簡介
目前，功率轉(zhuǎn)換器市場快速演進(jìn)，將來也會(huì)快速發(fā)展，從簡單的高性價(jià)比設(shè)計(jì)模式走向更為廣泛、更具持續(xù)性的創(chuàng)新模式。新的挑戰(zhàn)不斷涌現(xiàn)，比如，生產(chǎn)能供小型伺服驅(qū)動(dòng)使用或者能集成到分布式存能單元功率轉(zhuǎn)換器中的更小、更高效的功率轉(zhuǎn)換器。這也意味著，要用更高的工作電壓來管理更高的功率，卻不能增加重量和尺寸，比如，太陽能串式逆變器和電動(dòng)汽車牽引電機(jī)等應(yīng)用場合。
基于碳化硅(SiC)、氮化鎵(GaN)等寬帶隙(WBG)半導(dǎo)體的新型高效率、超快速功率轉(zhuǎn)換器已經(jīng)開始在各種創(chuàng)新市場和應(yīng)用領(lǐng)域攻城略地——這類應(yīng)用包括太陽能光伏逆變器、能源存儲(chǔ)、車輛電氣化(如充電器和牽引電機(jī)逆變器)。為了充分利用新型功率轉(zhuǎn)換技術(shù)，必須在轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)中實(shí)施完整的IC生態(tài)系統(tǒng)，從最近的芯片到功率開關(guān)和柵極驅(qū)動(dòng)器。隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器的要求已經(jīng)開始變化，不同于以前的硅IGBT驅(qū)動(dòng)器。對于SiC和GaN MOSFET，需要高CMTI >100 kV/μs、寬柵極電壓擺幅、快速上升/下降時(shí)間和超低傳播延遲。ADI的ADuM4135隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器具備所有必要的技術(shù)特性，采用16引腳寬體SOIC封裝。配合ADSP-CM419F高端混合信號(hào)控制處理器，它們可以對基于SiC/GaN的新一代高密度功率轉(zhuǎn)換器的高速復(fù)雜多層控制環(huán)路進(jìn)行管理。
圖1.2021年功率轉(zhuǎn)換器市場預(yù)測。
功率轉(zhuǎn)換器市場的年均復(fù)合增長率超過6.5%，到2021年，市場規(guī)模有望達(dá)800億美元。目前，基于硅IGBT的傳統(tǒng)逆變器和轉(zhuǎn)換器占據(jù)市場主體(占比超過70%)，這主要?dú)w功于工廠生產(chǎn)線中的電機(jī)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用和第一代風(fēng)力和太陽能逆變器。
功率開關(guān)領(lǐng)域取得的新技術(shù)進(jìn)步已經(jīng)開始把第三代SiC MOSFET以及第一代和第二代GaN MOSFET帶向市場。在一段時(shí)間內(nèi)局限于部分小眾功率應(yīng)用之后，WBG技術(shù)已經(jīng)開始被運(yùn)用在多種應(yīng)用當(dāng)中，比如基于電池的能源存儲(chǔ)應(yīng)用、電動(dòng)汽車充電器、牽引電機(jī)、太陽能光伏逆變器等。得益于新市場的拓展，其價(jià)格快速下降，結(jié)果又促使其進(jìn)入了其他最初那些看重價(jià)格的市場。大規(guī)模生產(chǎn)進(jìn)一步降低了價(jià)格，而且這一趨勢將繼續(xù)下去。WBG半導(dǎo)體的普及是技術(shù)(以及整個(gè)經(jīng)濟(jì))循環(huán)的一個(gè)絕佳例子。
推動(dòng)SiC/GaN功率開關(guān)普及的主要應(yīng)用有太陽能光伏逆變器、電動(dòng)汽車充電器和儲(chǔ)能轉(zhuǎn)換器。這里利用了超快的小型高效功率開關(guān)的附加價(jià)值，為市場帶來了超高開關(guān)頻率和超過99%的杰出效率目標(biāo)。為了實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)，設(shè)計(jì)師面臨著新的挑戰(zhàn)，需要削減功率轉(zhuǎn)換器的重量和尺寸(即提高功率密度)。
