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高性能碳化硅隔離柵極驅(qū)動器如何選型,一文告訴您

10/25 10:40
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電隔離式 (GI) 柵極驅(qū)動器在優(yōu)化碳化硅 (SiC) MOSFET性能方面扮演著至關(guān)重要的角色,特別是在應(yīng)對電氣化系統(tǒng)日益增長的需求時。隨著全球?qū)﹄娏υ诠I(yè)、交通和消費產(chǎn)品中依賴性的加深,SiC技術(shù)憑借其提升效率和縮小系統(tǒng)體積的能力脫穎而出。本文為第二篇,將分享電隔離柵極驅(qū)動器的隔離能力評估 ,并介紹其典型的應(yīng)用市場與安森美(onsemi)可提供的高新能產(chǎn)品選型。

隔離能力

隔離能力由系統(tǒng)的工作電壓決定,而系統(tǒng)工作電壓與隔離能力成正比。隔離柵極驅(qū)動器的關(guān)鍵參數(shù)之一是其隔離電壓額定值。正確的隔離額定值對于保護(hù)用戶免受潛在有害電流放電的傷害至關(guān)重要,因為它旨在避免意外的電壓瞬態(tài)破壞與電源相連的其他電路

此外,該額定值還能使轉(zhuǎn)換器內(nèi)的信號免受噪聲或意外共模瞬態(tài)電壓的干擾。?? 隔離通常表示為隔離層可承受的電壓量。在大多數(shù)隔離柵極驅(qū)動器的數(shù)據(jù)手冊中,隔離額定值都以參數(shù)的形式出現(xiàn),如最大重復(fù)峰值隔離電壓 (VIORM)、最大工作隔離電壓 (VIOWM)、最大瞬態(tài)隔離電壓 (VIOTM)、最大浪涌隔離電壓 (VIOSM) 和耐壓隔離電壓 (VISO)。? 系統(tǒng)工作電壓越高,所需的轉(zhuǎn)換器隔離能力就越高。

DC/DC 的 OBC 通用框圖

隔離電容和功率損耗

隔離電容是電隔離器低壓輸入級(初級芯片)和高壓輸出級(次級芯片)之間的寄生電容。在開關(guān)工作期間,漏電流可能會通過這個輸入到輸出的耦合電容,從而成比例增加?xùn)艠O驅(qū)動器的功率損耗。

通過下式可以看出,隔離電容與漏電流成正比。

Ileak?= 2?× π ×?fs?× CISO× VSYS

其中,Ileak:漏電流,fs:工作頻率,CISO:隔離器輸入輸出耦合電容,VSYS:系統(tǒng)工作電壓。功率損耗與漏電流成正比。如果系統(tǒng)需要在高工作頻率和高電壓下運行,則有必要注意轉(zhuǎn)換器絕緣電容器的大小,以避免溫升過高。

共模瞬態(tài)抗擾度(CMTI)

共模瞬態(tài)抗擾度(CMTI)是與隔離柵極驅(qū)動器相關(guān)的關(guān)鍵特性之一,尤其是當(dāng)系統(tǒng)以高開關(guān)頻率運行時。它之所以重要,是因為高斜率(高頻)瞬態(tài)會干擾跨隔離柵的數(shù)據(jù)傳輸。隔離柵上的電容(例如隔離接地平面之間的電容)為這些快速瞬態(tài)提供了穿越隔離柵并破壞輸出波形的路徑。單位通常為 kV/μs 或 V/ns。

如果 CMTI 不夠高,大功率噪聲可能會耦合到隔離柵極驅(qū)動器上,產(chǎn)生電流回路,導(dǎo)致開關(guān)的柵極出現(xiàn)電荷。如果電荷量足夠大,就會導(dǎo)致柵極驅(qū)動器將噪聲誤解為驅(qū)動信號,由此導(dǎo)致因直通而造成嚴(yán)重的電路故障。

電流驅(qū)動能力考慮因素

柵極驅(qū)動器能夠在短時間內(nèi)拉/灌較大的柵極電流,從而縮短開關(guān)時間,降低驅(qū)動晶體管內(nèi)的開關(guān)功率損耗。峰值拉電流和灌電流(ISOURCE和 ISINK)應(yīng)大于平均電流(IG,AV),如下圖所示。

