WBG 器件给栅极驱动器电源带来了难题

2024-6-14

RECOM's R24C2T25 series with blue background

碳化硅 (SiC) 和氮化镓 (GaN) 器件的栅极驱动器电源必须满足这些宽带隙半导体的独特偏置要求。本博客将讨论在 SiC 和 GaN 应用中设计栅极驱动器电源时需要考虑的关键因素。

SiC 和 GaN 是宽带隙 (WBG) 半导体材料，因其开关更快且损耗更低，相较于传统硅 (Si) 在电力电子应用领域更具优势。对于需要关键考量高效率和高功率密度的应用来说，这类材料的市场占有率正在不断增加。

早期采用者因技术而异。技术更为成熟的 SiC 已基本取代 Si IGBTs，用于为电动汽车的牵引逆变器供电，而 GaN 技术在笔记本电脑和类似设备的充电器应用方面也取得了巨大成功。

WBG 器件的栅极驱动器要求

SiC 和 GaN 晶体管的栅极驱动器必须根据每个器件的具体特性进行定制。对于高侧栅极驱动器，栅极驱动器和其直流电源必须采取隔离措施。

第一代 SiC MOSFETs 通常在导通状态下需要 +20V 栅极驱动电压 (V_DD)，以提供最低的导通电阻。由于栅极导通阈值可以小于 2 V，为了实现最佳的开关可靠性，SiC MOSFET 驱动器通常在关断阶段摆动至负栅极电压。

SiC MOSFET and GaN HEMT circuit diagrams — 图 2：SiC 和 GaN 器件的驱动器电压比较（来源：RECOM）

对于下一代设备，最佳导通和关断电压分别为 +15 或 +18V 和 -3 或 -4V。栅极驱动器必须具备非常快的上升和下降时间（大约几纳秒），但除此之外，大多数栅极驱动器都可以与非对称 V_DD 和 V_EE 电源电压使用而不会有任何问题。栅极驱动器的功耗随开关频率的提高而增加，但峰值栅极驱动电流由靠近驱动器电源引脚放置的电容器提供，并且只需要 2 W 至 3 W 的低功耗 DC/DC 转换器。

GaN 高电子迁移率晶体管 (HEMT) 的典型全增强电压为 7V，但如果 V_GS 超过 10 V 就会损坏，这远低于 SiC 栅极驱动器所需的栅极电压。由于 HEMT 结构的低电容栅极沟道的上升和下降时间极快，因此外部栅极驱动中任何过大电感都可能导致电压尖峰或电压振铃，进而超过这些电压限值。因此，6V 栅极驱动电压是一种良好的折衷，既能保持高效率，又能处于安全工作范围内。不同于 SiC MOSFET，HEMT 栅极通道的低电容允许关断电压为零伏。

WBG 栅极驱动器电源的关键规格

SiC 或 GaN 栅极驱动器的电源必须能够提供上述所需的电压水平。该电源由一个隔离型 DC/DC 转换器组成，通常为 SiC MOSFET 提供 +20/-5 V 电压（第二代器件为 +15/-3V 电压）或为 GaN HEMT 提供 +6V 和 +9V 电压。

许多 SiC 和 GaN 应用中的高侧驱动电路通常比地电位高出数百伏，需要对驱动器及其相关电路进行电气隔离。光耦合器为控制信号提供隔离，但电源也需要隔离。

采用最简单（功能性）隔离的 DC/DC 转换器最长可以承受一秒的 1kVDC 电压，但这对于桥式配置的高侧栅极驱动器来说往往不够。DC/DC 隔离电压至少是工作电压的两倍，但这些高功率 SiC 和 GaN 晶体管产生的高环境温度和快速开关会对隔离屏障施加额外应力。因此，需要高隔离型 DC/DC 转换器来为栅极驱动器供电。

针对 SiC 和 GaN 栅极驱动器的 RECOM 解决方案

RECOM 用于栅极驱动器的 DC/DC 转换器是一种即插即用型模块，可为 WBG 应用中栅极驱动器提供可靠、耐用的解决方案。我们提供一系列隔离型 DC/DC 转换器模块，为 SiC MOSFET 或 GaN HEMT 功率器件提供简单的电源解决方案。这些转换器具备非对称输出电压、高绝缘电压和低隔离电容等特点。

适用于 SiC 和 GaN 驱动技术的最佳 RECOM DC/DC 转换器系列有哪些？

SiC MOSFET

RxxP22005D 和 RKZ-xx2005D 系列提供 +20V 和 -5V 的不对称输出电压，可高效且有效地开关 SiC MOSFET。

RxxP21503D 系列提供 +15 和 -3V 的不对称输出电压，可高效开关第二代 SiC MOSFET。

GaN HEMT

采用 RECOM 的 RP-xx06S 和 RxxP06S 系列 DC/DC 转换器（具有高隔离电压和低隔离电容）供电时，高压摆率 GaN 晶体管驱动器可在 +6V 电压下实现最佳开关性能。在必须考虑较高噪声和干扰的 GaN 应用中，RECOM 还提供具有 +9V 输出电压的转换器，该输出电压可以用齐纳二极管分为 +6V 和 -3V，以在关断时提供负栅极电压，确保栅极电压始终低于导通阈值。

