【導讀】新型和未來的 SiC/GaN 功率開關將會給方方面面帶來巨大進步，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，將有助于實現更緊湊、更具成本效益的功率應用。為了獲得所有這些優(yōu)勢，必須設計更高性能的開關驅動系統(tǒng)。
實際的以開關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 柵極驅動器 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 SiC/GaN 功率開關需要設計一個完整的 IC 生態(tài)系統(tǒng)，這些 IC經過精密調整，彼此配合。設計重點不再只是以開關為中心，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最佳的隔離式柵極驅動器（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 ∑-? 型轉換器（例如AD7403）檢測電壓，從而實現設計的緊湊性。
圖1. ADI 公司 IC 生態(tài)系統(tǒng)
在 Si IGBT 到 SiC MOSFET 的過渡階段，必須考慮混合拓撲結構，其中SiC MOSFET 用于高頻開關，Si IGBT 用于低頻開關。隔離式柵極驅動器必須能夠驅動不同要求的開關，其中較多的是并聯(lián)且采用硅IGBT/SiC MOS 混合式多電平配置。客戶希望一種器件就能滿足其所有應用要求，從而簡化 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(guī)模儲能使用2000 VDC），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 隔離式柵極驅動器采用 ADI 公司經過驗證的 iCoupler®技術，可以給高電壓和高開關速度應用帶來諸多重要優(yōu)勢。ADuM4135 是驅動 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 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 時實現穩(wěn)健的 SiC/GaN MOS 或 IGBT 單軌電源關斷。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，內部消隱開關也支持使用外部電流源。考慮到 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器 ADuM4121是解決方案。該驅動器同樣基于 ADI 公司的 iCoupler 數字隔離技術，其傳播延遲在同類器件中最低 (38 ns)，支持最高開關頻率和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
當隔離式柵極驅動器用在高速拓撲中時，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，無需第三繞組或隔離器進行調節(jié)。輸出電壓通過兩個外部電阻和第三個可選溫度補償電阻進行編程。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保持高效率，同時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功率開關，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變壓器驅動器，提供隔離電源，解決方案尺寸很小。LT3999的最大開關頻率為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器提供穩(wěn)定受控諧波和隔離電源的最高技術水準。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、多電平功率轉換系統(tǒng)。
圖7. ADSP-CM419F框圖
ADSP-CM419F基于ARM® Cortex®-M4處理器內核，浮點單元工作頻率高達240 MHz，而且包含一個工作頻率高達100 MHz的ARMCortex-M0處理器內核。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，針對功率轉換器控制而優(yōu)化的加速器和外設（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，利用內部穩(wěn)壓器和一個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) 技術與單芯片變壓器技術（iCoupler技術）于一體。AD7403 采用5 V電源供電，可輸入±250 mV的差分信號。通過適當的數字濾波器可重構原始信息，以在78.1 kSPS時實現88 dB的信噪比 (SNR)。
為使客戶的新一代功率轉換器設計具備高性能、高可靠性和市場競爭力，ADI公司已決定開發(fā)各種硬件和軟件設計平臺，其既可用于評估IC，又可作為完整系統(tǒng)的構建模塊。這些設計平臺目前針對戰(zhàn)略客戶而推出，代表了驅動新一代SiC/GaN功率轉換器的完整IC生態(tài)系統(tǒng)的最高水準。設計平臺類型眾多，既有用于高電壓、大電流SiC功率模塊的隔離式柵極驅動器板，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功率開關方面起著關鍵作用。
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