目前,，功率轉(zhuǎn)換器市場(chǎng)快速演進(jìn),，將來也會(huì)快速發(fā)展，從簡(jiǎn)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(chǎng)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(chǎng)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(duì)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(duì)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(chǎng)預(yù)測(cè)。

功率轉(zhuǎn)換器市場(chǎng)的年均復(fù)合增長(zhǎng)率超過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(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(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(chǎng)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(zhǎng)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(duì)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(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?jī)H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(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(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(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：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(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),。

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(shì),。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(píng)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(cè)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?？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(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(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(píng)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(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(píng)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(píng)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(píng)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(jiǎn)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(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(cè)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(duì)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(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,、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(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(jiǎn)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(chǎng)調(diào)查,，發(fā)現(xiàn)技術(shù)和業(yè)務(wù)發(fā)展趨勢(shì)。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,。