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(kāi)始在各種創(chuàng)新市場(chǎng)和應(yīng)用領(lǐng)域攻城略地——這類(lèi)應(yīng)用包括太陽(yáng)能光伏逆變器、能源存儲(chǔ)、車(chē)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(kāi)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(kāi)始變化，不同于以前的硅IGBT驅(qū)動(dòng)器。對(duì)于SiC和GaNMOSFET，需要高CMTI》100kV/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(duì)基于SiC/GaN的新一代高密度功率轉(zhuǎn)換器的高速?gòu)?fù)雜多層控制環(huán)路進(jìn)行管理。

功率轉(zhuǎn)換器市場(chǎng)的年均復(fù)合增長(zhǎng)率超過(guò)6.5%，到2021年，市場(chǎng)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(chǎng)主體（占比超過(guò)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(yáng)能逆變器。

功率開(kāi)關(guān)領(lǐng)域取得的新技術(shù)進(jìn)步已經(jīng)開(kāi)始把第三代SiCMOSFET以及第一代和第二代GaNMOSFET帶向市場(chǎng)。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(kāi)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(chē)充電器、牽引電機(jī)、太陽(yáng)能光伏逆變器等。得益于新市場(chǎng)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(chǎng)。大規(guī)模生產(chǎn)進(jìn)一步降低了價(jià)格，而且這一趨勢(shì)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(kāi)關(guān)普及的主要應(yīng)用有太陽(yáng)能光伏逆變器、電動(dòng)汽車(chē)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(kāi)關(guān)的附加價(jià)值，為市場(chǎng)帶來(lái)了超高開(kāi)關(guān)頻率和超過(guò)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(wèn)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(wèn)題。從架構(gòu)角度來(lái)說(shuō)，可以選擇高壓（HV）系統(tǒng)，但長(zhǎng)期以來(lái)，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(wèn)世為解決這個(gè)問(wèn)題帶來(lái)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(yáng)能串式逆變器的標(biāo)準(zhǔn)是1500VDC，而1000VDC、很快2000VDC就會(huì)成為儲(chǔ)能轉(zhuǎn)換器（基于電池）和電動(dòng)汽車(chē)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(guò)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(duì)于二級(jí)應(yīng)用來(lái)說(shuō)，1.7kV和3.3kVSiCMOSFET高擊穿電壓已經(jīng)成為標(biāo)準(zhǔn)，而1.2kVSiCMOSFET則為新一代第二級(jí)和第三級(jí)應(yīng)用的主流功率開(kāi)關(guān)。

從工程角度來(lái)看，SiC/GaN具有明顯的優(yōu)勢(shì)。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(kāi)關(guān)損耗非常小。這使得高開(kāi)關(guān)頻率（SiC為50kHz至500kHz，GaN為1MHz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?jī)H相當(dāng)于傳統(tǒng)轉(zhuǎn)換器的五分之一。無(wú)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(shì)是其對(duì)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(wèn)題。

SiC/GaN開(kāi)關(guān)有助于減少損耗的其他特性有：二極管無(wú)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(shì)，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(kāi)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(wú)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_(kāi)關(guān)頻率、高效率（要?dú)w功于零電壓開(kāi)關(guān)和零電流開(kāi)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(lèi)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(shì)，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(lèi)：開(kāi)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SiCMOSFET驅(qū)動(dòng)方面，工程師需要考慮新的問(wèn)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(duì)GaN甚至更為重要）。對(duì)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)。

ADIiCoupler?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(wèn)世于十年前，用于解決光耦合器的局限性問(wèn)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)：20μm至30μm聚酰亞胺絕緣層，耐受力大于5kVrms。

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SiCMOSFET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(kāi)關(guān)速率應(yīng)用帶來(lái)多種關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)。ADuM4135是驅(qū)動(dòng)SiC/GaNMOS的最佳選擇，因?yàn)樗哂袃?yōu)秀的傳播延遲（低于50ns），通道匹配時(shí)間低于5ns，共模瞬變抗擾度（CMTI）超過(guò)100kV/μs，采用單一封裝，支持最高1500VDC的全壽命工作電壓。

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2V時(shí)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)健的SiC/GaNMOS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(cè)電路集成在ADuM4135上，提供高壓短路開(kāi)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(kāi)關(guān)動(dòng)作之后提供300ns的屏蔽時(shí)間，用來(lái)屏蔽初始導(dǎo)通時(shí)產(chǎn)生的電壓尖峰。內(nèi)部500μA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(kāi)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11V。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(zhuān)用輸出讀取。當(dāng)器件副邊出現(xiàn)故障時(shí)，可以在原邊對(duì)復(fù)位操作進(jìn)行控制。

對(duì)于更加緊湊和更簡(jiǎn)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ADIiCoupler數(shù)字隔離技術(shù)，其傳播延遲僅為38ns，為同類(lèi)最低水平，可支持最高開(kāi)關(guān)頻率。ADuM4121提供5kVrms隔離，采用窄體8引腳SOIC封裝。

與SiC/GaN開(kāi)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(wèn)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(wú)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(lái)的可能性必將增加將來(lái)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(wèn)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(kāi)關(guān)、多層功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。

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)240MHz，集成的ARM?Cortex-M0處理器內(nèi)核工作頻率高達(dá)100MHz。這使得單個(gè)芯片可以集成雙核安全冗余性。ARMCortex-M4主處理器集成搭載ECC的160kBSRAM存儲(chǔ)器、搭載ECC的1MB閃存、加速器以及專(zhuān)門(mén)針對(duì)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(lèi)ADC、一個(gè)14位Cortex-M0ADC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。

ADI與WATT&WELL合作開(kāi)發(fā)一系列基于SiCMOSFET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(píng)估板。高功率規(guī)格（如1200V、100A、250kHz以上的開(kāi)關(guān)頻率，可靠、魯棒的設(shè)計(jì)）使客戶可以全面評(píng)估用于驅(qū)動(dòng)SiC和GaNMOSFET的ADI系列IC。

在圖9中，我們可以看到功率開(kāi)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(chǎng)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(kāi)的。專(zhuān)用電源與穩(wěn)定的過(guò)沖/欠沖自由基準(zhǔn)電壓源的組合是工作頻率超過(guò)250kHz的應(yīng)用的必然選擇。開(kāi)始時(shí)，會(huì)將PCB布局方案以及原理圖和用戶手冊(cè)提供給戰(zhàn)略客戶，然后于年底發(fā)布在ADI網(wǎng)站上。

ADI和WATT&WELL已經(jīng)在這一高端設(shè)計(jì)領(lǐng)域展開(kāi)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(zhuān)業(yè)知識(shí)有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，打造出的魯棒型高可靠應(yīng)用必能從容應(yīng)對(duì)高開(kāi)關(guān)頻率、高功率密度和高溫環(huán)境三項(xiàng)苛刻要求。通過(guò)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(jìng)爭(zhēng)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(chē)、航空航天、工業(yè)應(yīng)用等領(lǐng)域的全體客戶提供竭誠(chéng)服務(wù)。

ADI以無(wú)與倫比的檢測(cè)、測(cè)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?chē)氖澜?。我們與客戶精誠(chéng)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。