當(dāng)然，這些問題的解決不可能一蹴而就。需要所有相關(guān)工藝取得進(jìn)步，進(jìn)行創(chuàng)新。這樣的一個(gè)例子是與高壓功率電子系統(tǒng)的應(yīng)用相關(guān)的技術(shù)瓶頸問題。從架構(gòu)角度來說，可以選擇高壓(HV)系統(tǒng)，但長期以來，某些半導(dǎo)體技術(shù)卻阻礙了這一選擇。如今，寬帶隙半導(dǎo)體的問世為解決這個(gè)問題帶來了曙光，使高壓系統(tǒng)成為更可行并且值得考慮的一個(gè)選項(xiàng)。太陽能串式逆變器的標(biāo)準(zhǔn)是1500 VDC，而1000 VDC、很快2000 VDC就會(huì)成為儲(chǔ)能轉(zhuǎn)換器(基于電池)和電動(dòng)汽車充電器的標(biāo)準(zhǔn)。
事實(shí)上，轉(zhuǎn)向兼容WBG半導(dǎo)體的高壓系統(tǒng)是一件非常有意思的事，原因有三：首先，高壓意味著低電流，這又意味著系統(tǒng)所用銅總量會(huì)減少，結(jié)果又會(huì)直接影響到系統(tǒng)成本的降低。其次，寬帶隙技術(shù)(通過高壓實(shí)現(xiàn))的阻性損耗減少，結(jié)果意味著更高的效率，還能減小冷卻系統(tǒng)的尺寸，降低其必要性。最后，在子系統(tǒng)層次，它們使工程師可以從基于基板功率模塊的設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)向分立式設(shè)計(jì)或基于功率模塊的輕型設(shè)計(jì)。這暗示要采用兼容型PCB和較小的電線，而不是采用匯流條和較重的電線。
總之，如果設(shè)計(jì)的核心目標(biāo)是降低重量和/或成本或提高性能，高壓系統(tǒng)是值得的。因此，對于二級(jí)應(yīng)用來說，1.7 kV和3.3 kV SiC MOSFET高擊穿電壓已經(jīng)成為標(biāo)準(zhǔn)，而1.2 kV SiC MOSFET則為新一代第二級(jí)和第三級(jí)應(yīng)用的主流功率開關(guān)。
從工程角度來看，SiC/GaN具有明顯的優(yōu)勢。首先，WGB半導(dǎo)體內(nèi)在具有卓越的dV/dt切換性能，意味著開關(guān)損耗非常小。這使得高開關(guān)頻率(SiC為50 kHz至500 kHz，GaN為1 MHz以上)成為可能，結(jié)果有助于減小磁體體積，同時(shí)提升功率密度。電感值、尺寸和重量能減少70%以上，同時(shí)還能減少電容數(shù)量，使最終轉(zhuǎn)換器的尺寸和重量僅相當(dāng)于傳統(tǒng)轉(zhuǎn)換器的五分之一。無源元件和機(jī)械部件(包括散熱器)的用量可節(jié)省約40%，增值部分則體現(xiàn)在控制電子IC上。
這些技術(shù)的另一大優(yōu)勢是其對高結(jié)溫具有超高的耐受性。這種耐受性有助于提升功率密度，減少散熱問題。
SiC/GaN開關(guān)有助于減少損耗的其他特性有：二極管無需任何恢復(fù)(整流損耗減少)、低Rds(on)(可減少導(dǎo)電)、高壓工作模式等。
憑借這些優(yōu)勢，可以為新型應(yīng)用設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新型的功率電子拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。SiC/GaN功率開關(guān)在諧振電路(如LLC或PRC)、橋接拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)(相移全橋)或無橋功率因數(shù)校正(PFC)的設(shè)計(jì)方面非常有用。這是因?yàn)樗鼈兙哂懈唛_關(guān)頻率、高效率(要?dú)w功于零電壓開關(guān)和零電流開關(guān))和由此實(shí)現(xiàn)的高功率密度。
SiC-/GaN功率晶體管可實(shí)現(xiàn)多級(jí)功率轉(zhuǎn)換級(jí)和全雙向工作模式，硅IGBT則因逆變工作模式而受到一些限制。
在功率流向電池或從電池流向負(fù)載或電網(wǎng)的一類應(yīng)用(如儲(chǔ)能)中，雙向工作模式日益成為一項(xiàng)強(qiáng)制要求。設(shè)計(jì)出采用緊湊封裝的高功率轉(zhuǎn)換器為電池充電精度可能較高的分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)創(chuàng)造了可能。
