打造驅(qū)動第三代功率半導(dǎo)體轉(zhuǎn)換器背后的IC生態(tài)系統(tǒng)

亞德諾半導(dǎo)體

大規(guī)模數(shù)據(jù)中心、企業(yè)服務(wù)器和5G電信基站、電動汽車充電站、新能源等基礎(chǔ)設(shè)施的廣泛部署使得功耗快速增長，因此高效AC/DC電源對于電信和數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)設(shè)施的發(fā)展至關(guān)重要。近年來，以氮化鎵（GaN）和碳化硅（SiC）晶體管為代表的第三代功率器件已成為能夠取代硅基MOSFET的高性能開關(guān)，從而可提高能源轉(zhuǎn)換效率和密度。新型和未來的SiC/GaN功率開關(guān)將會給方方面面帶來巨大進步，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(xiàn)更緊湊、更具成本效益的功率應(yīng)用。

1好馬配好鞍，以隔離柵極驅(qū)動器實現(xiàn)高效率功率轉(zhuǎn)換

SiC/GaN經(jīng)常用作高電壓和高電流開關(guān)。這些功率晶體管由電壓控制，其主要損耗產(chǎn)生于開關(guān)期間。為了較大程度減小開關(guān)損耗，要求具備較短的開關(guān)時間。然而，快速開關(guān)同時隱含著高壓瞬變的危險，這可能會影響甚至損壞處理器邏輯電路。因此，為SiC/GaN提供適合柵極信號的柵極驅(qū)動器還提供短路保護功能，這也會影響開關(guān)速度。然而，在選擇柵極驅(qū)動器時，某些特性至關(guān)重要。

在開關(guān)期間，晶體管會處于同時施加了高電壓和高電流的狀態(tài)。根據(jù)歐姆定律，這將導(dǎo)致一定的損耗，具體取決于這些狀態(tài)的持續(xù)時間。目標(biāo)是要較大程度地減小這些時間段。此處的主要影響因素是晶體管的柵極電容，為實現(xiàn)開關(guān)必須對其進行充電/放電。較高的瞬態(tài)電流會加速此過程。

在電力電子中，出于功能和安全考慮需要進行隔離。由于采用了柵極驅(qū)動器，因此會與高總線電壓和電流接觸，隔離不可避免。功能方面的原因是功率級的驅(qū)動通常發(fā)生在低壓電路中，因此無法驅(qū)動半橋拓撲的高端（high-side）開關(guān)，因為低端開關(guān)同步打開時，它的電位較高。同時，隔離代表在發(fā)生故障時高壓部分與控制電路的可靠隔離，從而可以進行人為接觸。隔離式柵極驅(qū)動器的Viso（隔離耐壓等級）通常為5 kV（rms）/min或更高。

此外，惡劣的工業(yè)環(huán)境要求應(yīng)用對干擾源具有較佳抗擾度或抗干擾性。例如，射頻噪聲、共模瞬變和干擾磁場是關(guān)鍵性因素，因為它們可以耦合到柵極驅(qū)動器中，并且會激勵功率級，使其在不希望的時間內(nèi)進行開關(guān)。隔離式柵極驅(qū)動器的共模瞬變抗擾度（CMTI）定義了抑制輸入和輸出之間共模瞬變的能力。例如，ADuM4121具有出色的大于150 kV/μs的規(guī)格值。

因此，能夠在更長時間內(nèi)提供更高柵極電流的隔離驅(qū)動器對開關(guān)損耗更能起到積極作用。例如，基于iCoupler數(shù)字隔離技術(shù)的ADuM4135可以提供高達4 A的電流。基于其出色的傳播延遲（低于50 ns），以及通道間匹配小于5 ns，共模瞬變抗擾度（CMTI）優(yōu)于100 kV/9，單一封裝能夠支持高達1 500 VDC的全壽命工作電壓，從而可以給高電壓和高開關(guān)速度應(yīng)用帶來諸多重要優(yōu)勢。對于更緊湊的純SiC/GaN應(yīng)用，新型隔離式柵極驅(qū)動器ADuM4121是理想解決方案，其傳播延遲在同類器件中最低（38 ns），支持最高開關(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。

2一個好漢三個幫，構(gòu)建完整的IC生態(tài)支持高性能功率轉(zhuǎn)換

除了隔離柵極驅(qū)動器提供更高性能的開關(guān)驅(qū)動以外，還需要檢測IC、電源控制器和高集成度嵌入式處理器，實現(xiàn)管理復(fù)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(zhuǎn)換器的優(yōu)勢。驅(qū)動SiC/ GaN功率開關(guān)需要一個完整的IC生態(tài)系統(tǒng)支持，包括優(yōu)質(zhì)的隔離式柵極驅(qū)動器，以及高端隔離式電源電路供電，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完成控制，利用高能效隔離式∑-Δ型轉(zhuǎn)換器檢測電壓，從而實現(xiàn)設(shè)計的緊湊性。

如何為隔離式柵極驅(qū)動器供電，可以考慮采用高端隔離式電源電路供電，例如LT3999。LT3999是一款單芯片、高電壓、高頻率DC-DC變壓器驅(qū)動器，提供隔離電源，解決方案尺寸很小。LT3999的最大開關(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(qū)動器提供穩(wěn)定受控諧波和隔離電源的高技術(shù)水準。

當(dāng)隔離式柵極驅(qū)動器用在高速拓撲中時，可以選擇單芯片、微功耗、隔離式反激轉(zhuǎn)換器LT8304/LT8304-1 供電以保持其性能水平。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(diào)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(diào)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。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。

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。例如ADSPCM419F就支持設(shè)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(guān)、多電平功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。ADSPCM419F 基于ARM Cortex-M4處理器內(nèi)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(nèi)核。這使得單個芯片可以集成雙核安全冗余性。

快速精確的電壓檢測是高速設(shè)計必備的功能，可以采用高性能二階Σ-Δ調(diào)制器實現(xiàn)，例如基于AD7403 能將模擬輸入信號轉(zhuǎn)換為高速（高達20 MHz）單比特數(shù)據(jù)流。8引腳寬體SOIC封裝中集高速互補金屬氧化物半導(dǎo)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。通過適當(dāng)?shù)臄?shù)字濾波器可重構(gòu)原始信息，以在78.1 ksps時實現(xiàn)88 dB的信噪比（SNR）。