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虽然FETs（MOSFETs，HEMTs）和IGBT（绝缘栅双极晶体管）等半导体驱动器技术在某些方面表现极高的性价比，它们也致力于满足于对宽带隙（WBG）性能有较高要求的功率半导体集成电路（如GaN和SiC等）。与此同时，作为功率ICs（功率集成电路）而言，硅MOSFET也逐渐被其取代。而这一系列的高性能要求包括低开关损耗，高抗噪性，短传播延迟以及高开关频率下的高电压和电流承载能力等。在严峻形势的考验下，如何解决这些问题逐渐成为驱动器设备提供商面临的主要挑战。
而最新一代600V/650V电压的MOSFETs在满足开关电源（SMPS），不间断电源（UPS），电机驱动，逆变器，转换器，感应加热，风力发电以及光伏系统等一系列日益增长的需求方面取得了较大的进步。但是要完全满足这些需求则并非易事，而基于GaN和SiC技术的WBG半导体器件似乎是为数不多的选择之一。普通IGBT和MOSFET的开关频率通常为20 kHz，虽然新一代的WBG驱动器的确能提供更高的性能水平，但总体而言性价比方面不能表现出明显的优势。主要的性能考量来自MOSFET的栅极电容，这对于低频开关应用来说不是什么大问题。但在更高速的开关应用中，MOSFET的栅极必须在足够电流的情况下能够快速地进行高低切换，使得MOSFET在线性区域中花费更少的时间。
由此，设计者们逐渐将眼光放到了GaN和SiC等功率器件上来。从GaN和SiC器件中获得的性能优势最初体现在MOSFET的印刷电路板（PCB）布局系统中所设计的电源电路，该系统充分利用这些较新型IC所提供的性能增益，在控制成本，满足样式（即包装尺寸）和预算的同时满足所有需求。例如，最新一代的600V/650V GaN MOSFETs可以处理比现在最先进的MOSFET所承受的更高的击穿电压，远远超出于其额定稳态电压。而SiC器件甚至可以处理更高的电压和电流。这是GaN和SiC等功率器件的最初优势体现。而利用更快的边沿速率，GaN功率IC使设计人员能够明显提高开关频率，最大限度地降低高开关速率所带来的寄生电感和电容效应。此外，SiC功率IC能够提供更好的性能，虽成本略高于硅MOSFET。除此之外，在PCB上布置驱动器和FET时，必须让它们尽可能靠近，以减少电容和电感效应所引起的损耗。最终的技术走向得向单片集成接近，其中的功率半导体驱动器和FET开关可以放在同一硅晶片上。
驱动器 隔离栅极MOSFET和IGBT栅极驱动器可以像输出分流一样进行设置，以适应于正负电源电压共同运作的工业和医疗应用。通常，这种电路需要±5 V，±12 V，±15 V甚至更高的电压，尽管这在一些典型PCB应用中出现正极电压是很常见的，但是当所需的功率必须大于1W且隔离电源时，电源的供应则变成了一个挑战。Texas Instruments凭借其用于IGBT和MOSFET的2.5A/5A ISO5452隔离栅极驱动器解决了CMTI的问题，该驱动器具有输出分流和自主安全性（图1）。
图1 ISO5452产品图
ON Semiconductor为其产品NPC81074A/B提供了单通道10A的高速低侧MOSFET驱动器，其能够为电容负载提供大峰值电流（图2）。它具有±10 A的高电流驱动能力、10A的峰值反向电流能力、1.8 nF 的负载和4ns的典型上升和下降时间以及15 ns的输入上升和下降时间。该器件的输出分流配置和双输入设计体现了极高的灵活驱动性，而其TTL/CMOS兼容输入则与4.5~20 V的电源电压无关。
图2 NCP81074A/B典型应用
除此之外，ROHM半导体公司在BSM300D12P2E001上取得了更大的突破，BSM300D12P2E001是一种将SiC MOSFET和肖特基势垒二极管结合在小型封装中的混合器件（图3）。其包括内置NTC热敏电阻，可实现高至175°C的结温保护。 
图3 BSM300D12P2E001产品图
它的开关损耗比IGBT模块低达77％（开关损耗约为19 mJ），工作电压范围为-6~22 V，RDS（ON）仅为7.3Ω，运行温度范围为-40° C~ 175°C。它还可以对2500 VAC的隔离电压处理长达1分钟。除此之外，该款产品使用的关键在于ROHM让其使用原始电场迁移结构以及新颖的筛选方法。 
图4 BSM300D12P2E001的原始电场迁移结构图
结论
GaN和[color=#2655a5 !important]SiC功率器件对于驱动器的需求意味着驱动器和功率IC电路的混合使用或直接单片集成可能成为解决方法之一。而当意识到这点后，GaN和SiC制造商则致力于研究单片集成的方法。由于在硅晶片上搭载驱动器的GaN MOSFET数量正日益扩大，而其成本日益降低，因此可以预见市场上将很快出现成本合理的单片GaN MOSFET。与此同时，在硅晶片上嵌入SiC芯片将会变得更加困难，并且成本愈高。尽管如此，不得不承认它的性能的确远远超过GaN的性能，并且它能满足其他技术无法满足的特殊应用需求，未来的市场发展空间仍然很大。
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发表于 2019-5-13 13:24:51
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