mg冰球突破最新网址 领先的SiC/GaN功率转换器的驱动

　　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。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。

　　各种应用的功率转换器正从纯硅IGBT转向SiC/GaN MOSFET。一些市场（比如电机驱动逆变器市场）采用新技术的速度较慢，而另一些市场（比如太阳能逆变器、电动汽车牵引逆变器和充电器市场）在创新中发挥着关键作用。

　　预计未来五年太阳能市场将以10%的年复合增长率增长，非常乐观，而光伏系统价格预计将再下降20%。这很可能是光伏逆变器电子元件技术进步的结果。功率开关(SiC/GaN MOSFET)的新技术将提高开关频率，从而减小电感和电容尺寸，同时要求更精确、更快速、能效更高的检测、控制和驱动IC。到2021年，在全部电站级逆变器中，30 kW至100 kW的1500 VDC电站级串式逆变器将占有90%以上的市场份额。它们代表了采用创新多电平拓扑结构的新型高密度SiC/GaN功率开关的测试基准。

　　电动汽车(EV)和储能系统(ESS)等颠覆性新应用，产生了对超高效率、高功率密度、高频SiC功率转换器的需求。车载牵引电机驱动器希望获得较高功率密度以减小尺寸和重量，并刷新新的效率记录，而车外快速充电器希求高电压（高达2000 VDC、>150 kW）和复杂的高频拓扑结构，从而降低磁性部件、机械部件和总成的整体系统成本。除此之外，这些新应用也推动了创新多核控制处理器的发展，并能管理复杂的控制算法，确保系统在双向模式下（从交流电网到直流负载及相反）工作时的效率和稳定性。

　　目前，功率转换器市场快速演进，将来也会快速发展，从简单的高性价比设计模式走向更为广泛、更具持续性的创新模式。新的挑战不断涌现，比如，生产能供小型伺服驱动使用或者能集成到分布式存能单元功率转换器中的更小、更高效的功率转换器。这也意味着，要用更高的工作电压来管理更高的功率，却不能增加重量和尺寸，比如，太阳能串式逆变器和电动汽车牵引电机等应用场合。

　　基于碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)等宽带隙(WBG)半导体的新型高效率、超快速功率转换器已经开始在各种创新市场和应用领域攻城略地——这类应用包括太阳能光伏逆变器、能源存储、车辆电气化（如充电器和牵引电机逆变器）。为了充分利用新型功率转换技术，必须在转换器设计中实施完整的IC生态系统，从最近的芯片到功率开关和栅极驱动器。隔离式栅极驱动器的要求已经开始变化，不同于以前的硅IGBT驱动器。对于SiC和GaN MOSFET，需要高CMTI>100 kV/μs、宽栅极电压摆幅、快速上升/下降时间和超低传播延迟。ADI的ADuM4135隔离式栅极驱动器具备所有必要的技术特性，采用16引脚宽体SOIC封装。配合ADSP-CM419F高端混合信号控制处理器，它们可以对基于SiC/GaN的新一代高密度功率转换器的高速复杂多层控制环路进行管理。

　　功率转换器市场的年均复合增长率超过6.5%，到2021年，市场规模有望达800亿美元。目前，基于硅IGBT的传统逆变器和转换器占据市场主体（占比超过70%），这主要归功于工厂生产线中的电机驱动应用和第一代风力和太阳能逆变器。

　　功率开关领域取得的新技术进步已经开始把第三代SiC MOSFET以及第一代和第二代GaN MOSFET带向市场。在一段时间内局限于部分小众功率应用之后，WBG技术已经开始被运用在多种应用当中，比如基于电池的能源存储应用、电动汽车充电器、牵引电机、太阳能光伏逆变器等。得益于新市场的拓展，其价格快速下降，结果又促使其进入了其他最初那些看重价格的市场。大规模生产进一步降低了价格，而且这一趋势将继续下去。WBG半导体的普及是技术（以及整个经济）循环的一个绝佳例子。

　　推动SiC/GaN功率开关普及的主要应用有太阳能光伏逆变器、电动汽车充电器和储能转换器。这里利用了超快的小型高效功率开关的附加价值，为市场带来了超高开关频率和超过99%的杰出效率目标。为了实现这些目标，设计师面临着新的挑战，需要削减功率转换器的重量和尺寸（即提高功率密度）。

　　当然，这些问题的解决不可能一蹴而就。需要所有相关工艺取得进步，进行创新。这样的一个例子是与高压功率电子系统的应用相关的技术瓶颈问题。从架构角度来说，可以选择高压(HV)系统，但长期以来，某些半导体技术却阻碍了这一选择。如今，宽带隙半导体的问世为解决这个问题带来了曙光，使高压系统成为更可行并且值得考虑的一个选项。太阳能串式逆变器的标准是1500 VDC，而1000 VDC、很快2000 VDC就会成为储能转换器（基于电池）和电动汽车充电器的标准。

　　事实上，转向兼容WBG半导体的高压系统是一件非常有意思的事，原因有三：首先，高压意味着低电流，这又意味着系统所用铜总量会减少，结果又会直接影响到系统成本的降低。其次，宽带隙技术（通过高压实现）的阻性损耗减少，结果意味着更高的效率，还能减小冷却系统的尺寸，降低其必要性。最后，在子系统层次，它们使工程师可以从基于基板功率模块的设计转向分立式设计或基于功率模块的轻型设计。这暗示要采用兼容型PCB和较小的电线，而不是采用汇流条和较重的电线。

　　总之，如果设计的核心目标是降低重量和/或成本或提高性能，高压系统是值得的。因此，对于二级应用来说，1.7 kV和3.3 kV SiC MOSFET高击穿电压已经成为标准，而1.2 kV SiC MOSFET则为新一代第二级和第三级应用的主流功率开关。

　　从工程角度来看，SiC/GaN具有明显的优势。首先，WGB半导体内在具有卓越的dV/dt切换性能，意味着开关损耗非常小。这使得高开关频率（SiC为50 kHz至500 kHz，GaN为1 MHz以上）成为可能，结果有助于减小磁体体积，同时提升功率密度。电感值、尺寸和重量能减少70%以上，同时还能减少电容数量，使最终转换器的尺寸和重量仅相当于传统转换器的五分之一。无源元件和机械部件（包括散热器）的用量可节省约40%，增值部分则体现在控制电子IC上。

　　这些技术的另一大优势是其对高结温具有超高的耐受性。这种耐受性有助于提升功率密度，减少散热问题。

　　SiC/GaN开关有助于减少损耗的其他特性有：二极管无需任何恢复（整流损耗减少）、低Rds(on)（可减少导电）、高压工作模式等。

　　凭借这些优势，可以为新型应用设计和实现创新型的功率电子拓扑结构。SiC/GaN功率开关在谐振电路（如LLC或PRC）、桥接拓扑结构（相移全桥）或无桥功率因数校正(PFC)的设计方面非常有用。这是因为它们具有高开关频率、高效率（要归功于零电压开关和零电流开关）和由此实现的高功率密度。

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