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“網(wǎng)紅”SiC/GaN 功率開關(guān),告訴你一個正確的關(guān)注姿勢

發(fā)布時間:2018-07-03 來源:Stefano Gallinaro 責任編輯:wenwei

【導(dǎo)讀】新型和未來的 SiC/GaN 功率開關(guān)將會給方方面面帶來巨大進步,從新一代再生電力的大幅增加到電動汽車市場的迅速增長。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(yīng)用。為了獲得所有這些優(yōu)勢,必須設(shè)計更高性能的開關(guān)驅(qū)動系統(tǒng)。
 
實際的以開關(guān)為中心的視角正在演變成一種更完整的系統(tǒng)解決方案,新一代的具有更魯棒的片上隔離的先進 柵極驅(qū)動器 IC、檢測 IC、電源控制器和高集成度嵌入式處理器, 將能管理復(fù)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(zhuǎn)換器的優(yōu)勢。
 
驅(qū)動 SiC/GaN 功率開關(guān)需要設(shè)計一個完整的 IC 生態(tài)系統(tǒng),這些 IC經(jīng)過精密調(diào)整,彼此配合。設(shè)計重點不再只是以開關(guān)為中心,必須加以擴大。應(yīng)用的工作頻率、效率要求和拓撲結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性要求使用同類最佳的隔離式柵極驅(qū)動器(例如ADuM4135),其由高端隔離式電源電路(例如LT3999)供電??刂祈毨眉筛呒壞M前端和特定安全特性的多核控制處理器(例如ADSP-CM419F)完成。最后,利用高能效隔離式 ∑-? 型轉(zhuǎn)換器(例如AD7403)檢測電壓,從而實現(xiàn)設(shè)計的緊湊性。
 
“網(wǎng)紅”SiC/GaN 功率開關(guān),告訴你一個正確的關(guān)注姿勢
圖1. ADI 公司 IC 生態(tài)系統(tǒng)
 
在 Si IGBT 到 SiC MOSFET 的過渡階段,必須考慮混合拓撲結(jié)構(gòu),其中SiC MOSFET 用于高頻開關(guān),Si IGBT 用于低頻開關(guān)。隔離式柵極驅(qū)動器必須能夠驅(qū)動不同要求的開關(guān),其中較多的是并聯(lián)且采用硅IGBT/SiC MOS 混合式多電平配置??蛻粝M环N器件就能滿足其所有應(yīng)用要求,從而簡化 BOM 并降低成本。利用多電平轉(zhuǎn)換器很容易達到 1500 VDC以上的高工作電壓(例如大規(guī)模儲能使用2000 VDC),此類電壓對于為安全而實施的隔離柵是一個重大挑戰(zhàn)。
 
ADuM4135 隔離式柵極驅(qū)動器采用 ADI 公司經(jīng)過驗證的 iCoupler®技術(shù),可以給高電壓和高開關(guān)速度應(yīng)用帶來諸多重要優(yōu)勢。ADuM4135 是驅(qū)動 SiC/GaN MOS 的最佳選擇,出色的傳播延遲優(yōu)于50 ns,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。
 
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圖2. ADuM4135框圖
 
ADuM4135 采用 16 引腳寬體 SOIC 封裝,包含米勒箝位,以便柵極電壓低于 2 V 時實現(xiàn)穩(wěn)健的 SiC/GaN MOS 或 IGBT 單軌電源關(guān)斷。輸出側(cè)可以由單電源或雙電源供電。去飽和檢測電路集成在ADuM4135 上,提供高壓短路開關(guān)工作保護。去飽和保護包含降低噪聲干擾的功能,比如在開關(guān)動作之后提供 300 ns 的屏蔽時間,用來屏蔽初始導(dǎo)通時產(chǎn)生的電壓尖峰。內(nèi)部 500 µA 電流源有助于降低器件數(shù)量;如需提高抗噪水平,內(nèi)部消隱開關(guān)也支持使用外部電流源。考慮到 IGBT 通用閾值水平,副邊 UVLO 設(shè)置為 11 V。ADI公司 iCoupler 芯 片級變壓器還提供芯片高壓側(cè)與低壓側(cè)之間的控制信息隔離通信。芯片狀態(tài)信息可從專用輸出讀取。器件原邊控制器件在副邊發(fā)生故障后復(fù)位。
 
