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    打造驅動第三代功率半導體轉換器的IC生態系統

    作者:亞德諾半導體(ADI)時間:2022-07-18來源:電子產品世界收藏

     大規模數據中心、企業服務器和5G電信基站、電動汽車充電站、新能源等基礎設施的廣泛部署使得功耗快速增長,因此高效AC/DC電源對于電信和數據通信基礎設施的發展至關重要。近年來,以氮化鎵(GaN)和碳化硅(SiC)晶體管為代表的第三代已成為能夠取代硅基MOSFET的高性能開關,從而可提高能源轉換效率和密度。新型和未來的SiC/GaN功率開關將會給方方面面帶來巨大進步,其巨大的優勢——更高功率密度、更高工作頻率、更高電壓和更高效率,將有助于實現更緊湊、更具成本效益的功率應用。

    本文引用地址:http://www.me-unplugged.com/article/202207/436356.htm

    好馬配好鞍,以隔離柵極驅動器實現高效率功率轉換

      SiC/GaN經常用作高電壓和高電流開關。這些功率晶體管由電壓控制,其主要損耗產生于開關期間。為了較大程度減小開關損耗,要求具備較短的開關時間。然而,快速開關同時隱含著高壓瞬變的危險,這可能會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器還提供短路保護功能,這也會影響開關速度。然而,在選擇柵極驅動器時,某些特性至關重要。

      在開關期間,晶體管會處于同時施加了高電壓和高電流的狀態。根據歐姆定律,這將導致一定的損耗,具體取決于這些狀態的持續時間。目標是要較大程度地減小這些時間段。此處的主要影響因素是晶體管的柵極電容,為實現開關必須對其進行充電/放電。較高的瞬態電流會加速此過程。

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    圖1 晶體管各個損耗分量的簡化表示

      在電力電子中,出于功能和安全考慮需要進行隔離。由于采用了柵極驅動器,因此會與高總線電壓和電流接觸,隔離不可避免。功能方面的原因是功率級的驅動通常發生在低壓電路中,因此無法驅動半橋拓撲的高端(high-side)開關,因為低端開關同步打開時,它的電位較高。同時,隔離代表在發生故障時高壓部分與控制電路的可靠隔離,從而可以進行人為接觸。隔離式柵極驅動器的Viso(隔離耐壓等級)通常為5 kV(rms)/min或更高。

      此外,惡劣的工業環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是關鍵性因素,因為它們可以耦合到柵極驅動器中,并且會激勵功率級,使其在不希望的時間內進行開關。隔離式柵極驅動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,能夠在更長時間內提供更高柵極電流的隔離驅動器對開關損耗更能起到積極作用。例如,基于iCoupler數字隔離技術的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關速度應用帶來諸多重要優勢。對于更緊湊的純SiC/GaN應用,新型隔離式柵極驅動器ADuM4121是理想解決方案,其傳播延遲在同類器件中最低(38ns),支持最高開關頻率和150 kV/μs的最高共模瞬變抗擾度。ADuM4121提供5 kV rms隔離。

    一個好漢三個幫,構建完整的生態支持高性能功率轉換

      除了隔離柵極驅動器提供更高性能的開關驅動以外,還需要檢測、電源控制器和高集成度嵌入式處理器,實現管理復雜的多電平、多級功率回路,從而正確發揮新一代SiC/GaN功率轉換器的優勢。驅動SiC/GaN功率開關需要一個完整的生態系統支持,包括優質的隔離式柵極驅動器,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,從而實現設計的緊湊性。

      如何為隔離式柵極驅動器供電,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變壓器驅動器,提供隔離電源,解決方案尺寸很小。LT3999的最大開關頻率為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器提供穩定受控諧波和隔離電源的高技術水準。

      當隔離式柵極驅動器用在高速拓撲中時,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,無需第三繞組或隔離器進行調節。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整率的小型解決方案。低紋波突發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。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。

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    圖2 面向第三代的IC生態系統

      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高速控制環路,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、多電平功率轉換系統。ADSPCM419F基于ARM?Cortex?-M4處理器內核,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處理器內核。這使得單個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∑-?調制器實現,例如基于AD7403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)技術與單芯片變壓器技術(iCoupler技術)于一體。AD7403采用5 V電源供電,可輸入±250 mV的差分信號。通過適當的數字濾波器可重構原始信息,以在78.1 kSPS時實現88 dB的信噪比(SNR)。

    (注:本文刊登于《電子產品世界》雜志2022年7月期)



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