實(shí)際的以開(kāi)關(guān)為中心的視角正在演變成一種更完整的系統解決方案，新一代的具有更魯棒的片上隔離的先進(jìn) 柵極驅動(dòng)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 功率轉換器的優(yōu)勢。

 

驅動(dòng) SiC/GaN 功率開(kāi)關(guān)需要設計一個(gè)完整的 IC 生態(tài)系統，這些 IC經(jīng)過(guò)精密調整，彼此配合。設計重點(diǎn)不再只是以開(kāi)關(guān)為中心，必須加以擴大。應用的工作頻率、效率要求和拓撲結構的復雜性要求使用同類(lèi)最佳的隔離式柵極驅動(dòng)器（例如ADuM4135），其由高端隔離式電源電路（例如LT3999）供電?？刂祈毨眉筛呒壞M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 ∑-? 型轉換器（例如AD7403）檢測電壓，從而實(shí)現設計的緊湊性。

 

圖1. ADI 公司 IC 生態(tài)系統

 

在 Si IGBT 到 SiC MOSFET 的過(guò)渡階段，必須考慮混合拓撲結構，其中SiC MOSFET 用于高頻開(kāi)關(guān)，Si IGBT 用于低頻開(kāi)關(guān)。隔離式柵極驅動(dòng)器必須能夠驅動(dòng)不同要求的開(kāi)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?hù)希望一種器件就能滿(mǎn)足其所有應用要求，從而簡(jiǎn)化 BOM 并降低成本。利用多電平轉換器很容易達到 1500 VDC以上的高工作電壓（例如大規模儲能使用2000 VDC），此類(lèi)電壓對于為安全而實(shí)施的隔離柵是一個(gè)重大挑戰。

 

ADuM4135 隔離式柵極驅動(dòng)器采用 ADI 公司經(jīng)過(guò)驗證的 iCoupler®技術(shù)，可以給高電壓和高開(kāi)關(guān)速度應用帶來(lái)諸多重要優(yōu)勢。ADuM4135 是驅動(dòng) 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 1500 VDC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(shí)實(shí)現穩健的 SiC/GaN MOS 或 IGBT 單軌電源關(guān)斷。輸出側可以由單電源或雙電源供電。去飽和檢測電路集成在A(yíng)DuM4135 上，提供高壓短路開(kāi)關(guān)工作保護。去飽和保護包含降低噪聲干擾的功能，比如在開(kāi)關(guān)動(dòng)作之后提供 300 ns 的屏蔽時(shí)間，用來(lái)屏蔽初始導通時(shí)產(chǎn)生的電壓尖峰。內部 500 µA 電流源有助于降低器件數量；如需提高抗噪水平，內部消隱開(kāi)關(guān)也支持使用外部電流源?？紤]到 IGBT 通用閾值水平，副邊 UVLO 設置為 11 V。ADI公司 iCoupler 芯 片級變壓器還提供芯片高壓側與低壓側之間的控制信息隔離通信。芯片狀態(tài)信息可從專(zhuān)用輸出讀取。器件原邊控制器件在副邊發(fā)生故障后復位。

 

圖3. ADuM4135評估板

 

對于更緊湊的純 SiC/GaN 應用，新型隔離式柵極驅動(dòng)器 ADuM4121是解決方案。該驅動(dòng)器同樣基于 ADI 公司的 iCoupler 數字隔離技術(shù)，其傳播延遲在同類(lèi)器件中最低 (38 ns)，支持最高開(kāi)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

 

當隔離式柵極驅動(dòng)器用在高速拓撲中時(shí)，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(wú)需第三繞組或隔離器進(jìn)行調節。輸出電壓通過(guò)兩個(gè)外部電阻和第三個(gè)可選溫度補償電阻進(jìn)行編程。邊界工作模式提供一種具有出色負載調整率的小型解決方案。低紋波突發(fā)工作模式可在小負載時(shí)保持高效率，同時(shí)使輸出電壓紋波最小。散熱增強型8引腳SO封裝中集成了2 A、150 V DMOS功率開(kāi)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變壓器驅動(dòng)器，提供隔離電源，解決方案尺寸很小。LT3999的最大開(kāi)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動(dòng)器提供穩定受控諧波和隔離電源的最高技術(shù)水準。它采用裸露焊盤(pán)的10引腳MSOP和3 mm × 3 mm DFN封裝。

 

圖6. LT3999評估板

 

系統控制單元（一般是 MCU、DSP 或 FPGA 的組合）必須能夠并行運行多個(gè)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 支持設計人員通過(guò)一個(gè)混合信號雙核處理器來(lái)管理并行高功率、高密度、混合開(kāi)關(guān)、多電平功率轉換系統。

 

圖7. ADSP-CM419F框圖

 

ADSP-CM419F基于A(yíng)RM® Cortex®-M4處理器內核，浮點(diǎn)單元工作頻率高達240 MHz，而且包含一個(gè)工作頻率高達100 MHz的ARMCortex-M0處理器內核。這使得單個(gè)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，針對功率轉換器控制而優(yōu)化的加速器和外設（包括24個(gè)獨立的PWM），以及由兩個(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，利用內部穩壓器和一個(gè)外部調整管自行生成內部電壓源。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計必備的功能。ADI 公司的 AD7403是一款高性能二階 ∑-? 調制器，能將模擬輸入信號轉換為高速（高達20 MHz）單比特數據流。8引腳寬體SOIC封裝中集高速互補金屬氧化物半導體 (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(guò)適當的數字濾波器可重構原始信息，以在78.1 kSPS時(shí)實(shí)現88 dB的信噪比 (SNR)。

 

為使客戶(hù)的新一代功率轉換器設計具備高性能、高可靠性和市場(chǎng)競爭力，ADI公司已決定開(kāi)發(fā)各種硬件和軟件設計平臺，其既可用于評估IC，又可作為完整系統的構建模塊。這些設計平臺目前針對戰略客戶(hù)而推出，代表了驅動(dòng)新一代SiC/GaN功率轉換器的完整IC生態(tài)系統的最高水準。設計平臺類(lèi)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動(dòng)器板，也有完整的交流/直流雙向轉換器，其中ADSP-CM419F的軟件在正確控制SiC/GaN功率開(kāi)關(guān)方面起著(zhù)關(guān)鍵作用。

 

 

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