寬帶隙 (WBG) 功率晶體管正逐漸成為主流，不斷有新產(chǎn)品涌入市場(chǎng)。柵極驅(qū)動(dòng)器也必須不斷發(fā)展以滿足這些新器件的要求。在本博客中，我們將重點(diǎn)介紹 WBG 功率開關(guān)器件技術(shù)的一些最新創(chuàng)新，以及柵極驅(qū)動(dòng)器及其電源如何應(yīng)對(duì)所帶來(lái)的挑戰(zhàn)。

碳化硅 (SiC) 和氮化鎵 (GaN) 技術(shù)都在不斷改進(jìn)，具備更高的額定電壓和更低的開關(guān)損耗。目前市場(chǎng)上已經(jīng)有額定電壓高達(dá) 2200 V 的 SiC MOSFETs ，可作為單獨(dú)器件使用，也可封裝在包含多達(dá)六個(gè)器件的模塊中。 大多數(shù) GaN 器件的額定電壓仍為 650 V，但預(yù)計(jì)到 2024 年年中，會(huì)有額定電壓為 1200 V 的模塊上市。

柵極驅(qū)動(dòng)器保持同步

柵極驅(qū)動(dòng)器 IC 充當(dāng)數(shù)字或模擬控制器的控制信號(hào)與電源開關(guān)（IGBT、MOSFET、SiC MOSFET 或 GaN HEMT）之間的接口。 它們提供克服柵極電容所需的高驅(qū)動(dòng)電流，以實(shí)現(xiàn)快速開關(guān)，并將低壓驅(qū)動(dòng)信號(hào)與高端電壓參考晶體管端子隔離。隔離柵極驅(qū)動(dòng)器也越來(lái)越多地用于低端晶體管，以消除電感路徑不平衡的影響。因此，柵極驅(qū)動(dòng)器在優(yōu)化 WBG 晶體管性能和可靠性方面發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，并且也在不斷發(fā)展以應(yīng)對(duì)新的挑戰(zhàn)。

例如，集成柵極驅(qū)動(dòng)器解決方案通常將多個(gè)驅(qū)動(dòng)器與保護(hù)功能和故障檢測(cè)功能結(jié)合在一起。與離散實(shí)現(xiàn)的設(shè)計(jì)相比，這些產(chǎn)品降低了設(shè)計(jì)復(fù)雜性、縮短了開發(fā)時(shí)間、減少了物料清單 (BOM) 成本并提高了可靠性。

例如，半橋 GaN 驅(qū)動(dòng)器包括獨(dú)立且 TTL 兼容的頂部和底部驅(qū)動(dòng)器級(jí)、邏輯控制以及短路、欠壓和過(guò)電壓保護(hù)功能。 這些器件可以配置成各種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，包括同步半橋、全橋、降壓、升壓和降壓-升壓配置。

超快柵極驅(qū)動(dòng)器 是另一項(xiàng)最新研發(fā)成果。最近推出的器件可以向 200 pF 負(fù)載提供高達(dá) 7 A 的輸出電流，上升和下降時(shí)間分別為 0.65 ns 和 0.70 ns。這些驅(qū)動(dòng)器的柵極驅(qū)動(dòng)器電壓范圍為 4.5 V 至 5.5 V，專為 GaN 器件量身定制。

所有這些隔離柵極驅(qū)動(dòng)器都需要滿足一個(gè)共同的要求，即需要為隔離輸出級(jí)提供隔離電源。盡管峰值電流很高，但平均功耗只有幾瓦，因此這些 DC/DC 電源體積可以非常小巧。它們需要滿足的另一個(gè)要求是，需要產(chǎn)生不對(duì)稱電壓。例如，許多 SiC 晶體管可在高達(dá) +18 V 低至 -4 V 柵極驅(qū)動(dòng)電壓驅(qū)動(dòng)時(shí)達(dá)到最佳性能。其他器件可能需要不同的柵極驅(qū)動(dòng)電壓才能達(dá)到最佳性能，例如 +20 V/-5 V、+15 V/-3 V、+6 V/-1 V 或 +15 V/-9 V。

共同封裝可以簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)任務(wù)

鑒于驅(qū)動(dòng) WBG 晶體管本就困難，一些制造商嘗試通過(guò)將 SiC 或 GaN 功率器件和柵極驅(qū)動(dòng)器集成到單個(gè)封裝中來(lái)完全避免這些問(wèn)題，也就不足為奇了。這種方法有利有弊。有利的一面在于：

-提高空間效率。將柵極驅(qū)動(dòng)器和功率晶體管集成在單個(gè)封裝中，可以減少印刷電路板 (PCB) 的占用空間，簡(jiǎn)化布局并降低成本。

-減少寄生效應(yīng)。集成柵極驅(qū)動(dòng)器和功率晶體管可最大限度縮短兩者之間的互連長(zhǎng)度。因此，可降低寄生電感和電容，從而提高開關(guān)性能并降低電磁干擾 (EMI)。

