打造驅(qū)動(dòng)第三代功率半導(dǎo)體轉(zhuǎn)換器的IC生態(tài)系統(tǒng)

　大規(guī)模數(shù)據(jù)中心、企業(yè)服務(wù)器和5G電信基站、電動(dòng)汽車充電站、新能源等基礎(chǔ)設(shè)施的廣泛部署使得功耗快速增長(zhǎng)，因此高效AC/DC電源對(duì)于電信和數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)設(shè)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(zhuǎn)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(shì)——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(xiàn)更緊湊、更具成本效益的功率應(yīng)用。

好馬配好鞍，以隔離柵極驅(qū)動(dòng)器實(shí)現(xiàn)高效率功率轉(zhuǎn)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)隱含著高壓瞬變的危險(xiǎn)，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(hào)的柵極驅(qū)動(dòng)器還提供短路保護(hù)功能，這也會(huì)影響開(kāi)關(guān)速度。然而，在選擇柵極驅(qū)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(jù)歐姆定律，這將導(dǎo)致一定的損耗，具體取決于這些狀態(tài)的持續(xù)時(shí)間。目標(biāo)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(xiàn)開(kāi)關(guān)必須對(duì)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(qū)動(dòng)器，因此會(huì)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(jí)的驅(qū)動(dòng)通常發(fā)生在低壓電路中，因此無(wú)法驅(qū)動(dòng)半橋拓?fù)涞母叨耍╤igh-side）開(kāi)關(guān)，因?yàn)榈投碎_(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(qū)動(dòng)器的Viso（隔離耐壓等級(jí)）通常為5 kV(rms)/min或更高。

　　此外，惡劣的工業(yè)環(huán)境要求應(yīng)用對(duì)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?yàn)樗鼈兛梢择詈系綎艠O驅(qū)動(dòng)器中，并且會(huì)激勵(lì)功率級(jí)，使其在不希望的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行開(kāi)關(guān)。隔離式柵極驅(qū)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(guī)格值。

　　因此，能夠在更長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)提供更高柵極電流的隔離驅(qū)動(dòng)器對(duì)開(kāi)關(guān)損耗更能起到積極作用。例如，基于iCoupler數(shù)字隔離技術(shù)的ADuM4135可以提供高達(dá)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(dá)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(yīng)用帶來(lái)諸多重要優(yōu)勢(shì)。對(duì)于更緊湊的純SiC/GaN應(yīng)用，新型隔離式柵極驅(qū)動(dòng)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(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(gòu)建完整的IC生態(tài)支持高性能功率轉(zhuǎn)換

　　除了隔離柵極驅(qū)動(dòng)器提供更高性能的開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)以外，還需要檢測(cè)IC、電源控制器和高集成度嵌入式處理器，實(shí)現(xiàn)管理復(fù)雜的多電平、多級(jí)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(shì)。驅(qū)動(dòng)SiC/GaN功率開(kāi)關(guān)需要一個(gè)完整的IC生態(tài)系統(tǒng)支持，包括優(yōu)質(zhì)的隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器，以及高端隔離式電源電路供電，利用集成高級(jí)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(zhuǎn)換器檢測(cè)電壓，從而實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的緊湊性。

　　如何為隔離式柵極驅(qū)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(qū)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(qū)動(dòng)器提供穩(wěn)定受控諧波和隔離電源的高技術(shù)水準(zhǔn)。

　　當(dāng)隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器用在高速拓?fù)渲袝r(shí)，可以選擇單芯片、微功耗、隔離式反激轉(zhuǎn)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(duì)隔離輸出電壓采樣，無(wú)需第三繞組或隔離器進(jìn)行調(diào)節(jié)。輸出電壓通過(guò)兩個(gè)外部電阻和第三個(gè)可選溫度補(bǔ)償電阻進(jìn)行編程。邊界工作模式提供一種具有出色負(fù)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(fù)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(tǒng)

　　系統(tǒng)控制單元（一般是MCU、DSP或FPGA的組合）必須能夠并行運(yùn)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(dú)立的PWM信號(hào)、ADC和I/O。例如ADSPCM419F就支持設(shè)計(jì)人員通過(guò)一個(gè)混合信號(hào)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(zhuǎn)換系統(tǒng)。ADSPCM419F基于ARM?Cortex?-M4處理器內(nèi)核，浮點(diǎn)單元工作頻率高達(dá)240 MHz，而且包含一個(gè)工作頻率高達(dá)100 MHz的ARMCortex-M0處理器內(nèi)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(cè)是高速設(shè)計(jì)必備的功能，可以采用高性能二階∑-?調(diào)制器實(shí)現(xiàn)，例如基于AD7403能將模擬輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換為高速（高達(dá)20 MHz）單比特?cái)?shù)據(jù)流。8引腳寬體SOIC封裝中集高速互補(bǔ)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(hào)。通過(guò)適當(dāng)?shù)臄?shù)字濾波器可重構(gòu)原始信息，以在78.1 kSPS時(shí)實(shí)現(xiàn)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）