用于驅(qū)動下一代SiC/GaN功率轉(zhuǎn)換器的IC生態(tài)系統(tǒng)

功率轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)正在從純硅 IGBT 轉(zhuǎn)向 SiC/GaN MOSFET，適用于各種應(yīng)用。一些市場，如電機(jī)驅(qū)動逆變器市場，采用新技術(shù)的速度較慢，而其他市場，如太陽能逆變器和電動汽車牽引逆變器和充電器市場，在創(chuàng)新中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。

預(yù)計(jì)未來五年太陽能市場將以10%的正復(fù)合年增長率增長，而光伏系統(tǒng)價格預(yù)計(jì)將再下降20%。由于光伏逆變器電子元件的技術(shù)改進(jìn)和推動，這將成為可能。功率開關(guān)（SiC/GaN MOSFET）中的新技術(shù)將提高開關(guān)頻率，從而減小電感器和電容器尺寸，同時需要更精確、快速和節(jié)能的檢測、控制和驅(qū)動IC。1500 伏直流到2021年，30 kW至100 kW范圍內(nèi)的公用事業(yè)規(guī)模組串式逆變器將在所有公用事業(yè)規(guī)模逆變器中獲得90%以上的市場份額。它們代表了在創(chuàng)新的多電平拓?fù)渲袦y試新型高密度SiC/GaN功率開關(guān)的基準(zhǔn)。

電動汽車 （EV） 和儲能系統(tǒng) （ESS） 等顛覆性新應(yīng)用正在創(chuàng)造對超高效、高功率密度、高頻 SiC 功率轉(zhuǎn)換器的需求。車載牽引電機(jī)驅(qū)動器正在尋求最高的功率密度，以減小尺寸和重量并獲得新的效率記錄，而非車載快速充電器正在尋求高電壓（高達(dá) 2000 V直流、>150 kW） 和復(fù)雜的高頻拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，從而降低了磁性、機(jī)械和裝配方面的總系統(tǒng)成本。最重要的是，這些新應(yīng)用還推動了創(chuàng)新的多核控制處理器的發(fā)展，能夠管理復(fù)雜的控制算法，并確保在雙向模式下工作時（從交流電網(wǎng)到直流負(fù)載，反之亦然）的系統(tǒng)效率和穩(wěn)定性。

圖1.ADI公司的IC生態(tài)系統(tǒng)

驅(qū)動 SiC/GaN 功率開關(guān)涉及設(shè)計(jì)一個完整的 IC 生態(tài)系統(tǒng)，這些 IC 可以精確地微調(diào)在一起。設(shè)計(jì)重點(diǎn)不再只是以交換機(jī)為中心，它必須更加廣泛。該應(yīng)用的工作頻率、效率要求和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的復(fù)雜性需要由高端隔離電源電路（例如LT3999）供電的同類最佳的隔離式柵極驅(qū)動器（例如ADuM4135）?？刂票仨毻ㄟ^多核控制處理器完成，該處理器集成了先進(jìn)的模擬前端和特定的安全功能（例如ADSP-CM419F）。最后，通過使用高能效隔離式Σ-Δ轉(zhuǎn)換器（例如AD7403）檢測電壓，實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)的緊湊性。

在從硅IGBT到碳化硅MOSFET的過渡階段，必須考慮混合拓?fù)?，其中SiC MOSFET用于高頻開關(guān)，Si IGBT用于低頻開關(guān)。隔離式柵極驅(qū)動器必須能夠驅(qū)動具有不同要求的開關(guān)，其中更多的開關(guān)是并聯(lián)和混合硅IGBT/SiC MOS多電平配置的?？蛻粝Ｍ幸粋€零件號滿足其所有應(yīng)用的要求，從而簡化BOM并降低成本。高工作電壓，大于 1500 V直流（例如，2000 V直流對于大規(guī)模儲能），使用多電平轉(zhuǎn)換器很容易到達(dá)，并且它們對為安全而實(shí)施的隔離柵提出了重大挑戰(zhàn)。

ADuM4135隔離式柵極驅(qū)動器采用ADI公司成熟的i耦合器技術(shù)，在高壓和高開關(guān)速度應(yīng)用中具有許多關(guān)鍵優(yōu)勢。ADuM4135具有優(yōu)于50 ns的出色傳播延遲、小于5 ns的通道間匹配、優(yōu)于>100 kV/μs的共模瞬變抗擾度（CMTI）以及支持高達(dá)1500 V的壽命工作電壓的能力，是驅(qū)動SiC/GaN MOS的最佳選擇。?直流在單個包中。

圖2.ADuM4135 評估板

ADuM4135采用16引腳寬體SOIC封裝，內(nèi)置米勒箝位，當(dāng)柵極電壓降至2 V以下時，可通過單軌電源提供可靠的SiC/GaN MOS或IGBT關(guān)斷。ADuM4135集成了一個去飽和檢測電路，可防止高壓、短路開關(guān)工作。去飽和保護(hù)包含降噪功能，例如開關(guān)事件發(fā)生后300 ns的屏蔽時間，以屏蔽初始導(dǎo)通引起的電壓尖峰。內(nèi)部500 μA電流源允許低器件數(shù)量，內(nèi)部消隱開關(guān)允許在需要更高抗擾度時增加外部電流源。次級UVLO設(shè)置為11 V，考慮了常見的IGBT閾值電平。ADI公司的i耦合器芯片級變壓器還可在芯片的高壓和低壓域之間提供控制信息的隔離通信。有關(guān)芯片狀態(tài)的信息可以從專用輸出中讀回。器件的初級端控制在次級端發(fā)生故障后重置器件。

