採用如碳化矽(SiC)與氮化鎵(GaN)MOSFET製成的寬能隙(WBG)新型高效率、超高速電源轉換器,已逐漸廣泛用在各種創新市場與應用——包括太陽能光電逆變器、能源儲存,以及電動車(如充電器與動力馬達逆變器)。要發揮新型電源開關技術的所有優點,轉換器設計方面必須要具備完整的IC產業體系,從最靠近的晶片,一直涵蓋到電源開關,亦即閘極驅動器(gate driver)。在SiC與GaN MOSFET方面,超過100kV/μs的高共模暫態抗擾度(CMTI)、閘極寬電壓擺幅、快速上升與下降時間,以及超低傳輸延遲等,都是必要的特性。

20180508TA01P1 圖1 2021年電源轉換器市場預測。

電源轉換器市場的複合年成長率超過6.5%,預計在2021年市場規模將達到800億美元。目前矽基絕緣閘雙極電晶體(IGBT)的傳統逆變器與轉換器佔了市場上的大多數版圖(超過70%),主要因為工廠生產線採用電動關達到驅動應用,以及第一代風力與太陽能發電採用的逆變器都採用這類元件。

電源轉換器的新技術改進,讓廠商得以將第三代碳化矽MOSFET,以及第一與第二代的氮化鎵MOSFET元件推入市場。寬能隙技術經過一段侷限於利基型電源應用的歷史之後,現已被各種應用迅速採納,包括如使用電池的能源儲存、電動車充電器、動力馬達,以及太陽能光電逆變器。擴展至新市場亦有助於快速壓低成本,進而帶動廠商打入以往因價格而無法跨足的其他市場。另外,大量生產亦使產品價格能進一步壓低,未來,這樣的趨勢還會延續下去。採用寬能隙半導體就是這種技術良性循環(以及規模經濟)的實例。

帶動各界採用SiC/GaN電源開關的主要應用,包括太陽能光電逆變器、電動車充電器,以及能源儲存轉換器。各界利用超高速、微型化、高效率電源開關的附加價值,為市場提供極高開關頻率,以及超過99%的卓越效率。但要達成上述所有結果,也讓設計者面臨著諸多新挑戰,使其必須縮減電源轉換器的重量與底面積(亦即提高功率密度)。

當然,這些問題無法一次全部解決。所有相關工程環結都必須有所進展與創新,其中一個例子就是運用高伏特(V)電子系統涉及的技術瓶頸。轉移至高電壓(HV)系統是架構上的選擇,但長期以來一直受到某些半導體技術所阻礙,如今隨著寬能隙半導體的導入,讓高電壓更為可行且值得考慮,使得這方面的障礙有所消減。太陽能發電的串列型逆變器採用標準電壓為1,500VDC,而1,000VDC,以及不久之後的2,000VDC將成為能源儲存轉換器(電池型),以及電動車充電器的標準。

轉向採用寬能隙半導體元件的高電壓系統確實值得深入探究,主要有三點理由:首先,高電壓意謂著更低的電流,系統使用的銅金屬總量會減少,直接的影響就是系統成本降低。第二,寬能隙技術(因高電壓促成)產生的電阻損耗較少,進而可達到更良好的效率,產品尺吋微縮,對冷卻系統的需求也會降低。最後,就子系統層級來看,工程師能從基板(baseplate)電源模組的設計轉移至分立式或更輕巧的電源模組設計。這意謂著能採用微型PCB電路板與更細小的線路,取代母線(bus bar)和更粗的線路。

總結而言,如果設計的核心目標是降低產品重量與/或成本,抑或達到更高的效能,那麼採用高電壓系統就值回代價。1.7kV與3.3kV SiC MOSFET的高崩潰電壓因此成為許多二級應用的標準,而1.2kV SiC MOSFET則成為新一代二級與三級應用的主流電源開關。

從工程角度來看,SiC/GaN的具有相當多的優點。包括可觀的dV/dt切換,採用寬能隙半導體,代表的是極小的每次開關損耗。這讓高切換頻率(SiC為50kHz~500kHz,GaN則超過1MHz)達到極高的可能性,這不僅有助於降低磁量,還能提高功率密度。降低超過70%的電感值、尺寸、重量,加上減少電容,讓最終的轉換器的尺寸與重量縮減至僅為傳統元件的五分之一,這也有助於省下40%的被動元件與機器元件(包括散熱片),以及提高控制電子IC的附加價值。