柵極驅(qū)動器電流驅(qū)動能力

功率晶體管中,有一個參數(shù)QG(柵極電荷),指柵極驅(qū)動器為了使晶體管導(dǎo)通或關(guān)斷所需要充放的電荷量。為了正確且適時地驅(qū)動功率晶體管,我們需要為柵極驅(qū)動器選擇適當(dāng)?shù)碾娏黩?qū)動能力。

IG,AV?= QG?/ tSW,ON / OFF

其中,tSW,ON/OFF 是指功率晶體管導(dǎo)通/關(guān)斷的速度。如果未知,可從開關(guān)頻率得出的開關(guān)時間 tSW 的 2% 開始計算。

柵極驅(qū)動器拉、灌峰值電流的大致計算公式如下:

導(dǎo)通時(拉電流)

ISOURCE?≥?1.5 ×?QG?/ tSW, ON

關(guān)斷時(灌電流)

ISINK?≥?1.5 ×?QG?/ tSW, OFF

其中,QG表示在VGS = VCC 時的柵極電荷,tSW,ON/OFF = 開關(guān)導(dǎo)通/關(guān)斷時間,1.5 = 經(jīng)驗確定的系數(shù)(受驅(qū)動器輸入級延遲和寄生元件的影響)。

柵極驅(qū)動器電流驅(qū)動能力選型示例

例如,tSW,ON/OFF?為 100ns:100kHz的1%,300kHz的3%,等等。

高壓、大功率市場及應(yīng)用

與大功率應(yīng)用相關(guān)的終端產(chǎn)品種類繁多。這些應(yīng)用包括:

使用SiC車載充電機(jī)(OBC)的電動汽車。對于這些車輛而言,實現(xiàn)高效率的同時確保安全至關(guān)重要。電隔離柵極驅(qū)動器能夠在這方面發(fā)揮作用,助力達(dá)成目標(biāo)。

電動汽車充電站,其發(fā)展趨勢是采用高電壓,因此安全對系統(tǒng)和人身安全都很重要。

太陽能逆變器 – 在這里,逆變器的效率始終是關(guān)鍵,而安全總是重中之重。特別是當(dāng)逆變器作為家庭太陽能系統(tǒng)的一部分時,安全問題顯得尤為突出。

云計算/服務(wù)器工作時需要從公共事業(yè)的交流電中生成大量的清潔的直流電,不能承受任何損耗。在這一領(lǐng)域,電隔離柵極驅(qū)動器同樣能夠幫助確保安全性和效率。

安森美高性能電隔離柵極驅(qū)動器

安森美的電隔離柵極驅(qū)動器專為快速開關(guān)而設(shè)計,并集成了保護(hù)功能。安森美的SiC驅(qū)動器解決方案針對SiC應(yīng)用進(jìn)行了優(yōu)化,集成了負(fù)偏壓功能,無需外部元件。安森美的隔離柵極驅(qū)動器在生產(chǎn)階段使用MPS測試儀(型號MSPS-20)進(jìn)行隔離性能測試。安森美的電隔離柵極驅(qū)動器為 SiC MOSFET 提供了可靠的解決方案,適用于廣泛的應(yīng)用,包括汽車電動車、電動車充電、太陽能逆變器和云計算/服務(wù)器系統(tǒng)等。

安森美提供四款新發(fā)布的柵極驅(qū)動器:

NCP51152

NCV51152

NCP51752

NCV51752

NCP/NCV51152是隔離型單通道柵極驅(qū)動器,具有高達(dá) 4.5-A / 9-A 的拉、灌峰值電流。它專為實現(xiàn)極快的開關(guān)速度而設(shè)計,用于驅(qū)動功率MOSFET開關(guān)。NCP/NCV51252提供短且匹配的傳播延遲。兩個次級側(cè)驅(qū)動器之間的內(nèi)部功能隔離允許高達(dá) ~1,200 VDC 的工作電壓。此外,它還提供了其他重要的保護(hù)功能,如每個驅(qū)動器的欠壓鎖定(UVLO)和使能功能。

