SiC/GaN功率開關(guān)完整的系統(tǒng)解決方案

新型和未來的 SiC/GaN 功率開關(guān)將會給方方面面帶來巨大進(jìn)步，從新一代再生電力的大幅增加到電動汽車市場的迅速增長。其巨大的優(yōu)勢——更高功率密度、更高工作頻率、更高電壓和更高效率，將有助于實現(xiàn)更緊湊、更具成本效益的功率應(yīng)用。為了獲得所有這些優(yōu)勢，必須設(shè)計更高性能的開關(guān)驅(qū)動系統(tǒng)。

實際的以開關(guān)為中心的視角正在演變成一種更完整的系統(tǒng)解決方案，新一代的具有更魯棒的片上隔離的先進(jìn) 柵極驅(qū)動器 IC、檢測 IC、電源控制器和高集成度嵌入式處理器， 將能管理復(fù)雜的多電平、多級功率回路，從而正確發(fā)揮新一代 SiC/GaN 功率轉(zhuǎn)換器的優(yōu)勢。

—— ADI公司再生能源戰(zhàn)略營銷經(jīng)理

Stefano Gallinaro

驅(qū)動 SiC/GaN 功率開關(guān)需要設(shè)計一個完整的 IC 生態(tài)系統(tǒng)，這些 IC經(jīng)過精密調(diào)整，彼此配合。設(shè)計重點不再只是以開關(guān)為中心，必須 加以擴(kuò)大。應(yīng)用的工作頻率、效率要求和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的復(fù)雜性要求 使用同類最佳的隔離式柵極驅(qū)動器（例如ADuM4135），其由高端 隔離式電源電路（例如LT3999）供電。控制須利用集成高級模擬 前端和特定安全特性的多核控制處理器（例如ADSP-CM419F）完 成。最后，利用高能效隔離式 ∑-? 型轉(zhuǎn)換器（例如AD7403）檢測電 壓，從而實現(xiàn)設(shè)計的緊湊性。

圖1. ADI 公司 IC 生態(tài)系統(tǒng)

在 Si IGBT 到 SiC MOSFET 的過渡階段，必須考慮混合拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，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)動不同要求的開關(guān)，其中較多的是并聯(lián)且采用硅 IGBT/SiC MOS 混合式多電平配置?？蛻粝Ｍ环N器件就能滿足其所 有應(yīng)用要求，從而簡化 BOM 并降低成本。利用多電平轉(zhuǎn)換器很容 易達(dá)到 1500 V_DC以上的高工作電壓（例如大規(guī)模儲能使用2000 V_DC）， 此類電壓對于為安全而實施的隔離柵是一個重大挑戰(zhàn)。

ADuM4135 隔離式柵極驅(qū)動器采用 ADI 公司經(jīng)過驗證的 iCoupler^?技術(shù)，可以給高電壓和高開關(guān)速度應(yīng)用帶來諸多重要優(yōu)勢。 ADuM4135 是驅(qū)動 SiC/GaN MOS 的最佳選擇，出色的傳播延遲優(yōu)于 50 ns，通道間匹配小于5 ns，共模瞬變抗擾度 (CMTI) 優(yōu)于 100 kV/μs， 單一封裝能夠支持高達(dá) 1500 V_DC的全壽命工作電壓。

圖2. ADuM4135框圖

ADuM4135 采用 16 引腳寬體 SOIC 封裝，包含米勒箝位，以便柵 極電壓低于 2 V 時實現(xiàn)穩(wěn)健的 SiC/GaN MOS 或 IGBT 單軌電源關(guān) 斷。輸出側(cè)可以由單電源或雙電源供電。去飽和檢測電路集成在 ADuM4135 上，提供高壓短路開關(guān)工作保護(hù)。去飽和保護(hù)包含降 低噪聲干擾的功能，比如在開關(guān)動作之后提供 300 ns 的屏蔽時間， 用來屏蔽初始導(dǎo)通時產(chǎn)生的電壓尖峰。內(nèi)部 500 μA 電流源有助于降低器件數(shù)量；如需提高抗噪水平，內(nèi)部消隱開關(guān)也支持使用外 部電流源?？紤]到 IGBT 通用閾值水平，副邊 UVLO 設(shè)置為 11 V。ADI 公司 iCoupler 芯 片級變壓器還提供芯片高壓側(cè)與低壓側(cè)之間的控 制信息隔離通信。芯片狀態(tài)信息可從專用輸出讀取。器件原邊控 制器件在副邊發(fā)生故障后復(fù)位。

