隔离式栅极驱动器搭配新型功率开关技术快速发展
随着基于碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）等材料的新型功率开关技术的出现，可提供比以往更佳的性能与更高的功率，这对与之搭配的栅极驱动器也带来相对应的影响。本文将为您介绍GaN和SiC开关与IGBT/MOSFET的一些主要差异，以及栅极驱动器将如何提供支持，并介绍ADI所推出的栅极驱动器解决方案。
新型功率开关技术可对应高功率应用
多年来，功率输出系统的功率开关技术选择一直非常简单，在低电压水平（通常为600 V以下），通常会选择MOSFET，在高电压水平，通常会更多地选择IGBT。随着SiC和GaN形式的新型功率开关技术的出现，这种情况正在面临改变。
这些新型开关技术在性能方面具有多项明显优势，具有更高的开关频率可减小系统尺寸和重量，这对太阳能面板等能源应用中使用的光伏逆变器，以及汽车等目标市场非常重要。开关速度从20 kHz提高至100 kHz可大幅减小变压器重量，从而使电动汽车的电机更轻，使其有更远的行驶距离，而且还能缩小太阳能应用中所用的逆变器尺寸，从而使其更适合产业应用。另外，更高的工作温度（尤其是GaN器件）和更低的开启驱动要求，还可简化系统架构师的设计工作。
与MOSFET/IGBT一样，这些新技术在初始阶段，看起来还能够满足不同的应用需求。直到最近，GaN产品通常还处于200 V范围内，尽管近年来这些产品已经飞速发展，并且出现了多种600 V范围内的产品，但这仍然远不及SiC的主要范围（接近1000 V），这表明，GaN已自然而然地取代了MOSFET器件，而SiC则取代了IGBT器件。既然超结MOSFET能够跨越此鸿沟并实现最高达900 V 的高电压应用，一些GaN研发开始提供能够应对电压在600 V以上的应用的器件。
新型功率开关技术有优势也带来难题
虽然新型GaN和SiC功率开关技术所带来的优势，对设计人员极具吸引力，但这种好处并非毫无代价。最主要的代价是成本提高，这种器件的价格比同等MOSFET/IGBT产品高出好几倍。IGBT和MOSFET生产是一种发展良好且极易掌握的过程，这意味着与其新对手相比，其成本更低、价格竞争力更高。目前，与其传统对手相比，SiC和GaN器件的价格仍然高出数倍，但其价格竞争力正在不断提高。
更高的开关频率还会产生共模瞬变抗扰性问题，这对系统设计人员来说是一个非常严重的问题。在隔离式栅极驱动器中的隔离栅上耦合的高压摆率信号可能破坏数据传输，导致输出端出现不必要的信号。在传统的基于IGBT的系统中，抗扰度介于20 kV/μs和30 kV/μs之间的栅极驱动器足以抵抗共模干扰。但是，GaN器件往往具有超过这种限制的压摆率，为稳固的系统选择栅极驱动器，其共模瞬变抗扰度至少应为100 kV/μs。
国际法规推动隔离式栅极驱动器的需求
新的电机能效国际法规加速了从固定速度、直接在线感应电机到逆变器控制式机器的转变。通常要求至少采用IGBT栅极驱动和某种形式的电流检测来保护从简单的开环逆变器到驱动和伺服中的高保真电流控制。
这种使用效率更高电机的趋势推动了基于IGBT的频率逆变器需求，可将整流市电输入转换为驱动电机的各种频率电压。逆变器控制型电机的输出扭矩或速度经优化后匹配轴负载，可最大程度降低能耗和电机运行温度，改善电机可靠性。隔离技术是驱动系统中的关键因素，因为它能安全地将控制器用户界面与连接逆变器的危险高电压相隔离。
一般而言，有两种方法可以解决逆变器IGBT的感应导通问题——使用双极性电源和／或额外的米勒箝位。在栅极驱动器隔离端接收双极性电源的能力为感应电压瞬变提供了额外的裕量。
ADI栅极驱动器解决新型功率开关技术的难题
有鉴于新型功率开关技术的快速发展，ADI也推出相对应的栅极驱动器以之因应，例如ADuM4135采用了ADI公司的iCoupler®技术，提供最高达100 kV/μs的共模瞬变抗扰度，能够应对此类应用。但是，提高CMTI性能往往会产生额外的延迟。延迟增加意味着高端和低端开关之间的死区时间增加，这会降低性能。在隔离式栅极驱动器领域尤其如此，因为在此类领域中，信号在隔离栅上传输，一般具有更长时间的延迟。但是，ADuM4135不仅提供100 kV/μs CMTI，而且其传播延迟仅为50 ns。
ADuM4135是一款单通道栅极驱动器，专门针对驱动IGBT进行了优化。ADI的iCoupler®技术支持在输入信号与输出栅极驱动器之间实现隔离。ADuM4135可提供米勒箝位，以便栅极电压低于2 V时实现稳健的IGBT单轨电源关断。可采用带有或不带有米勒箝位的单极性或双极性副电源工作。ADI芯片级变压器还提供芯片高压域与低压域之间的控制信息隔离通信。芯片状态信息可从专用输出回读，当器件原边出现副电源故障后，对器件复位进行控制。
此外，ADuM4135还集成了去饱和检测电路，提供高压短路IGBT工作保护。去饱和保护包含降噪特性，比如因初始启动切换事件以屏蔽电压尖峰后，屏蔽时间为300 ns。内部500 µA电流源可确保很少的器件数量，但如需提高抗噪水平，内部消隐开关也支持增加外部电流源，其副边欠压闭锁（UVLO）设置为11.67V，并会注意到公共IGBT阈值电平。ADuM4135可应用于MOSFET/IGBT栅极驱动器、光伏逆变器、电机驱动、电源等领域。
ADuM4135可支持4A峰值驱动输出能力，输出功率器件电阻小于1 Ω，支持去饱和保护，可提供隔离的去饱和故障报告，具备故障时软关断能力，并带栅极检测输入的米勒箝位输出，支持隔离故障和就绪功能，仅有55 ns（典型值）的低传播延迟，以及50 ns的最小脉冲宽度，工作温度范围为−40℃至+125℃。
ADI_EVAL-ADuM4135EBZ
ADuM4135的输出电压范围至30V，输入电压范围为2.3 V至6 V，支持输出和输入欠压闭锁（UVLO），爬电距离为7.8 mm（最小值），共模瞬变抗扰度（CMTI）为100 kV/µs，在600 Vrms或1092 V直流工作电压时，寿命可达20年，并符合安全和法规认证，1分钟5 kV AC，符合UL 1577，支持CSA零组件验收通知5A、DIN V VDE V 0884-10 (VDE V 0884-10):2006-12，VIORM= 849 Vpeak（强化/基本）。此外，为加快客户的产品开发速度，ADI也推出搭配的评估套件EVAL-ADuM4135EBZ供客户选购。
结语
人们很早以前就想到要将GaN和SiC器件应用于功率转换，现在终于得以实现。虽然这种技术能够提供极具吸引力的优势，但它们并非没有代价，为了提供出色性能，新型开关技术需要更改所用隔离式栅极驱动器的要求，并且会为系统设计人员带来新的问题。ADI的ADuM4135则可以协助解决这个问题，让相关的产品开发更容易，将是现成且可行的GaN和SiC最佳解决方案。