應(yīng)對 PCS 創(chuàng)新，德州儀器全方位保駕護(hù)航

電氣化被普遍認(rèn)為是 20 世紀(jì)最偉大的工程成就，并一直延續(xù)至今。為了減少對不可再生能源的依賴，并減少碳排放對氣候環(huán)境帶來的危害，電氣化正在繼續(xù)發(fā)揮其價值，助力世界轉(zhuǎn)向可再生能源的使用。

可再生能源系統(tǒng)具有一系列重要意義，但同時也面臨著巨大挑戰(zhàn)，需要解決包括間歇性、可擴(kuò)展性、成本、效率和功率密度等一系列問題，從而可以更好地將可再生能源與現(xiàn)有的電網(wǎng)融合。

半導(dǎo)體正在以全新的方式推動著能源及電氣化的未來，比如幫助太陽能和儲能系統(tǒng)智能管理從電網(wǎng)到消費(fèi)者的能源供應(yīng)。

本文整合了 2023 年德州儀器可再生能源半導(dǎo)體創(chuàng)新峰會上午圓桌論壇中行業(yè)大咖們的精彩討論，聚焦 PCS（功率變換系統(tǒng)）如何助力可再生能源系統(tǒng)的發(fā)展，以及德州儀器在解決 PCS 發(fā)展痛點(diǎn)上的產(chǎn)品及方案。

詳解 PCS

在可再生能源系統(tǒng)中，PCS（功率變換系統(tǒng)）是一個重要的組成部分，其位于電網(wǎng)或光伏面板與儲能電池包之間，負(fù)責(zé)交流/直流、直流/交流以及直流/直流等多種功率變換。PCS 設(shè)計通常需要：精確的電壓、電流和溫度測量，高可靠性的功率級設(shè)計，高效率和功率密度，實時監(jiān)測、識別和糾正故障。這些需求對于半導(dǎo)體尤其是模擬和嵌入式產(chǎn)品而言無疑是巨大挑戰(zhàn)，德州儀器正在全面助力 PCS 的技術(shù)革新，這包括了高電壓功率轉(zhuǎn)換、電流傳感與電壓傳感、邊緣處理與通信和電池管理。

德州儀器持續(xù)通過不斷創(chuàng)新的高電壓功率轉(zhuǎn)換，電流與電壓傳感，邊緣處理與通信和電池管理等技術(shù)，助力 PCS 技術(shù)革新。

雙向 PFC 和逆變器級的方框圖

如圖所示，一個典型的 PCS 需要眾多且復(fù)雜的半導(dǎo)體產(chǎn)品參與其中，德州儀器則主要通過幾個方面應(yīng)對高壓系統(tǒng)的挑戰(zhàn)。

1. 氮化鎵 (GaN) 和碳化硅 (SiC) 等第三代半導(dǎo)體能夠?qū)崿F(xiàn)高效的功率轉(zhuǎn)換，減少功率損耗，從而提高高壓系統(tǒng)的效率。

2. 用于高壓系統(tǒng)的傳感和監(jiān)測技術(shù)可幫助工程師準(zhǔn)確測量電壓，從而提高安全性和可靠性。這使設(shè)計人員能夠通過減少設(shè)計余量來降低成本，挑戰(zhàn)更高的功率等級。

3. 隔離器件以電氣方式分隔兩個域，同時允許電源或信號在不影響人體安全的情況下通過屏障傳輸，使電路免受接地電位差的影響，并提高抗噪能力。

4. 低延遲的實時控制技術(shù)能夠可靠地控制使用 GaN 或 IGBT 開關(guān)的復(fù)雜電源拓?fù)?，提高高壓系統(tǒng)的穩(wěn)健性和功率密度。

第三代半導(dǎo)體的優(yōu)勢

在功率級方面，越來越多的第三代半導(dǎo)體正在使用，相較于傳統(tǒng) Si 功率器件，第三代器件能夠提升系統(tǒng)開關(guān)頻率，在降低系統(tǒng)體積的同時顯著提升系統(tǒng)功率密度并降低系統(tǒng)功耗。

德州儀器開發(fā) GaN 可追溯至 2010 年，并于 2016 年正式量產(chǎn)。為了保證高可靠性，目前德州儀器已經(jīng)針對 GaN FET 進(jìn)行了 4000 多萬小時的器件可靠性測試和超過 5GWh 的功率轉(zhuǎn)換應(yīng)用測試。該產(chǎn)品已廣泛應(yīng)用于各個行業(yè)中，特別是在工業(yè)和汽車領(lǐng)域中，已經(jīng)得到了實際的量產(chǎn)驗證。

德州儀器的 GaN 采用了直驅(qū)的常開型 dMode，與采用 Cascode（共源共柵）架構(gòu)的 dMode 相比，德州儀器的直驅(qū)型 GaN 完全沒有反向恢復(fù)二極管，因此頻率可以更高。