圖3.ADuM4135 原理框圖

對于更緊湊、純基于SiC/GaN的應(yīng)用，新型隔離式柵極驅(qū)動器ADuM4121是解決方案。該驅(qū)動器還基于ADI公司的i耦合器數(shù)字隔離，具有同類產(chǎn)品中最低的傳播延遲（38 ns），可實(shí)現(xiàn)最高的開關(guān)頻率和150 kV/μs的最高共模瞬態(tài)抗擾度。ADuM4121采用寬體8引腳SOIC封裝，提供5 kV rms隔離。

圖4.ADuM4121 原理框圖

圖5.ADuM4121 評估板

在高速拓?fù)渲惺褂脮r，隔離式柵極驅(qū)動器必須正確供電以保持其性能水平。ADI公司的LT8304/LT8304-1均為單芯片、微功耗、隔離式反激式轉(zhuǎn)換器。通過直接從初級側(cè)反激波形對隔離輸出電壓進(jìn)行采樣，這些器件無需第三個繞組或隔離器即可進(jìn)行穩(wěn)壓。輸出電壓由兩個外部電阻器和第三個可選溫度補(bǔ)償電阻器設(shè)置。邊界模式操作提供了具有出色負(fù)載調(diào)整率的小型磁性解決方案。低紋波突發(fā)模式操作可在輕負(fù)載條件下保持高效率，同時將輸出電壓紋波降至最低。該器件將 2 A、150 V DMOS 電源開關(guān)以及所有高壓電路和控制邏輯集成在一個耐熱增強(qiáng)型 8 引腳 SO 封裝中。LT8304/LT8304-1采用3 V至100 V輸入電壓范圍工作，提供高達(dá)24 W的隔離輸出功率。

ADI公司的LT3999是一款單片式、高電壓、高頻DC-DC變壓器驅(qū)動器，提供隔離電源和小尺寸解決方案。LT3999 具有 1 MHz 的最大開關(guān)頻率、外部同步能力和 2.7 V 至 36 V 的寬輸入工作范圍，代表了為高速柵極驅(qū)動器提供穩(wěn)定、受控諧波和隔離電源的最新技術(shù)。該器件采用 10 引腳 MSOP 封裝和 3 mm × 3 mm DFN 封裝，帶裸焊盤。

圖6.LT3999 評估板

系統(tǒng)控制單元（通常是MCU、DSP或FPGA的組合）必須具有并行運(yùn)行多個高速控制環(huán)路的能力，并且還能夠管理安全功能。它們必須提供冗余和大量獨(dú)立的PWM信號、ADC和I/O。ADI公司的ADSP-CM419F使設(shè)計(jì)人員能夠使用一個混合信號、雙核處理器管理并行的高功率、高密度、混合開關(guān)、多電平電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。

圖7.ADSP-CM419F原理框圖

ADSP-CM419F基于ARM Cortex-M4處理器內(nèi)核，浮點(diǎn)單元的工作頻率高達(dá)240 MHz，并集成了一個ARM Cortex-M0?處理器內(nèi)核，工作頻率高達(dá)100 MHz。這樣就可以將雙核安全冗余集成到單個芯片中。主 ARM Cortex-M4 處理器集成了 160 kB 帶錯誤檢查和糾正 （ECC） 的 SRAM 存儲器、帶 ECC 的 1 MB 閃存、針對功率轉(zhuǎn)換器控制優(yōu)化的加速器和外設(shè)（包括 24 個獨(dú)立的 PWM），以及一個由兩個 16 位 SAR 型 ADC、一個 14 位 M0 ADC 和一個 12 位 DAC 組成的模擬模塊。ADSP-CM419F采用單電源供電，使用內(nèi)部穩(wěn)壓器和外部調(diào)整管產(chǎn)生自己的內(nèi)部電源。它采用 210 球 BGA 封裝。?

圖8.ADSP-CM419F評估板

在高速設(shè)計(jì)中，快速準(zhǔn)確的電壓檢測是強(qiáng)制性的。ADI公司的AD7403是一款高性能、二階Σ-Δ調(diào)制器，可將模擬輸入信號轉(zhuǎn)換為高速（高達(dá)20 MHz）單位數(shù)據(jù)流。它將高速互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體 （CMOS） 技術(shù)與單片變壓器技術(shù)（i耦合器技術(shù)）結(jié)合在 8 引腳寬體 SOIC 封裝中。AD7403采用5 V電源供電，接受±250 mV差分輸入信號?？梢允褂眠m當(dāng)?shù)臄?shù)字濾波器重建原始信息，以在78.1 kSPS時實(shí)現(xiàn)88 dB信噪比（SNR）。

為了使客戶的下一代功率轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)具有高性能、可靠性和市場競爭力，ADI公司決定開發(fā)各種硬件和軟件設(shè)計(jì)平臺，既可用于評估IC，也可用于構(gòu)建整個系統(tǒng)。這些設(shè)計(jì)平臺目前針對戰(zhàn)略客戶，代表了展示驅(qū)動下一代SiC/GaN功率轉(zhuǎn)換器的完整IC生態(tài)系統(tǒng)的最新技術(shù)。它們從用于高電壓、高電流SiC功率模塊的隔離式柵極驅(qū)動器板到完整的AC-DC雙向轉(zhuǎn)換器，其中ADSP-CM419F的軟件在正確控制SiC/GaN功率開關(guān)方面起著關(guān)鍵作用。

審核編輯：郭婷