固態隔離器如何與MOSFET或IGBT結合以優化SSR？

固態繼電器 （SSR） 是各種控制和電源開關應用中的關鍵組件，涵蓋白色家電、供暖、通風和空調 （HVAC） 設備、工業過程控制、航空航天和醫療系統。固態隔離器利用無芯變壓器技術在 SSR 的高壓側和低壓側之間提供隔離。

基于 CT 的固態隔離器 （SSI） 包括發射器、模塊化部分和接收器或解調器部分。每個部分包含一個線圈，兩個線圈由二氧化硅 （SiO2） 介電隔離柵隔開（圖 1）。磁耦合用于在兩個線圈之間傳輸信號。該技術與標準CMOS處理兼容，可用于分立隔離器或集成柵極驅動器IC。

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

SSI 與一個或多個電源開關結合使用，可用于創建自定義 SSR。例如，兩個 N 溝道 MOSFET 可以通過 SSI 驅動，并用于控制 HVAC 系統中的 24 Vac 電源。

兩個 MOSFET 在導通期間支持正電流和負電流（圖 2a）。在MOSFET關斷期間，電流被反向偏置體二極管阻斷（圖2b）。添加一對二極管（圖2中未顯示）即可完成整流功能，并為負載提供直流電源。

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

SSR 設計注意事項

雖然 SSR 的基本拓撲結構很簡單，但還有許多其他設計和性能考慮因素。基于 CT 的 SSI 的 CMOS 兼容性簡化了保護功能的集成，例如用于過流保護的電流傳感和用于熱保護的溫度傳感器。基于 CT 的 SSI 能夠直接提供 MOSFET 和 IGBT 所需的柵極驅動功率，無需在隔離側使用單獨的電源，從而簡化了 SSR 設計。

設計應根據載荷類型和特性進行定制。負載是否具有電阻性，因此設計簡單？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熱敏電阻。如果負載是感性的，則可能需要 RC 緩沖電路來保護 SSR 免受電壓尖峰的影響。

設計必須考慮被控制負載的電壓和電流要求。工作溫度升高等環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 輸入必須設計為處理輸入信號類型。是交流還是直流？通過隔離柵傳遞的控制信號強度必須足以可靠地觸發功率半導體開關。

除了在SSR的低壓控制側和高壓負載/輸出側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。這在驅動碳化硅 （SiC） MOSFET 等高頻開關應用中尤為重要。

驅動 SiC MOSFET

SiC MOSFET可用于電動汽車的高壓和大功率SSR，以及工業和軍事應用。這些 MOSFET 通常需要大電流柵極驅動器，特別是對于高速開關應用。帶有CT的SSI可以支持SiC MOSFET的驅動要求，從而實現高功率和高壓SSR。

SiC MOSFET需要高達20 V的驅動電壓，而硅MOSFET和IGBT的驅動電壓為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，還需要足夠的驅動功率來最大限度地減少高頻開關損耗并實現SiC MOSFET眾所周知的高效率。基于 CT 的柵極驅動器可以為 SiC MOSFET 提供高效驅動，支持隔離以保護系統運行，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 隔離驅動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

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