各種應(yīng)用的功率轉(zhuǎn)換器正從純硅IGBT轉(zhuǎn)向SiC/GaN MOSFET。一些市場（比如電機驅(qū)動逆變器市場）采用新技術(shù)的速度較慢，而另一些市場（比如太陽能逆變器、電動汽車牽引逆變器和充電器市場）在創(chuàng)新中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。

預(yù)計未來五年太陽能市場將以10%的年復(fù)合增長率增長，非常樂觀，而光伏系統(tǒng)價格預(yù)計將再下降20%。這很可能是光伏逆變器電子元件技術(shù)進步的結(jié)果。功率開關(guān) (SiC/GaN MOSFET) 的新技術(shù)將提高開關(guān)頻率，從而減小電感和電容尺寸，同時要求更精確、更快速、能效更高的檢測、控制和驅(qū)動IC。到2021年，在全部電站級逆變器中，30 kW至100 kW的1500 VDC電站級串式逆變器將占有90%以上的市場份額。它們代表了采用創(chuàng)新多電平拓撲結(jié)構(gòu)的新型高密度SiC/GaN功率開關(guān)的測試基準。

電動汽車 (EV) 和儲能系統(tǒng) (ESS) 等顛覆性新應(yīng)用，產(chǎn)生了對超高效率、高功率密度、高頻SiC功率轉(zhuǎn)換器的需求。車載牽引電機驅(qū)動器希望獲得最高功率密度以減小尺寸和重量，并刷新新的效率記錄，而車外快速充電器希求高電壓（高達2000 VDC、> 150 kW）和復(fù)雜的高頻拓撲結(jié)構(gòu)，從而降低磁性部件、機械部件和總成的整體系統(tǒng)成本。除此之外，這些新應(yīng)用也推動了創(chuàng)新多核控制處理器的發(fā)展，并能管理復(fù)雜的控制算法，確保系統(tǒng)在雙向模式下（從交流電網(wǎng)到直流負載及相反）工作時的效率和穩(wěn)定性。

圖1. ADI公司IC生態(tài)系統(tǒng)

驅(qū)動SiC/GaN功率開關(guān)需要設(shè)計一個完整的IC生態(tài)系統(tǒng)，這些IC經(jīng)過精密調(diào)整，彼此配合。設(shè)計重點不再只是以開關(guān)為中心，必須加以擴大。應(yīng)用的工作頻率、效率要求和拓撲結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性要求使用同類最佳的隔離式柵極驅(qū)動器（例如ADuM4135），其由高端隔離式電源電路（例如LT3999）供電。控制須利用集成高級模擬前端和特定安全特性的多核控制處理器（例如ADSP-CM419F）完成。最后，利用高能效隔離式∑-?型轉(zhuǎn)換器（例如AD7403）檢測電壓，從而實現(xiàn)設(shè)計的緊湊性。

在Si IGBT到SiC MOSFET的過渡階段，必須考慮混合拓撲結(jié)構(gòu)，其中SiC MOSFET用于高頻開關(guān)，Si IGBT用于低頻開關(guān)。隔離式柵極驅(qū)動器必須能夠驅(qū)動不同要求的開關(guān)，其中較多的是并聯(lián)且采用硅IGBT/SiC MOS混合式多電平配置?？蛻粝Ｍ环N器件就能滿足其所有應(yīng)用要求，從而簡化BOM并降低成本。利用多電平轉(zhuǎn)換器很容易達到1500 VDC以上的高工作電壓（例如大規(guī)模儲能使用2000 VDC），此類電壓對于為安全而實施的隔離柵是一個重大挑戰(zhàn)。

ADuM4135隔離式柵極驅(qū)動器采用ADI公司經(jīng)過驗證的iCoupler?技術(shù)，可以給高電壓和高開關(guān)速度應(yīng)用帶來諸多重要優(yōu)勢。ADuM4135是驅(qū)動SiC/GaN MOS的最佳選擇，出色的傳播延遲優(yōu)于50 ns，通道間匹配小于5 ns，共模瞬變抗擾度 (CMTI) 優(yōu)于100 kV/μs，單一封裝能夠支持高達1500 VDC的全壽命工作電壓。

圖2. ADuM4135評估板

ADuM4135采用16引腳寬體SOIC封裝，包含米勒箝位，以便柵極電壓低于2 V時實現(xiàn)穩(wěn)健的SiC/GaN MOS或IGBT單軌電源關(guān)斷。輸出側(cè)可以由單電源或雙電源供電。去飽和檢測電路集成在ADuM4135上，提供高壓短路開關(guān)工作保護。去飽和保護包含降低噪聲干擾的功能，比如在開關(guān)動作之后提供300 ns的屏蔽時間，用來屏蔽初始導(dǎo)通時產(chǎn)生的電壓尖峰。內(nèi)部500 μA電流源有助于降低器件數(shù)量；如需提高抗噪水平，內(nèi)部消隱開關(guān)也支持使用外部電流源?？紤]到IGBT通用閾值水平，副邊UVLO設(shè)置為11 V。ADI公司iCoupler芯片級變壓器還提供芯片高壓側(cè)與低壓側(cè)之間的控制信息隔離通信。芯片狀態(tài)信息可從專用輸出讀取。器件原邊控制器件在副邊發(fā)生故障后復(fù)位。

