干貨 | 一文了解 SiC/GaN 功率轉(zhuǎn)換器驅(qū)動

基于碳化硅(SiC)、氮化鎵(GaN)等寬帶隙(WBG)半導體的新型高效率、超快速功率轉(zhuǎn)換器已經(jīng)開始在各種創(chuàng)新市場和應用領域攻城略地——這類應用包括太陽能光伏逆變器、能源存儲、車輛電氣化（如充電器和牽引電機逆變器）。為了充分利用新型功率轉(zhuǎn)換技術，必須在轉(zhuǎn)換器設計中實施完整的IC生態(tài)系統(tǒng)，從最近的芯片到功率開關和柵極驅(qū)動器。

隔離式柵極驅(qū)動器的要求已經(jīng)開始變化，不同于以前的硅IGBT驅(qū)動器。對于SiC和GaN MOSFET，需要高CMTI >100 kV/μs、寬柵極電壓擺幅、快速上升/下降時間和超低傳播延遲。ADI的ADuM4135隔離式柵極驅(qū)動器具備所有必要的技術特性，采用16引腳寬體SOIC封裝。配合ADSP-CM419F高端混合信號控制處理器，它們可以對基于SiC/GaN的新一代高密度功率轉(zhuǎn)換器的高速復雜多層控制環(huán)路進行管理。

功率轉(zhuǎn)換器市場的年均復合增長率超過6.5%，到2021年，市場規(guī)模有望達800億美元。目前，基于硅IGBT的傳統(tǒng)逆變器和轉(zhuǎn)換器占據(jù)市場主體（占比超過70%），這主要歸功于工廠生產(chǎn)線中的電機驅(qū)動應用和第一代風力和太陽能逆變器。

功率開關領域取得的新技術進步已經(jīng)開始把第三代SiC MOSFET以及第一代和第二代GaN MOSFET帶向市場。在一段時間內(nèi)局限于部分小眾功率應用之后，WBG技術已經(jīng)開始被運用在多種應用當中，比如基于電池的能源存儲應用、電動汽車充電器、牽引電機、太陽能光伏逆變器等。得益于新市場的拓展，其價格快速下降，結果又促使其進入了其他最初那些看重價格的市場。大規(guī)模生產(chǎn)進一步降低了價格，而且這一趨勢將繼續(xù)下去。WBG半導體的普及是技術（以及整個經(jīng)濟）循環(huán)的一個絕佳例子。

推動SiC/GaN功率開關普及的主要應用有太陽能光伏逆變器、電動汽車充電器和儲能轉(zhuǎn)換器。這里利用了超快的小型高效功率開關的附加價值，為市場帶來了超高開關頻率和超過99%的杰出效率目標。為了實現(xiàn)這些目標，設計師面臨著新的挑戰(zhàn)，需要削減功率轉(zhuǎn)換器的重量和尺寸（即提高功率密度）。

當然，這些問題的解決不可能一蹴而就。需要所有相關工藝取得進步，進行創(chuàng)新。這樣的一個例子是與高壓功率電子系統(tǒng)的應用相關的技術瓶頸問題。從架構角度來說，可以選擇高壓(HV)系統(tǒng)，但長期以來，某些半導體技術卻阻礙了這一選擇。如今，寬帶隙半導體的問世為解決這個問題帶來了曙光，使高壓系統(tǒng)成為更可行并且值得考慮的一個選項。太陽能串式逆變器的標準是1500 VDC，而1000 VDC、很快2000 VDC就會成為儲能轉(zhuǎn)換器（基于電池）和電動汽車充電器的標準。

事實上，轉(zhuǎn)向兼容WBG半導體的高壓系統(tǒng)是一件非常有意思的事，原因有三：

首先，高壓意味著低電流，這又意味著系統(tǒng)所用銅總量會減少，結果又會直接影響到系統(tǒng)成本的降低。

其次，寬帶隙技術（通過高壓實現(xiàn)）的阻性損耗減少，結果意味著更高的效率，還能減小冷卻系統(tǒng)的尺寸，降低其必要性。

最后，在子系統(tǒng)層次，它們使工程師可以從基于基板功率模塊的設計轉(zhuǎn)向分立式設計或基于功率模塊的輕型設計。這暗示要采用兼容型PCB和較小的電線，而不是采用匯流條和較重的電線。

總之，如果設計的核心目標是降低重量和/或成本或提高性能，高壓系統(tǒng)是值得的。因此，對于二級應用來說，1.7 kV和3.3 kV SiC MOSFET高擊穿電壓已經(jīng)成為標準，而1.2 kV SiC MOSFET則為新一代第二級和第三級應用的主流功率開關。

從工程角度來看，SiC/GaN具有明顯的優(yōu)勢。

首先，WGB半導體內(nèi)在具有卓越的dV/dt切換性能，意味著開關損耗非常小。這使得高開關頻率（SiC為50 kHz至500 kHz，GaN為1 MHz以上）成為可能，結果有助于減小磁體體積，同時提升功率密度。