這些技術的另一項重大優點,就是能耐受極高的熱接面溫度。這樣的耐受度不僅有助於提高功率密度,還能限縮各種冷卻問題。其他能有助於降低損耗的SiC/GaN開關的特性之一,便是二極體上沒有任何回復機制(整流器上較少損耗),以及低Rds(on)(產生較少的傳導)損耗,還有其本身的高電壓運作。

這些優點讓使用者能針對各種新應用來著手設計與建置新型與創新的電源電子拓撲。SiC/GaN電源開關非常有利於設計諧振電路(例如LLC或PRC)或橋接拓撲(相移全橋接器)或無橋式(bridgeless)功率因素校正(PFC)。這是因為其高切換頻率、效率(拜零電壓切換與零電流切換之賜),以及衍生的高功率密度。

SiC-/GaN電源電晶體能進行多階電源轉換,以及支援全雙向工作模式,反觀矽材質IGBT,則因為逆向操作以致面臨許多限制。

由於諸如能源儲存之應用面臨著越來越多的規範,因此需要雙向作業模式,其中電力會在電池與負載或電網之間來回傳送。設計微型封裝的高功率轉換器,亦讓使用者開發出分散式能源儲存系統,並達到更高的電池充電精準度。

要得到SiC/GaN設計的許多好處,我們也必須面對衍生而來的各種技術挑戰。這些挑戰主要有三部分,包括:驅動切換開關、選擇適合的混合式電源,以及用適合的方法控制電源轉換迴路。

在驅動SiC MOSFET方面,工程師會遇到新的考量因素,像是負偏壓(閘極驅動器需要),以及驅動電壓的精準度(對GaN而言更為重要)。由於系統對這些不精準性的容忍度極低,因此影響範圍會遍及整個系統。

ADI的iCoupler隔離式閘極驅動器能克服光耦合器與高電壓型閘極驅動器的各種限制。光耦合器速度慢、耗電、難以整合其他功能,而且長久使用後性能會衰減。相形之下,以iCoupler數位隔離器提供光耦合器的替代方案,它結合高頻寬晶片內部變壓器,以及精密標度的CMOS電路,可協助設計者改進可靠度、尺寸、功率、速度、時序精準度,以及易用性。iCoupler技術是在10年前開發,其目的是為了克服光耦合器的各種限制。ADI的數位隔離器使用低應力、厚膜式聚醯亞胺絕緣材料,達到數千伏特的絕緣效果,能以單片規格整合各種標準矽晶IC,並能以單通道、多通道,以及雙向等組態進行製造:20~30微米的聚醯亞胺絕緣層能承受超過5kVrms

20180508TA01P2 圖2 置於聚醯亞胺絕緣材質上的iCoupler變壓線圈。

ADI的閘極驅動器系列中,其中最具代表性的元件為碳化矽MOSFET專用的高階隔離式驅動器ADuM4135,以及鎖定高密度碳化矽與氮化鎵設計的高速微型解決方案ADuM4121。運用iCoupler技術打造而成的隔離式閘極驅動器為高電壓與高開關速度應用提供許多關鍵優勢。微型解決方案是驅動SiC/GaN MOS的最佳選擇,因為它具備不到50奈秒(ns)傳輸延遲,頻道對頻道匹配時間不到5奈秒,共模暫態抗擾度(CMTI)超過100kV/μs,終生操作電壓最高可達1,500VDC,並採用單封裝的元件規格。

20180508TA01P3 圖3 ADuM4135評估板。

20180508TA01P4 圖4 ADuM4135方塊圖。

隔離式驅動器採用16接腳寬體SOIC封裝,內含米勒鉗位電路(Miller clamp),當閘極電壓掉到2伏特以下時,可透過單軌電源提供穩健的SiC/GaN MOS或IGBT關閉功能,整個系統可依賴單極或雙極備用電源(secondary supplies)運行。此外該元件還整合一個去飽和偵測電路,針對高電壓短路開關作業提供有效保護,去飽和保護包含雜訊降低功能,像是在開斷事件之後的300奈秒遮蔽時間,遮蔽導通瞬間的電壓尖波。

內部500µA電流源除了能達成低元件數量,若需要更高的雜訊免疫力,還能採用內部遮沒開關以配合額外增加的外部電流源。考量到一般IGBT的門檻值,因此二次UVLO保護門檻設為11伏特。iCoupler晶片級變壓器亦針對晶片的高電壓與低電壓領域提供控制資訊的隔離通訊,系統可從專屬的輸出端讀回晶片狀態的資訊。二次側(secondary)出現錯誤後重新設定的控制機制,則是在元件的一次側(primary side)執行。