對于更緊湊的純SiC/GaN應(yīng)用，新型隔離式柵極驅(qū)動器ADuM4121是解決方案。該驅(qū)動器同樣基于ADI公司的iCoupler數(shù)字隔離技術(shù)，其傳播延遲在同類器件中最低 (38 ns)，支持最高開關(guān)頻率和150 kV/μs的最高共模瞬變抗擾度。ADuM4121提供5 kV rms隔離，采用寬體8引腳SOIC封裝。

圖3. ADuM4135框圖

圖4. ADuM4121框圖

圖5. ADuM4121評估板

當隔離式柵極驅(qū)動器用在高速拓撲中時，必須對其正確供電以保持其性能水平。ADI公司的LT8304/LT8304-1是單芯片、微功耗、隔離式反激轉(zhuǎn)換器。這些器件從原邊反激式波形直接對隔離輸出電壓采樣，無需第三繞組或隔離器進行調(diào)節(jié)。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。邊界工作模式提供一種具有出色負載調(diào)整率的小型解決方案。低紋波突發(fā)工作模式可在小負載時保持高效率，同時使輸出電壓紋波最小。散熱增強型8引腳SO封裝中集成了2 A、150 V DMOS功率開關(guān)，以及所有高壓電路和控制邏輯。LT8304/LT8304-1支持3 V至100 V的輸入電壓范圍，最多可提供24 W的隔離輸出功率。

ADI公司的LT3999是一款單芯片、高電壓、高頻率DC-DC變壓器驅(qū)動器，提供隔離電源，解決方案尺寸很小。LT3999的最大開關(guān)頻率為1 MHz，具有外部同步能力和2.7 V至36 V的寬輸入工作電壓范圍，代表了為高速柵極驅(qū)動器提供穩(wěn)定受控諧波和隔離電源的最高技術(shù)水準。它采用裸露焊盤的10引腳MSOP和3 mm × 3 mm DFN封裝。

圖6. LT3999評估板

系統(tǒng)控制單元（一般是MCU、DSP或FPGA的組合）必須能夠并行運行多個高速控制環(huán)路，而且還能管理安全特性。它們必須提供冗余性以及大量獨立的PWM信號、ADC和I/O。ADI公司的ADSPCM419F支持設(shè)計人員通過一個混合信號雙核處理器來管理并行高功率、高密度、混合開關(guān)、多電平功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。

圖7. ADSP-CM419F框圖

ADSP-CM419F基于ARM? Cortex?-M4處理器內(nèi)核，浮點單元工作頻率高達240 MHz，而且包含一個工作頻率高達100 MHz的ARMCortex-M0處理器內(nèi)核。這使得單個芯片可以集成雙核安全冗余性。主ARM Cortex-M4處理器集成帶ECC（錯誤檢查與校正）的160 KB SRAM存儲器，帶ECC的1 MB閃存，針對功率轉(zhuǎn)換器控制而優(yōu)化的加速器和外設(shè)（包括24個獨立的PWM），以及由兩個16位SAR型ADC、一個14位M0 ADC和一個12位DAC組成的模擬模塊。ADSP-CM419F采用單電源供電，利用內(nèi)部穩(wěn)壓器和一個外部調(diào)整管自行生成內(nèi)部電壓源。它采用210引腳BGA封裝。

圖8. ADSP-CM419F評估板

快速精確的電壓檢測是高速設(shè)計必備的功能。ADI公司的AD7403是一款高性能二階∑-?調(diào)制器，能將模擬輸入信號轉(zhuǎn)換為高速（高達20 MHz）單比特數(shù)據(jù)流。8引腳寬體SOIC封裝中集高速互補金屬氧化物半導(dǎo)體 (CMOS) 技術(shù)與單芯片變壓器技術(shù)（iCoupler技術(shù)）于一體。AD7403采用5 V電源供電，可輸入±250 mV的差分信號。通過適當?shù)臄?shù)字濾波器可重構(gòu)原始信息，以在78.1 kSPS時實現(xiàn)88 dB的信噪比 (SNR)。

為使客戶的新一代功率轉(zhuǎn)換器設(shè)計具備高性能、高可靠性和市場競爭力，ADI公司已決定開發(fā)各種硬件和軟件設(shè)計平臺，其既可用于評估IC，又可作為完整系統(tǒng)的構(gòu)建模塊。這些設(shè)計平臺目前針對戰(zhàn)略客戶而推出，代表了驅(qū)動新一代SiC/GaN功率轉(zhuǎn)換器的完整IC生態(tài)系統(tǒng)的最高水準。設(shè)計平臺類型眾多，既有用于高電壓、大電流SiC功率模塊的隔離式柵極驅(qū)動器板，也有完整的交流/直流雙向轉(zhuǎn)換器，其中ADSP-CM419F的軟件在正確控制SiC/GaN功率開關(guān)方面起著關(guān)鍵作用。