基於碳化矽(SiC)、氮化镓(GaN)等寬帶隙(WBG)半導體的新型高效率、超快速功率轉換器已經開始在各種創新市場和應用領域攻城略地——這類應用包括太陽能光伏逆變器、能源存儲、車輛電氣化（如充電器和牽引電機逆變器）。為了充分利用新型功率轉換技術，必須在轉換器設計中實施完整的IC生態係統
，從最近的芯片到功率開關和柵極驅動器。

 

隔離式柵極驅動器的要求已經開始變化，不同於以前的矽IGBT驅動器。對於SiC和GaN MOSFET，需要高CMTI >100 kV/μs、寬柵極電壓擺幅、快速上升/下降時間和超低傳播延遲。ADI的ADuM4135隔離式柵極驅動器具備所有必要的技術特性
，采用16引腳寬體SOIC封裝。配合ADSP-CM419F高端混合信號控製處理器，它們可以對基於SiC/GaN的新一代高密度功率轉換器的高速複雜多層控製環路進行管理。

 

 

圖1.2021年功率轉換器市場預測。

 

功率轉換器市場的年均複合增長率超過6.5%，到2021年，市場規模有望達800億美元。目前
，基於矽IGBT的傳統逆變器和轉換器占據市場主體（占比超過70%），這主要歸功於工廠生產線中的電機驅動應用和第一代風力和太陽能逆變器。

 

功率開關領域取得的新技術進步已經開始把第三代SiC MOSFET以及第一代和第二代GaN MOSFET帶向市場。在一段時間內局限於部分小眾功率應用之後，WBG技術已經開始被運用在多種應用當中，比如基於電池的能源存儲應用、電動汽車充電器、牽引電機
、太tai陽yang能neng光guang伏fu逆ni變bian器qi等deng。得de益yi於yu新xin市shi場chang的de拓tuo展zhan

，其qi價jia格ge快kuai速su下xia降jiang，結jie果guo又you促cu使shi其qi進jin入ru了le其qi他ta最zui初chu那na些xie看kan重zhong價jia格ge的de市shi場chang。大da規gui模mo生sheng產chan進jin一yi步bu降jiang低di了le價jia格ge，而er且qie這zhe一yi趨qu勢shi將jiang繼ji續xu下xia去qu。WBG半導體的普及是技術（以及整個經濟）循環的一個絕佳例子。

 

推動SiC/GaN功率開關普及的主要應用有太陽能光伏逆變器、電動汽車充電器和儲能轉換器。這裏利用了超快的小型高效功率開關的附加價值，為市場帶來了超高開關頻率和超過99%的傑出效率目標。為了實現這些目標
，設計師麵臨著新的挑戰，需要削減功率轉換器的重量和尺寸（即提高功率密度）。

 

當(dang)然(ran)，這(zhe)些(xie)問(wen)題(ti)的(de)解(jie)決(jue)不(bu)可(ke)能(neng)一(yi)蹴(cu)而(er)就(jiu)。需(xu)要(yao)所(suo)有(you)相(xiang)關(guan)工(gong)藝(yi)取(qu)得(de)進(jin)步(bu)，進(jin)行(xing)創(chuang)新(xin)。這(zhe)樣(yang)的(de)一(yi)個(ge)例(li)子(zi)是(shi)與(yu)高(gao)壓(ya)功(gong)率(lv)電(dian)子(zi)係(xi)統(tong)的(de)應(ying)用(yong)相(xiang)關(guan)的(de)技(ji)術(shu)瓶(ping)頸(jing)問(wen)題(ti)。從(cong)架(jia)構(gou)角(jiao)度(du)來(lai)說(shuo)，可(ke)以(yi)選(xuan)擇(ze)高(gao)壓(ya)(HV)係xi統tong，但dan長chang期qi以yi來lai
，某mou些xie半ban導dao體ti技ji術shu卻que阻zu礙ai了le這zhe一yi選xuan擇ze。如ru今jin
，寬kuan帶dai隙xi半ban導dao體ti的de問wen世shi為wei解jie決jue這zhe個ge問wen題ti帶dai來lai了le曙shu光guang
，使shi高gao壓ya係xi統tong成cheng為wei更geng可ke行xing並bing且qie值zhi得de考kao慮lv的de一yi個ge選xuan項xiang。太tai陽yang能neng串chuan式shi逆ni變bian器qi的de標biao準zhun是shi1500 VDC，而1000 VDC、很快2000 VDC就會成為儲能轉換器（基於電池）和電動汽車充電器的標準。

