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“网红”SiC/GaN 功率开关,告诉你一个正确的关注姿势

发布时间:2018-07-03 来源:Stefano Gallinaro 责任编辑:wenwei

【导读】新型和未来的 SiC/GaN 功率开关将会给方方面面带来巨大进步,从新一代再生电力的大幅增加到电动汽车市场的迅速增长。其巨大的优势——更高功率密度、更高工作频率、更高电压和更高效率,将有助于实现更紧凑、更具成本效益的功率应用。为了获得所有这些优势,必须设计更高性能的开关驱动系统。
 
实际的以开关为中心的视角正在演变成一种更完整的系统解决方案,新一代的具有更鲁棒的片上隔离的先进 栅极驱动器 IC、检测 IC、电源控制器和高集成度嵌入式处理器, 将能管理复杂的多电平、多级功率回路,从而正确发挥新一代 SiC/GaN 功率转换器的优势。
 
驱动 SiC/GaN 功率开关需要设计一个完整的 IC 生态系统,这些 IC经过精密调整,彼此配合。设计重点不再只是以开关为中心,必须加以扩大。应用的工作频率、效率要求和拓扑结构的复杂性要求使用同类最佳的隔离式栅极驱动器(例如ADuM4135),其由高端隔离式电源电路(例如LT3999)供电。控制须利用集成高级模拟前端和特定安全特性的多核控制处理器(例如ADSP-CM419F)完成。最后,利用高能效隔离式 ∑-∆ 型转换器(例如AD7403)检测电压,从而实现设计的紧凑性。
 
“网红”SiC/GaN 功率开关,告诉你一个正确的关注姿势
图1. ADI 公司 IC 生态系统
 
在 Si IGBT 到 SiC MOSFET 的过渡阶段,必须考虑混合拓扑结构,其中SiC MOSFET 用于高频开关,Si IGBT 用于低频开关。隔离式栅极驱动器必须能够驱动不同要求的开关,其中较多的是并联且采用硅IGBT/SiC MOS 混合式多电平配置。客户希望一种器件就能满足其所有应用要求,从而简化 BOM 并降低成本。利用多电平转换器很容易达到 1500 VDC以上的高工作电压(例如大规模储能使用2000 VDC),此类电压对于为安全而实施的隔离栅是一个重大挑战。
 
ADuM4135 隔离式栅极驱动器采用 ADI 公司经过验证的 iCoupler®技术,可以给高电压和高开关速度应用带来诸多重要优势。ADuM4135 是驱动 SiC/GaN MOS 的最佳选择,出色的传播延迟优于50 ns,通道间匹配小于5 ns,共模瞬变抗扰度 (CMTI) 优于 100 kV/μs,单一封装能够支持高达 1500 VDC的全寿命工作电压。
 
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图2. ADuM4135框图
 
ADuM4135 采用 16 引脚宽体 SOIC 封装,包含米勒箝位,以便栅极电压低于 2 V 时实现稳健的 SiC/GaN MOS 或 IGBT 单轨电源关断。输出侧可以由单电源或双电源供电。去饱和检测电路集成在ADuM4135 上,提供高压短路开关工作保护。去饱和保护包含降低噪声干扰的功能,比如在开关动作之后提供 300 ns 的屏蔽时间,用来屏蔽初始导通时产生的电压尖峰。内部 500 µA 电流源有助于降低器件数量;如需提高抗噪水平,内部消隐开关也支持使用外部电流源。考虑到 IGBT 通用阈值水平,副边 UVLO 设置为 11 V。ADI公司 iCoupler 芯 片级变压器还提供芯片高压侧与低压侧之间的控制信息隔离通信。芯片状态信息可从专用输出读取。器件原边控制器件在副边发生故障后复位。
 
