打造驱动第三代功率半导体转换器的IC生态系统

　大规模数据中心、企业服务器和5G电信基站、电动汽车充电站、新能源等基础设施的广泛部署使得功耗快速增长，因此高效AC/DC电源对于电信和数据通信基础设施的发展至关重要。近年来，以氮化镓(GaN)和碳化硅（SiC）晶体管为代表的第三代功率器件已成为能够取代硅基MOSFET的高性能开关，从而可提高能源转换效率和密度。新型和未来的SiC/GaN功率开关将会给方方面面带来巨大进步，其巨大的优势——更高功率密度、更高工作频率、更高电压和更高效率，将有助于实现更紧凑、更具成本效益的功率应用。

好马配好鞍，以隔离栅极驱动器实现高效率功率转换

　　SiC/GaN经常用作高电压和高电流开关。这些功率晶体管由电压控制，其主要损耗产生于开关期间。为了较大程度减小开关损耗，要求具备较短的开关时间。然而，快速开关同时隐含着高压瞬变的危险，这可能会影响甚至损坏处理器逻辑电路。因此，为SiC/GaN提供适合栅极信号的栅极驱动器还提供短路保护功能，这也会影响开关速度。然而，在选择栅极驱动器时，某些特性至关重要。

　　在开关期间，晶体管会处于同时施加了高电压和高电流的状态。根据欧姆定律，这将导致一定的损耗，具体取决于这些状态的持续时间。目标是要较大程度地减小这些时间段。此处的主要影响因素是晶体管的栅极电容，为实现开关必须对其进行充电/放电。较高的瞬态电流会加速此过程。

图1 晶体管各个损耗分量的简化表示

　　在电力电子中，出于功能和安全考虑需要进行隔离。由于采用了栅极驱动器，因此会与高总线电压和电流接触，隔离不可避免。功能方面的原因是功率级的驱动通常发生在低压电路中，因此无法驱动半桥拓扑的高端（high-side）开关，因为低端开关同步打开时，它的电位较高。同时，隔离代表在发生故障时高压部分与控制电路的可靠隔离，从而可以进行人为接触。隔离式栅极驱动器的Viso（隔离耐压等级）通常为5 kV(rms)/min或更高。

　　此外，恶劣的工业环境要求应用对干扰源具有较佳抗扰度或抗干扰性。例如，射频噪声、共模瞬变和干扰磁场是关键性因素，因为它们可以耦合到栅极驱动器中，并且会激励功率级，使其在不希望的时间内进行开关。隔离式栅极驱动器的共模瞬变抗扰度(CMTI)定义了抑制输入和输出之间共模瞬变的能力。例如，ADuM4121具有出色的大于150 kV/μs的规格值。

　　因此，能够在更长时间内提供更高栅极电流的隔离驱动器对开关损耗更能起到积极作用。例如，基于iCoupler数字隔离技术的ADuM4135可以提供高达4 A的电流。基于其出色的传播延迟（低于50 ns），以及通道间匹配小于5 ns，共模瞬变抗扰度(CMTI)优于100 kV/μs，单一封装能够支持高达1500 VDC的全寿命工作电压，从而可以给高电压和高开关速度应用带来诸多重要优势。对于更紧凑的纯SiC/GaN应用，新型隔离式栅极驱动器ADuM4121是理想解决方案，其传播延迟在同类器件中最低(38ns)，支持最高开关频率和150 kV/μs的最高共模瞬变抗扰度。ADuM4121提供5 kV rms隔离。

一个好汉三个帮，构建完整的IC生态支持高性能功率转换

　　除了隔离栅极驱动器提供更高性能的开关驱动以外，还需要检测IC、电源控制器和高集成度嵌入式处理器，实现管理复杂的多电平、多级功率回路，从而正确发挥新一代SiC/GaN功率转换器的优势。驱动SiC/GaN功率开关需要一个完整的IC生态系统支持，包括优质的隔离式栅极驱动器，以及高端隔离式电源电路供电，利用集成高级模拟前端和特定安全特性的多核控制处理器完成控制，利用高能效隔离式∑-∆型转换器检测电压，从而实现设计的紧凑性。

　　如何为隔离式栅极驱动器供电，可以考虑采用高端隔离式电源电路供电，例如LT3999。LT3999是一款单芯片、高电压、高频率DC-DC变压器驱动器，提供隔离电源，解决方案尺寸很小。LT3999的最大开关频率为1 MHz，具有外部同步能力和2.7 V至36 V的宽输入工作电压范围，代表了为高速栅极驱动器提供稳定受控谐波和隔离电源的高技术水准。

　　当隔离式栅极驱动器用在高速拓扑中时，可以选择单芯片、微功耗、隔离式反激转换器LT8304/LT8304-1供电以保持其性能水平。这些器件从原边反激式波形直接对隔离输出电压采样，无需第三绕组或隔离器进行调节。输出电压通过两个外部电阻和第三个可选温度补偿电阻进行编程。边界工作模式提供一种具有出色负载调整率的小型解决方案。低纹波突发工作模式可在小负载时保持高效率，同时使输出电压纹波最小。LT8304/LT8304-1支持3 V至100 V的输入电压范围，最多可提供24 W的隔离输出功率。

图2 ADI面向第三代功率器件的IC生态系统

　　系统控制单元（一般是MCU、DSP或FPGA的组合）必须能够并行运行多个高速控制环路，而且还能管理安全特性。它们必须提供冗余性以及大量独立的PWM信号、ADC和I/O。例如ADSPCM419F就支持设计人员通过一个混合信号双核处理器来管理并行高功率、高密度、混合开关、多电平功率转换系统。ADSPCM419F基于ARM®Cortex®-M4处理器内核，浮点单元工作频率高达240 MHz，而且包含一个工作频率高达100 MHz的ARMCortex-M0处理器内核。这使得单个芯片可以集成双核安全冗余性。

　　快速精确的电压检测是高速设计必备的功能，可以采用高性能二阶∑-∆调制器实现，例如基于AD7403能将模拟输入信号转换为高速（高达20 MHz）单比特数据流。8引脚宽体SOIC封装中集高速互补金属氧化物半导体(CMOS)技术与单芯片变压器技术（iCoupler技术）于一体。AD7403采用5 V电源供电，可输入±250 mV的差分信号。通过适当的数字滤波器可重构原始信息，以在78.1 kSPS时实现88 dB的信噪比(SNR)。

（注：本文刊登于《电子产品世界》杂志2022年7月期）