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創建驅動第三代功率半導體轉換器IC生態系統

（2024年11月23日更新）

大型數據中心、企業服務器和5G廣泛部署電信基站、電動汽車充電站、新能源等基礎設施，使功耗快速增長，效率高AC/DC電源對電信和數據通信基礎設施的發展至關重要。近年來，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高性能開關換效率和密度的高性能開關。新的和未來的SiC/GaN功率開關將在各個方面取得巨大的進步，其巨大的優勢——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，將有助于實現更緊湊、更昂貴的功率應用。

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好馬配好鞍，實現隔離柵極驅動的高效功率轉換

SiC/GaN常用作高壓和高電流開關。這些功率晶體管由電壓控制，其主要損耗是在開關期間造成的。為了大大降低開關損耗，需要較短的開關時間。然而，快速開關也有高壓瞬變的危險，這可能會影響甚至損壞處理器的邏輯電路。因此，為SiC/GaN柵極驅動器還提供短路保護功能，這也會影響開關速度。然而，在選擇柵極驅動器時，某些特性非常重要。

在開關過程中，晶體管將同時施加高電壓和高電流。根據歐姆定律，這將導致一定的損失，這取決于這些狀態的持續時間。目標是在很大程度上減少這些時間段。這里的主要影響因素是晶體管的柵極電容。為了實現開關，必須充放電。高瞬態電流將加速此過程。

圖1 晶體管各損耗成分的簡化表明

出于功能和安全考慮，電力電子需要隔離。由于使用了柵極驅動器，它將與高總線電壓和電流接觸，隔離是不可避免的。功率級驅動通常發生在低壓電路中，因此不能驅動半橋拓撲的高端（high-side）由于低端開關同打開時，開關電位較高。同時，隔離意味著高壓部分在發生故障時可靠地與控制電路隔離，以便人工接觸。隔離柵極驅動器Viso(隔離耐壓等級)一般為5 kV(rms)/min或更高。

此外，惡劣的工業環境要求應用對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是一個關鍵因素，因為它們可以耦合到柵極驅動器中，并在不想要的時間內激勵功率級開關。隔離格柵驅動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優秀于150 kV/μs的規格值。

因此，隔離驅動器可以在更長的時間內提供更高的柵極電流，對開關損耗起到更積極的作用。例如，基于iCoupler數字隔離技術ADuM4135可以提供高達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關速度應用帶來諸多重要優勢。對于更緊湊的純度SiC/GaN應用，新FoxElectronics代理隔離格柵極驅動器ADuM4121是同類設備中傳播延遲最低的理想解決方案(38ns)，支持最高開關頻率和150 kV/μs最高共模瞬變抗擾度。ADuM4121提供5 kV rms隔離。

一個英雄三幫，構建完整IC生態支持高性能功率轉換

除了提供更高性能的開關驅動外，還需要檢測IC、電源控制器和高集成嵌入式處理器可以管理復雜的多電平和多級功率電路，從而正確發揮新一代的作用SiC/GaN功率轉換器的優點。驅動SiC/GaN功率開關需要一個完整的功率開關IC生態系統支持，包括高質量的隔離柵極驅動和高端隔離電源電路供電，采用多核控制處理器集成高級模擬前端和特定安全特性，采用高效隔離∑-?為了實現設計的緊湊性，轉換器檢測電壓。

如何為隔離柵極驅動器供電，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變壓器驅動器提供隔離電源，解決方案尺寸小。LT3999最大開關頻率為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動器提供穩定控制諧波和隔離電源的高科技水平。

高速拓撲采用隔離柵極驅動時，可選用單芯片、微功耗、隔離反激轉換器LT8304/LT8304-1供電以保持其性能水平。無需第三繞組或隔離器調整，這些裝置直接從原邊反激波形采樣隔離輸出電壓。輸出電壓通過兩個外部電阻和第三個可選溫度補償電阻進行編程。邊界工作模式提供了負載調整率優異的小解決方案。低紋波突發工作模式能在小負荷下保持高效率，同時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生態系統

系統控制單元(通常是MCU、DSP或FPGA組合)必須能夠并行運行多個高速控制環，并管理安全特性。它們必須提供冗余和大量的獨立性PWM信號、ADC和I/O。例如ADSPCM419F支持設計師管理并行高功率、高密度、混合開關和多電平功率轉換系統。ADSPCM419F基于ARMCortex-M4.浮點單元工作頻率高達240 MHz，而且還包括一個工作頻率高達1000 MHz的ARMCortex-M0處理器內核。這使得單個芯片能夠集成雙核安全冗余。

高性能二的電壓檢測是高速設計的必要功能，可采用高性能二級∑-?例如，基于調制器的實現AD7403可以將模擬輸入信號轉換為高速(高達20 MHz）單比特數據流。8引腳寬體SOIC高速互補金屬氧化物半導體(CMOS)單芯片變壓器技術（iCoupler技術)于一體。AD7403采用5 V供電，可輸入±250 mV差分信號。78.1 kSPS時實現88 dB的信噪比(SNR)。

(注:本文發表《IC2022年7月，代理雜志