栅极驱动光耦在驱动硅基半导体上的应用！-先进光半导体

　　氮化镓（GaN）功率半导体正在迅速进入商业市场，与传统的硅基功率半导体相比，具有多种优势。GaN可以提高整体系统效率，更高的开关能力可以减小整体系统尺寸和成本。技术优势加上更低的成本提高了氮化镓功率半导体在工业电源和可再生能源逆变器等应用中的快速采用。

　　栅极驱动光耦合器广泛用于驱动硅基半导体，如IGBT和功率MOSFET。光耦合器用于在控制电路和高压之间提供增强的电流绝缘。抑制高共模噪声的能力将防止在高频开关期间错误驱动功率半导体。本文将讨论如何使用下一代栅极驱动光耦合器来保护和驱动GaN器件。

　　氮化镓的优势

　　氮化镓是一种由镓和氮组成的宽带隙（3.4 eV）化合物。带隙是在不存在电子的材料交界处形成的区域。宽带隙GaN具有高击穿电压和低导通电阻特性。与需要更大芯片面积以降低导通电阻的传统硅晶体管不同，GaN器件的尺寸更小。这降低了寄生电容，从而轻松实现高速开关和小型化。之所以实现低导通电阻，是因为功率半导体的导通电阻与电击穿的立方成反比。换句话说，预计GaN器件的导通电阻将比Si器件的限值低约3位。此外，GaN器件具有高电子饱和速度，使其适用于高速应用。

　　功率半导体是关键器件，在电能转换过程中需要大量的功率。因此，优化该设备的效率以最大程度地减少其运行过程中的能量损失非常重要。GaN是下一代功率半导体，具有小型化、高击穿电压和高速开关等特性，能够将功率损耗降至最低。

　　然而，大多数GaN器件通常处于导通状态，这意味着当栅极上没有施加电压时，源极和漏极是导通的。为了停止传导，必须使用负电压来反转传导通道。如果栅极控制不当，正常开启的晶体管会对系统构成危险，而通常关闭的硅晶体管更适合危险的高压应用。

　　为了加快GaN的采用，松下的X-GaNTM通过使用P型GaN栅极和栅极下方的扩散AlGaN通道开发了常关结构。同时，P型GaN在漏极附近增加了空穴，这些空穴在高压下与电子重新结合。该方法解决了电流崩溃问题，即在高压期间被困在通道附近的电子会增加晶体管导通电阻。如果不控制导通电阻的增加，GaN器件将随着时间的推移而过热和破坏。松下氮化镓晶体管能够在高达850V的电压下实现无电流崩溃。

　　松下已经完成了世界上最紧凑的400W电源的概念演示。功率转换级PFC和LLC的工作频率分别为100 kHz和280 kHz。高频将电源的成本和尺寸降低了30%以上。小型化电源的尺寸为11.2cm x 4.95cm x 3.95cm，有效功率密度为1.83W/cm3。它还实现了94%的高转换效率，具有低开关和传导损耗。

　　氮化镓市场和采用

　　氮化镓技术现在被广泛认为是硅的可靠替代品。最近对GaN Systems和Transphorm等GaN初创公司的金融投资，以及英飞凌和松下之间的企业合作伙伴关系，表明市场对GaN器件充满信心。GaN拥有巨大的总可访问市场（TAM），如PF，EV/HEV和光伏逆变器，是GaN最早采用者之一。

　　2014年，安川电机公司推出了世界上第一个使用GaN基功率半导体的光伏逆变器。光伏逆变器能够在没有冷却风扇的情况下运行。它覆盖了竞争器件的60%，整体峰值效率超过98%。

　　栅极驱动光耦合器已被广泛用于驱动IGBT等硅基半导体。

　　氮化镓晶体管和栅极驱动光耦合器

　　博通一直与氮化镓市场领导者松下密切合作，以确定适合氮化镓操作的栅极驱动器。我们评估了带有松下氮化镓晶体管PGA26E19BA的栅极驱动光耦合器，使用100 kHz的100-150V，5A斩波板。

　　是一款智能栅极驱动光耦合器，具有5A的高输出电流。高峰值输出电流以及宽工作电压使其成为直接驱动GaN晶体管的理想选择。该器件具有100 ns的快速传播延迟和出色的时序偏斜性能，并具有超过50kV/μs的非常高的共模瞬变抗扰度（CMTI）。它可以为GaN提供过流保护和故障安全功能安全报告。这款全功能栅极驱动光耦合器采用紧凑、表面贴装的SO-16封装。它提供通过安全法规IEC/EN/DIN、UL和CSA认证的增强绝缘。

　　PGA26E19BA是一款600V、10A GaN增强型晶体管。它采用松下专有的栅极注入晶体管（GIT）技术，通过单个GaN器件实现常关操作。这种极高的开关速度GaN能够在高达850V的电压下无电流崩溃，并具有零恢复损耗特性。

　　先进光半导体由南方先进联合日本归国华侨杨振林博士团队合资成立，以南方先进为主要投资方、杨博士团队为技术核心的一家专业从事光电器件、光耦合器、光耦继电器等光电集成电路以及光电驱动等产品，研发团队涵盖设计、制造、销售和服务的高新技术企业，先进光半导体拥有先进的光电器件全自动生产线，具有年产8000万只光电光耦器件的生产能力。现阶段先进光半导体的光耦继电器、光耦合器等主要产品用于：蓄电系统．智能电表．自动检测设备．电信设备．测量仪器．医疗设备．通信设备．PC端．安防监控．O/A设备．PLC控制器．I/O控制板等，依托于光半导体综合的设计技术和芯片制造技术优势，先进光半导体期望在有广阔发展前景的光电控制领域深耕，逐步提升产品的技术附加值，扩充技术含量更高的产品线。

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