本篇幅主要为大家介绍氮化镓 (GaN) 和碳化硅 (SiC) 等宽带隙半导体器件用作电子开关的优势,以及如何权衡利弊。主要权衡因素之一是开关损耗,开关损耗会被高 di/dt 和 dv/dt 放大,造成电路噪声。为了减少电路噪声,需要认真考虑栅极电阻的选择,从而不必延长死区时间而造成功率损耗。本文介绍选择栅极电阻时的考虑因素,如脉冲功率、脉冲时间和温度、稳定性、寄生电感等。同时,将和大家探讨不同类型的栅极电阻及其在该应用中的优缺点。
一、宽带隙半导体器件的优势
设计出色功效的电子应用时,需要考虑使用新型高性能氮化镓 (GaN) 和碳化硅 (SiC) 技术的器件。与电子开关使用的传统硅解决方案相比,这些新型宽带隙技术具有祼片外形尺寸小、导热和热管理性能优异、开关损耗低等显著优势,非常适合工业、医疗、通信和车载应用电源、驱动器和逆变器等空间受限的应用。
不过,设计需要考虑一些利弊关系,特别是开关损耗。例如,di/dt 和 dv/dt 提高,开关速度加快,电路频率振荡放大,使噪声成为重要考虑因素。
二、电路设计中的考量因素
典型电路功能中,高边 (HS) 和低边 (LS) MOSFET 用作开关器件驱动电感负载。在 HS 开关导通,LS 开关关断时,电流从电源 Vcc 流向电感器 Lo。反之,在 HS 开关关断,LS 开关导通时,电感器电流继续从接地端同步流向 Lo。导通/关断状态由栅极电压定义,栅极电压的变化影响栅极回路的充放电。开关时间和相关损耗取决于栅极电容通过栅极电流充放电的速度。栅极电流受驱动电压栅极电阻和驱动电路整体寄生效应的影响(图1a)。
为了避免同时导通/关断,需要认真选择栅极电阻解决方案,如高功率厚膜片式电阻、薄膜 MELF 或高功率背接触电阻。这类解决方案不需要延长有效转化为功率损耗的“死区时间”(HS 和 LS 开关导通之间的时间间隔)(图1b)。
选择栅极电阻技术的基本考虑因素主要包括脉冲功率、脉冲时间和温度以及稳定性。使用两个栅极电阻时,通常建议导通栅极电阻值至少是关断栅极电阻值的两倍(图1c)。重要的是注意关断栅极电阻值,避免漏极(或 IGBT 情况下,集电极)电压上升发生寄生导通。
同时,还要考虑栅极电阻的阻值,阻值过高或过低都会发生损耗或振荡。栅极电阻要求能够承受短时间高峰负载,平均功耗随频率和占空比而增加。在功能上,电阻能够对器件内部寄生电容放电并进行 Miller 充电。减小电压过冲可以降低器件和驱动器的应力,减小寄生电感可以避免开关过程产生 VGS 振荡。
为了尽量减少电路中的噪声,缩短布线长度(减小寄生电感)很重要。因此,通常首选打线或表面贴装栅极电阻。采用 IGBR 打线电阻的情况下,背接触具有优异导热性,并最大限度减小器件与 PCB 之间的热梯度。在连接、外形尺寸和烧结能力方面,IGBR 电阻在打线连接,小尺寸以及烧结能力方面的综合性能可以让其更灵活地内置于高功率半导体模块或封装。这样电阻可以在布局上非常接近开关器件,从而减少部分寄生元件,有助于降低电路噪声。
一、宽带隙半导体器件的优势
二、电路设计中的考量因素
典型电路功能中,高边 (HS) 和低边 (LS) MOSFET 用作开关器件驱动电感负载。在 HS 开关导通,LS 开关关断时,电流从电源 Vcc 流向电感器 Lo。反之,在 HS 开关关断,LS 开关导通时,电感器电流继续从接地端同步流向 Lo。导通/关断状态由栅极电压定义,栅极电压的变化影响栅极回路的充放电。开关时间和相关损耗取决于栅极电容通过栅极电流充放电的速度。栅极电流受驱动电压栅极电阻和驱动电路整体寄生效应的影响(图1a)。
为了避免同时导通/关断,需要认真选择栅极电阻解决方案,如高功率厚膜片式电阻、薄膜 MELF 或高功率背接触电阻。这类解决方案不需要延长有效转化为功率损耗的“死区时间”(HS 和 LS 开关导通之间的时间间隔)(图1b)。
选择栅极电阻技术的基本考虑因素主要包括脉冲功率、脉冲时间和温度以及稳定性。使用两个栅极电阻时,通常建议导通栅极电阻值至少是关断栅极电阻值的两倍(图1c)。重要的是注意关断栅极电阻值,避免漏极(或 IGBT 情况下,集电极)电压上升发生寄生导通。
三、栅极电阻的选型建议
栅极电阻涵盖多种技术解决方案,包括高功率厚膜片式电阻 (a)、薄膜 MELF 电阻 (b) 和额定功率达 4 W 的薄膜衬底电阻 (c)。栅极电阻选型的其他考虑因素包括元件尺寸、精度、可靠性、元件与 PCB 之间的热性能以及并联寄生电感。
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