 

事實上，轉向兼容WBG半導體的高壓係統是一件非常有意思的事，原因有三：

 

首先
，高壓意味著低電流，這又意味著係統所用銅總量會減少，結果又會直接影響到係統成本的降低。

 

其次，寬帶隙技術（通過高壓實現）的阻性損耗減少，結果意味著更高的效率
，還能減小冷卻係統的尺寸
，降低其必要性。

 

最後，在子係統層次，它們使工程師可以從基於基板功率模塊的設計轉向分立式設計或基於功率模塊的輕型設計。這暗示要采用兼容型PCB和較小的電線
，而不是采用彙流條和較重的電線。

 

總之

，如果設計的核心目標是降低重量和/或成本或提高性能
，高壓係統是值得的。因此
，對於二級應用來說
，1.7 kV和3.3 kV SiC MOSFET高擊穿電壓已經成為標準
，而1.2 kV SiC MOSFET則為新一代第二級和第三級應用的主流功率開關。

 

從工程角度來看，SiC/GaN具有明顯的優勢。

 

● 首先，WGB半導體內在具有卓越的dV/dt切換性能
，意味著開關損耗非常小。這使得高開關頻率（SiC為50 kHz至500 kHz，GaN為1 MHz以上）成為可能，結果有助於減小磁體體積，同時提升功率密度。

 

● 電感值、尺寸和重量能減少70%以上，同時還能減少電容數量，使最終轉換器的尺寸和重量僅相當於傳統轉換器的五分之一。

 

● 無源元件和機械部件（包括散熱器）的用量可節省約40%

，增值部分則體現在控製電子IC上。

 

這些技術的另一大優勢是其對高結溫具有超高的耐受性。這種耐受性有助於提升功率密度，減少散熱問題。

 

SiC/GaN開關有助於減少損耗的其他特性有：二極管無需任何恢複（整流損耗減少）
、低Rds(on)（可減少導電）、高壓工作模式等。

 

憑借這些優勢，可以為新型應用設計和實現創新型的功率電子拓撲結構。SiC/GaN功率開關在諧振電路（如LLC或PRC）、橋接拓撲結構（相移全橋）或無橋功率因數校正(PFC)的設計方麵非常有用。這是因為它們具有高開關頻率、高效率（要歸功於零電壓開關和零電流開關）和由此實現的高功率密度。

 

SiC-/GaN功率晶體管可實現多級功率轉換級和全雙向工作模式，矽IGBT則因逆變工作模式而受到一些限製。

 

在功率流向電池或從電池流向負載或電網的一類應用（如儲能）中(zhong)，雙(shuang)向(xiang)工(gong)作(zuo)模(mo)式(shi)日(ri)益(yi)成(cheng)為(wei)一(yi)項(xiang)強(qiang)製(zhi)要(yao)求(qiu)。設(she)計(ji)出(chu)采(cai)用(yong)緊(jin)湊(cou)封(feng)裝(zhuang)的(de)高(gao)功(gong)率(lv)轉(zhuan)換(huan)器(qi)為(wei)電(dian)池(chi)充(chong)電(dian)精(jing)度(du)可(ke)能(neng)較(jiao)高(gao)的(de)分(fen)布(bu)式(shi)儲(chu)能(neng)係(xi)統(tong)創(chuang)造(zao)了(le)可(ke)能(neng)。

 

為了實現基於SiC/GaN的設計的諸多優勢
，我們應該直麵與其相關的各種技術挑戰。我們可以把這些挑戰分為三大類：開關的驅動，組合電源的正確選擇，以及功率轉換器環路的正確控製。

 

在SiC MOSFET驅動方麵，工程師需要考慮新的問題，比如負偏置（用於柵極驅動器）和驅動電壓的精度（對GaN甚至更為重要）。對這種誤差應該盡量避免
，因為其可能會影響到整個係統。

 

