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【世说知识】一文了解 SiC/GaN 功率转换器驱动

2018-12-03
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基于碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)等宽带隙(WBG)半导体的新型高效率、超快速功率转换器已经开始在各种创新市场和应用领域攻城略地——这类应用包括太阳能光伏逆变器、能源存储、车辆电气化(如充电器和牵引电机逆变器)。为了充分利用新型功率转换技术,必须在转换器设计中实施完整的IC生态系统,从最近的芯片到功率开关和栅极驱动器。

隔离式栅极驱动器的要求已经开始变化,不同于以前的硅IGBT驱动器。对于SiC和GaN MOSFET,需要高CMTI >100 kV/μs、宽栅极电压摆幅、快速上升/下降时间和超低传播延迟。ADI的ADuM4135隔离式栅极驱动器具备所有必要的技术特性,采用16引脚宽体SOIC封装。配合ADSP-CM419F高端混合信号控制处理器,它们可以对基于SiC/GaN的新一代高密度功率转换器的高速复杂多层控制环路进行管理。


图1.2021年功率转换器市场预测。


功率转换器市场的年均复合增长率超过6.5%,到2021年,市场规模有望达800亿美元。目前,基于硅IGBT的传统逆变器和转换器占据市场主体(占比超过70%),这主要归功于工厂生产线中的电机驱动应用和第一代风力和太阳能逆变器。


功率开关领域取得的新技术进步已经开始把第三代SiC MOSFET以及第一代和第二代GaN MOSFET带向市场。在一段时间内局限于部分小众功率应用之后,WBG技术已经开始被运用在多种应用当中,比如基于电池的能源存储应用、电动汽车充电器、牵引电机、太阳能光伏逆变器等。得益于新市场的拓展,其价格快速下降,结果又促使其进入了其他最初那些看重价格的市场。大规模生产进一步降低了价格,而且这一趋势将继续下去。WBG半导体的普及是技术(以及整个经济)循环的一个绝佳例子。


推动SiC/GaN功率开关普及的主要应用有太阳能光伏逆变器、电动汽车充电器和储能转换器。这里利用了超快的小型高效功率开关的附加价值,为市场带来了超高开关频率和超过99%的杰出效率目标。为了实现这些目标,设计师面临着新的挑战,需要削减功率转换器的重量和尺寸(即提高功率密度)。


当然,这些问题的解决不可能一蹴而就。需要所有相关工艺取得进步,进行创新。这样的一个例子是与高压功率电子系统的应用相关的技术瓶颈问题。从架构角度来说,可以选择高压(HV)系统,但长期以来,某些半导体技术却阻碍了这一选择。如今,宽带隙半导体的问世为解决这个问题带来了曙光,使高压系统成为更可行并且值得考虑的一个选项。太阳能串式逆变器的标准是1500 VDC,而1000 VDC、很快2000 VDC就会成为储能转换器(基于电池)和电动汽车充电器的标准。


事实上,转向兼容WBG半导体的高压系统是一件非常有意思的事,原因有三:

首先,高压意味着低电流,这又意味着系统所用铜总量会减少,结果又会直接影响到系统成本的降低。


其次,宽带隙技术(通过高压实现)的阻性损耗减少,结果意味着更高的效率,还能减小冷却系统的尺寸,降低其必要性。


最后,在子系统层次,它们使工程师可以从基于基板功率模块的设计转向分立式设计或基于功率模块的轻型设计。这暗示要采用兼容型PCB和较小的电线,而不是采用汇流条和较重的电线。


总之,如果设计的核心目标是降低重量和/或成本或提高性能,高压系统是值得的。因此,对于二级应用来说,1.7 kV和3.3 kV SiC MOSFET高击穿电压已经成为标准,而1.2 kV SiC MOSFET则为新一代第二级和第三级应用的主流功率开关。


从工程角度来看,SiC/GaN具有明显的优势。

  • 首先,WGB半导体内在具有卓越的dV/dt切换性能,意味着开关损耗非常小。这使得高开关频率(SiC为50 kHz至500 kHz,GaN为1 MHz以上)成为可能,结果有助于减小磁体体积,同时提升功率密度。