為了實(shí)現(xiàn)基于SiC/GaN的設(shè)計(jì)的諸多優(yōu)勢，我們應(yīng)該直面與其相關(guān)的各種技術(shù)挑戰(zhàn)。我們可以把這些挑戰(zhàn)分為三大類：開關(guān)的驅(qū)動(dòng)，組合電源的正確選擇，以及功率轉(zhuǎn)換器環(huán)路的正確控制。
在SiC MOSFET驅(qū)動(dòng)方面，工程師需要考慮新的問題，比如負(fù)偏置(用于柵極驅(qū)動(dòng)器)和驅(qū)動(dòng)電壓的精度(對GaN甚至更為重要)。對這種誤差應(yīng)該盡量避免，因?yàn)槠淇赡軙?huì)影響到整個(gè)系統(tǒng)。
ADI iCoupler?隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器克服了基于光耦合器和高壓柵極驅(qū)動(dòng)器的局限性。光耦合器速度慢，耗電量大，難以與其他功能集成，并且隨著時(shí)間的推移，其性能會(huì)下降。相比之下，可代替光耦合器方案的iCoupler數(shù)字隔離器則融合了高帶寬片內(nèi)變壓器和精細(xì)CMOS電路，為設(shè)計(jì)人員改善了可靠性、尺寸、功耗、速度、時(shí)序精度和易用性。iCoupler技術(shù)問世于十年前，用于解決光耦合器的局限性問題。ADI公司的數(shù)字隔離器利用低應(yīng)力厚膜聚酰亞胺絕緣層實(shí)現(xiàn)數(shù)千伏的隔離，可以將其與標(biāo)準(zhǔn)硅IC集成，形成單通道、多通道和雙向配置的單片系統(tǒng)：20 μm至30 μm聚酰亞胺絕緣層，耐受力大于5 kV rms。
圖2. 聚酰亞胺絕緣層上的iCoupler變壓器線圈。
ADI柵極驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)品組合中最具代表性的IC是ADuM4135(面向SiC MOSFET的高端隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器)和ADuM4121(面向高密度SiC和GaN設(shè)計(jì)的快速、緊湊型解決方案)。采用ADI歷經(jīng)檢驗(yàn)的iCoupler技術(shù)，ADuM4135隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器可為高壓、高開關(guān)速率應(yīng)用帶來多種關(guān)鍵優(yōu)勢。ADuM4135是驅(qū)動(dòng)SiC/GaN MOS的最佳選擇，因?yàn)樗哂袃?yōu)秀的傳播延遲(低于50 ns)，通道匹配時(shí)間低于5 ns，共模瞬變抗擾度(CMTI)超過100 kV/μs，采用單一封裝，支持最高1500 VDC的全壽命工作電壓。
圖3.ADuM4135評估板。
圖4.ADuM4135框圖。
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(shí)實(shí)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(hù)。去飽和保護(hù)包含降低噪聲干擾的功能，比如在開關(guān)動(dòng)作之后提供300 ns的屏蔽時(shí)間，用來屏蔽初始導(dǎo)通時(shí)產(chǎn)生的電壓尖峰。內(nèi)部500 μA電流源有助于降低整體器件數(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。考慮到IGBT通用閾值水平，副邊UVLO設(shè)置為11 V。ADI公司iCoupler芯片級(jí)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。當(dāng)器件副邊出現(xiàn)故障時(shí)，可以在原邊對復(fù)位操作進(jìn)行控制。
對于更加緊湊和更簡單的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)(例如，基于GaN的半橋)，新型ADuM4121隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器是最佳解決方案。該解決方案同樣基于ADI iCoupler數(shù)字隔離技術(shù)，其傳播延遲僅為38 ns，為同類最低水平，可支持最高開關(guān)頻率。ADuM4121提供5 kV rms隔離，采用窄體8引腳SOIC封裝。
