為應對 Si、SiC 和GaN 等不斷發展的技術，優化功率驅動設計需要適應性強的柵極驅動解決方案。本文重點介紹了可編程輸出的隔離型 DC/DC 轉換器的優勢，展現柵極驅動電源在高效工作、靈活運用及經受未來考驗方面的卓越性能。

摘 要

隨著各行業轉向使用更高的開關頻率和電壓，以提高性能并盡量縮小整體系統尺寸，設計人員在平衡成本、效率和可靠性方面面臨愈發明顯的挑戰。功率驅動設計優化的一個關鍵方面是選擇合適的 柵極驅動解決方案，這些解決方案夠適應不斷變化的電流，以及如硅 (Si)、碳化硅 (SiC)和氮化鎵 (GaN)等新興的晶體管技術要求。本文探討了標準柵極驅動設計所面臨的挑戰，并強調了使用可編程輸出的隔離型 DC/DC 轉換器的優勢，為 IGBT、Si 和 SiC MOSFET 提供高效、靈活、經得起未來考驗的柵極驅動電源。

功率驅動設計的當前挑戰

電源轉換系統設計人員在為功率驅動選擇柵極驅動解決方案時面臨一種困境——雖然固定柵極驅動電壓解決方案簡單易于實現，但缺乏靈活性，無法滿足不同晶體管技術的要求。例如，IGBTs、Si 和 SiC MOSFET的最佳柵極電壓各不相同，因此在使用新一代晶體管時，可能需要使用柵極驅動電路或重新設計整個功率驅動。

IGBT 通常需要 +15 V 至 +20 V 的正柵極電壓才能完全導通。為了實現快速關斷并防止誤觸發，IGBT 還需要 -5 V 至 -15 V 的負柵極電壓。相比之下，Si MOSFET 對柵極電壓的要求較低，通常需要 +10 V 至 +15 V 的電壓導通，0 V 至 -5 V 的電壓進行關斷。SiC MOSFET 具備高開關速度和低導通電阻，其柵極電壓接近 IGBT 的要求，而有些器件需要高達 +25 V 的電壓才能達到最佳性能。如果對多個晶體管采用固定的柵極驅動電壓解決方案，則可能會因柵極電壓不足或過高而導致性能不理想、損耗增加和故障。因此，設計人員可能需要針對每種晶體管類型使用專門的柵極驅動器電路，這不僅增加了整體系統的復雜性，還增加了成本和電路板占用空間。

提升開關頻率和電壓以提高效率和功率密度確實帶來了諸多挑戰。更高的頻率意味著需要更快的開關轉換，這可能會導致電磁干擾 (EMI) 和噪聲問題增加。更快的開關邊沿(高 dv/dt 和 di/dt)可以通過電路的寄生電容(包括晶體管封裝、PCB 走線和隔離屏障)耦合噪聲。這種噪聲會干擾柵極驅動電路的正常工作，導致意外開關，甚至增加功耗和設備故障的風險。

為實現更快的開關，使用高性能元器件的成本則更高，設計人員必須根據應用和市場需求在成本和性能之間找到平衡。例如，設計人員可能會在注重成本的消費應用中選擇成本較低的 Si MOSFET 或 IGBT。這種選擇以犧牲效率和性能為代價，但卻是更經濟的解決方案。另一方面，在要求高性能的 工業或者汽車應用中，選擇昂貴的 SiC MOSFET 可能更為合理，以達到效率、可靠性和功率密度的基準。

縮減整體系統尺寸是功率驅動設計的另一重大挑戰。隨著功率密度的重要性日益增加，設計人員必須找到實現更大程度微型化和無縫集成柵極驅動電路的方法，同時又不影響性能或可靠性。遺憾的是，標準柵極驅動解決方案依賴于離散元件和獨立電源，這會占用本就有限的電路板空間并使設計變得復雜。離散柵極驅動電路由以下部分組成：柵極驅動 IC、隔離電源、電阻器、電容器、二極管等無源元器件。只有在仔細考慮功率耗散、熱管理和信號完整性等因素后，才能選擇和放置 PCB 上的每個元件。隨著功率驅動中晶體管數量不斷增加，柵極驅動電路的復雜性和尺寸也隨之增加。

適用于IGBT、Si和 SiC MOSFET 的隔離型轉換器

市場上大多數隔離型 DC/DC 轉換器都提供固定的輸出電壓，由于缺乏靈活性，導致難以滿足不同晶體管技術(包括 IGBT、Si 和 SiC MOSFET)的柵極電壓要求。因此，設計人員可能需要使用多個隔離型 DC/DC 轉換器或采用額外的電路來實現所需的柵極驅動電壓，這會增加系統的復雜性、尺寸和成本。

為了解決這一問題，設計人員轉向使用可編程隔離型 DC/DC 轉換器作為解決方案。這款轉換器集隔離電源和柵極驅動器電路的功能于一體，同時可以調整輸出電壓，以符合所選晶體管技術的需求。通過為每個晶體管提供可編程輸出電壓的柵極驅動器，設計人員可以優化功率驅動的導通和關斷特性，同時簡化整體設計，并縮減系統尺寸。

