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      隔離式柵極驅動器搭配新型功率開關技術快速發展

      Author:管理員 Time:2021-09-03 10:15:38

      隨著基于碳化硅(SiC)和氮化鎵(GaN)等材料的新型功率開關技術的出現,可提供比以往更佳的性能與更高的功率,這對與之搭配的柵極驅動器也帶來相對應的影響。本文將為您介紹GaNSiC開關與IGBT/MOSFET的一些主要差異,以及柵極驅動器將如何提供支持,并介紹ADI所推出的柵極驅動器解決方案。

       新型功率開關技術可對應高功率應用

      多年來,功率輸出系統的功率開關技術選擇一直非常簡單,在低電壓水平(通常為600 V以下),通常會選擇MOSFET,在高電壓水平,通常會更多地選擇IGBT。隨著SiCGaN形式的新型功率開關技術的出現,這種情況正在面臨改變。

      這些新型開關技術在性能方面具有多項明顯優勢,具有更高的開關頻率可減小系統尺寸和重量,這對太陽能面板等能源應用中使用的光伏逆變器,以及汽車等目標市場非常重要。開關速度從20 kHz提高至100 kHz可大幅減小變壓器重量,從而使電動汽車的電機更輕,使其有更遠的行駛距離,而且還能縮小太陽能應用中所用的逆變器尺寸,從而使其更適合產業應用。另外,更高的工作溫度(尤其是GaN器件)和更低的開啟驅動要求,還可簡化系統架構師的設計工作。

      MOSFET/IGBT一樣,這些新技術在初始階段,看起來還能夠滿足不同的應用需求。直到最近,GaN產品通常還處于200 V范圍內,盡管近年來這些產品已經飛速發展,并且出現了多種600 V范圍內的產品,但這仍然遠不及SiC的主要范圍(接近1000 V),這表明,GaN已自然而然地取代了MOSFET器件,而SiC則取代了IGBT器件。既然超結MOSFET能夠跨越此鴻溝并實現最高達900 V 的高電壓應用,一些GaN研發開始提供能夠應對電壓在600 V以上的應用的器件。

      新型功率開關技術有優勢也帶來難題

      雖然新型GaNSiC功率開關技術所帶來的優勢,對設計人員極具吸引力,但這種好處并非毫無代價。最主要的代價是成本提高,這種器件的價格比同等MOSFET/IGBT產品高出好幾倍。IGBTMOSFET生產是一種發展良好且極易掌握的過程,這意味著與其新對手相比,其成本更低、價格競爭力更高。目前,與其傳統對手相比,SiCGaN器件的價格仍然高出數倍,但其價格競爭力正在不斷提高。

      更高的開關頻率還會產生共模瞬變抗擾性問題,這對系統設計人員來說是一個非常嚴重的問題。在隔離式柵極驅動器中的隔離柵上耦合的高壓擺率信號可能破壞數據傳輸,導致輸出端出現不必要的信號。在傳統的基于IGBT的系統中,抗擾度介于20 kV/μs30 kV/μs之間的柵極驅動器足以抵抗共模干擾。但是,GaN器件往往具有超過這種限制的壓擺率,為穩固的系統選擇柵極驅動器,其共模瞬變抗擾度至少應為100 kV/μs。

       國際法規推動隔離式柵極驅動器的需求

      新的電機能效國際法規加速了從固定速度、直接在線感應電機到逆變器控制式機器的轉變。通常要求至少采用IGBT柵極驅動和某種形式的電流檢測來保護從簡單的開環逆變器到驅動和伺服中的高保真電流控制。

      這種使用效率更高電機的趨勢推動了基于IGBT的頻率逆變器需求,可將整流市電輸入轉換為驅動電機的各種頻率電壓。逆變器控制型電機的輸出扭矩或速度經優化后匹配軸負載,可最大程度降低能耗和電機運行溫度,改善電機可靠性。隔離技術是驅動系統中的關鍵因素,因為它能安全地將控制器用戶界面與連接逆變器的危險高電壓相隔離。

