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嚴(yán)格的驅(qū)動(dòng)器要求推動(dòng)設(shè)計(jì)人員采用新的功率 IC 技術(shù)

2513161 2022-11-28 | pdf | 216.92KB | 次下載 | 免費(fèi)

資料介紹

FET（MOSFET、HEMT）和 IGBT（絕緣柵雙極晶體管）等半導(dǎo)體驅(qū)動(dòng)器技術(shù)在提供更多性價(jià)比方面做得很好，但它們難以跟上寬帶隙（WBG）不斷增長(zhǎng)的性能需求) 功率半導(dǎo)體 IC（如 GaN 和 SiC）正在取代硅 MOSFET 作為功率 IC。 FET（MOSFET、HEMT）和 IGBT（絕緣柵雙極晶體管）等半導(dǎo)體驅(qū)動(dòng)器技術(shù)在提供更多性價(jià)比方面做得很好，但它們難以跟上寬帶隙（WBG）不斷增長(zhǎng)的性能需求) 功率半導(dǎo)體 IC（如 GaN 和 SiC）正在取代硅 MOSFET 作為功率 IC。這些要求包括更低的開關(guān)損耗、更高的抗噪性、更短的傳播延遲以及更高開關(guān)頻率下的更高電壓和電流能力。在更緊湊的外形尺寸內(nèi)處理所有這些問題，正成為驅(qū)動(dòng)設(shè)備供應(yīng)商面臨的主要挑戰(zhàn)。這些要求包括更低的開關(guān)損耗、更高的抗噪性、更短的傳播延遲以及更高開關(guān)頻率下的更高電壓和電流能力。在更緊湊的外形尺寸內(nèi)處理所有這些問題，正成為驅(qū)動(dòng)設(shè)備供應(yīng)商面臨的主要挑戰(zhàn)。最新一代 600 V 和 650 V MOSFET 在滿足開關(guān)模式電源 (SMPS)、不間斷電源 (UPS)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)、逆變器、轉(zhuǎn)換器、感應(yīng)加熱、風(fēng)力發(fā)電、和光伏系統(tǒng)。然而，越來越難以滿足這些應(yīng)用程序不斷增長(zhǎng)的需求。基于 GaN 和 SiC 技術(shù)的 WBG 半導(dǎo)體器件似乎是滿足這些驅(qū)動(dòng)器需求的答案。最新一代 600 V 和 650 V MOSFET 在滿足開關(guān)模式電源 (SMPS)、不間斷電源 (UPS)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)、逆變器、轉(zhuǎn)換器、感應(yīng)加熱、風(fēng)力發(fā)電、和光伏系統(tǒng)。然而，越來越難以滿足這些應(yīng)用程序不斷增長(zhǎng)的需求。基于 GaN 和 SiC 技術(shù)的 WBG 半導(dǎo)體器件似乎是滿足這些驅(qū)動(dòng)器需求的答案。 20 kHz 的開關(guān)頻率對(duì)于 IGBT 和 MOSFET 很常見。然而，有更新的 WBG 驅(qū)動(dòng)程序提供更高的性能水平，但價(jià)格是多少？ 20 kHz 的開關(guān)頻率對(duì)于 IGBT 和 MOSFET 很常見。然而，有更新的 WBG 驅(qū)動(dòng)程序提供更高的性能水平，但價(jià)格是多少？一個(gè)主要的性能考慮因素是 MOSFET 的柵極電容，這對(duì)于低頻開關(guān)應(yīng)用來說可能不是什么大問題。然而，在高速開關(guān)應(yīng)用中，MOSFET 的柵極必須以足夠的電流在高電平或低電平之間快速切換，以便 MOSFET 在線性區(qū)域花費(fèi)最少的時(shí)間。