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大型數(shù)據(jù)中心、企業(yè)服務(wù)器和5G廣泛部署電信基站、電動(dòng)汽車(chē)充電站、新能源等基礎(chǔ)設(shè)施，使功耗快速增長(zhǎng)，效率高AC/DC電源對(duì)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)，以氮化鎵為主(GaN)和碳化硅（SiC）以晶體管為代表的第三代功率器件已成為硅基的替代品MOSFET高性能開(kāi)關(guān)換效率和密度的高性能開(kāi)關(guān)。新的和未來(lái)的SiC/GaN功率開(kāi)關(guān)將在各個(gè)方面取得巨大的進(jìn)步，其巨大的優(yōu)勢(shì)——更高的功率密度、更高的工作頻率、更高的電壓和更高的效率，將有助于實(shí)現(xiàn)更緊湊、更昂貴的功率應(yīng)用。

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好馬配好鞍，實(shí)現(xiàn)隔離柵極驅(qū)動(dòng)的高效功率轉(zhuǎn)換

SiC/GaN常用作高壓和高電流開(kāi)關(guān)。這些功率晶體管由電壓控制，其主要損耗是在開(kāi)關(guān)期間造成的。為了大大降低開(kāi)關(guān)損耗，需要較短的開(kāi)關(guān)時(shí)間。然而，快速開(kāi)關(guān)也有高壓瞬變的危險(xiǎn)，這可能會(huì)影響甚至損壞處理器的邏輯電路。因此，為SiC/GaN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)，某些特性非常重要。

在開(kāi)關(guān)過(guò)程中，晶體管將同時(shí)施加高電壓和高電流。根據(jù)歐姆定律，這將導(dǎo)致一定的損失，這取決于這些狀態(tài)的持續(xù)時(shí)間。目標(biāo)是在很大程度上減少這些時(shí)間段。這里的主要影響因素是晶體管的柵極電容。為了實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)，必須充放電。高瞬態(tài)電流將加速此過(guò)程。

圖1 晶體管各損耗成分的簡(jiǎn)化表明

出于功能和安全考慮，電力電子需要隔離。由于使用了柵極驅(qū)動(dòng)器，它將與高總線電壓和電流接觸，隔離是不可避免的。功率級(jí)驅(qū)動(dòng)通常發(fā)生在低壓電路中，因此不能驅(qū)動(dòng)半橋拓?fù)涞母叨耍╤igh-side）由于低端開(kāi)關(guān)同打開(kāi)時(shí)，開(kāi)關(guān)電位較高。同時(shí)，隔離意味著高壓部分在發(fā)生故障時(shí)可靠地與控制電路隔離，以便人工接觸。隔離柵極驅(qū)動(dòng)器Viso(隔離耐壓等級(jí))一般為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)干擾源具有良好的抗干擾性或抗干擾性。例如，射頻噪聲、共模瞬變和干擾磁場(chǎng)是一個(gè)關(guān)鍵因素，因?yàn)樗鼈兛梢择詈系綎艠O驅(qū)動(dòng)器中，并在不想要的時(shí)間內(nèi)激勵(lì)功率級(jí)開(kāi)關(guān)。隔離格柵驅(qū)動(dòng)器的共模瞬變抗擾度(CMTI)定義了抑制輸入輸出共模瞬變的能力。例如，ADuM4121優(yōu)秀于150 kV/μs的規(guī)格值。

因此，隔離驅(qū)動(dòng)器可以在更長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)提供更高的柵極電流，對(duì)開(kāi)關(guān)損耗起到更積極的作用。例如，基于iCoupler數(shù)字隔離技術(shù)ADuM4135可以提供高達(dá)4 A的電流。基于其出色的傳播延遲(低于50) ns），通道之間的匹配小于5 ns，共模瞬變抗擾度(CMTI)優(yōu)于100 kV/μs，單一包裝可支持1500 VDC全壽命工作電壓能給高電壓和高開(kāi)關(guān)速度應(yīng)用帶來(lái)諸多重要優(yōu)勢(shì)。對(duì)于更緊湊的純度SiC/GaN應(yīng)用，新FoxElectronics代理隔離格柵極驅(qū)動(dòng)器ADuM4121是同類(lèi)設(shè)備中傳播延遲最低的理想解決方案(38ns)，支持最高開(kāi)關(guān)頻率和150 kV/μs最高共模瞬變抗擾度。ADuM4121提供5 kV rms隔離。