      一般而言,有兩種方法可以解決逆變器IGBT的感應導通問題——使用雙極性電源和/或額外的米勒箝位。在柵極驅動器隔離端接收雙極性電源的能力為感應電壓瞬變提供了額外的裕量。

       ADI柵極驅動器解決新型功率開關技術的難題

      有鑒于新型功率開關技術的快速發展,ADI也推出相對應的柵極驅動器以之因應,例如ADuM4135采用了ADI公司的iCoupler®技術,提供最高達100 kV/μs的共模瞬變抗擾度,能夠應對此類應用。但是,提高CMTI性能往往會產生額外的延遲。延遲增加意味著高端和低端開關之間的死區時間增加,這會降低性能。在隔離式柵極驅動器領域尤其如此,因為在此類領域中,信號在隔離柵上傳輸,一般具有更長時間的延遲。但是,ADuM4135不僅提供100 kV/μs CMTI,而且其傳播延遲僅為50 ns。

      ADuM4135是一款單通道柵極驅動器,專門針對驅動IGBT進行了優化。ADIiCoupler®技術支持在輸入信號與輸出柵極驅動器之間實現隔離。ADuM4135可提供米勒箝位,以便柵極電壓低于2 V時實現穩健的IGBT單軌電源關斷??刹捎脦в谢虿粠в忻桌阵槲坏膯螛O性或雙極性副電源工作。ADI芯片級變壓器還提供芯片高壓域與低壓域之間的控制信息隔離通信。芯片狀態信息可從專用輸出回讀,當器件原邊出現副電源故障后,對器件復位進行控制。

      此外,ADuM4135還集成了去飽和檢測電路,提供高壓短路IGBT工作保護。去飽和保護包含降噪特性,比如因初始啟動切換事件以屏蔽電壓尖峰后,屏蔽時間為300 ns。內部500 μA電流源可確保很少的器件數量,但如需提高抗噪水平,內部消隱開關也支持增加外部電流源,其副邊欠壓閉鎖(UVLO)設置為11.67V,并會注意到公共IGBT閾值電平。ADuM4135可應用于MOSFET/IGBT柵極驅動器、光伏逆變器、電機驅動、電源等領域。

      ADuM4135可支持4A峰值驅動輸出能力,輸出功率器件電阻小于1 ?,支持去飽和保護,可提供隔離的去飽和故障報告,具備故障時軟關斷能力,并帶柵極檢測輸入的米勒箝位輸出,支持隔離故障和就緒功能,僅有55 ns(典型值)的低傳播延遲,以及50 ns的最小脈沖寬度,工作溫度范圍為?40℃至+125℃。

      ADuM4135的輸出電壓范圍至30V,輸入電壓范圍為2.3 V6 V,支持輸出和輸入欠壓閉鎖(UVLO),爬電距離為7.8 mm(最小值),共模瞬變抗擾度(CMTI)為100 kV/μs,在600 Vrms1092 V直流工作電壓時,壽命可達20年,并符合安全和法規認證,1分鐘5 kV AC,符合UL 1577,支持CSA零組件驗收通知5A、DIN V VDE V 0884-10 (VDE V 0884-10):2006-12,VIORM= 849 Vpeak(強化/基本)。此外,為加快客戶的產品開發速度,ADI也推出搭配的評估套件EVAL-ADuM4135EBZ供客戶選購。

       結語

      人們很早以前就想到要將GaNSiC器件應用于功率轉換,現在終于得以實現。雖然這種技術能夠提供極具吸引力的優勢,但它們并非沒有代價,為了提供出色性能,新型開關技術需要更改所用隔離式柵極驅動器的要求,并且會為系統設計人員帶來新的問題。ADIADuM4135則可以協助解決這個問題,讓相關的產品開發更容易,將是現成且可行的GaNSiC最佳解決方案。

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