  • 电感值、尺寸和重量能减少70%以上,同时还能减少电容数量,使最终转换器的尺寸和重量仅相当于传统转换器的五分之一。

  • 无源元件和机械部件(包括散热器)的用量可节省约40%,增值部分则体现在控制电子IC上。


这些技术的另一大优势是其对高结温具有超高的耐受性。这种耐受性有助于提升功率密度,减少散热问题。


SiC/GaN开关有助于减少损耗的其他特性有:二极管无需任何恢复(整流损耗减少)、低Rds(on)(可减少导电)、高压工作模式等。

凭借这些优势,可以为新型应用设计和实现创新型的功率电子拓扑结构。SiC/GaN功率开关在谐振电路(如LLC或PRC)、桥接拓扑结构(相移全桥)或无桥功率因数校正(PFC)的设计方面非常有用。这是因为它们具有高开关频率、高效率(要归功于零电压开关和零电流开关)和由此实现的高功率密度。


SiC-/GaN功率晶体管可实现多级功率转换级和全双向工作模式,硅IGBT则因逆变工作模式而受到一些限制。


在功率流向电池或从电池流向负载或电网的一类应用(如储能)中,双向工作模式日益成为一项强制要求。设计出采用紧凑封装的高功率转换器为电池充电精度可能较高的分布式储能系统创造了可能。


为了实现基于SiC/GaN的设计的诸多优势,我们应该直面与其相关的各种技术挑战。我们可以把这些挑战分为三大类:开关的驱动,组合电源的正确选择,以及功率转换器环路的正确控制。


在SiC MOSFET驱动方面,工程师需要考虑新的问题,比如负偏置(用于栅极驱动器)和驱动电压的精度(对GaN甚至更为重要)。对这种误差应该尽量避免,因为其可能会影响到整个系统。


ADI iCoupler®隔离式栅极驱动器克服了基于光耦合器和高压栅极驱动器的局限性。光耦合器速度慢,耗电量大,难以与其他功能集成,并且随着时间的推移,其性能会下降。相比之下,可代替光耦合器方案的iCoupler数字隔离器则融合了高带宽片内变压器和精细CMOS电路,为设计人员改善了可靠性、尺寸、功耗、速度、时序精度和易用性。iCoupler技术问世于十年前,用于解决光耦合器的局限性问题。ADI公司的数字隔离器利用低应力厚膜聚酰亚胺绝缘层实现数千伏的隔离,可以将其与标准硅IC集成,形成单通道、多通道和双向配置的单片系统:20 μm至30 μm聚酰亚胺绝缘层,耐受力大于5 kV rms。


图2. 聚酰亚胺绝缘层上的iCoupler变压器线圈


ADI栅极驱动器产品组合中最具代表性的IC是ADuM4135(面向SiC MOSFET的高端隔离式栅极驱动器)和ADuM4121(面向高密度SiC和GaN设计的快速、紧凑型解决方案)。采用ADI历经检验的iCoupler技术,ADuM4135隔离式栅极驱动器可为高压、高开关速率应用带来多种关键优势。ADuM4135是驱动SiC/GaN MOS的最佳选择,因为它具有优秀的传播延迟(低于50 ns),通道匹配时间低于5 ns,共模瞬变抗扰度(CMTI)超过100 kV/μs,采用单一封装,支持最高1500 VDC的全寿命工作电压。


图3.ADuM4135评估板

图4.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电流源有助于降低整体器件数量,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。当器件副边出现故障时,可以在原边对复位操作进行控制。


对于更加紧凑和更简单的拓扑结构(例如,基于GaN的半桥),新型ADuM4121隔离式栅极驱动器是最佳解决方案。该解决方案同样基于ADI iCoupler数字隔离技术,其传播延迟仅为38 ns,为同类最低水平,可支持最高开关频率。ADuM4121提供5 kV rms隔离,采用窄体8引脚SOIC封装。