一個(gè)英雄三幫，構(gòu)建完整IC生態(tài)支持高性能功率轉(zhuǎn)換

除了提供更高性能的開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)外，還需要檢測(cè)IC、電源控制器和高集成嵌入式處理器可以管理復(fù)雜的多電平和多級(jí)功率電路，從而正確發(fā)揮新一代的作用SiC/GaN功率轉(zhuǎn)換器的優(yōu)點(diǎn)。驅(qū)動(dòng)SiC/GaN功率開(kāi)關(guān)需要一個(gè)完整的功率開(kāi)關(guān)IC生態(tài)系統(tǒng)支持，包括高質(zhì)量的隔離柵極驅(qū)動(dòng)和高端隔離電源電路供電，采用多核控制處理器集成高級(jí)模擬前端和特定安全特性，采用高效隔離∑-?為了實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的緊湊性，轉(zhuǎn)換器檢測(cè)電壓。

如何為隔離柵極驅(qū)動(dòng)器供電，可考慮采用高端隔離電源電路，如LT3999。LT3999是單芯片，高電壓，高頻率DC-DC變壓器驅(qū)動(dòng)器提供隔離電源，解決方案尺寸小。LT3999最大開(kāi)關(guān)頻率為1 MHz，具有外同步能力和2.7 V至36 V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)定控制諧波和隔離電源的高科技水平。

高速拓?fù)洳捎酶綦x柵極驅(qū)動(dòng)時(shí)，可選用單芯片、微功耗、隔離反激轉(zhuǎn)換器LT8304/LT8304-1供電以保持其性能水平。無(wú)需第三繞組或隔離器調(diào)整，這些裝置直接從原邊反激波形采樣隔離輸出電壓。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。邊界工作模式提供了負(fù)載調(diào)整率優(yōu)異的小解決方案。低紋波突發(fā)工作模式能在小負(fù)荷下保持高效率，同時(shí)使輸出電壓紋波最小化。LT8304/LT8304-1支持3 V至100 V輸入電壓范圍最多可提供24 W隔離輸出功率。

圖2 ADI面向第三代功率器件的第三代功率器件IC生態(tài)系統(tǒng)

系統(tǒng)控制單元(通常是MCU、DSP或FPGA組合)必須能夠并行運(yùn)行多個(gè)高速控制環(huán)，并管理安全特性。它們必須提供冗余和大量的獨(dú)立性PWM信號(hào)、ADC和I/O。例如ADSPCM419F支持設(shè)計(jì)師管理并行高功率、高密度、混合開(kāi)關(guān)和多電平功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。ADSPCM419F基于ARMCortex-M4.浮點(diǎn)單元工作頻率高達(dá)240 MHz，而且還包括一個(gè)工作頻率高達(dá)1000 MHz的ARMCortex-M0處理器內(nèi)核。這使得單個(gè)芯片能夠集成雙核安全冗余。

高性能二的電壓檢測(cè)是高速設(shè)計(jì)的必要功能，可采用高性能二級(jí)∑-?例如，基于調(diào)制器的實(shí)現(xiàn)AD7403可以將模擬輸入信號(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高速互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)單芯片變壓器技術(shù)（iCoupler技術(shù))于一體。AD7403采用5 V供電，可輸入±250 mV差分信號(hào)。78.1 kSPS時(shí)實(shí)現(xiàn)88 dB的信噪比(SNR)。

(注:本文發(fā)表《IC2022年7月，代理雜志