用于驱动下一代SiC/GaN功率转换器的IC生态系统

功率转换器设计正在从纯硅 IGBT 转向 SiC/GaN MOSFET，适用于各种应用。一些市场，如电机驱动逆变器市场，采用新技术的速度较慢，而其他市场，如太阳能逆变器和电动汽车牵引逆变器和充电器市场，在创新中发挥着关键作用。

预计未来五年太阳能市场将以10%的正复合年增长率增长，而光伏系统价格预计将再下降20%。由于光伏逆变器电子元件的技术改进和推动，这将成为可能。功率开关（SiC/GaN MOSFET）中的新技术将提高开关频率，从而减小电感器和电容器尺寸，同时需要更精确、快速和节能的检测、控制和驱动IC。1500 伏直流到2021年，30 kW至100 kW范围内的公用事业规模组串式逆变器将在所有公用事业规模逆变器中获得90%以上的市场份额。它们代表了在创新的多电平拓扑中测试新型高密度SiC/GaN功率开关的基准。

电动汽车 （EV） 和储能系统 （ESS） 等颠覆性新应用正在创造对超高效、高功率密度、高频 SiC 功率转换器的需求。车载牵引电机驱动器正在寻求最高的功率密度，以减小尺寸和重量并获得新的效率记录，而非车载快速充电器正在寻求高电压（高达 2000 V直流、>150 kW） 和复杂的高频拓扑结构，从而降低了磁性、机械和装配方面的总系统成本。最重要的是，这些新应用还推动了创新的多核控制处理器的发展，能够管理复杂的控制算法，并确保在双向模式下工作时（从交流电网到直流负载，反之亦然）的系统效率和稳定性。

图1.ADI公司的IC生态系统

驱动 SiC/GaN 功率开关涉及设计一个完整的 IC 生态系统，这些 IC 可以精确地微调在一起。设计重点不再只是以交换机为中心，它必须更加广泛。该应用的工作频率、效率要求和拓扑结构的复杂性需要由高端隔离电源电路（例如LT3999）供电的同类最佳的隔离式栅极驱动器（例如ADuM4135）。控制必须通过多核控制处理器完成，该处理器集成了先进的模拟前端和特定的安全功能（例如ADSP-CM419F）。最后，通过使用高能效隔离式Σ-Δ转换器（例如AD7403）检测电压，实现了设计的紧凑性。

在从硅IGBT到碳化硅MOSFET的过渡阶段，必须考虑混合拓扑，其中SiC MOSFET用于高频开关，Si IGBT用于低频开关。隔离式栅极驱动器必须能够驱动具有不同要求的开关，其中更多的开关是并联和混合硅IGBT/SiC MOS多电平配置的。客户希望有一个零件号满足其所有应用的要求，从而简化BOM并降低成本。高工作电压，大于 1500 V直流（例如，2000 V直流对于大规模储能），使用多电平转换器很容易到达，并且它们对为安全而实施的隔离栅提出了重大挑战。

ADuM4135隔离式栅极驱动器采用ADI公司成熟的i耦合器技术，在高压和高开关速度应用中具有许多关键优势。ADuM4135具有优于50 ns的出色传播延迟、小于5 ns的通道间匹配、优于>100 kV/μs的共模瞬变抗扰度（CMTI）以及支持高达1500 V的寿命工作电压的能力，是驱动SiC/GaN MOS的最佳选择。®直流在单个包中。

图2.ADuM4135 评估板

ADuM4135采用16引脚宽体SOIC封装，内置米勒箝位，当栅极电压降至2 V以下时，可通过单轨电源提供可靠的SiC/GaN MOS或IGBT关断。ADuM4135集成了一个去饱和检测电路，可防止高压、短路开关工作。去饱和保护包含降噪功能，例如开关事件发生后300 ns的屏蔽时间，以屏蔽初始导通引起的电压尖峰。内部500 μA电流源允许低器件数量，内部消隐开关允许在需要更高抗扰度时增加外部电流源。次级UVLO设置为11 V，考虑了常见的IGBT阈值电平。ADI公司的i耦合器芯片级变压器还可在芯片的高压和低压域之间提供控制信息的隔离通信。有关芯片状态的信息可以从专用输出中读回。器件的初级端控制在次级端发生故障后重置器件。

