ICEE-Power-功率半导体: Si MOSFET、IGBT和SiC MOSFET栅极驱动器 + Insulating Gate Drving栅极隔离驱动

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IGBT 和 SiC 电源开关有哪些市场和应用？

高效的电源转换在很大程度上由系统使用的功率半导体器件确定。

由于功率器件技术不断改进，大功率应用的效率越来越高并且尺寸越来越小。

包括 IGBT 和 SiC MOSFET，它们有高额定电压值、大电流额定值以及低导通和开关损耗，非常适合大功率应用。

应用上，总线电压大于 400V 的应用要求器件电压 额定值大于 650V，以留有足够的裕度。

包括工业电机驱动器、电动汽车/混合动力汽车(EV/HEV)、牵引逆变器和可再生能源光伏逆变器的应用,

具有几千瓦 (kW) 到一兆瓦 (MW) 甚至更高的功率水平。

SiC MOSFET 和 IGBT 的应用有类似的功率水平，但随着频率的增加而产生差异，如图 1 所示。

SiC MOSFET 在功率因数校正电源、光伏逆变器、EV/HEV 的DC-DC、EV的牵引逆变器、电机驱动器和铁路上越来越常见

而 IGBT 在电机驱动器(交流电机)，不间断电源 (UPS)、集中式和串式光伏逆变器以及牵引逆变器(EV/HEV)很常见。

SiC MOSFET 与 硅 (Si) MOSFET 和 IGBT 比的系统优势

Si MOSFET 和 IGBT 已在电源转换器使用很长时间。

但是 SiC MOSFET 已成为一项新技术，鉴于其固有的材料特性(WBG宽带隙材料)，其优势已超过之前的这些器件。

SiC MOSFET 正在逐渐取代 Si 功率器件。SiC 的材料优势特性可直接转化为系统级优势，包括更小的尺寸、更低的成本以及更轻的重量。

表 1 总结了这些特性



表 1：功率器件材料特性

Si MOSFET、Si IGBT 和 SiC MOSFET 开关电源

Si MOSFET、Si IGBT 和 SiC MOSFET 都用于电源应用，

但其功率水平、驱动方法和工作模式有所不同。

功率 IGBT 和 MOSFET 在栅极由电压进行驱动:

• IGBT 是MOSFET驱动BJT(双极结型晶体管) 。由于 IGBT 双极特性, 有低饱和电压和承载超大电流，实现低导通损耗。
• Si MOSFET 也具有低导通损耗，但取决于器件的漏源导通电阻 Rds(on) 与导通状态电压。
  • MOSFET 承载电流要小于 IGBT, 是因为IGBT有BJT部分，所以 IGBT 更多用于大功率应用。
  • MOSFET 用于重视高效率的高频应用。

半导体构造上 SiC MOSFET 与 Si MOSFET 类似。但是 SiC 是WBG新一代半导体材料及工艺，

其特性允许在与 IGBT 相同高功率水平上运行，更优秀的是还能够在更高频率进行开关。

这些特性可转化为系统优势，包括更高的功率密度、更高的效率和更低的热耗散。

隔离式栅极驱动器特性

电隔离防止不需要的交直流信号从一侧传输到另一侧, 对系统可靠性和人身安全非常重要。

隔离的一些常见形式是什么，它们有何不同:

可使用各种形式的电气隔离。三种用得最多的类型:

光学隔离、磁隔离和电容隔离。每种类型使用不同的方法将交流或直流信号可靠地传输到输出，无需直接的电气连接:

• 光学隔离(如图2), 通过驱动 LED 灯来传输信 号。LED 位于光晶体管附近，光晶体管将光信号转换为由互补金属氧化物半导体 (CMOS) 电路缓冲的电流。
• 磁隔离(如图 3), 使用变压器的绕组通过磁场在气隙传输信号。输入端的磁场在输出端感应出与原始 信号成正比的电流。
• 电容隔离(如图 4), 使用电场在两个导电板传输信号。
  
  在选择正确的隔离栅类型时，主要考虑因素是隔离级别、CMTI 等级以及降级和使用寿命。
  
  TI(德州仪器)电容隔离的工作电压由时间依赖型电介质击穿(TDDB)决定，考虑了所有降级机制。
  
  与基于光耦合和变压器的隔离比，TI 的电容技术显示处理更高应力电压的能力。

高电压应用为何需要隔离？

许多系统包含低电压和高电压电路。这些电路连接，将所有控制和电源功能结合在一起。

例如，图 5 显示了牵引逆变器的方框图:

这包括初级侧的低电压通信、控制和主电源电路。次级侧具有高电压电路，包括 电机驱动器、功率级和其他电路。

控制器使用来自高电压侧的反馈信号，因此如果没有隔离栅，则会造成损坏。

隔离栅通过形成专用的接地基准，将初级侧电路与次级侧电路进行电气隔离, 因此初级侧不会超过电路的最大额定值。

此外，人可能会触及控制电路，因此需要采用高电压隔离以防止电击。

有三种用到最多类型的隔离：功能隔离、基本隔离和增强型 隔离。

• 功能隔离 指确保正常运行但不防止电击的隔离级别。只要隔离栅完好无损，
• 基本隔离 可以提供足够的电击防护,保护人身、财产。
• 增强型隔离 高级别安全准则要求使用, 隔离级别的两倍，用于提供冗余。