應對 PCS 創(chuàng )新，德州儀器全方位保駕護航

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

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

半導體正在以全新的方式推動(dòng)著(zhù)能源及電氣化的未來(lái)，比如幫助太陽(yáng)能和儲能系統智能管理從電網(wǎng)到消費者的能源供應。

本文整合了 2023 年德州儀器可再生能源半導體創(chuàng )新峰會(huì )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）如何助力可再生能源系統的發(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

在可再生能源系統中，PCS（功率變換系統）是一個(gè)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，負責交流/直流、直流/交流以及直流/直流等多種功率變換。PCS 設計通常需要：精確的電壓、電流和溫度測量，高可靠性的功率級設計，高效率和功率密度，實(shí)時(shí)監測、識別和糾正故障。這些需求對于半導體尤其是模擬和嵌入式產(chǎn)品而言無(wú)疑是巨大挑戰，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。

德州儀器持續通過(guò)不斷創(chuàng )新的高電壓功率轉換，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(gè)典型的 PCS 需要眾多且復雜的半導體產(chǎn)品參與其中，德州儀器則主要通過(guò)幾個(gè)方面應對高壓系統的挑戰。

1. 氮化鎵 (GaN) 和碳化硅 (SiC) 等第三代半導體能夠實(shí)現高效的功率轉換，減少功率損耗，從而提高高壓系統的效率。

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

3. 隔離器件以電氣方式分隔兩個(gè)域，同時(shí)允許電源或信號在不影響人體安全的情況下通過(guò)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(shí)時(shí)控制技術(shù)能夠可靠地控制使用 GaN 或 IGBT 開(kāi)關(guān)的復雜電源拓撲，提高高壓系統的穩健性和功率密度。

第三代半導體的優(yōu)勢

在功率級方面，越來(lái)越多的第三代半導體正在使用，相較于傳統 Si 功率器件，第三代器件能夠提升系統開(kāi)關(guān)頻率，在降低系統體積的同時(shí)顯著(zhù)提升系統功率密度并降低系統功耗。

德州儀器開(kāi)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(wàn)小時(shí)的器件可靠性測試和超過(guò) 5GWh 的功率轉換應用測試。該產(chǎn)品已廣泛應用于各個(gè)行業(yè)中，特別是在工業(yè)和汽車(chē)領(lǐng)域中，已經(jīng)得到了實(shí)際的量產(chǎn)驗證。

德州儀器的 GaN 采用了直驅的常開(kāi)型 dMode，與采用 Cascode（共源共柵）架構的 dMode 相比，德州儀器的直驅型 GaN 完全沒(méi)有反向恢復二極管，因此頻率可以更高。

共源共柵驅動(dòng)和直接驅動(dòng)配置

德州儀器通過(guò)在單一芯片中集成 GaN 功率管、驅動(dòng)、保護和檢測等功能，簡(jiǎn)化了由硅過(guò)渡到 GaN 的設計成本。并通過(guò)集成降低了寄生效應，在兼顧 EMI 的同時(shí)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(wú)第三象限反向恢復。這些特性可實(shí)現更高頻率的硬開(kāi)關(guān)拓撲，例如圖騰柱無(wú)橋功率因數控制器 (PFC)，而 MOSFET 和 IGBT 由于開(kāi)關(guān)損耗較高而無(wú)法實(shí)現這些拓撲。

結合氮化鎵產(chǎn)品，德州儀器推出了一款基于 GaN 的 11kW 三級三相 ANPC 參考設計 TIDA-010210，可實(shí)現 100kHz 的更高開(kāi)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。這種多電平拓撲允許在高達 1000V 的直流母線(xiàn)電壓下使用額定電壓為 600V 的功率器件。較低的開(kāi)關(guān)電壓應力可降低開(kāi)關(guān)損耗，從而使峰值效率達到 98.5%。該設計支持雙向運行，可選擇逆變器模式或 PFC 模式運行，非常適合結合儲能的現代 PCS 需求。

TIDA-010210: 11kW 三級三相 ANPC 參考設計

在柵極驅動(dòng)器方面，德州儀器推出了一系列支持 SiC/IGBT 的隔離驅動(dòng)，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 系列驅動(dòng)，就具有多項優(yōu)勢。包括 ±10A 電流驅動(dòng)能力、150V/ns 的高 CMTI 隔離性能，以及集成各種保護功能，例如快速過(guò)流和短路檢測、分流電流檢測支持、故障報告、有源米勒鉗位、輸入和輸出側電源 UVLO（用于優(yōu)化 SiC 和 IGBT 開(kāi)關(guān)行為和可靠性）。

德州儀器廣泛的隔離驅動(dòng)產(chǎn)品組合

合適的控制器

對于 PCS 系統而言，需要更復雜的電源拓撲和控制算法，例如零電壓開(kāi)關(guān)、零電流開(kāi)關(guān)或采用混合磁滯控制的 LLC 諧振 DC/DC 變換。同時(shí)系統還需要具備實(shí)時(shí)監測、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。復雜拓撲中還可能需要使用多核處理來(lái)管理多個(gè)功率級。因此需要一款合適的數字控制器，既能處理時(shí)間要求嚴格的復雜計算，又提供精確控制，以及強大的資源和可拓展性。

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

F28P65x 功能框圖

C2000 可以通過(guò)對電源轉換器占空比、頻率、死區和相移進(jìn)行高分辨率控制來(lái)實(shí)現高頻操作，從而減小磁體尺寸并減輕其重量。通過(guò)啟用軟開(kāi)關(guān)方案（如臨界模式操作和谷底開(kāi)關(guān)）來(lái)減少損耗。通過(guò)增加更多的模擬集成來(lái)減少設計中外部器件（如比較器和數模轉換器 (DAC)）的數量，從而降低成本。

從產(chǎn)品到方案的組合

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

可持續的未來(lái)在部分程度上依賴(lài)于家庭和電網(wǎng)基礎設施層面上的電氣化，隨著(zhù)半導體產(chǎn)品變得更加創(chuàng )新與更實(shí)惠，PCS 也將變得更智能、更可靠和更易用。