ADI iCoupler®隔(ge)離(li)式(shi)柵(zha)極(ji)驅(qu)動(dong)器(qi)克(ke)服(fu)了(le)基(ji)於(yu)光(guang)耦(ou)合(he)器(qi)和(he)高(gao)壓(ya)柵(zha)極(ji)驅(qu)動(dong)器(qi)的(de)局(ju)限(xian)性(xing)。光(guang)耦(ou)合(he)器(qi)速(su)度(du)慢(man)
，耗(hao)電(dian)量(liang)大(da)
，難(nan)以(yi)與(yu)其(qi)他(ta)功(gong)能(neng)集(ji)成(cheng)
，並(bing)且(qie)隨(sui)著(zhe)時(shi)間(jian)的(de)推(tui)移(yi)，其(qi)性(xing)能(neng)會(hui)下(xia)降(jiang)。相(xiang)比(bi)之(zhi)下(xia)，可(ke)代(dai)替(ti)光(guang)耦(ou)合(he)器(qi)方(fang)案(an)的(de)iCoupler數字隔離器則融合了高帶寬片內變壓器和精細CMOS電路，為設計人員改善了可靠性、尺寸、功耗、速度
、時序精度和易用性。iCoupler技術問世於十年前，用於解決光耦合器的局限性問題。ADI公司的數字隔離器利用低應力厚膜聚酰亞胺絕緣層實現數千伏的隔離，可以將其與標準矽IC集成
，形成單通道
、多通道和雙向配置的單片係統：20 μm至30 μm聚酰亞胺絕緣層，耐受力大於5 kV rms。

 

圖2. 聚酰亞胺絕緣層上的iCoupler變壓器線圈

 

ADI柵極驅動器產品組合中最具代表性的IC是ADuM4135（麵向SiC MOSFET的高端隔離式柵極驅動器）和ADuM4121（麵向高密度SiC和GaN設計的快速、緊湊型解決方案）。采用ADI曆經檢驗的iCoupler技術，ADuM4135隔離式柵極驅動器可為高壓
、高開關速率應用帶來多種關鍵優勢。ADuM4135是驅動SiC/GaN MOS的最佳選擇
，因為它具有優秀的傳播延遲（低於50 ns），通道匹配時間低於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
，以便柵極電壓低於2 V時實現穩健的SiC/GaN MOS或IGBT單軌電源關斷。輸出側可以由單電源或雙電源供電。去飽和檢測電路集成在ADuM4135上，提供高壓短路開關工作保護。去飽和保護包含降低噪聲幹擾的功能，比如在開關動作之後提供300 ns的屏蔽時間
，用來屏蔽初始導通時產生的電壓尖峰。內部500 µA電流源有助於降低整體器件數量，如需提高抗噪水平
，內部消隱開關也支持使用外部電流源。考慮到IGBT通用閾值水平
，副邊UVLO設置為11 V。ADI公司iCoupler芯xin片pian級ji變bian壓ya器qi還hai提ti供gong芯xin片pian高gao壓ya側ce與yu低di壓ya側ce之zhi間jian的de控kong製zhi信xin息xi隔ge離li通tong信xin。芯xin片pian狀zhuang態tai信xin息xi可ke從cong專zhuan用yong輸shu出chu讀du取qu。當dang器qi件jian副fu邊bian出chu現xian故gu障zhang時shi，可ke以yi在zai原yuan邊bian對dui複fu位wei操cao作zuo進jin行xing控kong製zhi。

 

對於更加緊湊和更簡單的拓撲結構（例如，基於GaN的半橋），新型ADuM4121隔離式柵極驅動器是最佳解決方案。該解決方案同樣基於ADI iCoupler數字隔離技術，其傳播延遲僅為38 ns，為同類最低水平，可支持最高開關頻率。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kai關guan的de驅qu動dong相xiang關guan的de一yi個ge關guan鍵jian方fang麵mian是shi它ta們men需xu要yao其qi在zai高gao壓ya和he高gao頻pin條tiao件jian下xia工gong作zuo。在zai這zhe些xie條tiao件jian下xia，根gen本ben不bu允yun許xu使shi用yong容rong性xing或huo感gan性xing寄ji生sheng元yuan件jian。設she計ji必bi須xu精jing雕diao細xi琢zhuo
，在zai設she計ji電dian路lu板ban路lu由you、定義布局時務必特別小心。若要避免所有EMI和噪聲問題，這是一個巨大但必不可少的挑戰。WBG半導體設計要求采用高壓和高頻無源元件（磁體和電容）。不能低估在確定規模、設計和製造這些器件方麵存在的挑戰。然而
，這些領域的技術也在進步，WGB半導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半導體在實現高效率、高(gao)密(mi)度(du)拓(tuo)撲(pu)結(jie)構(gou)方(fang)麵(mian)尤(you)其(qi)有(you)效(xiao)，特(te)別(bie)是(shi)在(zai)諧(xie)振(zhen)拓(tuo)撲(pu)結(jie)構(gou)方(fang)麵(mian)。但(dan)是(shi)