電感值、尺寸和重量能減少70%以上，同時還能減少電容數(shù)量，使最終轉(zhuǎn)換器的尺寸和重量僅相當于傳統(tǒng)轉(zhuǎn)換器的五分之一。

無源元件和機械部件（包括散熱器）的用量可節(jié)省約40%，增值部分則體現(xiàn)在控制電子IC上。

這些技術的另一大優(yōu)勢是其對高結溫具有超高的耐受性。這種耐受性有助于提升功率密度，減少散熱問題。

SiC/GaN開關有助于減少損耗的其他特性有：二極管無需任何恢復（整流損耗減少）、低Rds(on)（可減少導電）、高壓工作模式等。

憑借這些優(yōu)勢，可以為新型應用設計和實現(xiàn)創(chuàng)新型的功率電子拓撲結構。SiC/GaN功率開關在諧振電路（如LLC或PRC）、橋接拓撲結構（相移全橋）或無橋功率因數(shù)校正(PFC)的設計方面非常有用。這是因為它們具有高開關頻率、高效率（要歸功于零電壓開關和零電流開關）和由此實現(xiàn)的高功率密度。

SiC-/GaN功率晶體管可實現(xiàn)多級功率轉(zhuǎn)換級和全雙向工作模式，硅IGBT則因逆變工作模式而受到一些限制。

在功率流向電池或從電池流向負載或電網(wǎng)的一類應用（如儲能）中，雙向工作模式日益成為一項強制要求。設計出采用緊湊封裝的高功率轉(zhuǎn)換器為電池充電精度可能較高的分布式儲能系統(tǒng)創(chuàng)造了可能。

為了實現(xiàn)基于SiC/GaN的設計的諸多優(yōu)勢，我們應該直面與其相關的各種技術挑戰(zhàn)。我們可以把這些挑戰(zhàn)分為三大類：開關的驅(qū)動，組合電源的正確選擇，以及功率轉(zhuǎn)換器環(huán)路的正確控制。

在SiC MOSFET驅(qū)動方面，工程師需要考慮新的問題，比如負偏置（用于柵極驅(qū)動器）和驅(qū)動電壓的精度（對GaN甚至更為重要）。對這種誤差應該盡量避免，因為其可能會影響到整個系統(tǒng)。

ADI iCoupler?隔離式柵極驅(qū)動器克服了基于光耦合器和高壓柵極驅(qū)動器的局限性。光耦合器速度慢，耗電量大，難以與其他功能集成，并且隨著時間的推移，其性能會下降。相比之下，可代替光耦合器方案的iCoupler數(shù)字隔離器則融合了高帶寬片內(nèi)變壓器和精細CMOS電路，為設計人員改善了可靠性、尺寸、功耗、速度、時序精度和易用性。iCoupler技術問世于十年前，用于解決光耦合器的局限性問題。ADI公司的數(shù)字隔離器利用低應力厚膜聚酰亞胺絕緣層實現(xiàn)數(shù)千伏的隔離，可以將其與標準硅IC集成，形成單通道、多通道和雙向配置的單片系統(tǒng)：20 μm至30 μm聚酰亞胺絕緣層，耐受力大于5 kV rms。

圖2. 聚酰亞胺絕緣層上的iCoupler變壓器線圈

ADI柵極驅(qū)動器產(chǎn)品組合中最具代表性的IC是ADuM4135（面向SiC MOSFET的高端隔離式柵極驅(qū)動器）和ADuM4121（面向高密度SiC和GaN設計的快速、緊湊型解決方案）。采用ADI歷經(jīng)檢驗的iCoupler技術，ADuM4135隔離式柵極驅(qū)動器可為高壓、高開關速率應用帶來多種關鍵優(yōu)勢。ADuM4135是驅(qū)動SiC/GaN MOS的最佳選擇，因為它具有優(yōu)秀的傳播延遲（低于50 ns），通道匹配時間低于5 ns，共模瞬變抗擾度(CMTI)超過100 kV/μs，采用單一封裝，支持最高1500 VDC的全壽命工作電壓。

圖3.ADuM4135評估板

圖4.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，提供高壓短路開關工作保護。去飽和保護包含降低噪聲干擾的功能，比如在開關動作之后提供300 ns的屏蔽時間，用來屏蔽初始導通時產(chǎn)生的電壓尖峰。內(nèi)部500 μA電流源有助于降低整體器件數(shù)量，如需提高抗噪水平，內(nèi)部消隱開關也支持使用外部電流源?？紤]到IGBT通用閾值水平，副邊UVLO設置為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。當器件副邊出現(xiàn)故障時，可以在原邊對復位操作進行控制。