NCP/NCV51752 是隔離型單通道柵極驅(qū)動器,具有高達(dá) 4.5-A / 9-A 的拉、灌峰值電流。它專為實現(xiàn)極快的開關(guān)速度而設(shè)計,用于驅(qū)動功率MOSFET開關(guān)。NCP/NCV51752 提供短且匹配的傳播延遲,具有在柵極驅(qū)動環(huán)路中產(chǎn)生負(fù)偏壓的集成機(jī)制,可為任何類型的 SiC 提供安全的關(guān)斷狀態(tài)。

此外, 安森美還是高性能 SiC MOSFET 和柵極驅(qū)動器的集成供應(yīng)商,擁有同類極佳 SiC MOSFET 器件的廣泛產(chǎn)品組合以及與之配套的不斷增長的優(yōu)化柵極驅(qū)動器系列。

結(jié)語

電氣系統(tǒng)中對高壓、高頻和大功率的需求不斷增長,這種趨勢只會越來越快。SiC MOSFET 是適應(yīng)這些需求的理想高效解決方案。為了幫助制造商開發(fā)安全、有效和可靠的大功率應(yīng)用,安森美提供了業(yè)界先進(jìn)的 EliteSiC 碳化硅解決方案和優(yōu)化的SiC柵極驅(qū)動器產(chǎn)品組合。

安森美

安森美

歷史安森美半導(dǎo)體前身是摩托羅拉集團(tuán)的半導(dǎo)體元件部門,于1999年獨立上市,繼續(xù)生產(chǎn)摩托羅拉的分立晶體管,標(biāo)準(zhǔn)模擬和標(biāo)準(zhǔn)邏輯等器件。并購紀(jì)錄2000年四月,完成收購Cherry Semiconductor。2006年,完成收購位于美國俄勒岡州Gresham的LSI Logic設(shè)計和制造設(shè)施。2008年一月,以184M美元完成收購美國模擬器件公司的穩(wěn)壓及熱管理(Voltage Regulation and Thermal Management)部門。2008年三月,以915M美元完成收購AMI Semiconductor。2008年十月,以115M美元完成收購Catalyst Semiconductor。2009年十一月,以17M美元完成收購PulseCore Semiconductor。2010年一月,以115M美元完成收購California Micro Devices。2010年六月,完成收購Sound Design Technologies, Ltd。2011年一月,完成收購日本三洋電機(jī)的子公司三洋半導(dǎo)體(SANYO Semiconductor)。2011年二月,以$31.4M美元完成收購賽普拉斯半導(dǎo)體(Cypress Semiconductor)的CMOS圖像傳感器業(yè)務(wù)部門。2014年五月,完成收購Truesense Imaging, Inc。2014年七月,安森美半導(dǎo)體和富士通半導(dǎo)體宣布戰(zhàn)略合作(包括晶圓代工服務(wù)協(xié)議,及日本會津若松市富士通的8吋晶圓廠的10%權(quán)益。)2014年八月,以4億美元完成收購總部位于加州的Aptina Imaging Corp。2015年七月,安森美半導(dǎo)體完成收購Axsem AG。2015年11月18日,以每股20美元,斥資24億美元現(xiàn)金收購飛兆半導(dǎo)體公司。