打造驅動(dòng)第三代功率半導體轉換器的IC生態(tài)系統

　大規模數據中心、企業(yè)服務(wù)器和5G電信基站、電動(dòng)汽車(chē)充電站、新能源等基礎設施的廣泛部署使得功耗快速增長(cháng)，因此高效AC/DC電源對于電信和數據通信基礎設施的發(fā)展至關(guān)重要。近年來(lái)，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(kāi)關(guān)，從而可提高能源轉換效率和密度。新型和未來(lái)的SiC/GaN功率開(kāi)關(guān)將會(huì )給方方面面帶來(lái)巨大進(jìn)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(shí)現更緊湊、更具成本效益的功率應用。

好馬配好鞍，以隔離柵極驅動(dòng)器實(shí)現高效率功率轉換

　　SiC/GaN經(jīng)常用作高電壓和高電流開(kāi)關(guān)。這些功率晶體管由電壓控制，其主要損耗產(chǎn)生于開(kāi)關(guān)期間。為了較大程度減小開(kāi)關(guān)損耗，要求具備較短的開(kāi)關(guān)時(shí)間。然而，快速開(kāi)關(guān)同時(shí)隱含著(zhù)高壓瞬變的危險，這可能會(huì )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(dòng)器還提供短路保護功能，這也會(huì )影響開(kāi)關(guān)速度。然而，在選擇柵極驅動(dòng)器時(shí)，某些特性至關(guān)重要。

　　在開(kāi)關(guān)期間，晶體管會(huì )處于同時(shí)施加了高電壓和高電流的狀態(tài)。根據歐姆定律，這將導致一定的損耗，具體取決于這些狀態(tài)的持續時(shí)間。目標是要較大程度地減小這些時(shí)間段。此處的主要影響因素是晶體管的柵極電容，為實(shí)現開(kāi)關(guān)必須對其進(jìn)行充電/放電。較高的瞬態(tài)電流會(huì )加速此過(guò)程。

圖1 晶體管各個(gè)損耗分量的簡(jiǎn)化表示

　　在電力電子中，出于功能和安全考慮需要進(jìn)行隔離。由于采用了柵極驅動(dòng)器，因此會(huì )與高總線(xiàn)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(dòng)通常發(fā)生在低壓電路中，因此無(wú)法驅動(dòng)半橋拓撲的高端（high-side）開(kāi)關(guān)，因為低端開(kāi)關(guān)同步打開(kāi)時(shí)，它的電位較高。同時(shí)，隔離代表在發(fā)生故障時(shí)高壓部分與控制電路的可靠隔離，從而可以進(jìn)行人為接觸。隔離式柵極驅動(dòng)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(chǎng)是關(guān)鍵性因素，因為它們可以耦合到柵極驅動(dòng)器中，并且會(huì )激勵功率級，使其在不希望的時(shí)間內進(jìn)行開(kāi)關(guān)。隔離式柵極驅動(dòng)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的規格值。

　　因此，能夠在更長(cháng)時(shí)間內提供更高柵極電流的隔離驅動(dòng)器對開(kāi)關(guān)損耗更能起到積極作用。例如，基于iCoupler數字隔離技術(shù)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(kāi)關(guān)速度應用帶來(lái)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(dòng)器ADuM4121是理想解決方案，其傳播延遲在同類(lèi)器件中最低(38ns)，支持最高開(kāi)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。

一個(gè)好漢三個(gè)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(dòng)器提供更高性能的開(kāi)關(guān)驅動(dòng)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(shí)現管理復雜的多電平、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(dòng)SiC/GaN功率開(kāi)關(guān)需要一個(gè)完整的IC生態(tài)系統支持，包括優(yōu)質(zhì)的隔離式柵極驅動(dòng)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(shí)現設計的緊湊性。

　　如何為隔離式柵極驅動(dòng)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(dòng)器，提供隔離電源，解決方案尺寸很小。LT3999的最大開(kāi)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動(dòng)器提供穩定受控諧波和隔離電源的高技術(shù)水準。

　　當隔離式柵極驅動(dòng)器用在高速拓撲中時(shí)，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(wú)需第三繞組或隔離器進(jìn)行調節。輸出電壓通過(guò)兩個(gè)外部電阻和第三個(gè)可選溫度補償電阻進(jìn)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(shí)保持高效率，同時(shí)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

　　系統控制單元（一般是MCU、DSP或FPGA的組合）必須能夠并行運行多個(gè)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(guò)一個(gè)混合信號雙核處理器來(lái)管理并行高功率、高密度、混合開(kāi)關(guān)、多電平功率轉換系統。ADSPCM419F基于A(yíng)RM?Cortex?-M4處理器內核，浮點(diǎn)單元工作頻率高達240 MHz，而且包含一個(gè)工作頻率高達100 MHz的ARMCortex-M0處理器內核。這使得單個(gè)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∑-?調制器實(shí)現，例如基于A(yíng)D7403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(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(guò)適當的數字濾波器可重構原始信息，以在78.1 kSPS時(shí)實(shí)現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）