简单介绍SiC/GaN功率开关完整的系统解决方案

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,从新一代再生电力的大幅增加到电动汽车市场的迅速增长。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。为了获得所有这些优势,必须设计更高性能的开关驱动系统。

 
金刚砂又名碳化硅(SiC)是用石英砂、石油焦(或煤焦)、木屑(生产绿色碳化硅时需要加食盐)等原料通过电阻炉高温冶炼而成。碳化硅在大自然也存在罕见的矿物,莫桑石。 碳化硅又称碳硅石。在当代C、N、B等非氧化物高技术耐火原料中,碳化硅为应用最广泛、最经济的一种,可以称为金钢砂或耐火砂。 目前中国工业生产的碳化硅分为黑色碳化硅和绿色碳化硅两种,均为六方晶体,比重为3.20~3.25,显微硬度为2840~3320kg/mm2。GaN,即氮化镓,属六角纤锌矿结构。在T=300K时为,是半导体照明中发光二极管的核心组成部份。通常工业上采用MOCVD设备来生长。
 
实际的以开关为中心的视角正在演变成一种更完整的系统解决方案,新一代的具有更鲁棒的片上隔离的先进 栅极驱动器 IC、检测 IC、电源控制器和高集成度嵌入式处理器, 将能管理复杂的多电平、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。
 
——  ADI公司再生能源战略营销经理
 
Stefano Gallinaro
 
驱动 SiC/GaN 功率开关需要设计一个完整的 IC 生态系统,这些 IC经过精密调整,彼此配合。设计重点不再只是以开关为中心,必须 加以扩大。应用的工作频率、效率要求和拓扑结构的复杂性要求 使用同类最佳的隔离式栅极驱动器(例如ADuM4135),其由高端 隔离式电源电路(例如LT3999)供电。控制须利用集成高级模拟 前端和特定安全特性的多核控制处理器(例如ADSP-CM419F)完 成。最后,利用高能效隔离式 ∑-∆ 型转换器(例如AD7403)检测电 压,从而实现设计的紧凑性。
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                                                                    图1. ADI 公司 IC 生态系统
 
在 Si IGBT 到 SiC MOSFET 的过渡阶段,必须考虑混合拓扑结构,其中 SiC MOSFET 用于高频开关,Si IGBT 用于低频开关。隔离式栅极驱动 器必须能够驱动不同要求的开关,其中较多的是并联且采用硅 IGBT/SiC MOS 混合式多电平配置。客户希望一种器件就能满足其所 有应用要求,从而简化 BOM 并降低成本。利用多电平转换器很容 易达到 1500 VDC以上的高工作电压(例如大规模储能使用2000 VDC), 此类电压对于为安全而实施的隔离栅是一个重大挑战。
 
ADuM4135 隔离式栅极驱动器采用 ADI 公司经过验证的 iCoupler®技术,可以给高电压和高开关速度应用带来诸多重要优势。 ADuM4135 是驱动 SiC/GaN MOS 的最佳选择,出色的传播延迟优于 50 ns,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。
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                                                                         图2. ADuM4135框图
 
ADuM4135 采用 16 引脚宽体 SOIC 封装,包含米勒箝位,以便栅 极电压低于 2 V 时实现稳健的 SiC/GaN MOS 或 IGBT 单轨电源关 断。输出侧可以由单电源或双电源供电。去饱和检测电路集成在 ADuM4135 上,提供高压短路开关工作保护。去饱和保护包含降 低噪声干扰的功能,比如在开关动作之后提供 300 ns 的屏蔽时间, 用来屏蔽初始导通时产生的电压尖峰。内部 500 µA 电流源有助于降低器件数量;如需提高抗噪水平,内部消隐开关也支持使用外 部电流源。考虑到 IGBT 通用阈值水平,副边 UVLO 设置为 11 V。ADI 公司 iCoupler 芯 片级变压器还提供芯片高压侧与低压侧之间的控 制信息隔离通信。芯片状态信息可从专用输出读取。器件原边控 制器件在副边发生故障后复位。
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