圖5.ADuM4121框圖。
圖6.ADuM4121評估板。
與SiC/GaN開關(guān)的驅(qū)動(dòng)相關(guān)的一個(gè)關(guān)鍵方面是它們需要其在高壓和高頻條件下工作。在這些條件下，根本不允許使用容性或感性寄生元件。設(shè)計(jì)必須精雕細(xì)琢，在設(shè)計(jì)電路板路由、定義布局時(shí)務(wù)必特別小心。若要避免所有EMI和噪聲問題，這是一個(gè)巨大但必不可少的挑戰(zhàn)。WBG半導(dǎo)體設(shè)計(jì)要求采用高壓和高頻無源元件(磁體和電容)。不能低估在確定規(guī)模、設(shè)計(jì)和制造這些器件方面存在的挑戰(zhàn)。然而，這些領(lǐng)域的技術(shù)也在進(jìn)步，WGB半導(dǎo)體帶來的可能性必將增加將來獲取這些器件的便利性。
如前所述，WBG半導(dǎo)體在實(shí)現(xiàn)高效率、高密度拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)方面尤其有效，特別是在諧振拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)方面。但是，這些拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，其控制本身就是一項(xiàng)挑戰(zhàn)。例如，調(diào)節(jié)諧振拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)需要輸入大量的參數(shù)(輸入電壓、輸入電流、輸出電壓等)，再加上調(diào)頻和調(diào)相(超高頻)，這些問題并不會(huì)使工程師的工作變得輕松。數(shù)字元件(DSP、ADC等)的選擇也是至關(guān)重要的。
系統(tǒng)控制單元(一般是MCU、DSP或FPGA的組合)必須能并行運(yùn)行多個(gè)高速控制環(huán)路，還要能管理安全特性。它們必須提供冗余性以及大量獨(dú)立的PWM信號(hào)、ADC和I/O。ADI的ADSP-CM419F使設(shè)計(jì)師可以用一個(gè)混合信號(hào)雙核處理器同時(shí)管理高功率、高密度、混合開關(guān)、多層功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。
圖7.ADSP-CM419F框圖。
ADSP-CM419F處理器基于ARM? Cortex?-M4處理器內(nèi)核，浮點(diǎn)單元工作頻率高達(dá)240 MHz，集成的ARM? Cortex-M0處理器內(nèi)核工作頻率高達(dá)100 MHz。這使得單個(gè)芯片可以集成雙核安全冗余性。ARM Cortex-M4主處理器集成搭載ECC的160 kB SRAM存儲(chǔ)器、搭載ECC的1 MB閃存、加速器以及專門針對功率轉(zhuǎn)換器控制而優(yōu)化的外設(shè)(如24個(gè)獨(dú)立PWM)，以及由兩個(gè)16位SAR類ADC、一個(gè)14位Cortex-M0 ADC和一個(gè)12位DAC構(gòu)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(gè)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。
ADI與WATT&WELL合作開發(fā)一系列基于SiC MOSFET的高端功率轉(zhuǎn)換器。合作的第一個(gè)項(xiàng)目是為ADI隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)高壓、高電流評估板。高功率規(guī)格(如1200 V、100 A、250 kHz以上的開關(guān)頻率，可靠、魯棒的設(shè)計(jì))使客戶可以全面評估用于驅(qū)動(dòng)SiC和GaN MOSFET的ADI系列IC。
圖9.隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器電路板簡化功能框圖。
