基于碳化硅(SiC)、氮化鎵(GaN)等寬帶隙(WBG)半導體的新型高效率、超快速功率轉換器已經(jīng)開(kāi)始在各種創(chuàng )新市場(chǎng)和應用領(lǐng)域攻城略地——這類(lèi)應用包括太陽(yáng)能光伏逆變器、能源存儲、車(chē)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換技術(shù)，必須在轉換器設計中實(shí)施完整的IC生態(tài)系統，從最近的芯片到功率開(kāi)關(guān)和柵極驅動(dòng)器。

 

隔離式柵極驅動(dòng)器的要求已經(jīng)開(kāi)始變化，不同于以前的硅IGBT驅動(dòng)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(shí)間和超低傳播延遲。ADI的ADuM4135隔離式柵極驅動(dòng)器具備所有必要的技術(shù)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換器的高速復雜多層控制環(huán)路進(jìn)行管理。

 

 

圖1.2021年功率轉換器市場(chǎng)預測。

 

功率轉換器市場(chǎng)的年均復合增長(cháng)率超過(guò)6.5%，到2021年，市場(chǎng)規模有望達800億美元。目前，基于硅IGBT的傳統逆變器和轉換器占據市場(chǎng)主體（占比超過(guò)70%），這主要歸功于工廠(chǎng)生產(chǎn)線(xiàn)中的電機驅動(dòng)應用和第一代風(fēng)力和太陽(yáng)能逆變器。

 

功率開(kāi)關(guān)領(lǐng)域取得的新技術(shù)進(jìn)步已經(jīng)開(kāi)始把第三代SiC MOSFET以及第一代和第二代GaN MOSFET帶向市場(chǎng)。在一段時(shí)間內局限于部分小眾功率應用之后，WBG技術(shù)已經(jīng)開(kāi)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(dòng)汽車(chē)充電器、牽引電機、太陽(yáng)能光伏逆變器等。得益于新市場(chǎng)的拓展，其價(jià)格快速下降，結果又促使其進(jìn)入了其他最初那些看重價(jià)格的市場(chǎng)。大規模生產(chǎn)進(jìn)一步降低了價(jià)格，而且這一趨勢將繼續下去。WBG半導體的普及是技術(shù)（以及整個(gè)經(jīng)濟）循環(huán)的一個(gè)絕佳例子。

 

推動(dòng)SiC/GaN功率開(kāi)關(guān)普及的主要應用有太陽(yáng)能光伏逆變器、電動(dòng)汽車(chē)充電器和儲能轉換器。這里利用了超快的小型高效功率開(kāi)關(guān)的附加價(jià)值，為市場(chǎng)帶來(lái)了超高開(kāi)關(guān)頻率和超過(guò)99%的杰出效率目標。為了實(shí)現這些目標，設計師面臨著(zhù)新的挑戰，需要削減功率轉換器的重量和尺寸（即提高功率密度）。

 

當然，這些問(wèn)題的解決不可能一蹴而就。需要所有相關(guān)工藝取得進(jìn)步，進(jìn)行創(chuàng )新。這樣的一個(gè)例子是與高壓功率電子系統的應用相關(guān)的技術(shù)瓶頸問(wèn)題。從架構角度來(lái)說(shuō)，可以選擇高壓(HV)系統，但長(cháng)期以來(lái)，某些半導體技術(shù)卻阻礙了這一選擇。如今，寬帶隙半導體的問(wèn)世為解決這個(gè)問(wèn)題帶來(lái)了曙光，使高壓系統成為更可行并且值得考慮的一個(gè)選項。太陽(yáng)能串式逆變器的標準是1500 VDC，而1000 VDC、很快2000 VDC就會(huì )成為儲能轉換器（基于電池）和電動(dòng)汽車(chē)充電器的標準。

 

事實(shí)上，轉向兼容WBG半導體的高壓系統是一件非常有意思的事，原因有三：

 