2016年八月,安森美半導(dǎo)體宣布已就出售點火IGBT業(yè)務(wù)給 Littelfuse 達(dá)成協(xié)議,出售其瞬態(tài)電壓抑制二極管和開關(guān)型晶閘管產(chǎn)品線,售價共1.04億美元現(xiàn)金。2016年九月,安森美半導(dǎo)體完成收購飛兆半導(dǎo)體公司。產(chǎn)品安森美半導(dǎo)體制造以下的各種產(chǎn)品:定制:ASIC;定制代工服務(wù);定制ULP存儲器;定制CMOS圖像傳感器;集成無源器件分立:雙極晶體管;二極管和整流器;IGBT和FET;晶閘管;可調(diào)諧組件電源管理:AC-DC控制器和穩(wěn)壓器;DC-DC控制器、轉(zhuǎn)換器和穩(wěn)壓器;熱管理;驅(qū)動器;電壓和電流管理邏輯:時鐘產(chǎn)生;時鐘及數(shù)據(jù)分配;存儲器;微控制器;標(biāo)準(zhǔn)邏輯信號管理:放大器和比較器;模擬開關(guān);音頻/視頻的ASSP;數(shù)字電位計;EMI/RFI濾波器;接口;光電、圖像及觸摸傳感器產(chǎn)品部安森美半導(dǎo)體的各個產(chǎn)品部門:模擬方案部(ASG) - Bob Klosterboer(高騰博),執(zhí)行副總裁兼總經(jīng)理圖像傳感器部(ISG) – Taner Ozcelik,高級副總裁兼總經(jīng)理電源方案部(PSG) – Bill Hall(賀彥彬),執(zhí)行副總裁兼總經(jīng)理解決方案工程中心日本:大阪; 東京中國:上海德國:慕尼黑中國臺灣:臺北美國:加州圣荷西; 俄勒岡州波特蘭; 底特律韓國:首爾設(shè)計中心美國:亞利桑那州鳳凰城(Phoenix)、亞利桑那州錢德勒(Chandler)、得州奧斯?。ˋustin)、得州普萊諾(Plano)、羅德島州東格林尼治(East Greenwich)、科羅拉多州Longmont、加州圣克拉拉(Santa Clara)、愛達(dá)荷州波卡特洛(Pocatello)、賓夕法尼亞州Lower Gwynedd、猶他州林頓(Lindon)、愛達(dá)荷州楠帕(Nampa)加拿大:伯靈頓(Burlington), 滑鐵盧(Waterloo)比利時:梅赫倫(Mechelen),奧德納爾德(Oudenaarde),菲爾福爾德(Vilvoorde)法國:圖盧茲(Toulouse)德國:慕尼黑羅馬尼亞:布加勒斯特(Bucharest)斯洛伐克:布拉迪斯拉發(fā)(Bratislava)愛爾蘭:利默里克(Limerick)瑞士:Marin捷克:Roznov,布爾諾(Brno)韓國:首爾中國臺灣:臺北印度:班加羅爾(Bangalore),諾伊達(dá)(Noida)日本:岐阜市,群馬菲律賓:德拉克市(Tarlac City)制造工廠美國:亞利桑那州鳳凰城、亞利桑那州錢德勒、俄勒岡州Gresham、愛達(dá)荷州波卡特洛、愛達(dá)荷州楠帕、緬因州南波特蘭加拿大:伯靈頓 (安大略省)比利時:奧德納爾德捷克:Roznov中國:樂山、深圳、蘇州日本:群馬縣、埼玉縣羽生市、新潟縣新潟市韓國:富川菲律賓:Carmona, Cavite、Tarlac City、宿霧市馬來西亞:森美蘭州芙蓉市越南:邊和市、順安市社