图5.ADuM4121框图

图6.ADuM4121评估板


与SiC/GaN开关的驱动相关的一个关键方面是它们需要其在高压和高频条件下工作。在这些条件下,根本不允许使用容性或感性寄生元件。设计必须精雕细琢,在设计电路板路由、定义布局时务必特别小心。若要避免所有EMI和噪声问题,这是一个巨大但必不可少的挑战。WBG半导体设计要求采用高压和高频无源元件(磁体和电容)。不能低估在确定规模、设计和制造这些器件方面存在的挑战。然而,这些领域的技术也在进步,WGB半导体带来的可能性必将增加将来获取这些器件的便利性。


如前所述,WBG半导体在实现高效率、高密度拓扑结构方面尤其有效,特别是在谐振拓扑结构方面。但是,这些拓扑结构非常复杂,其控制本身就是一项挑战。例如,调节谐振拓扑结构需要输入大量的参数(输入电压、输入电流、输出电压等),再加上调频和调相(超高频),这些问题并不会使工程师的工作变得轻松。数字元件(DSP、ADC等)的选择也是至关重要的。


系统控制单元(一般是MCU、DSP或FPGA的组合)必须能并行运行多个高速控制环路,还要能管理安全特性。它们必须提供冗余性以及大量独立的PWM信号、ADC和I/O。ADI的ADSP-CM419F使设计师可以用一个混合信号双核处理器同时管理高功率、高密度、混合开关、多层功率转换系统。


图7.ADSP-CM419F框图


ADSP-CM419F处理器基于ARM® Cortex®-M4处理器内核,浮点单元工作频率高达240 MHz,集成的ARM® Cortex-M0处理器内核工作频率高达100 MHz。这使得单个芯片可以集成双核安全冗余性。ARM Cortex-M4主处理器集成搭载ECC的160 kB SRAM存储器、搭载ECC的1 MB闪存、加速器以及专门针对功率转换器控制而优化的外设(如24个独立PWM),以及由两个16位SAR类ADC、一个14位Cortex-M0 ADC和一个12位DAC构成的模拟模块。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


ADI与WATT&WELL合作开发一系列基于SiC MOSFET的高端功率转换器。合作的第一个项目是为ADI隔离式栅极驱动器设计高压、高电流评估板。高功率规格(如1200 V、100 A、250 kHz以上的开关频率,可靠、鲁棒的设计)使客户可以全面评估用于驱动SiC和GaN MOSFET的ADI系列IC。


图9.隔离式栅极驱动器电路板简化功能框图


在图9中,我们可以看到功率开关驱动器中的主要元件,从产生正栅极电压电平的LT3999DC-DC变压器驱动器,到产生负栅极电压电平的REF19x(或LT1121x)高效线性稳压器,再到ADuM4135隔离式栅极驱动器。主控制器用ADSP-CM419F处理器表示,可以嵌入电路板,也可连接高频线缆并为隔离式栅极驱动器生成PWM信号。


提供高性能驱动电路面临的挑战不仅是要采用市场上最优秀的隔离式栅极驱动器。ADI解决方案的独特之处在于它能提供现成的完整系统级设计,这与ADI与凌力尔特(现为ADI的一部分)器件的整合是分不开的。专用电源与稳定的过冲/欠冲自由基准电压源的组合是工作频率超过250 kHz的应用的必然选择。开始时,会将PCB布局方案以及原理图和用户手册提供给战略客户,然后于年底发布在ADI网站上。


图10.隔离式栅极驱动器电路板


ADI和WATT&WELL已经在这一高端设计领域展开合作,该设计将ADI在硅和系统层积累的丰富知识与WATT&WELL掌握的专业知识有机地结合起来,打造出的鲁棒型高可靠应用必能从容应对高开关频率、高功率密度和高温环境三项苛刻要求。通过合作,ADI可以为客户提供完全可行的解决方案,帮助客户在短时间内实现领先的新型设计,从而提高竞争力和可靠性。


原文转自亚德诺半导体

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