在圖9中，我們可以看到功率開關(guān)驅(qū)動(dòng)器中的主要元件，從產(chǎn)生正柵極電壓電平的LT3999DC-DC變壓器驅(qū)動(dòng)器，到產(chǎn)生負(fù)柵極電壓電平的REF19x(或LT1121x)高效線性穩(wěn)壓器，再到ADuM4135隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器。主控制器用ADSP-CM419F處理器表示，可以嵌入電路板，也可連接高頻線纜并為隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器生成PWM信號(hào)。
提供高性能驅(qū)動(dòng)電路面臨的挑戰(zhàn)不僅是要采用市場上最優(yōu)秀的隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器。ADI解決方案的獨(dú)特之處在于它能提供現(xiàn)成的完整系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)，這與ADI與凌力爾特(現(xiàn)為ADI的一部分)器件的整合是分不開的。專用電源與穩(wěn)定的過沖/欠沖自由基準(zhǔn)電壓源的組合是工作頻率超過250 kHz的應(yīng)用的必然選擇。開始時(shí)，會(huì)將PCB布局方案以及原理圖和用戶手冊提供給戰(zhàn)略客戶，然后于年底發(fā)布在ADI網(wǎng)站上。
圖10.隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器電路板。
ADI和WATT&WELL已經(jīng)在這一高端設(shè)計(jì)領(lǐng)域展開合作，該設(shè)計(jì)將ADI在硅和系統(tǒng)層積累的豐富知識(shí)與WATT&WELL掌握的專業(yè)知識(shí)有機(jī)地結(jié)合起來，打造出的魯棒型高可靠應(yīng)用必能從容應(yīng)對高開關(guān)頻率、高功率密度和高溫環(huán)境三項(xiàng)苛刻要求。通過合作，ADI可以為客戶提供完全可行的解決方案，幫助客戶在短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)領(lǐng)先的新型設(shè)計(jì)，從而提高競爭力和可靠性。
WATT&WELL以成為功率電子設(shè)計(jì)和制造領(lǐng)域的首選供應(yīng)商為使命，致力于為石油天然氣、汽車、航空航天、工業(yè)應(yīng)用等領(lǐng)域的全體客戶提供竭誠服務(wù)。
ADI以無與倫比的檢測、測量和連接技術(shù)架起現(xiàn)實(shí)與數(shù)字世界之間的智慧橋梁，讓我們的客戶了解周圍的世界。我們與客戶精誠合作，加快創(chuàng)新步伐，推出突破性的解決方案，不斷超越一切可能。
作者簡介
Stefano Gallinaro于2016年加入ADI公司再生能源業(yè)務(wù)部。他負(fù)責(zé)管理太陽能、電動(dòng)汽車、充電和儲(chǔ)能領(lǐng)域的戰(zhàn)略營銷活動(dòng)，同時(shí)特別關(guān)注功率轉(zhuǎn)換。他在慕尼黑工作，負(fù)有全球業(yè)務(wù)責(zé)任。Stefano本科畢業(yè)于意大利都靈理工大學(xué)電子工程專業(yè)，獲理學(xué)學(xué)士學(xué)位。他的職業(yè)生涯始于意大利奧斯塔的STMicroelectronics Srl—DORA S.p.A.，擔(dān)任應(yīng)用工程師。2016年加盟ADI之前，他在德國安達(dá)赫治Vincotech公司工作了兩年半，任產(chǎn)品營銷經(jīng)理。
Imad Owaineh于2009年加盟WATT&WELL，先后在業(yè)務(wù)開發(fā)、營銷、戰(zhàn)略和品牌開發(fā)等部門工作，后來成為國際業(yè)務(wù)開發(fā)部的負(fù)責(zé)人。具體工作包括幫助客戶滿足需求，實(shí)施市場調(diào)查，發(fā)現(xiàn)技術(shù)和業(yè)務(wù)發(fā)展趨勢。他本科畢業(yè)于保爾·薩巴梯埃大學(xué)(圖盧茲)電子工程專業(yè)，獲理學(xué)學(xué)士學(xué)位;碩士畢業(yè)于保羅·塞尚大學(xué)(馬賽)營銷專業(yè)，獲文學(xué)碩士學(xué)位。
