选择一款高CMTI栅极驱动器，减少SiC开关死区时间

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栅极驱动器的关键规格。我们解释了CMTI和传播延迟偏差的重要性，并介绍了一款非常适合与这些新型功率晶体管搭配使用的隔离栅极驱动器IC。

介绍   “俗话说，石器时代的结束不是因为石头用完了，而是因为我们找到了更好的解决方案。在能效和清洁能源方面，有同样的机遇摆在我们面前。” 随着全球加速从化石燃料过渡，即使这些燃料尚未枯竭，诺贝尔奖得主Steven Chu的话语显得尤为切中要害。新型半导体材料，如碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN），将引领这一能效革命。与现有的MOSFET和IGBT技术相比，这些新材料将让元件变得更小、更轻，从而降低从汽车到太阳能电池逆变器等应用的成本和能耗（图1）。

图 1. 连接到光伏面板的逆变器箱。

新的功率开关使用这些材料将对控制它们的组件，特别是栅极驱动器，提出不同的要求。在这个设计方案中，我们研究了GaN和SiC与MOSFET和IGBT开关的应用领域，并讨论了它们对栅极驱动器的影响。我们解释了选择隔离栅极驱动器的关键规格，然后介绍了一系列IC，其性能水平使它们比其他替代产品更适合这些新技术。

挑战现状   直到最近，为电力传输系统选择开关技术还是相对简单的。MOSFET 通常用于高达 600V 的电压，而 IGBT 是更高电压的首选技术。然而，诸如氮化镓和碳化硅等新型电力开关技术的横向晶体结构在性能方面相对于现有技术提供了几个显著优势。首先的优势是它们更小，可以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以提升效率。其次，它们可以在更高的电流和温度下安全运行。这意味着它们需要更小的变压器和散热器，从而减轻电机的重量。在电动汽车中，减小的尺寸和重量可以增加续航里程。同样，减小太阳能逆变器的尺寸使其更适合家庭应用。近期的 GaN 器件可以运行高达 600V。随着技术变得更便宜，它有望最终取代 MOSFET 技术，而 SiC 将在更高电压应用中取代 IGBT。

没有免费的午餐   虽然这些优势相当可观，但它们有一个警示。图2显示了一个电路，其中一个低压微控制器为了安全原因与包括输出开关及其栅极驱动器的高压域进行了电隔离。更快的开关速度增加了对更快开关瞬态的敏感性。例如，GaN电力系统通常在5ns内切换（比传统MOSFET系统快一个数量级）。假设一个典型的600V高压轨，这会导致一个(600V/5ns)=120kV/µs的开关瞬态。

图2：典型的隔离电源转换电路。

快速噪声瞬变会破坏隔离栅栏的数据传输，甚至更糟，会导致电源场效应管同时导通，造成危险的电气短路。为防止此情况发生，快速开关技术需要在典型的600V高压轨设计中具备至少120kV/µs的栅极驱动器共模瞬态抗扰度 (CMTI)。CMTI定义为施加在两个隔离电路之间的共模电压最大可接受的上升或下降速度，单位通常为kV/µs。高CMTI意味着当隔离屏障受到高压共模信号冲击时，隔离屏障两侧的信号水平（在数据表限制内）得以保持。图3中显示了一个简化的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，绝不能让两个开关同时“导通”，因为这会导致一种潜在的破坏性短路状态（通常称为“贯穿”）。为了防止这种情况发生，必须允许或在设计中包含一小段两个开关都“关闭”的“死区时间”。然而，GaN 开关即使在反向偏置时也会继续导通一些电流。这会降低效率，因为在此期间并非所有电力都转移到负载。因此，需要在留出足够安全的“死区时间”和因此导致的效率降低之间进行权衡。要找到最佳解决方案，需要了解各个门驱动器部件之间传播延迟的差异性，这被称为部件对部件（或对于具有多个通道的部件，称为通道对通道）传播延迟匹配，或偏斜。在设计这类电路时，选择具有最低可能传播延迟偏斜的门驱动器是最佳选择，因为这样可以将死区时间降至最低，同时确保永远不会发生“贯穿”状态。  

图4. 推挽半桥电路。

双倍解决方案   图 5 显示了一系列隔离门驱动器 IC，可解决之前讨论的两个挑战。

图 5. MAX22700D/MAX227002D 高 CMTI 隔离栅极驱动器。

如图 6 所示，这些部件具有 300kV/µs（典型值）的 CMTI，这种保护水平超过了类似部件提供的保护，使其非常适合于使用 GaN 和 SiC 开关的应用。

图6. MAX22700的CMTI测量。

传播延迟偏斜在室温下仅为2ns（最大值），在-40°C到+125°C的工作温度范围内为5ns（最大值），有助于最小化死区时间从而提高效率。其他优点包括精确的欠压锁定（UVLO），确保多个部件并联驱动开关在相同的启动电压下运行。这在设置SiC晶体管的VGS时很重要。有几个变体具有栅极驱动共用针的输出选项：GNDB (MAX22700)、Miller夹 (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。隔离屏障的耐压额定值为3kVRMS，持续60秒，以提供强大的性能。这些IC能够驱动具有不同输出栅极驱动电路和B端供电电压的SiC或GaN FET。

摘要   我们日常生活中对节能的日益关注推动了寻找新方法来使事物运作的需求。SiC和GaN是可以在更高速度和温度下安全运行的半导体材料，使得不同应用中的设计能够更轻、更高效。然而，这些新材料对驱动它们的电路提出了新的要求。我们展示了为什么CMTI和传播延迟偏差是在选择这些开关技术应用的隔离栅极驱动器时需要考虑的两个最重要的规格。我们展示了一系列隔离栅极驱动器IC，具有最高的CMTI和最低的传播延迟偏差，使其非常适合与GaN和SiC FET一起在UPS和光伏逆变器以及电机驱动中使用。