各种应用的功率转换器正从纯硅IGBT转向SiC-GaN MOSFET.doc
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1、各种应用的功率转换器正从纯硅IGBT转向SiC/GaN MOSFET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
2、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最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(
3、从交流电网到直流负载及相反)工作时的效率和稳定性。图1. ADI公司IC生态系统驱动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。在Si IGBT到SiC MOSFET的过渡阶段,必须考虑混
4、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5
5、0 ns,通道间匹配小于5 ns,共模瞬变抗扰度 (CMTI) 优于100 kV/s,单一封装能够支持高达1500 VDC的全寿命工作电压。图2. ADuM4135评估板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 A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
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