歷史安森美半導(dǎo)體前身是摩托羅拉集團(tuán)的半導(dǎo)體元件部門,于1999年獨立上市,繼續(xù)生產(chǎn)摩托羅拉的分立晶體管,標(biāo)準(zhǔn)模擬和標(biāo)準(zhǔn)邏輯等器件。并購紀(jì)錄2000年四月,完成收購Cherry Semiconductor。2006年,完成收購位于美國俄勒岡州Gresham的LSI Logic設(shè)計和制造設(shè)施。2008年一月,以184M美元完成收購美國模擬器件公司的穩(wěn)壓及熱管理(Voltage Regulation and Thermal Management)部門。2008年三月,以915M美元完成收購AMI Semiconductor。2008年十月,以115M美元完成收購Catalyst Semiconductor。2009年十一月,以17M美元完成收購PulseCore Semiconductor。2010年一月,以115M美元完成收購California Micro Devices。2010年六月,完成收購Sound Design Technologies, Ltd。2011年一月,完成收購日本三洋電機(jī)的子公司三洋半導(dǎo)體(SANYO Semiconductor)。2011年二月,以$31.4M美元完成收購賽普拉斯半導(dǎo)體(Cypress Semiconductor)的CMOS圖像傳感器業(yè)務(wù)部門。2014年五月,完成收購Truesense Imaging, Inc。2014年七月,安森美半導(dǎo)體和富士通半導(dǎo)體宣布戰(zhàn)略合作(包括晶圓代工服務(wù)協(xié)議,及日本會津若松市富士通的8吋晶圓廠的10%權(quán)益。)2014年八月,以4億美元完成收購總部位于加州的Aptina Imaging Corp。2015年七月,安森美半導(dǎo)體完成收購Axsem AG。2015年11月18日,以每股20美元,斥資24億美元現(xiàn)金收購飛兆半導(dǎo)體公司。2016年八月,安森美半導(dǎo)體宣布已就出售點火IGBT業(yè)務(wù)給 Littelfuse 達(dá)成協(xié)議,出售其瞬態(tài)電壓抑制二極管和開關(guān)型晶閘管產(chǎn)品線,售價共1.04億美元現(xiàn)金。2016年九月,安森美半導(dǎo)體完成收購飛兆半導(dǎo)體公司。產(chǎn)品安森美半導(dǎo)體制造以下的各種產(chǎn)品:定制:ASIC;定制代工服務(wù);定制ULP存儲器;定制CMOS圖像傳感器;集成無源器件分立:雙極晶體管;二極管和整流器;IGBT和FET;晶閘管;可調(diào)諧組件電源管理:AC-DC控制器和穩(wěn)壓器;DC-DC控制器、轉(zhuǎn)換器和穩(wěn)壓器;熱管理;驅(qū)動器;電壓和電流管理邏輯:時鐘產(chǎn)生;時鐘及數(shù)據(jù)分配;存儲器;微控制器;標(biāo)準(zhǔn)邏輯信號管理:放大器和比較器;模擬開關(guān);音頻/視頻的ASSP;數(shù)字電位計;EMI/RFI濾波器;接口;光電、圖像及觸摸傳感器產(chǎn)品部安森美半導(dǎo)體的各個產(chǎn)品部門:模擬方案部(ASG) - Bob Klosterboer(高騰博),執(zhí)行副總裁兼總經(jīng)理圖像傳感器部(ISG) – Taner Ozcelik,高級副總裁兼總經(jīng)理電源方案部(PSG) – Bill Hall(賀彥彬),執(zhí)行副總裁兼總經(jīng)理解決方案工程中心日本:大阪; 東京中國:上海德國:慕尼黑中國臺灣:臺北美國:加州圣荷西; 俄勒岡州波特蘭; 底特律韓國:首爾設(shè)計中心美國:亞利桑那州鳳凰城(Phoenix)、亞利桑那州錢德勒(Chandler)、得州奧斯?。ˋustin)、得州普萊諾(Plano)、羅德島州東格林尼治(East Greenwich)、科羅拉多州Longmont、加州圣克拉拉(Santa Clara)、愛達(dá)荷州波卡特洛(Pocatello)、賓夕法尼亞州Lower Gwynedd、猶他州林頓(Lindon)、愛達(dá)荷州楠帕(Nampa)加拿大:伯靈頓(Burlington), 滑鐵盧(Waterloo)比利時:梅赫倫(Mechelen),奧德納爾德(Oudenaarde),菲爾福爾德(Vilvoorde)法國:圖盧茲(Toulouse)德國:慕尼黑羅馬尼亞:布加勒斯特(Bucharest)斯洛伐克:布拉迪斯拉發(fā)(Bratislava)愛爾蘭:利默里克(Limerick)瑞士:Marin捷克:Roznov,布爾諾(Brno)韓國:首爾中國臺灣:臺北印度:班加羅爾(Bangalore),諾伊達(dá)(Noida)日本:岐阜市,群馬菲律賓:德拉克市(Tarlac City)制造工廠美國:亞利桑那州鳳凰城、亞利桑那州錢德勒、俄勒岡州Gresham、愛達(dá)荷州波卡特洛、愛達(dá)荷州楠帕、緬因州南波特蘭加拿大:伯靈頓 (安大略省)比利時:奧德納爾德捷克:Roznov中國:樂山、深圳、蘇州日本:群馬縣、埼玉縣羽生市、新潟縣新潟市韓國:富川菲律賓:Carmona, Cavite、Tarlac City、宿霧市馬來西亞:森美蘭州芙蓉市越南:邊和市、順安市社收起

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