如何復(fù)制下一代柵極驅(qū)動光電耦合器的改進，以驅(qū)動和保護SiC MOSFET

本白皮書概述了SiC MOSFET柵極驅(qū)動光電耦合器。它討論了SiC MOSFET能夠在高電壓，高頻率和高溫度下工作的優(yōu)勢。它還討論了SiC MOSFET如何將整體系統(tǒng)效率提高10％以上，并具有更高的開關(guān)能力，從而可以減小整體系統(tǒng)尺寸和成本。

介紹

碳化硅（SiC）功率半導(dǎo)體正在迅速進入商業(yè)市場，與傳統(tǒng)的基于硅的功率半導(dǎo)體相比，具有許多優(yōu)勢。SiC MOSFET可以將整體系統(tǒng)效率提高10％以上，而更高的開關(guān)能力可以減小整體系統(tǒng)的尺寸和成本。技術(shù)優(yōu)勢加上較低的成本，使得SiC功率半導(dǎo)體在工業(yè)電機控制，感應(yīng)加熱和工業(yè)電源以及可再生能源等應(yīng)用中得到了快速采用。

Avago Technologies的柵極驅(qū)動光電耦合器廣泛用于驅(qū)動IGBT和功率MOSFET等基于硅的半導(dǎo)體。光耦合器用于在控制電路與高壓和功率半導(dǎo)體之間提供增強的電絕緣。抑制高共模噪聲（CMR）的能力將防止在高頻切換過程中功率半導(dǎo)體的錯誤驅(qū)動。本文將討論下一代柵極驅(qū)動光耦合器如何用于保護和驅(qū)動SiC MOSFET。

SiC MOSFET的優(yōu)勢

碳化硅是一種由硅和碳組成的寬帶隙（3.2 eV）化合物。寬帶隙SiC除了能夠在高電壓，頻率和溫度下工作外，其導(dǎo)通電阻和柵極電荷還比硅材料低一個數(shù)量級。在CREE進行的評估中，比較了第二代1200 V / 20 A SiC MOSFET與使用10 KW硬開關(guān)交錯式Boost DC / DC轉(zhuǎn)換器的硅高速1200 V / 40 A H3 IGBT。結(jié)果表明，即使開關(guān)頻率是原來的五倍，SiC解決方案在100 KHz時仍可實現(xiàn)99.3％的最大效率，與IGBT解決方案在20 KHz時的最佳效率相比，損耗降低了18％。

CREE最近發(fā)布的C2M MOSFET系列為工程師提供了廣泛的，價格具有競爭力的1200 V和1700 V SiC MOSFET，適用于各種應(yīng)用。Cree能夠顯著降低成本，同時提供改進的開關(guān)性能和更低的Rds（on）。增加開關(guān)頻率可以顯著減小電感器的尺寸。較低的傳導(dǎo)和開關(guān)損耗使工程師可以減小散熱器的尺寸，或者潛在地移除風(fēng)扇并轉(zhuǎn)向被動冷卻解決方案。較小的電感器和散熱器可以顯著減小系統(tǒng)尺寸。盡管SiC半導(dǎo)體的成本高于Si，但整個系統(tǒng)的BOM成本可以比Si技術(shù)低20％。

SiC MOSFET市場及采用

SiC技術(shù)現(xiàn)已被公認(rèn)為是硅的可靠替代品。全球已有30多家公司建立了SiC技術(shù)制造能力，并開展了相關(guān)的商業(yè)和促銷活動。許多功率模塊和功率逆變器制造商已將SiC納入其未來產(chǎn)品的路線圖。

太陽能逆變器制造商和服務(wù)器電源是最早采用SiC半導(dǎo)體的公司，因為效率對其技術(shù)排名至關(guān)重要。2013年，歐洲頂級太陽能逆變器制造商REFU，SMA和Delta宣布了一種內(nèi)部裝有SiC的新型號。與同等的IGBT逆變器相比，《光子》雜志對SMA SiC逆變器進行了評估，效率從98％提高到99％，逆變器的物理重量減少了30％。隨著可用性的提高，電壓種類的增加和成本的降低，SiC半導(dǎo)體的產(chǎn)量將逐漸增加，從而導(dǎo)致在電機驅(qū)動，鐵路牽引工業(yè)UPS甚至混合動力汽車等應(yīng)用中得到更多的采用。

Avago Technologies的柵極驅(qū)動光電耦合器已廣泛用于驅(qū)動IGBT等基于硅的半導(dǎo)體。本文將討論如何復(fù)制下一代柵極驅(qū)動光電耦合器的改進，以驅(qū)動和保護SiC MOSFET。

SiC MOSFET柵極驅(qū)動光耦合器

Avago Technologies已與SiC市場領(lǐng)先者CREE Inc緊密合作，以確定適合SiC MOSFET操作的合適的柵極驅(qū)動光電耦合器。我們使用100 kHz的8A SEPIC DC-DC轉(zhuǎn)換器評估了帶有CREE C2M SiC MOSFET的柵極驅(qū)動光電耦合器ACPL-W346和ACPL-339J。這兩個光耦合器的柵極驅(qū)動能力滿足了
CREE的98％的效率要求，如圖1所示。

利用Avago柵極驅(qū)動光電耦合器和CREE C2M0080120D SiC MOSFET實現(xiàn)高效率

為了匹配CREE SiC MOSFET的低開關(guān)損耗，柵極驅(qū)動器必須能夠以快速壓擺率提供高輸出電流和電壓，以克服SiC MOSFET的柵極電容。圖2中的示波器捕獲顯示ACPL-W346在SiC MOSFET的柵極具有20 V的快速上升和下降時間信號曲線，這對于有效地切換SiC MOSFET是必需的。

ACPL-W346 SiC MOSFET柵極信號曲線

ACPL-W346是基本的柵極驅(qū)動器光耦合器，用于隔離和驅(qū)動在高直流總線電壓下工作的SiC MOSFET。它具有軌至軌輸出，最大輸出電流為2.5A。

ACPL-W346的獨特功能是速度，并且是同類產(chǎn)品中最快的。最大傳播延遲為120 ns，典型的上升和下降時間約為10 ns。

需要很高的CMR，50 kV / μs的共模抑制比，才能將高頻工作期間的高瞬態(tài)噪聲與引起錯誤輸出的信號隔離開來。ACPL-W346與雙極性電流緩沖級配合使用時，可提供快速切換的高電壓和高驅(qū)動電流，以高效，可靠地導(dǎo)通和關(guān)斷SiC MOSFET。與使用專用MOSFET驅(qū)動器和專有電路的較早的參考設(shè)計相比，ACPLW346和通用的現(xiàn)成雙極電流緩沖器提供了一種更便宜且易于實現(xiàn)的柵極驅(qū)動解決方案。

ACPL-W346和CREE SiC MOSFET參考設(shè)計

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