Ecosistema IC para impulsar convertidores de potencia SiC/GaN de última generación

Los nuevos y futuros interruptores de alimentación de SiC/GaN impulsarán grandes avances en todo, desde cantidades significativamente mayores de electricidad renovable de próxima generación hasta el mercado de rápido crecimiento de los automóviles eléctricos. Los tremendos beneficios de una densidad de potencia mejorada, frecuencias de trabajo más altas, voltajes aumentados y una mejor eficiencia brindarán aplicaciones de energía más compactas y rentables. Para obtener todas estas ventajas, se debe diseñar un sistema de accionamiento de interruptores de rendimiento mucho mayor. La visión actual centrada en el conmutador está evolucionando hacia un enfoque de solución de sistema mucho más completo, en el que la próxima generación de circuitos integrados de controlador de puerta avanzados con un aislamiento integrado mucho más sólido, circuitos integrados de detección, controladores de fuente de alimentación y procesadores integrados y altamente integrados gestionarán los complejos bucles de potencia multinivel y multietapa necesarios para aprovechar adecuadamente la promesa que ofrece la próxima generación de convertidores de potencia SiC/GaN.

stefano gallinaro
ADI, Gerente de Marketing Estratégico, Energías Renovables

Los diseños de convertidores de potencia están cambiando de IGBT de silicio puro a MOSFET de SiC/GaN en una variedad de aplicaciones. Algunos mercados, como el mercado de inversores de tracción a motor, tardan más en adoptar nuevas tecnologías, mientras que otros, como los mercados de inversores solares e inversores y cargadores de tracción de vehículos eléctricos, están desempeñando un papel clave en la innovación.

Se prevé que el mercado solar crezca con una CAGR muy positiva del 10 % durante los próximos cinco años, mientras que se espera que los precios de los sistemas fotovoltaicos disminuyan otro 20 %. Esto será posible gracias a las mejoras tecnológicas de los componentes electrónicos de los inversores fotovoltaicos y será impulsado por ellas. Las nuevas tecnologías en los interruptores de potencia (MOSFET de SiC/GaN) aumentarán las frecuencias de conmutación, lo que reducirá los tamaños de los inductores y los capacitores y, al mismo tiempo, requerirá circuitos integrados de detección, control y conducción más precisos, rápidos y energéticamente eficientes. 1500 V_{corriente continua} Los inversores de cadenas a escala de servicios públicos, en el rango de 30 kW a 100 kW, obtendrán más del 90 % de participación de mercado de todos los inversores a escala de servicios públicos para el año 2021. Representan el punto de referencia para probar nuevos interruptores de potencia de SiC/GaN de alta densidad en topologías multinivel innovadoras.

Las nuevas aplicaciones disruptivas, como los vehículos eléctricos (EV) y los sistemas de almacenamiento de energía (ESS), están creando una demanda de convertidores de potencia de SiC de alta frecuencia, alta densidad de potencia y ultraeficientes. Los motores de tracción a bordo buscan la densidad de potencia más alta para reducir el tamaño y el peso y obtener nuevos récords de eficiencia, mientras que los cargadores rápidos externos buscan voltajes altos (hasta 2000 V_{corriente continua}, >150 kW) y topologías complejas de alta frecuencia, lo que da como resultado una reducción total del costo del sistema en magnetismo, mecánica y ensamblaje. Además de eso, estas nuevas aplicaciones también están impulsando el desarrollo de innovadores procesadores de control multinúcleo y pueden administrar algoritmos de control complejos y garantizar la eficiencia y estabilidad del sistema cuando se trabaja en modo bidireccional, desde la red de CA hasta la carga de CC y viceversa. viceversa

Impulsar interruptores de alimentación de SiC/GaN implica diseñar un ecosistema completo de circuitos integrados que se ajustan con precisión juntos. El enfoque del diseño ya no se centra solo en el interruptor, sino que debe ser más expansivo. Las frecuencias de trabajo de la aplicación, los requisitos de eficiencia y la complejidad de la topología requieren el mejor controlador de compuerta aislado de su clase (por ejemplo, ADuM4135) alimentado por un circuito de fuente de alimentación aislado de gama alta (por ejemplo, LT3999). El control debe realizarse con un procesador de control multinúcleo, que incorpore un front-end analógico avanzado y funciones de seguridad específicas (por ejemplo, ADSP-CM419F). Finalmente, la compacidad del diseño se logra a través de la detección de voltajes con convertidores Σ-Δ aislados y eficientes energéticamente (por ejemplo, AD7403).