首先，高壓意味著(zhù)低電流，這又意味著(zhù)系統所用銅總量會(huì )減少，結果又會(huì )直接影響到系統成本的降低。

 

其次，寬帶隙技術(shù)（通過(guò)高壓實(shí)現）的阻性損耗減少，結果意味著(zhù)更高的效率，還能減小冷卻系統的尺寸，降低其必要性。

 

最后，在子系統層次，它們使工程師可以從基于基板功率模塊的設計轉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(xiàn)，而不是采用匯流條和較重的電線(xiàn)。

 

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，高壓系統是值得的。因此，對于二級應用來(lái)說(shuō)，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(kāi)關(guān)。

 

從工程角度來(lái)看，SiC/GaN具有明顯的優(yōu)勢。

 

● 首先，WGB半導體內在具有卓越的dV/dt切換性能，意味著(zhù)開(kāi)關(guān)損耗非常小。這使得高開(kāi)關(guān)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(shí)提升功率密度。

 

● 電感值、尺寸和重量能減少70%以上，同時(shí)還能減少電容數量，使最終轉換器的尺寸和重量?jì)H相當于傳統轉換器的五分之一。

 

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

 

這些技術(shù)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(wèn)題。

 

SiC/GaN開(kāi)關(guān)有助于減少損耗的其他特性有：二極管無(wú)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(shí)現創(chuàng )新型的功率電子拓撲結構。SiC/GaN功率開(kāi)關(guān)在諧振電路（如LLC或PRC）、橋接拓撲結構（相移全橋）或無(wú)橋功率因數校正(PFC)的設計方面非常有用。這是因為它們具有高開(kāi)關(guān)頻率、高效率（要歸功于零電壓開(kāi)關(guān)和零電流開(kāi)關(guān)）和由此實(shí)現的高功率密度。

 

SiC-/GaN功率晶體管可實(shí)現多級功率轉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(lèi)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換器為電池充電精度可能較高的分布式儲能系統創(chuàng )造了可能。

 

為了實(shí)現基于SiC/GaN的設計的諸多優(yōu)勢，我們應該直面與其相關(guān)的各種技術(shù)挑戰。我們可以把這些挑戰分為三大類(lèi)：開(kāi)關(guān)的驅動(dòng)，組合電源的正確選擇，以及功率轉換器環(huán)路的正確控制。

 

在SiC MOSFET驅動(dòng)方面，工程師需要考慮新的問(wèn)題，比如負偏置（用于柵極驅動(dòng)器）和驅動(dòng)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(huì )影響到整個(gè)系統。

 

ADI iCoupler®隔離式柵極驅動(dòng)器克服了基于光耦合器和高壓柵極驅動(dòng)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(zhù)時(shí)間的推移，其性能會(huì )下降。相比之下，可代替光耦合器方案的iCoupler數字隔離器則融合了高帶寬片內變壓器和精細CMOS電路，為設計人員改善了可靠性、尺寸、功耗、速度、時(shí)序精度和易用性。iCoupler技術(shù)問(wèn)世于十年前，用于解決光耦合器的局限性問(wèn)題。ADI公司的數字隔離器利用低應力厚膜聚酰亞胺絕緣層實(shí)現數千伏的隔離，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：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(xiàn)圈

 

ADI柵極驅動(dòng)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動(dòng)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(shù)，ADuM4135隔離式柵極驅動(dòng)器可為高壓、高開(kāi)關(guān)速率應用帶來(lái)多種關(guān)鍵優(yōu)勢。ADuM4135是驅動(dòng)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(shí)間低于5 ns，共模瞬變抗擾度(CMTI)超過(guò)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(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電流源有助于降低整體器件數量，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。當器件副邊出現故障時(shí)，可以在原邊對復位操作進(jìn)行控制。

 