對于更加緊湊和更簡單的拓撲結構（例如，基于GaN的半橋），新型ADuM4121隔離式柵極驅(qū)動器是最佳解決方案。該解決方案同樣基于ADI iCoupler數(shù)字隔離技術，其傳播延遲僅為38 ns，為同類最低水平，可支持最高開關頻率。ADuM4121提供5 kV rms隔離，采用窄體8引腳SOIC封裝。

圖5.ADuM4121框圖

圖6.ADuM4121評估板

與SiC/GaN開關的驅(qū)動相關的一個關鍵方面是它們需要其在高壓和高頻條件下工作。在這些條件下，根本不允許使用容性或感性寄生元件。設計必須精雕細琢，在設計電路板路由、定義布局時務必特別小心。若要避免所有EMI和噪聲問題，這是一個巨大但必不可少的挑戰(zhàn)。WBG半導體設計要求采用高壓和高頻無源元件（磁體和電容）。不能低估在確定規(guī)模、設計和制造這些器件方面存在的挑戰(zhàn)。然而，這些領域的技術也在進步，WGB半導體帶來的可能性必將增加將來獲取這些器件的便利性。

如前所述，WBG半導體在實現(xiàn)高效率、高密度拓撲結構方面尤其有效，特別是在諧振拓撲結構方面。但是，這些拓撲結構非常復雜，其控制本身就是一項挑戰(zhàn)。例如，調(diào)節(jié)諧振拓撲結構需要輸入大量的參數(shù)（輸入電壓、輸入電流、輸出電壓等），再加上調(diào)頻和調(diào)相（超高頻），這些問題并不會使工程師的工作變得輕松。數(shù)字元件（DSP、ADC等）的選擇也是至關重要的。

系統(tǒng)控制單元（一般是MCU、DSP或FPGA的組合）必須能并行運行多個高速控制環(huán)路，還要能管理安全特性。它們必須提供冗余性以及大量獨立的PWM信號、ADC和I/O。ADI的ADSP-CM419F使設計師可以用一個混合信號雙核處理器同時管理高功率、高密度、混合開關、多層功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。

圖7.ADSP-CM419F框圖

ADSP-CM419F處理器基于ARM? Cortex?-M4處理器內(nèi)核，浮點單元工作頻率高達240 MHz，集成的ARM? Cortex-M0處理器內(nèi)核工作頻率高達100 MHz。這使得單個芯片可以集成雙核安全冗余性。ARM Cortex-M4主處理器集成搭載ECC的160 kB SRAM存儲器、搭載ECC的1 MB閃存、加速器以及專門針對功率轉(zhuǎn)換器控制而優(yōu)化的外設（如24個獨立PWM），以及由兩個16位SAR類ADC、一個14位Cortex-M0 ADC和一個12位DAC構成的模擬模塊。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

ADI與WATT&WELL合作開發(fā)一系列基于SiC MOSFET的高端功率轉(zhuǎn)換器。合作的第一個項目是為ADI隔離式柵極驅(qū)動器設計高壓、高電流評估板。高功率規(guī)格（如1200 V、100 A、250 kHz以上的開關頻率，可靠、魯棒的設計）使客戶可以全面評估用于驅(qū)動SiC和GaN MOSFET的ADI系列IC。

圖9.隔離式柵極驅(qū)動器電路板簡化功能框圖

在圖9中，我們可以看到功率開關驅(qū)動器中的主要元件，從產(chǎn)生正柵極電壓電平的LT3999DC-DC變壓器驅(qū)動器，到產(chǎn)生負柵極電壓電平的REF19x（或LT1121x）高效線性穩(wěn)壓器，再到ADuM4135隔離式柵極驅(qū)動器。主控制器用ADSP-CM419F處理器表示，可以嵌入電路板，也可連接高頻線纜并為隔離式柵極驅(qū)動器生成PWM信號。

提供高性能驅(qū)動電路面臨的挑戰(zhàn)不僅是要采用市場上最優(yōu)秀的隔離式柵極驅(qū)動器。ADI解決方案的獨特之處在于它能提供現(xiàn)成的完整系統(tǒng)級設計，這與ADI與凌力爾特（現(xiàn)為ADI的一部分）器件的整合是分不開的。專用電源與穩(wěn)定的過沖/欠沖自由基準電壓源的組合是工作頻率超過250 kHz的應用的必然選擇。開始時，會將PCB布局方案以及原理圖和用戶手冊提供給戰(zhàn)略客戶，然后于年底發(fā)布在ADI網(wǎng)站上。

圖10.隔離式柵極驅(qū)動器電路板

ADI和WATT&WELL已經(jīng)在這一高端設計領域展開合作，該設計將ADI在硅和系統(tǒng)層積累的豐富知識與WATT&WELL掌握的專業(yè)知識有機地結合起來，打造出的魯棒型高可靠應用必能從容應對高開關頻率、高功率密度和高溫環(huán)境三項苛刻要求。通過合作，ADI可以為客戶提供完全可行的解決方案，幫助客戶在短時間內(nèi)實現(xiàn)領先的新型設計，從而提高競爭力和可靠性。