一個(gè)主要的性能考慮因素是 MOSFET 的柵極電容，這對(duì)于低頻開關(guān)應(yīng)用來說可能不是什么大問題。然而，在高速開關(guān)應(yīng)用中，MOSFET 的柵極必須以足夠的電流在高電平或低電平之間快速切換，以便 MOSFET 在線性區(qū)域花費(fèi)最少的時(shí)間。要獲得 GaN 和 SiC 器件的最佳性能，需要在現(xiàn)有的印刷電路板 (PCB) 布局系統(tǒng)中設(shè)計(jì)電源電路，該布局系統(tǒng)最初是為 MOSFET 設(shè)計(jì)的，該系統(tǒng)充分利用了這些新型 IC 提供的性能增益。所有這些都必須在滿足成本、外形尺寸（即封裝尺寸）和預(yù)算限制的同時(shí)得到滿足。要獲得 GaN 和 SiC 器件的最佳性能，需要在現(xiàn)有的印刷電路板 (PCB) 布局系統(tǒng)中設(shè)計(jì)電源電路，該布局系統(tǒng)最初是為 MOSFET 設(shè)計(jì)的，該系統(tǒng)充分利用了這些新型 IC 提供的性能增益。所有這些都必須在滿足成本、外形尺寸（即封裝尺寸）和預(yù)算限制的同時(shí)得到滿足。例如，最新一代的 600 V 和 650 V GaN MOSFET 可以承受比最先進(jìn)的 MOSFET 更高的擊穿電壓，遠(yuǎn)高于其額定穩(wěn)態(tài)電壓。SiC 器件可以處理高得多的電壓和電流。例如，最新一代的 600 V 和 650 V GaN MOSFET 可以承受比最先進(jìn)的 MOSFET 更高的擊穿電壓，遠(yuǎn)高于其額定穩(wěn)態(tài)電壓。SiC 器件可以處理高得多的電壓和電流。憑借更快的邊緣速率，GaN 功率 IC 允許設(shè)計(jì)人員顯著提高開關(guān)頻率，最大限度地減少與更高開關(guān)速率相關(guān)的寄生電感和電容效應(yīng)。此外，SiC 功率 IC 提供更高的性能水平，但成本略高于硅 MOSFET。憑借更快的邊緣速率，GaN 功率 IC 允許設(shè)計(jì)人員顯著提高開關(guān)頻率，最大限度地減少與更高開關(guān)速率相關(guān)的寄生電感和電容效應(yīng)。此外，SiC 功率 IC 提供更高的性能水平，但成本略高于硅 MOSFET。在 PCB 上布置驅(qū)動(dòng)器和 FET 時(shí)，必須注意使它們盡可能靠近，以最大限度地減少電容和電感效應(yīng)引起的損耗。最終，技術(shù)必須發(fā)展到單片集成的程度，功率半導(dǎo)體驅(qū)動(dòng)器和 FET 開關(guān)可以放在同一個(gè)硅晶片上。在 PCB 上布置驅(qū)動(dòng)器和 FET 時(shí)，必須注意使它們盡可能靠近，以最大限度地減少電容和電感效應(yīng)引起的損耗。最終，技術(shù)必須發(fā)展到單片集成的程度，功率半導(dǎo)體驅(qū)動(dòng)器和 FET 開關(guān)可以放在同一個(gè)硅晶片上。仔細(xì)觀察驅(qū)動(dòng)程序仔細(xì)觀察驅(qū)動(dòng)程序隔離式柵極 MOSFET 和 IGBT 柵極驅(qū)動(dòng)器可以設(shè)置為具有分離輸出，以適應(yīng)許多需要正負(fù)電源電壓才能運(yùn)行的工業(yè)和醫(yī)療應(yīng)用。通常，此類電路需要 ±5 V、±12 V、±15 V 或更高的電壓。然而，雖然正電壓在典型 PCB 上很常見，但當(dāng)所需功率超過 1 W 并且必須隔離電源時(shí)，產(chǎn)生負(fù)電壓就變得具有挑戰(zhàn)性。