德州仪器在解决PCS发展痛点上的产品及方案

电气化被普遍认为是 20 世纪最伟大的工程成就，并一直延续至今。为了减少对不可再生能源的依赖，并减少碳排放对气候环境带来的危害，电气化正在继续发挥其价值，助力世界转向可再生能源的使用。

可再生能源系统具有一系列重要意义，但同时也面临着巨大挑战，需要解决包括间歇性、可扩展性、成本、效率和功率密度等一系列问题，从而可以更好地将可再生能源与现有的电网融合。

半导体正在以全新的方式推动着能源及电气化的未来，比如帮助太阳能和储能系统智能管理从电网到消费者的能源供应。

本文整合了2023 年德州仪器可再生能源半导体创新峰会上午圆桌论坛中行业大咖们的精彩讨论，聚焦PCS（功率变换系统）如何助力可再生能源系统的发展，以及德州仪器在解决 PCS 发展痛点上的产品及方案。

详解 PCS

在可再生能源系统中，PCS（功率变换系统）是一个重要的组成部分，其位于电网或光伏面板与储能电池包之间，负责交流/直流、直流/交流以及直流/直流等多种功率变换。PCS 设计通常需要：精确的电压、电流和温度测量，高可靠性的功率级设计，高效率和功率密度，实时监测、识别和纠正故障。这些需求对于半导体尤其是模拟和嵌入式产品而言无疑是巨大挑战，德州仪器正在全面助力 PCS 的技术革新，这包括了高电压功率转换、电流传感与电压传感、边缘处理与通信和电池管理。

德州仪器持续通过不断创新的高电压功率转换，电流与电压传感，边缘处理与通信和电池管理等技术，助力 PCS 技术革新。

双向 PFC 和逆变器级的方框图

如图所示，一个典型的 PCS 需要众多且复杂的半导体产品参与其中，德州仪器则主要通过几个方面应对高压系统的挑战。

1. 氮化镓 (GaN) 和碳化硅(SiC) 等第三代半导体能够实现高效的功率转换，减少功率损耗，从而提高高压系统的效率。

2. 用于高压系统的传感和监测技术可帮助工程师准确测量电压，从而提高安全性和可靠性。这使设计人员能够通过减少设计余量来降低成本，挑战更高的功率等级。

3. 隔离器件以电气方式分隔两个域，同时允许电源或信号在不影响人体安全的情况下通过屏障传输，使电路免受接地电位差的影响，并提高抗噪能力。

4. 低延迟的实时控制技术能够可靠地控制使用 GaN 或 IGBT 开关的复杂电源拓扑，提高高压系统的稳健性和功率密度。

第三代半导体的优势

在功率级方面，越来越多的第三代半导体正在使用，相较于传统 Si 功率器件，第三代器件能够提升系统开关频率，在降低系统体积的同时显著提升系统功率密度并降低系统功耗。

德州仪器开发 GaN 可追溯至 2010 年，并于 2016 年正式量产。为了保证高可靠性，目前德州仪器已经针对 GaN FET 进行了 4000 多万小时的器件可靠性测试和超过 5GWh 的功率转换应用测试。该产品已广泛应用于各个行业中，特别是在工业和汽车领域中，已经得到了实际的量产验证。

德州仪器的 GaN 采用了直驱的常开型 dMode，与采用 Cascode（共源共栅）架构的 dMode 相比，德州仪器的直驱型 GaN 完全没有反向恢复二极管，因此频率可以更高。

共源共栅驱动和直接驱动配置

德州仪器通过在单一芯片中集成 GaN 功率管、驱动、保护和检测等功能，简化了由硅过渡到 GaN 的设计成本。并通过集成降低了寄生效应，在兼顾 EMI 的同时提高了 dV/dt，从而优化了整体性能。

GaN 具有低寄生电容电容（Ciss、Coss、Crss）并且无第三象限反向恢复。这些特性可实现更高频率的硬开关拓扑，例如图腾柱无桥功率因数控制器 (PFC)，而 MOSFET 和 IGBT 由于开关损耗较高而无法实现这些拓扑。

结合氮化镓产品，德州仪器推出了一款基于 GaN 的 11kW 三级三相 ANPC 参考设计 TIDA-010210，可实现 100kHz 的更高开关频率，不仅减小了滤波器磁性元件的尺寸，还提高了功率级的功率密度。这种多电平拓扑允许在高达 1000V 的直流母线电压下使用额定电压为 600V 的功率器件。较低的开关电压应力可降低开关损耗，从而使峰值效率达到 98.5%。该设计支持双向运行，可选择逆变器模式或 PFC 模式运行，非常适合结合储能的现代 PCS 需求。

TIDA-010210: 11kW 三级三相 ANPC 参考设计

在栅极驱动器方面，德州仪器推出了一系列支持 SiC/IGBT 的隔离驱动，从而更好的支持大功率 PCS 对于 SiC 的需求。比如德州仪器的 UCC217x 系列驱动，就具有多项优势。包括 ±10A 电流驱动能力、150V/ns 的高 CMTI 隔离性能，以及集成各种保护功能，例如快速过流和短路检测、分流电流检测支持、故障报告、有源米勒钳位、输入和输出侧电源 UVLO（用于优化 SiC 和 IGBT 开关行为和可靠性）。

德州仪器广泛的隔离驱动产品组合

合适的控制器

对于 PCS 系统而言，需要更复杂的电源拓扑和控制算法，例如零电压开关、零电流开关或采用混合磁滞控制的 LLC 谐振 DC/DC 变换。同时系统还需要具备实时监测、识别和纠正故障的功能，并可以支持更多的 PWM 通道、更多的 ADC 通道。复杂拓扑中还可能需要使用多核处理来管理多个功率级。因此需要一款合适的数字控制器，既能处理时间要求严格的复杂计算，又提供精确控制，以及强大的资源和可拓展性。

F28P65x 是德州仪器最新推出的高性能实时控制 MCU，具有 2 个 C28x+CLA CPU、算力等同于 1GHz 的 Cortex-M7。该芯片具有 3 个独立的 16 位 ADC，带有内部触发及基于硬件的平均滤波等算法功能，并配备 36 个高精度 Type 5 PWM 通道。

F28P65x 功能框图

C2000 可以通过对电源转换器占空比、频率、死区和相移进行高分辨率控制来实现高频操作，从而减小磁体尺寸并减轻其重量。通过启用软开关方案（如临界模式操作和谷底开关）来减少损耗。通过增加更多的模拟集成来减少设计中外部器件（如比较器和数模转换器 (DAC)）的数量，从而降低成本。

从产品到方案的组合

一个复杂的 PCS 还需要包括传感、隔离、无线、边缘处理、通信、显示等众多产品，德州仪器正通过更高效，更实惠的模拟和嵌入式产品组合，提供从器件到系统再到方案的创新组合，帮助解决成本、尺寸与效率的多重挑战。

可持续的未来在部分程度上依赖于家庭和电网基础设施层面上的电气化，随着半导体产品变得更加创新与更实惠，PCS 也将变得更智能、更可靠和更易用。

审核编辑：汤梓红