針對更精小與更簡單的拓撲(例如氮化鎵材質的半橋閘極驅動器),新款隔離式閘極驅動器則是理想的解決方案。這款元件同樣採用iCoupler 數位隔離技術,並具備低傳輸延遲,僅達38奈秒,因而能造就出最高的切換頻率,以及最高的共模暫態雜訊免疫力,達到150kV/μs。該元件採用寬體8-lead SOIC封裝,隔離能力達到5kVrms

20180508TA01P5 圖5 ADuM4121方塊圖。

20180508TA01P6 圖6 ADuM4121評估板。

驅動SiC與GaN開關的一項關鍵點便是在高電壓與高頻率條件下操作。在這些狀況下,不容許存在任何電容或電感寄生效應。在為機板繞線及定義線路時,應進行微調和審慎規劃,這是一項極嚴峻但有其必要的挑戰,其能有助於避免所有電磁干擾與雜訊方面的問題。寬能隙半導體設計需要動用高電壓與高頻率被動元件(磁鐵與電容),包括尺寸、設計、製造這些元件遇到的挑戰,決不能輕忽看待。不過這些領域的技術也不斷改進,寬能隙半導體提供的各種可能性,在未來必定會讓使用者更容易上手。

如先前所討論,寬能隙半導體尤其適合建置高效率、高密度拓撲,以及諧振拓撲,但這些拓撲都相當複雜,其控制流程本身就是一項挑戰。舉例來說,調節一個諧振拓撲(包括輸入電壓、輸入電流、輸出電壓等)需要的輸入訊號數量,再加上頻率調變與相位調變(對每個高頻率),工程師的工作並不會變得更輕鬆。數位元件的選擇(包括DSP、ADC等)也是最重要的環結。

系統控制單元(通常結合了微控制器、數位訊號處理器、或FPGA)除了必須能以平行模式運行多個高速控制迴路,還得管理各項安全功能。它們必須提供冗餘性及大量獨立PWM訊號、ADC,以及I/O等資源。ADSP-CM419F讓設計者獲得一個混合訊號雙核心處理器,能用來管理並列式高功率、高密度、混合開關、多階電源轉換系統。

20180508TA01P7 圖7 ADSP-CM419F方塊圖。

ADSP-CM419F以Arm Cortex-M4處理器核心為基礎,內含一個時脈頻率為240MHz的浮點運算單元,此外,其內部還嵌入一個運作時脈達100MHz的Arm Cortex-M0處理器核心。如此的設計將雙核心安全冗餘性整合成單一晶片,Arm Cortex-M4主處理器整合160kB具ECC功能的SRAM記憶體、ECC功能的1MB快閃記憶體、加速器,以及針對電源轉換器控制進行最佳化的週邊元件,包括如24個獨立PWM、一個類比模組,內含2個16位元SAR型ADC、1個14位元Cortex-M0 ADC,以及一個12位元DAC。該元件以單一電壓電源運作,並使用內部電壓調節器與外部導通電晶體(pass transistor)產生自己的內部電壓。

20180508TA01P8 圖8 ADSP-CM419F評估板。

ADI與WATT&WELL合作,聯手開發各種高階SiC MOSFET型態的電源轉換器。雙方合作之初,是針對ADI的隔離式閘極驅動開發高電壓、高電流的評估板。透過1,200伏特與100安培的高功率規格,加上超過250kHz的切換頻率,建構出可靠且穩健的設計,讓客戶完整評測ADI用來驅動SiC與GaN MOSFET的全套IC。

20180508TA01P9 圖9 隔離式閘極驅動器機板的簡化方塊圖。

在圖9中,可以看到電源開關驅動器的主要元件,從LT3999直流對直流(DC-DC)變壓驅動器,為REF19x(或LT1121x)產生正閘極電壓,而這些高效率線性調節器則負責產生負閘極電壓,然後傳至隔離閘極驅動器。主控制器的代表則是ADSP-CM419F處理器,它能嵌入至機板,或連結高頻率佈線,以及為隔離式閘極驅動產生PWM訊號。

提供高效能驅動電路的挑戰,不光只是入手市面上最好的隔離式閘極驅動。ADI解決方案的獨特性,是提供立即可用的完整系統層級設計,因為它整合ADI與Linear Technology(現已併入ADI)的元件。專屬電源供應器結合穩定的無過壓與無欠壓參考電壓,對於許多以250kHz以上頻率運行的應用而言,這是其中一項必要的機制。

20180508TA01P10 圖10 隔離式閘極趨動器機板。

ADI與WATT&WELL正合作推動這項高階設計,結合ADI在晶片與系統層面的專業知識,加上WATT&WELL在強固與可靠應用方面的知識,在這類應用中高切換頻率與功率密度經常出現在各種高溫環境。