Durante la fase de transición de los IGBT de Si a los MOSFET de SiC, se deben considerar topologías mixtas en las que se utilizan MOSFET de SiC para los interruptores de alta frecuencia y los IGBT de Si para los interruptores de baja frecuencia. Los controladores de compuerta aislados deben poder controlar conmutadores con diferentes requisitos, con más de ellos en paralelo y en configuraciones mixtas de silicio IGBT/SiC MOS multinivel. A los clientes les gustaría tener un número de parte que cumpla con los requisitos de todas sus aplicaciones, simplificando la lista de materiales y reduciendo costos. Altas tensiones de trabajo, superiores a 1500 V_{corriente continua} (por ejemplo, 2000 V_{corriente continua} para el almacenamiento de energía a gran escala), son fáciles de alcanzar con convertidores multinivel y representan un desafío importante para las barreras de aislamiento que se implementan por seguridad.

Utilizando dispositivos analógicos probados iAcoplador^® tecnología, el controlador de compuerta aislado ADuM4135 ofrece una serie de beneficios clave en aplicaciones de alto voltaje y alta velocidad de conmutación. ADuM4135 es la mejor opción para impulsar SiC/GaN MOS, gracias a un retardo de propagación superior de más de 50 ns con coincidencia de canal a canal de menos de 5 ns, inmunidad transitoria de modo común (CMTI) de más de >100 kV /μs, y la capacidad de admitir voltajes de trabajo de por vida de hasta 1500 V_{corriente continua} en un solo paquete.

El ADuM4135, en un paquete SOIC de cuerpo ancho y 16 conductores, incluye una abrazadera Miller para proporcionar un apagado sólido de SiC/GaN MOS o IGBT con un suministro de un solo riel cuando el voltaje de la puerta cae por debajo de 2 V. Operación con unipolar o Posibilidad de alimentaciones secundarias bipolares. Integrado en el ADuM4135 hay un circuito de detección de desaturación que brinda protección contra la operación del interruptor de cortocircuito y alto voltaje. La protección contra la desaturación contiene funciones de reducción de ruido, como un tiempo de enmascaramiento de 300 ns después de un evento de conmutación para enmascarar los picos de voltaje causados ​​por el encendido inicial. Una fuente de corriente interna de 500 μA permite un recuento bajo de dispositivos y el interruptor de supresión interno permite agregar una fuente de corriente externa si se necesita más inmunidad al ruido. El UVLO secundario se establece en 11 V, teniendo en cuenta los niveles de umbral IGBT comunes. Dispositivos analógicos' iLos transformadores acopladores a escala de chip también proporcionan comunicación aislada de información de control entre los dominios de alto y bajo voltaje del chip. La información sobre el estado del chip se puede leer desde salidas dedicadas. El lado primario del dispositivo controla el reinicio del dispositivo después de una falla en el secundario.

Para aplicaciones más compactas basadas en SiC/GaN puro, el nuevo controlador de puerta aislado ADuM4121 es la solución. También basado en Analog Devices iAislamiento digital del acoplador, el controlador presenta el retardo de propagación más bajo de su clase de 38 ns, lo que permite las frecuencias de conmutación más altas y la inmunidad transitoria de modo común más alta de 150 kV/μs. ADuM4121 proporciona aislamiento de 5 kV rms en un paquete SOIC de 8 conductores y cuerpo ancho.

Cuando se utilizan en topologías de alta velocidad, los controladores de compuerta aislados deben recibir la alimentación adecuada para mantener sus niveles de rendimiento. Los LT8304/LT8304-1 de Analog Devices son convertidores flyback aislados, monolíticos y de micropotencia. Al muestrear el voltaje de salida aislado directamente de la forma de onda de retorno del lado primario, las piezas no requieren un tercer devanado o aislador para la regulación. El voltaje de salida está programado con dos resistencias externas y una tercera resistencia de compensación de temperatura opcional. La operación en modo límite proporciona una solución magnética pequeña con una excelente regulación de carga. La operación en modo de ráfaga de baja ondulación mantiene una alta eficiencia con una carga ligera, al tiempo que minimiza la ondulación del voltaje de salida. Se integra un interruptor de alimentación DMOS de 2 A y 150 V, junto con todos los circuitos de alto voltaje y la lógica de control en un paquete SO de 8 conductores térmicamente mejorado. El LT8304/LT8304-1 funciona con un rango de voltaje de entrada de 3 V a 100 V y ofrece hasta 24 W de potencia de salida aislada.