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图3. ADuM4135评估板
 
对于更紧凑的纯 SiC/GaN 应用,新型隔离式栅极驱动器 ADuM4121是解决方案。该驱动器同样基于 ADI 公司的 iCoupler 数字隔离技术,其传播延迟在同类器件中最低 (38 ns),支持最高开关频率和150 kV/μs 的最高共模瞬变抗扰度。ADuM4121 提供 5 kV rms 隔离,采用宽体 8 引脚 SOIC 封装。
 
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图4. ADuM4121框图
 
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图5. ADuM4121评估板
 
当隔离式栅极驱动器用在高速拓扑中时,必须对其正确供电以保持其性能水平。ADI公司的LT8304/LT8304-1是单芯片、微功耗、隔离式反激转换器。这些器件从原边反激式波形直接对隔离输出电压采样,无需第三绕组或隔离器进行调节。输出电压通过两个外部电阻和第三个可选温度补偿电阻进行编程。边界工作模式提供一种具有出色负载调整率的小型解决方案。低纹波突发工作模式可在小负载时保持高效率,同时使输出电压纹波最小。散热增强型8引脚SO封装中集成了2 A、150 V DMOS功率开关,以及所有高压电路和控制逻辑。LT8304/LT8304-1支持3 V至100 V的输入电压范围,最多可提供24 W的隔离输出功率。
 
ADI公司的LT3999是一款单芯片、高电压、高频率DC-DC变压器驱动器,提供隔离电源,解决方案尺寸很小。LT3999的最大开关频率为1 MHz,具有外部同步能力和2.7 V至36 V的宽输入工作电压范围,代表了为高速栅极驱动器提供稳定受控谐波和隔离电源的最高技术水准。它采用裸露焊盘的10引脚MSOP和3 mm × 3 mm DFN封装。
 
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图6. LT3999评估板
 
系统控制单元(一般是 MCU、DSP 或 FPGA 的组合)必须能够并行运行多个高速控制环路,而且还能管理安全特性。它们必须提、供冗余性以及大量独立的PWM信号、ADC 和 I/O。ADI 公司的 ADSPCM419F 支持设计人员通过一个混合信号双核处理器来管理并行高功率、高密度、混合开关、多电平功率转换系统。
 
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图7. ADSP-CM419F框图
 
ADSP-CM419F基于ARM® Cortex®-M4处理器内核,浮点单元工作频率高达240 MHz,而且包含一个工作频率高达100 MHz的ARMCortex-M0处理器内核。这使得单个芯片可以集成双核安全冗余性。主ARM Cortex-M4处理器集成带ECC(错误检查与校正)的160 KB SRAM存储器,带ECC的1 MB闪存,针对功率转换器控制而优化的加速器和外设(包括24个独立的PWM),以及由两个16位SAR型ADC、一个14位M0 ADC和一个12位DAC组成的模拟模块。ADSP-CM419F采用单电源供电,利用内部稳压器和一个外部调整管自行生成内部电压源。它采用210引脚BGA封装。
 
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图8. ADSP-CM419F评估板
 
快速精确的电压检测是高速设计必备的功能。ADI 公司的 AD7403是一款高性能二阶 ∑-∆ 调制器,能将模拟输入信号转换为高速(高达20 MHz)单比特数据流。8引脚宽体SOIC封装中集高速互补金属氧化物半导体 (CMOS) 技术与单芯片变压器技术(iCoupler技术)于一体。AD7403 采用5 V电源供电,可输入±250 mV的差分信号。通过适当的数字滤波器可重构原始信息,以在78.1 kSPS时实现88 dB的信噪比 (SNR)。
 
为使客户的新一代功率转换器设计具备高性能、高可靠性和市场竞争力,ADI公司已决定开发各种硬件和软件设计平台,其既可用于评估IC,又可作为完整系统的构建模块。这些设计平台目前针对战略客户而推出,代表了驱动新一代SiC/GaN功率转换器的完整IC生态系统的最高水准。设计平台类型众多,既有用于高电压、大电流SiC功率模块的隔离式栅极驱动器板,也有完整的交流/直流双向转换器,其中ADSP-CM419F的软件在正确控制SiC/GaN功率开关方面起着关键作用。
 
 
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