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圖3. ADuM4135評估板
 
對于更緊湊的純 SiC/GaN 應(yīng)用,新型隔離式柵極驅(qū)動器 ADuM4121是解決方案。該驅(qū)動器同樣基于 ADI 公司的 iCoupler 數(shù)字隔離技術(shù),其傳播延遲在同類器件中最低 (38 ns),支持最高開關(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,采用寬體 8 引腳 SOIC 封裝。
 
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圖4. ADuM4121框圖
 
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圖5. ADuM4121評估板
 
當隔離式柵極驅(qū)動器用在高速拓撲中時,必須對其正確供電以保持其性能水平。ADI公司的LT8304/LT8304-1是單芯片、微功耗、隔離式反激轉(zhuǎn)換器。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。散熱增強型8引腳SO封裝中集成了2 A、150 V DMOS功率開關(guān),以及所有高壓電路和控制邏輯。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。
 
ADI公司的LT3999是一款單芯片、高電壓、高頻率DC-DC變壓器驅(qū)動器,提供隔離電源,解決方案尺寸很小。LT3999的最大開關(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(qū)動器提供穩(wěn)定受控諧波和隔離電源的最高技術(shù)水準。它采用裸露焊盤的10引腳MSOP和3 mm × 3 mm DFN封裝。
 
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圖6. LT3999評估板
 
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。ADI 公司的 ADSPCM419F 支持設(shè)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(guān)、多電平功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。
 
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圖7. ADSP-CM419F框圖
 
ADSP-CM419F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。主ARM Cortex-M4處理器集成帶ECC(錯誤檢查與校正)的160 KB SRAM存儲器,帶ECC的1 MB閃存,針對功率轉(zhuǎn)換器控制而優(yōu)化的加速器和外設(shè)(包括24個獨立的PWM),以及由兩個16位SAR型ADC、一個14位M0 ADC和一個12位DAC組成的模擬模塊。ADSP-CM419F采用單電源供電,利用內(nèi)部穩(wěn)壓器和一個外部調(diào)整管自行生成內(nèi)部電壓源。它采用210引腳BGA封裝。
 
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圖8. ADSP-CM419F評估板
 
快速精確的電壓檢測是高速設(shè)計必備的功能。ADI 公司的 AD7403是一款高性能二階 ∑-? 調(diào)制器,能將模擬輸入信號轉(zhuǎn)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(dǎo)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。通過適當?shù)臄?shù)字濾波器可重構(gòu)原始信息,以在78.1 kSPS時實現(xiàn)88 dB的信噪比 (SNR)。
 
為使客戶的新一代功率轉(zhuǎn)換器設(shè)計具備高性能、高可靠性和市場競爭力,ADI公司已決定開發(fā)各種硬件和軟件設(shè)計平臺,其既可用于評估IC,又可作為完整系統(tǒng)的構(gòu)建模塊。這些設(shè)計平臺目前針對戰(zhàn)略客戶而推出,代表了驅(qū)動新一代SiC/GaN功率轉(zhuǎn)換器的完整IC生態(tài)系統(tǒng)的最高水準。設(shè)計平臺類型眾多,既有用于高電壓、大電流SiC功率模塊的隔離式柵極驅(qū)動器板,也有完整的交流/直流雙向轉(zhuǎn)換器,其中ADSP-CM419F的軟件在正確控制SiC/GaN功率開關(guān)方面起著關(guān)鍵作用。
 
 
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