，這(zhe)些(xie)拓(tuo)撲(pu)結(jie)構(gou)非(fei)常(chang)複(fu)雜(za)，其(qi)控(kong)製(zhi)本(ben)身(shen)就(jiu)是(shi)一(yi)項(xiang)挑(tiao)戰(zhan)。例(li)如(ru)
，調(tiao)節(jie)諧(xie)振(zhen)拓(tuo)撲(pu)結(jie)構(gou)需(xu)要(yao)輸(shu)入(ru)大(da)量(liang)的(de)參(can)數(shu)（輸入電壓、輸入電流

、輸出電壓等）
，再加上調頻和調相（超高頻），這些問題並不會使工程師的工作變得輕鬆。數字元件（DSP、ADC等）的選擇也是至關重要的。

 

係統控製單元（一般是MCU
、DSP或FPGA的組合）必須能並行運行多個高速控製環路

，還要能管理安全特性。它們必須提供冗餘性以及大量獨立的PWM信號、ADC和I/O。ADI的ADSP-CM419F使設計師可以用一個混合信號雙核處理器同時管理高功率
、高密度

、混合開關
、多層功率轉換係統。

 

圖7.ADSP-CM419F框圖

 

ADSP-CM419F處理器基於ARM® Cortex®-M4處理器內核

，浮點單元工作頻率高達240 MHz，集成的ARM® Cortex-M0處理器內核工作頻率高達100 MHz。這使得單個芯片可以集成雙核安全冗餘性。ARM Cortex-M4主處理器集成搭載ECC的160 kB SRAM存儲器、搭載ECC的1 MB閃存、加速器以及專門針對功率轉換器控製而優化的外設（如24個獨立PWM）
，以及由兩個16位SAR類ADC、一個14位Cortex-M0 ADC和一個12位DAC構成的模擬模塊。ADSP-CM419F采用單電源供電，利用內部穩壓器和一個外部調整管自行生成內部電壓源。它采用210引腳BGA封裝。

 

圖8.ADSP-CM419F評估板

 

ADI與WATT&WELL合作開發一係列基於SiC MOSFET的高端功率轉換器。合作的第一個項目是為ADI隔離式柵極驅動器設計高壓
、高電流評估板。高功率規格（如1200 V
、100 A、250 kHz以上的開關頻率，可靠

、魯棒的設計）使客戶可以全麵評估用於驅動SiC和GaN MOSFET的ADI係列IC。

 

 

圖9.隔離式柵極驅動器電路板簡化功能框圖

 

在圖9中
，我們可以看到功率開關驅動器中的主要元件，從產生正柵極電壓電平的LT3999DC-DC變壓器驅動器
，到產生負柵極電壓電平的REF19x（或LT1121x）高效線性穩壓器
，再到ADuM4135隔離式柵極驅動器。主控製器用ADSP-CM419F處理器表示
，可以嵌入電路板，也可連接高頻線纜並為隔離式柵極驅動器生成PWM信號。

 

提供高性能驅動電路麵臨的挑戰不僅是要采用市場上最優秀的隔離式柵極驅動器。ADI解決方案的獨特之處在於它能提供現成的完整係統級設計，這與ADI與淩力爾特（現為ADI的一部分）器件的整合是分不開的。專用電源與穩定的過衝/欠衝自由基準電壓源的組合是工作頻率超過250 kHz的應用的必然選擇。開始時，會將PCB布局方案以及原理圖和用戶手冊提供給戰略客戶，然後於年底發布在ADI網站上。

 

 

圖10.隔離式柵極驅動器電路板