打造驅動第三代功率半導體轉換器的IC生態(tài)系統(tǒng)

　大規(guī)模數(shù)據(jù)中心、企業(yè)服務器和5G電信基站、電動汽車充電站、新能源等基礎設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)通信基礎設施的發(fā)展至關重要。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，從而可提高能源轉換效率和密度。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，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用。

好馬配好鞍，以隔離柵極驅動器實現(xiàn)高效率功率轉換

　　SiC/GaN經(jīng)常用作高電壓和高電流開關。這些功率晶體管由電壓控制，其主要損耗產(chǎn)生于開關期間。為了較大程度減小開關損耗，要求具備較短的開關時間。然而，快速開關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動器還提供短路保護功能，這也會影響開關速度。然而，在選擇柵極驅動器時，某些特性至關重要。

　　在開關期間，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，這將導致一定的損耗，具體取決于這些狀態(tài)的持續(xù)時間。目標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)開關必須對其進行充電/放電。較高的瞬態(tài)電流會加速此過程。

圖1 晶體管各個損耗分量的簡化表示

　　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動通常發(fā)生在低壓電路中，因此無法驅動半橋拓撲的高端（high-side）開關，因為低端開關同步打開時，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鍵性因素，因為它們可以耦合到柵極驅動器中，并且會激勵功率級，使其在不希望的時間內(nèi)進行開關。隔離式柵極驅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動器對開關損耗更能起到積極作用。例如，基于iCoupler數(shù)字隔離技術的ADuM4135可以提供高達4 A的電流?；谄涑錾膫鞑パ舆t（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/μs，單一封裝能夠支持高達1500 VDC的全壽命工作電壓，從而可以給高電壓和高開關速度應用帶來諸多重要優(yōu)勢。對于更緊湊的純SiC/GaN應用，新型隔離式柵極驅動器ADuM4121是理想解決方案，其傳播延遲在同類器件中最低(38ns)，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。

一個好漢三個幫，構建完整的IC生態(tài)支持高性能功率轉換

　　除了隔離柵極驅動器提供更高性能的開關驅動以外，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功率開關需要一個完整的IC生態(tài)系統(tǒng)支持，包括優(yōu)質的隔離式柵極驅動器，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∑-?型轉換器檢測電壓，從而實現(xiàn)設計的緊湊性。

　　如何為隔離式柵極驅動器供電，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高技術水準。

　　當隔離式柵極驅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。

圖2 ADI面向第三代功率器件的IC生態(tài)系統(tǒng)

　　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)。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計必備的功能，可以采用高性能二階∑-?調(diào)制器實現(xiàn)，例如基于AD7403能將模擬輸入信號轉換為高速（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?shù)臄?shù)字濾波器可重構原始信息，以在78.1 kSPS時實現(xiàn)88 dB的信噪比(SNR)。

（注：本文刊登于《電子產(chǎn)品世界》雜志2022年7月期）