RA3 系列针对栅极驱动器进行了优化。

RECOM RA3 系列非稳压 3W DC/DC 转换器，专门设计用于为晶体管栅极驱动器供电。这些模块的输入电压为 5、12 或 24VDC，并提供单路或双路不对称输出，范围涵盖最新的 Si、SiC 和 GaN 晶体管。

紧凑的 SMD 设计确保电路板所需空间最小化，尤其是对于多层 PCB 而言更是如此。该模块提供 5.2kVDC/1 min 强大隔离和小于 10pF 的隔离电容。典型效率范围为 78% 至 82%，满载时的工作温度范围为 -40C 至 +85°C，可满足太阳能逆变器、感应加热、电信、电动汽车电池充电器和电机驱动等严苛环境要求。

经得起未来考验的 WBG 设计

Semiconductor gate drive voltage ranges — 图 3：不同 IGBT、SiC 和 GaN 器件的推荐和绝对最大驱动器电压比较（来源：RECOM）

最佳栅极驱动器电源电压组合根据晶体管类型（IGBT、SiC 或 GaN）、制造商、技术代以及是否使用共源共栅配置而有所不同（图 3）。电子行业对此存在一些担忧。我如何才能让我的设计经得起未来考验，以便能够轻松适应未来几代或替代源晶体管供应商提供的不同最佳导通和关断电压？

采用 RECOM R24C2T25 新型转换器可以解决这一难题。这是一款隔离型 SMD DC/DC 转换器，采用 IC 式 SSOP 封装，专为给隔离型 WBG 栅极驱动器供电而设计。通过使用预设电阻器，可在 +2.5V 至 +22.5V/-2.5V 至 -22.5V 范围内独立调节稳压正负输出电压，因此仅用一个产品即可覆盖 IGBT、MOSFET、SiC（所有代）甚至 GaN 的所有现有栅极驱动器电压范围（图 4）。

输出为基本隔离等级，隔离电压为 3kVrms/1 min，并且在 -40°C 至 +105°C 的整个工作温度范围内可提供 1.5W 功率而无需降额（温度最高达到 +85°C 时为 2W）。CMTI（共模瞬态抗扰度）值超过 150kV/µs，因此该电源可在极快的开关边沿下正常工作。该产品采用 SMD SSOP 封装，可以安装在靠近开关晶体管的位置，并且输出端提供全面保护措施（UVLO、OTP、SCP、OLP），可让您安装无忧。

RECOM R24C2T25 schematic and product — 图 4：R24C2T25 可调非对称输出电压栅极驱动电源。

结论

宽带隙晶体管在大功率应用中独具优势，但对 SiC 和 GaN 栅极驱动器电源的设计人员来说颇具挑战。DC/DC 转换器的标准隔离水平不足以满足这些电路的要求，因此需要专门的解决方案。RECOM 结合所需的高绝缘电压、非对称输出电压和低隔离电容，推出多个系列 DC/DC 模块，这些模块针对 SiC 和 GaN 栅极驱动设计进行优化，易于使用。

应用

	系列
1	R24C2T25 重点	2w隔离型DC/DC转换器可编程的非对称输出电压	适用于IGBT/Si/SiC/GaN栅极驱动的偏置电压 3kVAC/1min高隔离	数据表
2	RA3 重点	3 W 隔离式 DC/DC 转换器 5.2 kVDC/1 min 的高隔离电压	宽工作温度范围：-40°C 至 +85°C IGBT/Si/SiC/GaN 栅极驱动电源的理想选择	数据表
3	RKZ-xx2005	功率共享每秒 3 kVDC 和 4 kVDC 的高隔离	效率最高可达 87% -40°C 至 +85°C 的宽范围工作温度	数据表
4	RP-xx06	6 V 输出，适用于 GaN 驱动器应用具有独立绕组的壶形铁芯变压器	5.2 kVDC 高隔离，尺寸紧凑低隔离电容（最高为 10 pF）	数据表
5	RxxP06	6 V 输出，适用于 GaN 驱动器应用具有独立绕组的壶形铁芯变压器	5.2 kVDC 高隔离，尺寸紧凑低隔离电容（最高为 10 pF）	数据表
6	RxxP21503	+20/-5 V 和 +15/-3 V 非对称输出，适用于 SiC 驱动器应用符合共模电压为 1 KV 时的 65 kV/μs 要求	+15/-9 V 非对称输出，适用于 IGBT 驱动器应用具有独立绕组的壶形铁芯变压器	数据表
7	RxxP22005	+20/-5 V 和 +15/-3 V 非对称输出，适用于 SiC 驱动器应用符合共模电压为 1 KV 时的 65 kV/μs 要求	+15/-9 V 非对称输出，适用于 IGBT 驱动器应用具有独立绕组的壶形铁芯变压器	数据表