-增強(qiáng)性能。共同封裝可以優(yōu)化柵極驅(qū)動(dòng)電路。柵極驅(qū)動(dòng)器可根據(jù)功率晶體管的特性進(jìn)行專門定制，確保高效開關(guān)并降低開關(guān)損耗。

-改善散熱性能。如果柵極驅(qū)動(dòng)器和功率晶體管共用同一散熱路徑，散熱會(huì)更有效，從而實(shí)現(xiàn)更好的熱管理和更高的可靠性。

當(dāng)然，也可能存在不利的一面。

-靈活性有限。集成封裝可能無(wú)法提供獨(dú)立選擇不同柵極驅(qū)動(dòng)器或功率晶體管的靈活性。

-隔離要求。柵極驅(qū)動(dòng)器和功率晶體管需要進(jìn)行電氣隔離，以防止串?dāng)_并確保安全。共同封裝的解決方案必須有效滿足隔離要求。

-測(cè)試和調(diào)試復(fù)雜性。當(dāng)柵極驅(qū)動(dòng)器和功率晶體管封裝在一起時(shí)，故障排除變得更具挑戰(zhàn)性。如出現(xiàn)隔離故障或失效，需要采用專門的工具和專業(yè)知識(shí)解決。

雖然共同封裝對(duì)于開關(guān)斜率陡峭的高速開關(guān)而言利大于弊，但仍然需要外部隔離電源。這些 DC/DC 轉(zhuǎn)換器需要能夠應(yīng)對(duì)高 dv/dt 開關(guān)轉(zhuǎn)換，因此必須具備低隔離電容和高 CMTI 抗擾度。

RECOM 適用于 WBG 功率級(jí)的電源

RECOM 擁有多個(gè)隔離型 DC/DC 轉(zhuǎn)換器系列，可以為 SiC 和 GaN 柵極驅(qū)動(dòng)器供電。

SiC MOSFET. RxxP22005D 和 RKZ-xx2005D 系列提供 +20 V 和 -5 V 的不對(duì)稱輸出電壓，可高效且有效地開關(guān) SiC MOSFET。RxxP21503D 系列提供 +15 V 和 -3 V 的不對(duì)稱輸出電壓，可高效開關(guān)第二代 SiC MOSFET。

GaN HEMT. 采用 RECOM 的 RP-xx06S 和 RxxP06S 系列 DC/DC 轉(zhuǎn)換器（具有高隔離電壓和低隔離電容）供電時(shí)，高壓擺率 GaN 晶體管驅(qū)動(dòng)器 可在 +6 V 電壓下實(shí)現(xiàn)最佳開關(guān)性能。在必須考慮較高噪聲和干擾的 GaN 應(yīng)用中，RECOM 還提供具有 +9 V 輸出電壓的轉(zhuǎn)換器，該輸出電壓可以通過(guò)齊納二極管分為 +6 V 和 -3 V，以在關(guān)斷時(shí)提供負(fù)柵極電壓，確保柵極電壓始終低于導(dǎo)通閾值。

下表總結(jié)了推薦用于 WBG 器件和 IGBT 的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器。

R-REF-HB 半橋柵極驅(qū)動(dòng)器電源參考設(shè)計(jì) (RD) 包括一個(gè)半橋和一個(gè)完全隔離的驅(qū)動(dòng)器級(jí)，前者適用于高達(dá) 1 kVDC 的電壓，后者為低側(cè)和高側(cè)開關(guān)晶體管提供隔離電源。

R-REF01-HB 包括兩個(gè) R12P22005D、R12P21503D、R12P21509D 和 R12P06S DC/DC 轉(zhuǎn)換器，可產(chǎn)生適用于 SiC 和 GaN 器件的柵極驅(qū)動(dòng)電壓。利用這些轉(zhuǎn)換器，可以輸出以下柵極驅(qū)動(dòng)電壓：

 +20V/-5V

 +15 V/-3V 或 +18V*

 +15V/-9V

+6V

RECOM 工程師密切關(guān)注該領(lǐng)域的發(fā)展，并隨著新器件的上市推薦合適的柵極驅(qū)動(dòng)器電源。

例如，Gen IV 35 mΩ 650 V GaN FET 采用 TO-247 封裝，并帶有額外的開爾文源級(jí)引腳，可實(shí)現(xiàn)最佳開關(guān)控制。RECOM 推薦使用可輸出 +15/-3 V 柵極驅(qū)動(dòng)器電壓的 R-REF01-HB，以充分發(fā)揮這種新型技術(shù)的性能。

結(jié)論

WBG 功率器件技術(shù)領(lǐng)域發(fā)展迅速，新的柵極驅(qū)動(dòng)器 不斷涌入市場(chǎng)以適應(yīng)新的器件和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。 RECOM 密切關(guān)注這一市場(chǎng)，我們的工程師將能夠?yàn)槟?WBG 應(yīng)用推薦合適的電源解決方案。