如何复制下一代栅极驱动光电耦合器的改进，以驱动和保护SiC MOSFET

本白皮书概述了SiC MOSFET栅极驱动光电耦合器。它讨论了SiC MOSFET能够在高电压，高频率和高温度下工作的优势。它还讨论了SiC MOSFET如何将整体系统效率提高10％以上，并具有更高的开关能力，从而可以减小整体系统尺寸和成本。

介绍

碳化硅（SiC）功率半导体正在迅速进入商业市场，与传统的基于硅的功率半导体相比，具有许多优势。SiC MOSFET可以将整体系统效率提高10％以上，而更高的开关能力可以减小整体系统的尺寸和成本。技术优势加上较低的成本，使得SiC功率半导体在工业电机控制，感应加热和工业电源以及可再生能源等应用中得到了快速采用。

Avago Technologies的栅极驱动光电耦合器广泛用于驱动IGBT和功率MOSFET等基于硅的半导体。光耦合器用于在控制电路与高压和功率半导体之间提供增强的电绝缘。抑制高共模噪声（CMR）的能力将防止在高频切换过程中功率半导体的错误驱动。本文将讨论下一代栅极驱动光耦合器如何用于保护和驱动SiC MOSFET。

SiC MOSFET的优势

碳化硅是一种由硅和碳组成的宽带隙（3.2 eV）化合物。宽带隙SiC除了能够在高电压，频率和温度下工作外，其导通电阻和栅极电荷还比硅材料低一个数量级。在CREE进行的评估中，比较了第二代1200 V / 20 A SiC MOSFET与使用10 KW硬开关交错式Boost DC / DC转换器的硅高速1200 V / 40 A H3 IGBT。结果表明，即使开关频率是原来的五倍，SiC解决方案在100 KHz时仍可实现99.3％的最大效率，与IGBT解决方案在20 KHz时的最佳效率相比，损耗降低了18％。

CREE最近发布的C2M MOSFET系列为工程师提供了广泛的，价格具有竞争力的1200 V和1700 V SiC MOSFET，适用于各种应用。Cree能够显着降低成本，同时提供改进的开关性能和更低的Rds（on）。增加开关频率可以显着减小电感器的尺寸。较低的传导和开关损耗使工程师可以减小散热器的尺寸，或者潜在地移除风扇并转向被动冷却解决方案。较小的电感器和散热器可以显着减小系统尺寸。尽管SiC半导体的成本高于Si，但整个系统的BOM成本可以比Si技术低20％。

SiC MOSFET市场及采用

SiC技术现已被公认为是硅的可靠替代品。全球已有30多家公司建立了SiC技术制造能力，并开展了相关的商业和促销活动。许多功率模块和功率逆变器制造商已将SiC纳入其未来产品的路线图。

太阳能逆变器制造商和服务器电源是最早采用SiC半导体的公司，因为效率对其技术排名至关重要。2013年，欧洲顶级太阳能逆变器制造商REFU，SMA和Delta宣布了一种内部装有SiC的新型号。与同等的IGBT逆变器相比，《光子》杂志对SMA SiC逆变器进行了评估，效率从98％提高到99％，逆变器的物理重量减少了30％。随着可用性的提高，电压种类的增加和成本的降低，SiC半导体的产量将逐渐增加，从而导致在电机驱动，铁路牵引工业UPS甚至混合动力汽车等应用中得到更多的采用。

Avago Technologies的栅极驱动光电耦合器已广泛用于驱动IGBT等基于硅的半导体。本文将讨论如何复制下一代栅极驱动光电耦合器的改进，以驱动和保护SiC MOSFET。

SiC MOSFET栅极驱动光耦合器

Avago Technologies已与SiC市场领先者CREE Inc紧密合作，以确定适合SiC MOSFET操作的合适的栅极驱动光电耦合器。我们使用100 kHz的8A SEPIC DC-DC转换器评估了带有CREE C2M SiC MOSFET的栅极驱动光电耦合器ACPL-W346和ACPL-339J。这两个光耦合器的栅极驱动能力满足了CREE的98％的效率要求，如图1所示。

利用Avago栅极驱动光电耦合器和CREE C2M0080120D SiC MOSFET实现高效率

为了匹配CREE SiC MOSFET的低开关损耗，栅极驱动器必须能够以快速压摆率提供高输出电流和电压，以克服SiC MOSFET的栅极电容。图2中的示波器捕获显示ACPL-W346在SiC MOSFET的栅极具有20 V的快速上升和下降时间信号曲线，这对于有效地切换SiC MOSFET是必需的。

ACPL-W346 SiC MOSFET栅极信号曲线

ACPL-W346是基本的栅极驱动器光耦合器，用于隔离和驱动在高直流总线电压下工作的SiC MOSFET。它具有轨至轨输出，最大输出电流为2.5A。

ACPL-W346的独特功能是速度，并且是同类产品中最快的。最大传播延迟为120 ns，典型的上升和下降时间约为10 ns。

需要很高的CMR，50 kV / µs的共模抑制比，才能将高频工作期间的高瞬态噪声与引起错误输出的信号隔离开来。ACPL-W346与双极性电流缓冲级配合使用时，可提供快速切换的高电压和高驱动电流，以高效，可靠地导通和关断SiC MOSFET。与使用专用MOSFET驱动器和专有电路的较早的参考设计相比，ACPLW346和通用的现成双极电流缓冲器提供了一种更便宜且易于实现的栅极驱动解决方案。

ACPL-W346和CREE SiC MOSFET参考设计