使用可編程隔離型 DC/DC 轉換器可以獨立控制每個晶體管的正柵電壓 (Vpos) 和負柵電壓 (Vneg)。因其靈活性，設計人員能夠精確調整柵極驅動電壓，確保晶體管的充分增強和快速放電，同時最大限度地減少開關損耗并提高效率。通過選擇特定的 Vpos 和 Vneg 值，柵極電壓可以保持在晶體管的安全限值內，同時充分提升性能。例如，在基于 IGBT 的功率驅動中，可編程隔離型 DC/DC 轉換器可以設置為提供 +15 V 的 Vpos 和 -8 V 的 Vneg，確保導通期間的充分增強和關斷期間的快速柵極電容放電。同樣，在SiC MOSFET 設計中，轉換器可配置為提供 +20 V 的 Vpos 和 -5 V 的 Vneg，從而針對 SiC 器件的特定要求優化柵極驅動電壓。

圖 1：IGBT、SiC FET 和 GaN FET 的典型柵極電壓要求

提供獨立于主電源、穩定且穩壓良好的柵極電壓電源，是隔離型 DC/DC 轉換器的另一個優勢。在典型的柵極驅動器電路中，主電源通過線性穩壓器或引導電路來獲取柵極電壓。雖然線性穩壓器簡單易于實現，但如果輸入和輸出電壓之間存在較大差異，往往效率較差，且功耗較大。過多功耗可能會導致熱管理問題，并且可能需要額外的散熱器或冷卻解決方案。另一方面，引導電路依靠電荷泵機制在半橋配置中提供高側晶體管的柵極電壓。因此，需要仔細選擇引導電容的尺寸，確保整個導通時間內的電荷足以驅動晶體管的柵極。占空比和開關頻率會影響電路的性能，導致壓降并出現不穩定的情況。

圖 2：典型的高側引導電源電路示意圖，顯示可能會對柵極驅動性能產生負面影響的不必要寄生電感

如圖 2 所示，寄生電感會對柵極驅動性能產生負面影響。這些電感主要源自電路的物理布局和元件互連。例如，引導二極管的引線和封裝會與二極管串聯引入少量電感。同樣，引導電容器和柵極驅動器 IC 之間的走線和互連會造成寄生電感。從柵極驅動器 IC 到高側晶體管柵極的路徑(包括封裝引線和 PCB 走線)也會增加柵極驅動回路的電感。

高側晶體管的源極到低側晶體管的漏極，再回到直流鏈路電容器的高電流路徑形成了一個環路，其中包含來自 PCB 走線和元件封裝的寄生電感。這些電感與電路的快速開關瞬變相互作用，導致柵極驅動信號出現電壓尖峰和振鈴現象。由此產生的振蕩可能會導致誤觸發并增加開關損耗。

雖然隔離型 DC/DC 轉換器不能直接消除柵極驅動器和 MOSFET 電路中的寄生電感，但可提供獨立于主電源、穩壓良好的柵極電壓電源，從而無需使用引導電路，也可避免壓降和不穩定等相關限制的需求。

R24C2T25 系列的產品應用

作為行業領先的電源轉換解決方案提供商，我們開發了 RxxC2Txx 系列隔離型 DC/DC 轉換器，可滿足大功率應用中對高效、靈活、可靠的柵極驅動電源的需求。

R24C2T25作為該系列中的一款關鍵產品，具備一系列功能和優勢，適合為 IGBT、Si MOSFET 和 SiC MOSFET 供電。RECOM 的 RxxC2Txx 系列尺寸僅為 7.5 x 12.83 mm，采用表面貼裝 SSOP-36 封裝，并集成隔離變壓器，對于希望盡量縮小柵極驅動器電路占用空間的設計人員來說是理想選擇。RxxC2Txx 系列的緊湊尺寸和 SMT 兼容性適用于空間受限的應用場合，并可輕松集成到現有設計中。SSOP-36 封裝還提供出色的散熱性能，封裝底部的裸焊盤有助于散熱。

圖 3：RxxC2T25 采用 SOIC 封裝，提供可編程非對稱穩壓輸出

R24C2T25 提供 2 W 的連續輸出功率，確保向柵極驅動器電路輸送充足的電力。因其高輸出功率，該轉換器能夠驅動更大或并聯的多個晶體管，適用于包括工業電機驅動器、太陽能逆變器和電動汽車牽引逆變器在內的高電流應用。該產品的隔離額定值高達 3kVAC/1 min，可在輸入和輸出級之間提供可靠隔離。R24C2T25 憑借專有的變壓器設計和先進的絕緣材料，可實現高隔離電壓，即使在惡劣的環境下也能可靠工作。此外，R24C2T25 具有 150kV/μs 的高共模瞬態抗擾度 (CMTI)。CMTI 是隔離柵極驅動器應用中的一個關鍵參數，表示轉換器承受共模電壓快速變化而不會導致信號受到干擾或設備受到損壞的能力。

在大功率系統中，快速開關晶體管會產生相當顯著的共模瞬變，這些瞬變可能通過隔離屏障耦合并干擾柵極驅動信號。高 CMTI 額定值可以確保轉換器在這些瞬變存在的情況下，仍然能夠保持信號完整性和可靠工作。R24C2T25 還具有低于 3.5pF 的超低隔離電容，這對于最大限度減少共模噪聲和降低高 dv/dt 瞬變對柵極驅動信號的影響至關重要。在大功率應用中，開關晶體管會產生較大的…。