對于更加緊湊和更簡(jiǎn)單的拓撲結構（例如，基于GaN的半橋），新型ADuM4121隔離式柵極驅動(dòng)器是最佳解決方案。該解決方案同樣基于A(yíng)DI iCoupler數字隔離技術(shù)，其傳播延遲僅為38 ns，為同類(lèi)最低水平，可支持最高開(kāi)關(guān)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(kāi)關(guān)的驅動(dòng)相關(guān)的一個(gè)關(guān)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(shí)務(wù)必特別小心。若要避免所有EMI和噪聲問(wèn)題，這是一個(gè)巨大但必不可少的挑戰。WBG半導體設計要求采用高壓和高頻無(wú)源元件（磁體和電容）。不能低估在確定規模、設計和制造這些器件方面存在的挑戰。然而，這些領(lǐng)域的技術(shù)也在進(jìn)步，WGB半導體帶來(lái)的可能性必將增加將來(lái)獲取這些器件的便利性。

 

如前所述，WBG半導體在實(shí)現高效率、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。例如，調節諧振拓撲結構需要輸入大量的參數（輸入電壓、輸入電流、輸出電壓等），再加上調頻和調相（超高頻），這些問(wèn)題并不會(huì )使工程師的工作變得輕松。數字元件（DSP、ADC等）的選擇也是至關(guān)重要的。

 

系統控制單元（一般是MCU、DSP或FPGA的組合）必須能并行運行多個(gè)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(gè)混合信號雙核處理器同時(shí)管理高功率、高密度、混合開(kāi)關(guān)、多層功率轉換系統。

 

圖7.ADSP-CM419F框圖

 

ADSP-CM419F處理器基于A(yíng)RM® Cortex®-M4處理器內核，浮點(diǎn)單元工作頻率高達240 MHz，集成的ARM® Cortex-M0處理器內核工作頻率高達100 MHz。這使得單個(gè)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(zhuān)門(mén)針對功率轉換器控制而優(yōu)化的外設（如24個(gè)獨立PWM），以及由兩個(gè)16位SAR類(lèi)ADC、一個(gè)14位Cortex-M0 ADC和一個(gè)12位DAC構成的模擬模塊。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

 

ADI與WATT&WELL合作開(kāi)發(fā)一系列基于SiC MOSFET的高端功率轉換器。合作的第一個(gè)項目是為ADI隔離式柵極驅動(dòng)器設計高壓、高電流評估板。高功率規格（如1200 V、100 A、250 kHz以上的開(kāi)關(guān)頻率，可靠、魯棒的設計）使客戶(hù)可以全面評估用于驅動(dòng)SiC和GaN MOSFET的ADI系列IC。

 

 

圖9.隔離式柵極驅動(dòng)器電路板簡(jiǎn)化功能框圖

 

在圖9中，我們可以看到功率開(kāi)關(guān)驅動(dòng)器中的主要元件，從產(chǎn)生正柵極電壓電平的LT3999DC-DC變壓器驅動(dòng)器，到產(chǎn)生負柵極電壓電平的REF19x（或LT1121x）高效線(xiàn)性穩壓器，再到ADuM4135隔離式柵極驅動(dòng)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(xiàn)纜并為隔離式柵極驅動(dòng)器生成PWM信號。

 

提供高性能驅動(dòng)電路面臨的挑戰不僅是要采用市場(chǎng)上最優(yōu)秀的隔離式柵極驅動(dòng)器。ADI解決方案的獨特之處在于它能提供現成的完整系統級設計，這與ADI與凌力爾特（現為ADI的一部分）器件的整合是分不開(kāi)的。專(zhuān)用電源與穩定的過(guò)沖/欠沖自由基準電壓源的組合是工作頻率超過(guò)250 kHz的應用的必然選擇。開(kāi)始時(shí)，會(huì )將PCB布局方案以及原理圖和用戶(hù)手冊提供給戰略客戶(hù)，然后于年底發(fā)布在A(yíng)DI網(wǎng)站上。

 

 

圖10.隔離式柵極驅動(dòng)器電路板