德州儀器在解決PCS發展痛點上的產品及方案

電氣化被普遍認為是 20 世紀最偉大的工程成就，并一直延續至今。為了減少對不可再生能源的依賴，并減少碳排放對氣候環境帶來的危害，電氣化正在繼續發揮其價值，助力世界轉向可再生能源的使用。

可再生能源系統具有一系列重要意義，但同時也面臨著巨大挑戰，需要解決包括間歇性、可擴展性、成本、效率和功率密度等一系列問題，從而可以更好地將可再生能源與現有的電網融合。

半導體正在以全新的方式推動著能源及電氣化的未來，比如幫助太陽能和儲能系統智能管理從電網到消費者的能源供應。

本文整合了2023 年德州儀器可再生能源半導體創新峰會上午圓桌論壇中行業大咖們的精彩討論，聚焦PCS（功率變換系統）如何助力可再生能源系統的發展，以及德州儀器在解決 PCS 發展痛點上的產品及方案。

詳解 PCS

在可再生能源系統中，PCS（功率變換系統）是一個重要的組成部分，其位于電網或光伏面板與儲能電池包之間，負責交流/直流、直流/交流以及直流/直流等多種功率變換。PCS 設計通常需要：精確的電壓、電流和溫度測量，高可靠性的功率級設計，高效率和功率密度，實時監測、識別和糾正故障。這些需求對于半導體尤其是模擬和嵌入式產品而言無疑是巨大挑戰，德州儀器正在全面助力 PCS 的技術革新，這包括了高電壓功率轉換、電流傳感與電壓傳感、邊緣處理與通信和電池管理。

德州儀器持續通過不斷創新的高電壓功率轉換，電流與電壓傳感，邊緣處理與通信和電池管理等技術，助力 PCS 技術革新。

雙向 PFC 和逆變器級的方框圖

如圖所示，一個典型的 PCS 需要眾多且復雜的半導體產品參與其中，德州儀器則主要通過幾個方面應對高壓系統的挑戰。

1. 氮化鎵 (GaN) 和碳化硅(SiC) 等第三代半導體能夠實現高效的功率轉換，減少功率損耗，從而提高高壓系統的效率。

2. 用于高壓系統的傳感和監測技術可幫助工程師準確測量電壓，從而提高安全性和可靠性。這使設計人員能夠通過減少設計余量來降低成本，挑戰更高的功率等級。

3. 隔離器件以電氣方式分隔兩個域，同時允許電源或信號在不影響人體安全的情況下通過屏障傳輸，使電路免受接地電位差的影響，并提高抗噪能力。

4. 低延遲的實時控制技術能夠可靠地控制使用 GaN 或 IGBT 開關的復雜電源拓撲，提高高壓系統的穩健性和功率密度。

第三代半導體的優勢

在功率級方面，越來越多的第三代半導體正在使用，相較于傳統 Si 功率器件，第三代器件能夠提升系統開關頻率，在降低系統體積的同時顯著提升系統功率密度并降低系統功耗。

德州儀器開發 GaN 可追溯至 2010 年，并于 2016 年正式量產。為了保證高可靠性，目前德州儀器已經針對 GaN FET 進行了 4000 多萬小時的器件可靠性測試和超過 5GWh 的功率轉換應用測試。該產品已廣泛應用于各個行業中，特別是在工業和汽車領域中，已經得到了實際的量產驗證。

德州儀器的 GaN 采用了直驅的常開型 dMode，與采用 Cascode（共源共柵）架構的 dMode 相比，德州儀器的直驅型 GaN 完全沒有反向恢復二極管，因此頻率可以更高。

共源共柵驅動和直接驅動配置

德州儀器通過在單一芯片中集成 GaN 功率管、驅動、保護和檢測等功能，簡化了由硅過渡到 GaN 的設計成本。并通過集成降低了寄生效應，在兼顧 EMI 的同時提高了 dV/dt，從而優化了整體性能。

GaN 具有低寄生電容電容（Ciss、Coss、Crss）并且無第三象限反向恢復。這些特性可實現更高頻率的硬開關拓撲，例如圖騰柱無橋功率因數控制器 (PFC)，而 MOSFET 和 IGBT 由于開關損耗較高而無法實現這些拓撲。

結合氮化鎵產品，德州儀器推出了一款基于 GaN 的 11kW 三級三相 ANPC 參考設計 TIDA-010210，可實現 100kHz 的更高開關頻率，不僅減小了濾波器磁性元件的尺寸，還提高了功率級的功率密度。這種多電平拓撲允許在高達 1000V 的直流母線電壓下使用額定電壓為 600V 的功率器件。較低的開關電壓應力可降低開關損耗，從而使峰值效率達到 98.5%。該設計支持雙向運行，可選擇逆變器模式或 PFC 模式運行，非常適合結合儲能的現代 PCS 需求。

TIDA-010210: 11kW 三級三相 ANPC 參考設計

在柵極驅動器方面，德州儀器推出了一系列支持 SiC/IGBT 的隔離驅動，從而更好的支持大功率 PCS 對于 SiC 的需求。比如德州儀器的 UCC217x 系列驅動，就具有多項優勢。包括 ±10A 電流驅動能力、150V/ns 的高 CMTI 隔離性能，以及集成各種保護功能，例如快速過流和短路檢測、分流電流檢測支持、故障報告、有源米勒鉗位、輸入和輸出側電源 UVLO（用于優化 SiC 和 IGBT 開關行為和可靠性）。

德州儀器廣泛的隔離驅動產品組合

合適的控制器

對于 PCS 系統而言，需要更復雜的電源拓撲和控制算法，例如零電壓開關、零電流開關或采用混合磁滯控制的 LLC 諧振 DC/DC 變換。同時系統還需要具備實時監測、識別和糾正故障的功能，并可以支持更多的 PWM 通道、更多的 ADC 通道。復雜拓撲中還可能需要使用多核處理來管理多個功率級。因此需要一款合適的數字控制器，既能處理時間要求嚴格的復雜計算，又提供精確控制，以及強大的資源和可拓展性。

F28P65x 是德州儀器最新推出的高性能實時控制 MCU，具有 2 個 C28x+CLA CPU、算力等同于 1GHz 的 Cortex-M7。該芯片具有 3 個獨立的 16 位 ADC，帶有內部觸發及基于硬件的平均濾波等算法功能，并配備 36 個高精度 Type 5 PWM 通道。

F28P65x 功能框圖

C2000 可以通過對電源轉換器占空比、頻率、死區和相移進行高分辨率控制來實現高頻操作，從而減小磁體尺寸并減輕其重量。通過啟用軟開關方案（如臨界模式操作和谷底開關）來減少損耗。通過增加更多的模擬集成來減少設計中外部器件（如比較器和數模轉換器 (DAC)）的數量，從而降低成本。

從產品到方案的組合

一個復雜的 PCS 還需要包括傳感、隔離、無線、邊緣處理、通信、顯示等眾多產品，德州儀器正通過更高效，更實惠的模擬和嵌入式產品組合，提供從器件到系統再到方案的創新組合，幫助解決成本、尺寸與效率的多重挑戰。

可持續的未來在部分程度上依賴于家庭和電網基礎設施層面上的電氣化，隨著半導體產品變得更加創新與更實惠，PCS 也將變得更智能、更可靠和更易用。

審核編輯：湯梓紅