面向未来的电源开关处置打算

文章编号：5051 更新时间：2024-12-03 分类：互联网资讯 阅读次数：次

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【导读】在汽车、工业和逆变器运行中，对在更高输入功率水平下提高效率的需求日益增长。而在电动汽车 (EV) 畛域，经过提高电机驱动效率和放慢电池充电速度，此类提升关于裁减性能和延伸续航里程至关关键。关于工业而言，提高效率是缩小环球动力消耗和增强可继续性的必须条，因此以后重点是直流微电网技术的效率效益。在绿色可再活泼力方面，高效率会促成光伏发电、水力发电大风力发电的驳回，以便从有限的人造资源中最大限制失掉动力。

在汽车、工业和逆变器运行中，对在更高输入功率水平下提高效率的需求日益增长。而在电动汽车 (EV) 畛域，经过提高电机驱动效率和放慢电池充电速度，此类提升关于裁减性能和延伸续航里程至关关键。关于工业而言，提高效率是缩小环球动力消耗和增强可继续性的必须条，因此以后重点是直流微电网技术的效率效益。在绿色可再活泼力方面，高效率会促成光伏发电、水力发电大风力发电的驳回，以便从有限的人造资源中最大限制失掉动力。为了成功这一基本效率目的，电力电子行业正在向提高开关频率和电压过渡，同时仍试图平衡老本与性能并减小总体尺寸（图 1）。但是，成功这种转变须要集成下一代半导体器件，并活期颁布新版本的功率 MOSFET 以及宽带隙 SiC 和 GaN。这给设计工程师带来了应战：在开关功率晶体管技术继续提高的背景下，如何能力保障功率驱动产品不会过期，从而在不须要始终从新设计的状况下应用这些新一代技术？

面向未来的电源开关处置打算图 1：开关频率越高，处置打算尺寸就越小，但晶体管技术的选用取决于输入功率并受限于老本。

以典型的电源设计需求为例：电动汽车须要一种高效、紧凑的先进三相电池充电器处置打算。驳回双向功率驱动，同时在两个方向上应雷同有效：交换转直流和直流转交换。交换侧应具备有源功率因数控制 (PFC)，直流侧应具备低开关损耗，并与电压高达 800 VDC 的电池包衔接。该设计需在高开关频率下运转，以减小电感元件的尺寸和重量。图 2 所示为一种或者的处置打算，其中联合了三相 PFC、全桥双向 LLC 和有源整流器。该处置打算须要 14 个功率晶体管，为成功最佳性价比，可以混合经常使用 MOSFET、SiC 和可用的 GaN 器件。

面向未来的电源开关处置打算图 2：双向电动汽车电池充电器设计的或者处置打算。

一切功率晶体管都须要经常使用独自的栅极驱动器，高侧晶体管（Q1、Q3、Q5、Q7、Q9、Q11 和 Q13）还须要电隔离。假设栅极驱动用具备独自的 Out+ 和 Out- 引脚，则可以在导通和关断周期经常使用不同的栅极电阻来提升开关个性。此外，还可以选用隔离 Vpos 和 Vneg 以在导通周期时期充沛增强晶体管，并在关断周期时期极速对栅极电容启动放电。负“关断”电压还可消弭因源极电感形成的失误导通，从而提高开关牢靠性[无关负栅极驱动电压（也实用于低侧开关）需求的具体剖析，请参阅 RECOM 网站中提供的白皮书“经常使用 IGBT 和 SIC MOSFET 来设计牢靠耐用之晶体管电路” ]。这就是疑问所在：不同的开关技术以及不同版本的晶体管，其最大栅极驱动电压不尽相反（图 3）。

面向未来的电源开关处置打算图 3：晶体管栅极驱动电压因技术和版本要素存在差异。

针对 +15/-9 V 非对称电源电压的 IGBT 而提升的栅极驱动器设计，将对只要 1 V 余量到负相对最大限值的第一代或第二代 SiC 形成严重压力，并且齐全不可兼容第三代 SiC 晶体管。须要从第一代 SiC 过渡到第二代或第三代 SiC 的设计中存在相似疑问：+20 V 正规电压将等于或超越新一代的相对最大限值，造成过早发生缺点。目前的趋向是，每一代新型功率晶体管都将在较低的栅极驱动电压电平下齐全增强或齐全耗尽，但最佳栅极驱动电压电平仍会因制作商、开发迭代和晶体管类型而有所不同。因为隔离栅极驱动器电源电压（Vpos和Vneg）由隔离变压器或隔离 DC/DC 转换器提供，虽然栅极驱动器自身实用于一切晶体管类型，但每种功率晶体管的选用都须要不同的处置打算。这象征着即使经常使用引脚兼容的二级供应商开关晶体管，也或者须要对隔离电源启动严重设计更改。可编程隔离非对称电源则可以满足此类需求，以允许栅极驱动器电路针对不同的晶体管选项（或者包含尚未颁布的新一代晶体管）启动提升。RECOM 颁布了此类产品：RxxC2T25S。这是一款驳回 SOIC 封装的 SMD DC/DC 转换器，并带有集成隔离变压器（图 4）。经过扭转反应分压器电路中的电阻值，可以将输入独自设置为处于 +2.5 V 至 +22.5 V 和 -2.5 V 至 -22.5 V 的范围内，这象征着只需组合输入在 18 至 25 V 范围内，一种电源处置打算即可提供 +15/-9、+20/-5、+18/-4、+15/-3 或任何其余输入电压组合。这允许设计人员经过更改 BoM 电阻值（而不是 PCB 设计），在一级和二级功率晶体管供应商之间轻松切换。这也象征着，假设推出具备 +14.5/-3.5 V 最佳栅极驱动电压的全新一代功率晶体管，则该处置打算足以满足未来需求。最后，输入电压可独立调理，这关于将栅极驱动到十分凑近相对最大值电压电平以取得尽或者高的开关效率至关关键。

面向未来的电源开关处置打算图 4：驳回 SOIC 封装的隔离 DC/DC 转换器，具备可编程的非对称稳压输入。

随着功率水平参与到千瓦级，栅极驱动器和栅极驱动器电源周围的环境要求变得愈加严苛。虽然先进的 WBG功率晶体管技术的开关损耗较低，但估量环境上班温度较高。高电压的硬开关会发生十分高的 dv/dt 转换速率，因此良好的 CMTI（共模瞬态抗扰度）、低隔离电容和高隔离度关于保障开关稳固牢靠至关关键。RxxC2T25S 的环境上班温度范围为 -40 ℃ 至 +100 ℃（1.5 W 负载），最高 +125 ℃（0.6 W 负载），特意是 CMTI 为 ±150 kV/μs，隔离电容仅为 3.5 pF 和 3 kVAC/1 分钟隔离（额外重复峰值电压为 ±1200 VDC）。输入还提供片面包全措施，可以防止短路、过载和过温缺点。欠压锁定配置象征着，只要输入电压和输入电压都稳固后，才会激活 DC-OK 引脚，因此该引脚可以衔接到栅极驱动器上的使能引脚，以确保从首个开关周期开局就处于稳固形态（图 5）。

面向未来的电源开关处置打算图 5：经常使用 RxxC2T25S 的片面隔离栅极驱动器处置打算。R1-R4 设置输入电压。