大型数据中心、企业服务器和5G广泛部署电信基站、电动汽车充电站、新能源等基础设施，使功耗快速增长，效率高AC/DC电源对电信和数据通信基础设施的发展至关重要。近年来，以氮化镓为主(GaN)和碳化硅（SiC）以晶体管为代表的第三代功率器件已成为硅基的替代品MOSFET高性能开关换效率和密度的高性能开关。新的和未来的SiC/GaN功率开关将在各个方面取得巨大的进步，其巨大的优势——更高的功率密度、更高的工作频率、更高的电压和更高的效率，将有助于实现更紧凑、更昂贵的功率应用。

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好马配好鞍，实现隔离栅极驱动的高效功率转换

SiC/GaN常用作高压和高电流开关。这些功率晶体管由电压控制，其主要损耗是在开关期间造成的。为了大大降低开关损耗，需要较短的开关时间。然而，快速开关也有高压瞬变的危险，这可能会影响甚至损坏处理器的逻辑电路。因此，为SiC/GaN栅极驱动器还提供短路保护功能，这也会影响开关速度。然而，在选择栅极驱动器时，某些特性非常重要。

在开关过程中，晶体管将同时施加高电压和高电流。根据欧姆定律，这将导致一定的损失，这取决于这些状态的持续时间。目标是在很大程度上减少这些时间段。这里的主要影响因素是晶体管的栅极电容。为了实现开关，必须充放电。高瞬态电流将加速此过程。

图1 晶体管各损耗成分的简化表明

出于功能和安全考虑，电力电子需要隔离。由于使用了栅极驱动器，它将与高总线电压和电流接触，隔离是不可避免的。功率级驱动通常发生在低压电路中，因此不能驱动半桥拓扑的高端（high-side）由于低端开关同打开时，开关电位较高。同时，隔离意味着高压部分在发生故障时可靠地与控制电路隔离，以便人工接触。隔离栅极驱动器Viso(隔离耐压等级)一般为5 kV(rms)/min或更高。

此外，恶劣的工业环境要求应用对干扰源具有良好的抗干扰性或抗干扰性。例如，射频噪声、共模瞬变和干扰磁场是一个关键因素，因为它们可以耦合到栅极驱动器中，并在不想要的时间内激励功率级开关。隔离格栅驱动器的共模瞬变抗扰度(CMTI)定义了抑制输入输出共模瞬变的能力。例如，ADuM4121优秀于150 kV/μs的规格值。

因此，隔离驱动器可以在更长的时间内提供更高的栅极电流，对开关损耗起到更积极的作用。例如，基于iCoupler数字隔离技术ADuM4135可以提供高达4 A的电流。基于其出色的传播延迟(低于50) ns），通道之间的匹配小于5 ns，共模瞬变抗扰度(CMTI)优于100 kV/μs，单一包装可支持1500 VDC全寿命工作电压能给高电压和高开关速度应用带来诸多重要优势。对于更紧凑的纯度SiC/GaN应用，新FoxElectronics代理隔离格栅极驱动器ADuM4121是同类设备中传播延迟最低的理想解决方案(38ns)，支持最高开关频率和150 kV/μs最高共模瞬变抗扰度。ADuM4121提供5 kV rms隔离。

一个英雄三帮，构建完整IC生态支持高性能功率转换

除了提供更高性能的开关驱动外，还需要检测IC、电源控制器和高集成嵌入式处理器可以管理复杂的多电平和多级功率电路，从而正确发挥新一代的作用SiC/GaN功率转换器的优点。驱动SiC/GaN功率开关需要一个完整的功率开关IC生态系统支持，包括高质量的隔离栅极驱动和高端隔离电源电路供电，采用多核控制处理器集成高级模拟前端和特定安全特性，采用高效隔离∑-?为了实现设计的紧凑性，转换器检测电压。

如何为隔离栅极驱动器供电，可考虑采用高端隔离电源电路，如LT3999。LT3999是单芯片，高电压，高频率DC-DC变压器驱动器提供隔离电源，解决方案尺寸小。LT3999最大开关频率为1 MHz，具有外同步能力和2.7 V至36 V宽输入工作电压范围代表了为高速栅极驱动器提供稳定控制谐波和隔离电源的高科技水平。

高速拓扑采用隔离栅极驱动时，可选用单芯片、微功耗、隔离反激转换器LT8304/LT8304-1供电以保持其性能水平。无需第三绕组或隔离器调整，这些装置直接从原边反激波形采样隔离输出电压。输出电压通过两个外部电阻和第三个可选温度补偿电阻进行编程。边界工作模式提供了负载调整率优异的小解决方案。低纹波突发工作模式能在小负荷下保持高效率，同时使输出电压纹波最小化。LT8304/LT8304-1支持3 V至100 V输入电压范围最多可提供24 W隔离输出功率。

图2 ADI面向第三代功率器件的第三代功率器件IC生态系统

系统控制单元(通常是MCU、DSP或FPGA组合)必须能够并行运行多个高速控制环，并管理安全特性。它们必须提供冗余和大量的独立性PWM信号、ADC和I/O。例如ADSPCM419F支持设计师管理并行高功率、高密度、混合开关和多电平功率转换系统。ADSPCM419F基于ARMCortex-M4.浮点单元工作频率高达240 MHz，而且还包括一个工作频率高达1000 MHz的ARMCortex-M0处理器内核。这使得单个芯片能够集成双核安全冗余。

高性能二的电压检测是高速设计的必要功能，可采用高性能二级∑-?例如，基于调制器的实现AD7403可以将模拟输入信号转换为高速(高达20 MHz）单比特数据流。8引脚宽体SOIC高速互补金属氧化物半导体(CMOS)单芯片变压器技术（iCoupler技术)于一体。AD7403采用5 V供电，可输入±250 mV差分信号。78.1 kSPS时实现88 dB的信噪比(SNR)。

(注:本文发表《IC2022年7月，代理杂志