El LT3999 de Analog Devices es un controlador de transformador de CC a CC monolítico, de alto voltaje y alta frecuencia que proporciona energía aislada con una pequeña huella de solución. Con una frecuencia de conmutación máxima de 1 MHz, capacidad de sincronización externa y un amplio rango operativo de entrada de 2,7 V a 36 V, el LT3999 representa lo último en generación de armónicos controlados y estables y una fuente de alimentación aislada para controladores de puerta de alta velocidad. Viene en paquetes MSOP de 10 derivaciones y DFN de 3 mm × 3 mm con una almohadilla expuesta.

Las unidades de control del sistema (generalmente una combinación de MCU, DSP o FPGA) deben tener la capacidad de ejecutar múltiples bucles de control de alta velocidad en paralelo, y también deben poder administrar las características de seguridad. Deben proporcionar redundancia y una gran cantidad de señales PWM, ADC y E/S independientes. El ADSP-CM419F de Analog Devices permite a los diseñadores tener un procesador dual-core de señal mixta que gestione sistemas paralelos de conversión de energía multinivel, de alta densidad, de conmutación mixta y de alta potencia.

ADSP-CM419F se basa en el ARM^® Núcleo de procesador Cortex®-M4, con unidad de punto flotante que opera a frecuencias de hasta 240 MHz, e incorpora un núcleo de procesador ARM Cortex-M0 que opera a frecuencias de hasta 100 MHz. Esto permite la integración de redundancia de seguridad de doble núcleo en un solo chip. El procesador principal ARM Cortex-M4 integra 160 kB de memoria SRAM con verificación y corrección de errores (ECC), 1 MB de memoria flash con ECC, aceleradores y periféricos optimizados para el control del convertidor de potencia (incluidos 24 PWM independientes) y un módulo analógico que consta de de dos ADC de tipo SAR de 16 bits, uno de 14 bits en M0 ADC y un DAC de 12 bits. El ADSP-CM419F funciona con un solo suministro de voltaje, generando sus propios suministros de voltaje internos mediante reguladores de voltaje internos y un transistor de paso externo. Viene en un paquete BGA de 210 bolas.

La detección de voltaje rápida y precisa es obligatoria en los diseños de alta velocidad. El AD7403 de Analog Devices es un modulador Σ-Δ de segundo orden y alto rendimiento que convierte una señal de entrada analógica en un flujo de datos de un solo bit de alta velocidad (hasta 20 MHz). Combina tecnología de semiconductores de óxido de metal complementario (CMOS) de alta velocidad con tecnología de transformador monolítico (iTecnología de acoplador) en un paquete SOIC de cuerpo ancho de 8 conductores. AD7403 funciona con una fuente de alimentación de 5 V y acepta una señal de entrada diferencial de ±250 mV. La información original se puede reconstruir con un filtro digital adecuado para lograr una relación señal/ruido (SNR) de 88 dB a 78,1 kSPS.

Para habilitar los diseños de convertidores de potencia de próxima generación de los clientes con alto rendimiento, confiabilidad y competitividad en el mercado, Analog Devices decidió desarrollar varias plataformas de diseño de hardware y software que se pueden usar tanto para evaluar los circuitos integrados como para construir el sistema completo. Actualmente dirigidas a clientes estratégicos, las plataformas de diseño representan el estado del arte para mostrar el ecosistema IC completo para impulsar convertidores de potencia SiC/GaN de próxima generación. Varían desde placas de controlador de compuerta aisladas para módulos de alimentación de SiC de alto voltaje y alta corriente hasta convertidores bidireccionales de CA a CC completos donde el software para ADSP-CM419F juega un papel clave en el control adecuado de los interruptores de alimentación de SiC/GaN.