固態(tài)隔離器如何與MOSFET或IGBT結(jié)合以優(yōu)化SSR？

固態(tài)繼電器 （SSR） 是各種控制和電源開關(guān)應(yīng)用中的關(guān)鍵組件，涵蓋白色家電、供暖、通風(fēng)和空調(diào) （HVAC） 設(shè)備、工業(yè)過程控制、航空航天和醫(yī)療系統(tǒng)。固態(tài)隔離器利用無芯變壓器技術(shù)在 SSR 的高壓側(cè)和低壓側(cè)之間提供隔離。

基于 CT 的固態(tài)隔離器 （SSI） 包括發(fā)射器、模塊化部分和接收器或解調(diào)器部分。每個(gè)部分包含一個(gè)線圈，兩個(gè)線圈由二氧化硅 （SiO2） 介電隔離柵隔開（圖 1）。磁耦合用于在兩個(gè)線圈之間傳輸信號(hào)。該技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)CMOS處理兼容，可用于分立隔離器或集成柵極驅(qū)動(dòng)器IC。

圖 1.分立 SSI 中使用的 CT 示例，顯示線圈之間的 SiO2 電介質(zhì)（右）。（圖片：東芝)

SSI 與一個(gè)或多個(gè)電源開關(guān)結(jié)合使用，可用于創(chuàng)建自定義 SSR。例如，兩個(gè) N 溝道 MOSFET 可以通過 SSI 驅(qū)動(dòng)，并用于控制 HVAC 系統(tǒng)中的 24 Vac 電源。

兩個(gè) MOSFET 在導(dǎo)通期間支持正電流和負(fù)電流（圖 2a）。在MOSFET關(guān)斷期間，電流被反向偏置體二極管阻斷（圖2b）。添加一對(duì)二極管（圖2中未顯示）即可完成整流功能，并為負(fù)載提供直流電源。

圖 2.使用SSR中的兩個(gè)N溝道MOSFET打開和關(guān)閉電流。（圖片來源：德州儀器)

SSR 設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

雖然 SSR 的基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)很簡單，但還有許多其他設(shè)計(jì)和性能考慮因素。基于 CT 的 SSI 的 CMOS 兼容性簡化了保護(hù)功能的集成，例如用于過流保護(hù)的電流傳感和用于熱保護(hù)的溫度傳感器。基于 CT 的 SSI 能夠直接提供 MOSFET 和 IGBT 所需的柵極驅(qū)動(dòng)功率，無需在隔離側(cè)使用單獨(dú)的電源，從而簡化了 SSR 設(shè)計(jì)。

設(shè)計(jì)應(yīng)根據(jù)載荷類型和特性進(jìn)行定制。負(fù)載是否具有電阻性，因此設(shè)計(jì)簡單？如果是電容式的，則 SSR 必須能夠處理高浪涌電流，并且可能需要限流電阻器或正溫度系數(shù)熱敏電阻。如果負(fù)載是感性的，則可能需要 RC 緩沖電路來保護(hù) SSR 免受電壓尖峰的影響。

設(shè)計(jì)必須考慮被控制負(fù)載的電壓和電流要求。工作溫度升高等環(huán)境因素可能需要降低 SSR 電流的額定值。還需要散熱和足夠的氣流。

SSR 輸入必須設(shè)計(jì)為處理輸入信號(hào)類型。是交流還是直流？通過隔離柵傳遞的控制信號(hào)強(qiáng)度必須足以可靠地觸發(fā)功率半導(dǎo)體開關(guān)。

除了在SSR的低壓控制側(cè)和高壓負(fù)載/輸出側(cè)之間提供電流隔離外，基于CT的SSI還最大限度地減少了噪聲從高壓輸出傳遞回輸入端的敏感控制電路。這在驅(qū)動(dòng)碳化硅 （SiC） MOSFET 等高頻開關(guān)應(yīng)用中尤為重要。

驅(qū)動(dòng) SiC MOSFET

SiC MOSFET可用于電動(dòng)汽車的高壓和大功率SSR，以及工業(yè)和軍事應(yīng)用。這些 MOSFET 通常需要大電流柵極驅(qū)動(dòng)器，特別是對(duì)于高速開關(guān)應(yīng)用。帶有CT的SSI可以支持SiC MOSFET的驅(qū)動(dòng)要求，從而實(shí)現(xiàn)高功率和高壓SSR。

SiC MOSFET需要高達(dá)20 V的驅(qū)動(dòng)電壓，而硅MOSFET和IGBT的驅(qū)動(dòng)電壓為10至15 V。此外，SiC MOSFET需要輸入電容和柵極電荷的快速充放電，以支持高頻功率控制。

此外，還需要足夠的驅(qū)動(dòng)功率來最大限度地減少高頻開關(guān)損耗并實(shí)現(xiàn)SiC MOSFET眾所周知的高效率?；?CT 的柵極驅(qū)動(dòng)器可以為 SiC MOSFET 提供高效驅(qū)動(dòng)，支持隔離以保護(hù)系統(tǒng)運(yùn)行，并且可以直接與微控制器連接以簡化控制（圖 3）。

圖 3.使用 CT 隔離驅(qū)動(dòng)器和外部微控制器以及 SiC MOSFET 的簡化大功率 SSR 電路。（圖片來源：英飛凌)

總結(jié)

基于 CT 的 SSI 可與各種功率半導(dǎo)體器件（如硅 MOSFET、IGBT 和 TRIAC）以及 SiC MOSFET 一起使用，以創(chuàng)建定制的 SSR。這些 SSR 的功率處理能力和功能可以進(jìn)行定制，以滿足各種應(yīng)用和作環(huán)境的特定需求。