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博通SiC/GaN栅极驱动器助力绿色能源低碳转型

在2024年3月28日的“2024国际绿色能源生态发展峰会”上,博通隔离产品事业部产品经理陈红雷回顾了博通50年的光耦产品制造能力,并分享了博通应用在碳化硅、氮化镓功率半导体的栅极驱动器(光耦驱动器)及其评估板和参考设计。

光耦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,抑制高共模噪声的能力将防止在高频切换过程中功率半导体的错误驱动。该类产品广泛用于电气隔离、电平转换、驱动电路及工业通讯中。vrVesmc

与传统硅基功率半导体相比,SiC和GaN功率半导体的优势更明显,它们在工业电机控制、感应加热和工业电源、可再生能源、数据中心等应用中有突出表现。近年来,SiC和GaN功率半导体的商用速度在加速,驱动SiC和GaN功率半导体的光耦器件的需求也在同步增加。vrVesmc

据QYR(恒州博智)预测:预计到2028年,全球光耦市场规模将提升至29.15亿美元,2022-2028年期间的CAGR为5.32%;而中国光耦市场在近几年在加速成长,2021年市场规模为5.08亿美元,约占全球25.55%,到2028年将提升到8.96亿美元,届时约占全球的30.74%。vrVesmc

实际上,光耦是一个市场集中度非常高的行业,全球前十大光耦器件供应商的销售额份额占比超过80%,其中全球前三大厂商约占40%的份额,而博通正是全球前三厂商中的一家。vrVesmc

在2024年3月28日的“2024国际绿色能源生态发展峰会”上,博通隔离产品事业部产品经理陈红雷回顾了博通50年的光耦产品制造能力,并分享了博通应用在碳化硅、氮化镓功率半导体的栅极驱动器(光耦驱动器)及其评估板和参考设计vrVesmc

博通50多年的光耦制造功力

据陈红雷介绍,博通在光耦领域积累了50多年的制造功力。vrVesmc

首先从公司的发展和变化来看,博通一路以来经历了多次分拆独立、并购与被并购——1961年惠普成立半导体事业部,1991年老博通公司成立;1999年惠普芯片制造、电子测量和分析仪器业务剥离出来成立安捷伦;2005年安捷伦半导体事业部被并购并独立为安华高;2016年安华高完成对老博通的收购,成立了博通有限公司(新博通)。vrVesmc

其次,博通的光耦产品演进路线图:最早可以追溯到惠普公司时代,1968年推出GaAsP LED,20世纪80年代推出HCPL-3120,1993年推出HCPL-7800,1997年推出HCPL-316J;2005年安捷伦推出首个车规级R2Coupler™耦合器;2012年安华高发布隔离电压传感器ACPL-C87B,2014年发布15mm宽高压ACNT,2016年发布11mm宽ACNU;2017年新博通发布50mV Sigma-Delta调制器和隔离放大器ACPL-C799/C72x,2022年发布10A的ACPL-355JC/ACFx-3161/3262,2024年发布ACFJ-3405。vrVesmc

陈红雷指出,在博通公司的演变过程当中,光耦产品线一直处于工业化、电力电子应用的前端,引领了一代变频器、逆变器、隔离器头部企业的发展。博通代表性的隔离光耦产品包括HCPL-3120、HCPL-7800、HCPL-316J,后期的ACNT系列在1500V平台发挥了重要的作用,被很多国内头部光伏逆变企业所使用。vrVesmc

SiC/GaN栅极驱动器评估板和参考设计

伴随着绿色能源低碳转型力度日益加大,许多新型功率器件得到更多的应用。光耦器件也能在“绿色能源低碳转型”中贡献力量,主要在电力能源生产端/消费端都能看到光耦的身影。vrVesmc

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陈红雷介绍说,博通适用于碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)的栅极驱动器总共经历了三代产品迭代:vrVesmc