圖3. ADuM4135評估板

對于更緊湊的純 SiC/GaN 應(yīng)用，新型隔離式柵極驅(qū)動器 ADuM4121 是解決方案。該驅(qū)動器同樣基于 ADI 公司的 iCoupler 數(shù)字隔離技術(shù)， 其傳播延遲在同類器件中最低 (38 ns)，支持最高開關(guān)頻率和 150 kV/μs 的最高共模瞬變抗擾度。ADuM4121 提供 5 kV rms 隔離， 采用寬體 8 引腳 SOIC 封裝。

圖4. ADuM4121框圖

圖5. ADuM4121評估板

當(dāng)隔離式柵極驅(qū)動器用在高速拓?fù)渲袝r，必須對其正確供電以 保持其性能水平。ADI公司的LT8304/LT8304-1是單芯片、微功耗、 隔離式反激轉(zhuǎn)換器。這些器件從原邊反激式波形直接對隔離輸 出電壓采樣，無需第三繞組或隔離器進(jìn)行調(diào)節(jié)。輸出電壓通過 兩個外部電阻和第三個可選溫度補(bǔ)償電阻進(jìn)行編程。邊界工作 模式提供一種具有出色負(fù)載調(diào)整率的小型解決方案。低紋波突 發(fā)工作模式可在小負(fù)載時保持高效率，同時使輸出電壓紋波最 小。散熱增強(qiáng)型8引腳SO封裝中集成了2 A、150 V DMOS功率開關(guān)， 以及所有高壓電路和控制邏輯。LT8304/LT8304-1支持3 V至100 V 的輸入電壓范圍，最多可提供24 W的隔離輸出功率。

ADI公司的LT3999是一款單芯片、高電壓、高頻率DC-DC變壓器驅(qū)動 器，提供隔離電源，解決方案尺寸很小。LT3999的最大開關(guān)頻率為 1 MHz，具有外部同步能力和2.7 V至36 V的寬輸入工作電壓范圍，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高技 術(shù)水準(zhǔn)。它采用裸露焊盤的10引腳MSOP和3 mm × 3 mm DFN封裝。

圖6. LT3999評估板

系統(tǒng)控制單元（一般是 MCU、DSP 或 FPGA 的組合）必須能夠并行 運行多個高速控制環(huán)路，而且還能管理安全特性。它們必須提、供冗余性以及大量獨立的PWM信號、ADC 和 I/O。ADI 公司的 ADSPCM419F 支持設(shè)計人員通過一個混合信號雙核處理器來管理并行 高功率、高密度、混合開關(guān)、多電平功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。

圖7. ADSP-CM419F框圖

ADSP-CM419F基于ARM? Cortex?-M4處理器內(nèi)核，浮點單元工作 頻率高達(dá)240 MHz，而且包含一個工作頻率高達(dá)100 MHz的ARM Cortex-M0處理器內(nèi)核。這使得單個芯片可以集成雙核安全冗余 性。主ARM Cortex-M4處理器集成帶ECC（錯誤檢查與校正）的 160 KB SRAM存儲器，帶ECC的1 MB閃存，針對功率轉(zhuǎn)換器控制 而優(yōu)化的加速器和外設(shè)（包括24個獨立的PWM），以及由兩個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，利用內(nèi)部穩(wěn)壓器和一個外部調(diào) 整管自行生成內(nèi)部電壓源。它采用210引腳BGA封裝。

圖8. ADSP-CM419F評估板

快速精確的電壓檢測是高速設(shè)計必備的功能。ADI 公司的 AD7403 是一款高性能二階 ∑-? 調(diào)制器，能將模擬輸入信號轉(zhuǎn)換為高速 （高達(dá)20 MHz）單比特數(shù)據(jù)流。8引腳寬體SOIC封裝中集高速互補(bǔ) 金屬氧化物半導(dǎo)體 (CMOS) 技術(shù)與單芯片變壓器技術(shù)（iCoupler技 術(shù)）于一體。AD7403 采用5 V電源供電，可輸入±250 mV的差分信 號。通過適當(dāng)?shù)臄?shù)字濾波器可重構(gòu)原始信息，以在78.1 kSPS時實 現(xiàn)88 dB的信噪比 (SNR)。

為使客戶的新一代功率轉(zhuǎn)換器設(shè)計具備高性能、高可靠性和市 場競爭力，ADI公司已決定開發(fā)各種硬件和軟件設(shè)計平臺，其既 可用于評估IC，又可作為完整系統(tǒng)的構(gòu)建模塊。這些設(shè)計平臺目 前針對戰(zhàn)略客戶而推出，代表了驅(qū)動新一代SiC/GaN功率轉(zhuǎn)換器 的完整IC生態(tài)系統(tǒng)的最高水準(zhǔn)。設(shè)計平臺類型眾多，既有用于 高電壓、大電流SiC功率模塊的隔離式柵極驅(qū)動器板，也有完整 的交流/直流雙向轉(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。