图3.ADuM4135 原理框图

对于更紧凑、纯基于SiC/GaN的应用，新型隔离式栅极驱动器ADuM4121是解决方案。该驱动器还基于ADI公司的i耦合器数字隔离，具有同类产品中最低的传播延迟（38 ns），可实现最高的开关频率和150 kV/μs的最高共模瞬态抗扰度。ADuM4121采用宽体8引脚SOIC封装，提供5 kV rms隔离。

图4.ADuM4121 原理框图

图5.ADuM4121 评估板

在高速拓扑中使用时，隔离式栅极驱动器必须正确供电以保持其性能水平。ADI公司的LT8304/LT8304-1均为单芯片、微功耗、隔离式反激式转换器。通过直接从初级侧反激波形对隔离输出电压进行采样，这些器件无需第三个绕组或隔离器即可进行稳压。输出电压由两个外部电阻器和第三个可选温度补偿电阻器设置。边界模式操作提供了具有出色负载调整率的小型磁性解决方案。低纹波突发模式操作可在轻负载条件下保持高效率，同时将输出电压纹波降至最低。该器件将 2 A、150 V DMOS 电源开关以及所有高压电路和控制逻辑集成在一个耐热增强型 8 引脚 SO 封装中。LT8304/LT8304-1采用3 V至100 V输入电压范围工作，提供高达24 W的隔离输出功率。

ADI公司的LT3999是一款单片式、高电压、高频DC-DC变压器驱动器，提供隔离电源和小尺寸解决方案。LT3999 具有 1 MHz 的最大开关频率、外部同步能力和 2.7 V 至 36 V 的宽输入工作范围，代表了为高速栅极驱动器提供稳定、受控谐波和隔离电源的最新技术。该器件采用 10 引脚 MSOP 封装和 3 mm × 3 mm DFN 封装，带裸焊盘。

图6.LT3999 评估板

系统控制单元（通常是MCU、DSP或FPGA的组合）必须具有并行运行多个高速控制环路的能力，并且还能够管理安全功能。它们必须提供冗余和大量独立的PWM信号、ADC和I/O。ADI公司的ADSP-CM419F使设计人员能够使用一个混合信号、双核处理器管理并行的高功率、高密度、混合开关、多电平电源转换系统。

图7.ADSP-CM419F原理框图

ADSP-CM419F基于ARM Cortex-M4处理器内核，浮点单元的工作频率高达240 MHz，并集成了一个ARM Cortex-M0®处理器内核，工作频率高达100 MHz。这样就可以将双核安全冗余集成到单个芯片中。主 ARM Cortex-M4 处理器集成了 160 kB 带错误检查和纠正 （ECC） 的 SRAM 存储器、带 ECC 的 1 MB 闪存、针对功率转换器控制优化的加速器和外设（包括 24 个独立的 PWM），以及一个由两个 16 位 SAR 型 ADC、一个 14 位 M0 ADC 和一个 12 位 DAC 组成的模拟模块。ADSP-CM419F采用单电源供电，使用内部稳压器和外部调整管产生自己的内部电源。它采用 210 球 BGA 封装。®

图8.ADSP-CM419F评估板

在高速设计中，快速准确的电压检测是强制性的。ADI公司的AD7403是一款高性能、二阶Σ-Δ调制器，可将模拟输入信号转换为高速（高达20 MHz）单位数据流。它将高速互补金属氧化物半导体 （CMOS） 技术与单片变压器技术（i耦合器技术）结合在 8 引脚宽体 SOIC 封装中。AD7403采用5 V电源供电，接受±250 mV差分输入信号。可以使用适当的数字滤波器重建原始信息，以在78.1 kSPS时实现88 dB信噪比（SNR）。

为了使客户的下一代功率转换器设计具有高性能、可靠性和市场竞争力，ADI公司决定开发各种硬件和软件设计平台，既可用于评估IC，也可用于构建整个系统。这些设计平台目前针对战略客户，代表了展示驱动下一代SiC/GaN功率转换器的完整IC生态系统的最新技术。它们从用于高电压、高电流SiC功率模块的隔离式栅极驱动器板到完整的AC-DC双向转换器，其中ADSP-CM419F的软件在正确控制SiC/GaN功率开关方面起着关键作用。

审核编辑：郭婷