  • 第一代产品2018年推出,这些产品的工作电流小于5A,基础款有ACPL-P/W346和ACPL-P/W349,传播延迟≤120ns、CMTI >100kV/μs、峰值输出电流2.5A(典型约4A);智能款型号为ACPL-352J,传播延迟≤150ns、CMTI >100kV/μs、峰值输出电流5A(典型约7A)。
  • 第二代2022年推出,工作电流为10A,基础款有ACFL-3161 (1-CH)、ACFJ-3262 (2-CH),传播延迟≤95ns、CMTI >100kV/μs、峰值输出电流>6A(典型10A);智能款为ACPL-355JC,传播延迟≤150ns、CMTI >100kV/μs、峰值输出电流>7A(典型10A)。
  • 第三代2023年发布但目前尚未出货的基础款的ACFJ-332B* (2-通道),峰值输出电流4A(典型)、传播延迟≤65ns、CMTI >150kV/μs。

据介绍,博通的第二代的ACFJ-3161和ACFJ-3262 (2-CH)针对碳化硅器件、氮化镓器件做了一些适配和测试,为了方便开发者快速上手,陈红雷公开了一批博通的评估板和参考设计。vrVesmc

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ACFJ-3161-10A IGBT/SiC栅极驱动器(单通道),ACFJ-3262-10A GaN/功率MOSFET GD(双通道)详细参数见上图,左边是ACFJ-3161,右边是ACFJ-3262。vrVesmc

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上图是SiCMOSFET评估板ACFL-3161基本栅极驱动器的参数特性。参数如下:10A峰值输出电流;•小于95ns的传播延迟;•抗扰度,dv/dt>100kV/μs;•安全认证(UL认证5000 VRMS@1分钟, CSA, IEC/EN/DIN EN 60747-5-5 VIORM= 1230 VPEAK)vrVesmc

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上图为ACPL-355JC,本身带有大驱动电流保护,可以完成反馈动作,把有关保护或者时效信息反馈给MCU来做判断。vrVesmc

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上图为ACPL-355JC智能门极驱动器的参考设计。参数如下:•10A 峰值输出电流;•VIORM=2262VPEAK工作电压;•CTI > 600V, Material Group I封装;•带反馈的短路保护;•抗扰性, dv/dt> 100kV/μsvrVesmc

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上图为FM3半桥模块驱动板。vrVesmc

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FM3驱动器板-ACPL-355JC智能栅极驱动器参考设计。参数如下:•10A峰值输出电流;•VIORM = 2,262VPEAK工作电压;•CTI > 600V, Material Group I封装;•带反馈的短路保护;•抗扰性,dv/dt> 100kV/μsvrVesmc

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上图为GaNFET-半桥评估板。vrVesmc

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GaNFET评估板–ACFJ-3262,参数亮点:•10A峰值输出电流;•8.6V UVLO,适用于10-25V电源范围;•小于95ns的传播延迟;•抗扰度,dv/dt> 100kV/μs。vrVesmc

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GaNFET评估板的开关性能,双脉冲测试效率约99%。vrVesmc

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陈红雷还介绍了博通的转换速率控制(Slew Rate Control)栅极驱动器及其应用。上图为SRC栅极驱动器ACFJ-3405 (带保护)设计参考:•两个级别SRC输出驱动(源)——第一级是4A max,第二级是12A max.;•输出灌电流(12A max);•4A 有源米勒钳位;•自动DESAT消隐和保护;•死区时间控制;•SO-24 封装有>8mm爬电和间隙距离。vrVesmc

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ACFJ-3405 +富士IGBT -dv/dt, Eon & 功率损耗(PONLoss):富士电机1200V/200A IGBT, 60kW 逆变器, 100m电缆开关损耗对比。vrVesmc

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ACFJ-3405 +富士IGBT -EMI:富士电机1200V/200A IGBT, 60kW逆变器, 100m电缆的EMI情况。vrVesmc

责编:Clover.li
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李晋
国际电子商情助理产业分析师,专注汽车电子、人工智能、消费电子等领域的市场及供应链趋势。
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