SiC/GaN功率开关完整的系统解决方案

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。

—— ADI公司再生能源战略营销经理

Stefano Gallinaro

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。

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。

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 ?A 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。

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。

图4. ADuM4121框图

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。

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。

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ARM Cortex-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。

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。