适用于 IGBT、Si 和 SiC MOSFET 的隔离型 DC/DC 转换器，高效灵活的栅极驱动电源解决方案

随着各行业转向使用更高的开关频率和电压，以提高性能并尽量缩小整体系统尺寸，设计人员在平衡成本、效率和可靠性方面面临愈发明显的挑战。功率驱动设计优化的一个关键方面是选择合适的 栅极驱动解决方案，这些解决方案够适应不断变化的电流，以及如硅 (Si)、碳化硅 (SiC)和氮化镓 (GaN)等新兴的晶体管技术要求。本文探讨了标准栅极驱动设计所面临的挑战，并强调了使用可编程输出的隔离型 DC/DC 转换器的优势，为 IGBT、Si 和 SiC MOSFET 提供高效、灵活、经得起未来考验的栅极驱动电源。

电源转换系统设计人员在为功率驱动选择栅极驱动解决方案时面临一种困境——虽然固定栅极驱动电压解决方案简单易于实现，但缺乏灵活性，无法满足不同晶体管技术的要求。例如，IGBTs、Si 和 SiC MOSFET 的最佳栅极电压各不相同，因此在使用新一代晶体管时，可能需要使用栅极驱动电路或重新设计整个功率驱动。

IGBT 通常需要 +15 V 至 +20 V 的正栅极电压才能完全导通。为了实现快速关断并防止误触发，IGBT 还需要 -5 V 至 -15 V 的负栅极电压。相比之下，Si MOSFET 对栅极电压的要求较低，通常需要 +10 V 至 +15 V 的电压导通，0 V 至 -5 V 的电压进行关断。SiC MOSFET 具备高开关速度和低导通电阻，其栅极电压接近 IGBT 的要求，而有些器件需要高达 +25 V 的电压才能达到最佳性能。如果对多个晶体管采用固定的栅极驱动电压解决方案，则可能会因栅极电压不足或过高而导致性能不理想、损耗增加和故障。因此，设计人员可能需要针对每种晶体管类型使用专门的栅极驱动器电路，这不仅增加了整体系统的复杂性，还增加了成本和电路板占用空间。

提升开关频率和电压以提高效率和功率密度确实带来了诸多挑战。更高的频率意味着需要更快的开关转换，这可能会导致电磁干扰 (EMI) 和噪声问题增加。更快的开关边沿（高 dv/dt 和 di/dt）可以通过电路的寄生电容（包括晶体管封装、PCB 走线和隔离屏障）耦合噪声。这种噪声会干扰栅极驱动电路的正常工作，导致意外开关，甚至增加功耗和设备故障的风险。

为实现更快的开关，使用高性能元器件的成本则更高，设计人员必须根据应用和市场需求在成本和性能之间找到平衡。例如，设计人员可能会在注重成本的消费应用中选择成本较低的 Si MOSFET 或 IGBT。这种选择以牺牲效率和性能为代价，但却是更经济的解决方案。另一方面，在要求高性能的 工业或者汽车应用中，选择昂贵的 SiC MOSFET 可能更为合理，以达到效率、可靠性和功率密度的基准。

缩减整体系统尺寸是功率驱动设计的另一重大挑战。随着功率密度的重要性日益增加，设计人员必须找到实现更大程度微型化和无缝集成栅极驱动电路的方法，同时又不影响性能或可靠性。遗憾的是，标准栅极驱动解决方案依赖于离散元件和独立电源，这会占用本就有限的电路板空间并使设计变得复杂。离散栅极驱动电路由以下部分组成：栅极驱动 IC、隔离电源、电阻器、电容器、二极管等无源元器件。只有在仔细考虑功率耗散、热管理和信号完整性等因素后，才能选择和放置 PCB 上的每个元件。随着功率驱动中晶体管数量不断增加，栅极驱动电路的复杂性和尺寸也随之增加。

市场上大多数隔离型 DC/DC 转换器都提供固定的输出电压，由于缺乏灵活性，导致难以满足不同晶体管技术（包括 IGBT、Si 和 SiC MOSFET）的栅极电压要求。因此，设计人员可能需要使用多个隔离型 DC/DC 转换器或采用额外的电路来实现所需的栅极驱动电压，这会增加系统的复杂性、尺寸和成本。

为了解决这一问题，设计人员转向使用可编程隔离型 DC/DC 转换器作为解决方案。这款转换器集隔离电源和栅极驱动器电路的功能于一体，同时可以调整输出电压，以符合所选晶体管技术的需求。通过为每个晶体管提供可编程输出电压的栅极驱动器，设计人员可以优化功率驱动的导通和关断特性，同时简化整体设计，并缩减系统尺寸。

使用可编程隔离型 DC/DC 转换器可以独立控制每个晶体管的正栅电压 (Vpos) 和负栅电压 (Vneg)。因其灵活性，设计人员能够精确调整栅极驱动电压，确保晶体管的充分增强和快速放电，同时最大限度地减少开关损耗并提高效率。通过选择特定的 Vpos 和 Vneg 值，栅极电压可以保持在晶体管的安全限值内，同时充分提升性能。例如，在基于 IGBT 的功率驱动中，可编程隔离型 DC/DC 转换器可以设置为提供 +15 V 的 Vpos 和 -8 V 的 Vneg，确保导通期间的充分增强和关断期间的快速栅极电容放电。同样，在SiC MOSFET 设计中，转换器可配置为提供 +20 V 的 Vpos 和 -5 V 的 Vneg，从而针对 SiC 器件的特定要求优化栅极驱动电压。


提供独立于主电源、稳定且稳压良好的栅极电压电源，是隔离型 DC/DC 转换器的另一个优势。在典型的栅极驱动器电路中，主电源通过线性稳压器或引导电路来获取栅极电压。虽然线性稳压器简单易于实现，但如果输入和输出电压之间存在较大差异，往往效率较差，且功耗较大。过多功耗可能会导致热管理问题，并且可能需要额外的散热器或冷却解决方案。另一方面，引导电路依靠电荷泵机制在半桥配置中提供高侧晶体管的栅极电压。因此，需要仔细选择引导电容的尺寸，确保整个导通时间内的电荷足以驱动晶体管的栅极。占空比和开关频率会影响电路的性能，导致压降并出现不稳定的情况。