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(dòng)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(dòng)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(jià)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(dòng)，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(shí)需要更精確、快速和節(jié)能的檢測、控制和驅(qū)動(dòng)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(dòng)汽車 （EV） 和儲(chǔ)能系統(tǒng) （ESS） 等顛覆性新應(yīng)用正在創(chuàng)造對(duì)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(dòng)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(dòng)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(shí)（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(dòng) SiC/GaN 功率開關(guān)涉及設(shè)計(jì)一個(gè)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(dòng)器（例如ADuM4135）。控制必須通過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)洌渲蠸iC 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(dòng)器必須能夠驅(qū)動(dòng)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。客戶希望有一個(gè)零件號(hào)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(duì)于大規(guī)模儲(chǔ)能），使用多電平轉(zhuǎn)換器很容易到達(dá)，并且它們對(duì)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(dòng)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(dòng)SiC/GaN MOS的最佳選擇。?直流在單個(gè)包中。

圖2.ADuM4135 評(píng)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(shí)，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(gè)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(shí)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(shí)增加外部電流源。次級(jí)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(jí)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(jí)端控制在次級(jí)端發(fā)生故障后重置器件。

圖3.ADuM4135 原理框圖

對(duì)于更緊湊、純基于SiC/GaN的應(yīng)用，新型隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器ADuM4121是解決方案。該驅(qū)動(dòng)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(píng)估板

在高速拓?fù)渲惺褂脮r(shí)，隔離式柵極驅(qū)動(dòng)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(jí)側(cè)反激波形對(duì)隔離輸出電壓進(jìn)行采樣，這些器件無需第三個(gè)繞組或隔離器即可進(jìn)行穩(wěn)壓。輸出電壓由兩個(gè)外部電阻器和第三個(gè)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(shí)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(gè)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(dòng)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(dòng)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(píng)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(gè)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(hào)、ADC和I/O。ADI公司的ADSP-CM419F使設(shè)計(jì)人員能夠使用一個(gè)混合信號(hào)、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(gè)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(gè)芯片中。主 ARM Cortex-M4 處理器集成了 160 kB 帶錯(cuò)誤檢查和糾正 （ECC） 的 SRAM 存儲(chǔ)器、帶 ECC 的 1 MB 閃存、針對(duì)功率轉(zhuǎn)換器控制優(yōu)化的加速器和外設(shè)（包括 24 個(gè)獨(dú)立的 PWM），以及一個(gè)由兩個(gè) 16 位 SAR 型 ADC、一個(gè) 14 位 M0 ADC 和一個(gè) 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(píng)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(hào)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(hào)。可以使用適當(dāng)?shù)臄?shù)字濾波器重建原始信息，以在78.1 kSPS時(shí)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(tái)，既可用于評(píng)估IC，也可用于構(gòu)建整個(gè)系統(tǒng)。這些設(shè)計(jì)平臺(tái)目前針對(duì)戰(zhàn)略客戶，代表了展示驅(qū)動(dòng)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(dòng)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