMS，持续时间为 60 秒，以提供稳定的性能。这些 IC 可以用不同的输出栅极驱动电路和 B 端电源电压驱动 SiC 或 GaN FET。
结语
在我们的日常生活中，人们越来越注重节能，这促使我们寻找新的供电方式。SiC 和 GaN 是半导体材料，可以在更高的速度和温度下安全工作，从而在不同的应用中实现更轻、更高效的设计。然而，这些新材料对驱动电路提出了新的要求。我们已经说明在为使用这些开关技术的应用选择隔离栅极驱动器时，CMTI 和传播延迟偏斜为何是两个需要考虑的最重要规格。我们介绍的一系列隔离式栅极驱动器 IC 都具有最高的 CMTI 和最低的传播延迟偏斜，非常适合在 UPS 和光伏逆变器以及电机驱动中与 GaN 和 SiC FET 配合使用。
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