共源共柵驅(qū)動和直接驅(qū)動配置

德州儀器通過在單一芯片中集成 GaN 功率管、驅(qū)動、保護(hù)和檢測等功能，簡化了由硅過渡到 GaN 的設(shè)計成本。并通過集成降低了寄生效應(yīng)，在兼顧 EMI 的同時提高了 dV/dt，從而優(yōu)化了整體性能。

GaN 具有低寄生電容電容（Ciss、Coss、Crss）并且無第三象限反向恢復(fù)。這些特性可實現(xiàn)更高頻率的硬開關(guān)拓?fù)?，例如圖騰柱無橋功率因數(shù)控制器 (PFC)，而 MOSFET 和 IGBT 由于開關(guān)損耗較高而無法實現(xiàn)這些拓?fù)洹?/p>

結(jié)合氮化鎵產(chǎn)品，德州儀器推出了一款基于 GaN 的 11kW 三級三相 ANPC 參考設(shè)計 TIDA-010210，可實現(xiàn) 100kHz 的更高開關(guān)頻率，不僅減小了濾波器磁性元件的尺寸，還提高了功率級的功率密度。這種多電平拓?fù)湓试S在高達(dá) 1000V 的直流母線電壓下使用額定電壓為 600V 的功率器件。較低的開關(guān)電壓應(yīng)力可降低開關(guān)損耗，從而使峰值效率達(dá)到 98.5%。該設(shè)計支持雙向運(yùn)行，可選擇逆變器模式或 PFC 模式運(yùn)行，非常適合結(jié)合儲能的現(xiàn)代 PCS 需求。

TIDA-010210: 11kW 三級三相 ANPC 參考設(shè)計

在柵極驅(qū)動器方面，德州儀器推出了一系列支持 SiC/IGBT 的隔離驅(qū)動，從而更好的支持大功率 PCS 對于 SiC 的需求。比如德州儀器的 UCC217x 系列驅(qū)動，就具有多項優(yōu)勢。包括 ±10A 電流驅(qū)動能力、150V/ns 的高 CMTI 隔離性能，以及集成各種保護(hù)功能，例如快速過流和短路檢測、分流電流檢測支持、故障報告、有源米勒鉗位、輸入和輸出側(cè)電源 UVLO（用于優(yōu)化 SiC 和 IGBT 開關(guān)行為和可靠性）。

德州儀器廣泛的隔離驅(qū)動產(chǎn)品組合

合適的控制器

對于 PCS 系統(tǒng)而言，需要更復(fù)雜的電源拓?fù)浜涂刂扑惴?，例如零電壓開關(guān)、零電流開關(guān)或采用混合磁滯控制的 LLC 諧振 DC/DC 變換。同時系統(tǒng)還需要具備實時監(jiān)測、識別和糾正故障的功能，并可以支持更多的 PWM 通道、更多的 ADC 通道。復(fù)雜拓?fù)渲羞€可能需要使用多核處理來管理多個功率級。因此需要一款合適的數(shù)字控制器，既能處理時間要求嚴(yán)格的復(fù)雜計算，又提供精確控制，以及強(qiáng)大的資源和可拓展性。

F28P65x 是德州儀器最新推出的高性能實時控制 MCU，具有 2 個 C28x+CLA CPU、算力等同于 1GHz 的 Cortex-M7。該芯片具有 3 個獨(dú)立的 16 位 ADC，帶有內(nèi)部觸發(fā)及基于硬件的平均濾波等算法功能，并配備 36 個高精度 Type 5 PWM 通道。

F28P65x 功能框圖

C2000 可以通過對電源轉(zhuǎn)換器占空比、頻率、死區(qū)和相移進(jìn)行高分辨率控制來實現(xiàn)高頻操作，從而減小磁體尺寸并減輕其重量。通過啟用軟開關(guān)方案（如臨界模式操作和谷底開關(guān)）來減少損耗。通過增加更多的模擬集成來減少設(shè)計中外部器件（如比較器和數(shù)模轉(zhuǎn)換器 (DAC)）的數(shù)量，從而降低成本。

從產(chǎn)品到方案的組合

一個復(fù)雜的 PCS 還需要包括傳感、隔離、無線、邊緣處理、通信、顯示等眾多產(chǎn)品，德州儀器正通過更高效，更實惠的模擬和嵌入式產(chǎn)品組合，提供從器件到系統(tǒng)再到方案的創(chuàng)新組合，幫助解決成本、尺寸與效率的多重挑戰(zhàn)。

可持續(xù)的未來在部分程度上依賴于家庭和電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施層面上的電氣化，隨著半導(dǎo)體產(chǎn)品變得更加創(chuàng)新與更實惠，PCS 也將變得更智能、更可靠和更易用。