基于變壓器的 SiC MOSFET 隔離柵極驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)

本文將介紹一種用于 3.3kV SiC MOSFET的基于變壓器的隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器。兩個(gè) VHF 調(diào)制諧振反激式轉(zhuǎn)換器，工作頻率為 20 MHz，可生成 PWM 信號(hào)和柵極驅(qū)動(dòng)功率。

高壓絕緣特性(15 kV RMS)由基于PCB的空心變壓器提供。該變壓器具有 5pF 的低耦合電容，即使在 SiC MOSFET 的高 dv/dt 下也能增強(qiáng)抗噪能力。為了評(píng)估所提出解決方案的有效性，將提供 3.3kV 分立 SiC MOSFET 的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器

用于高壓 SiC MOSFET 的隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器 (GD) 的典型配置如圖 1 (a)所示。需要一個(gè)隔離的柵極驅(qū)動(dòng)電源 (GDPS)，而光纖 (OF) 通常用于傳輸柵極 PWM 信號(hào)，以確保信號(hào)路徑上的足夠隔離和低寄生電容[1]、[5]。這種解決方案的缺點(diǎn)是光纖成本高，并且需要至少兩個(gè)隔離電源。

已經(jīng)提出了一種替代解決方案，該解決方案基于具有基于 PCB 繞組的變壓器的 20kV 隔離 GDPS [2]。盡管它具有低耦合電容 (<2pF)，但由于磁芯和 PCB 繞組之間的間隙距離，它會(huì)導(dǎo)致變壓器體積龐大。

無線電力傳輸 (WPT) 轉(zhuǎn)換器[3]、 [5]和基于光功率傳輸?shù)?GDPS [3]、[4]允許您消除耦合電容，但實(shí)現(xiàn)低傳輸功率 (< 1W) 和轉(zhuǎn)換效率(< 25%)。感應(yīng)功率傳輸 GDPS 使用單匝初級(jí)繞組為多個(gè)次級(jí)接收器供電[5]，其中低耦合電容是通過初級(jí)繞組和磁芯之間的寬氣隙實(shí)現(xiàn)的。但是，如果初級(jí)發(fā)射器發(fā)生故障，則所有次級(jí)側(cè)柵極電壓都將失控。

本文提出的新穎解決方案如圖1(b)所示。通過使用具有高介電強(qiáng)度的基于 PCB 的空心變壓器，可實(shí)現(xiàn) 15 kV RMS絕緣電壓。此外，低耦合電容增強(qiáng)了 3.3kV SiC MOSFET 對(duì)高 dv/dt 的抗噪能力。

圖 1：傳統(tǒng)與建議的隔離 GD 解決方案

示意圖

所提出的解決方案的示意圖如圖 2所示。在初級(jí)側(cè)，PWM信號(hào)使用 VHF 信號(hào) (20 MHz) 進(jìn)行調(diào)制，以生成兩個(gè) RFC 的柵極信號(hào)。第一個(gè) RFC 在 PWM 信號(hào)為高電平 (1) 時(shí)有效，而第二個(gè)在 PWM 信號(hào)為低電平 (0) 時(shí)有效。無論 PWM 占空比如何，兩級(jí)的輸出電壓 V O都保持恒定的 DC 值。因此，次級(jí)側(cè)接收的功率與 PWM 占空比無關(guān)。

在次級(jí)側(cè)，兩個(gè)包絡(luò)檢測(cè)器連接到二極管 D R1和 D R2的陽極，從而檢測(cè) RFC 的 ON/OFF 狀態(tài)。然后這些邊沿檢測(cè)信號(hào)作為 PWM 上升沿和下降沿進(jìn)行緩沖，并發(fā)送到 RS 雙穩(wěn)態(tài)，該 RS 雙穩(wěn)態(tài)重新生成 PWM 信號(hào)。在 RFC 1 之后連接的非隔離 DC-DC 穩(wěn)壓器為次級(jí)側(cè)信號(hào)處理電路提供所需的 +5V、+15V 和 -5V 驅(qū)動(dòng)電壓。

圖 2：提議的 GD 解決方案示意圖

相關(guān)波形如圖3所示。

圖 3：提議的 GD 的關(guān)鍵波形

變壓器

基于PCB的空心變壓器的設(shè)計(jì)，其優(yōu)點(diǎn)是消除了磁芯損耗和繞組與磁芯之間的潛在絕緣問題，如圖4所示。它采用堆疊 PCB 結(jié)構(gòu)，包括初級(jí) PCB、變壓器 (Tr)-PCB 和次級(jí) PCB。變壓器繞組具有螺旋形狀以簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)。Tr-PCB 板只有兩層，初級(jí)和次級(jí)繞組分別位于頂層和底層。使用此解決方案，絕緣特性完全由 Tr-PCB 板的介電材料(通常為低成本 FR-4)提供。

圖 4：基于 PCB 的變壓器的結(jié)構(gòu)

為了提高介質(zhì)擊穿電壓和降低耦合電容，可以使用高抗電強(qiáng)度和低介電常數(shù)的材料。作者使用了 Arlon-DiClad-880 材料，其介電常數(shù)為 2.2，介電強(qiáng)度大于 45kV/mm。借助 Ansys Q3D 提取器工具確定的模擬耦合電容對(duì)于幾個(gè)變壓器約為 5 pF。

帶涂層的初級(jí)和次級(jí)繞組之間的爬電距離高于 30 mm × 2。根據(jù) IEC-61800-5-1-2007 標(biāo)準(zhǔn)，這確保了 15 kV RMS的絕緣電壓。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖5顯示了用于測(cè)試的原型的示意圖，該原型使用表 I中列出的組件在實(shí)驗(yàn)室中構(gòu)建。

表一：原型中使用的組件列表

圖 5：原型示意圖

RFC的最大輸出功率在1.5W@17Ω阻性負(fù)載下測(cè)得，足以驅(qū)動(dòng)3.3kV SiC MOSFET(GR40MT33N)。效率和 RFC 輸出電壓 (V O ) 的圖表如圖 6所示。兩個(gè) RFC 在整個(gè)負(fù)載范圍 (0.12W-1.5W) 上都保持穩(wěn)定的輸出特性。

圖 6：效率和 RFC 輸出電壓

此外，還實(shí)施了雙脈沖測(cè)試 (DPT) 來評(píng)估提議的 GD 的性能。DPT 試驗(yàn)臺(tái)的示意圖如圖 7所示。

圖 7：DPT 測(cè)試臺(tái)示意圖

GD 驅(qū)動(dòng)開關(guān)S 1，其中需要絕緣電壓和對(duì)高 dv/dtare 的抗噪性。Vdc=2kV，id_S1,max=44A，Lload=1.3mH，Rgon/Rgoff=2.2Ω/5Ω時(shí)的DPT實(shí)驗(yàn)波形如圖8所示。可以看出，3.3kV SiC達(dá)到的最大dv/dt MOSFET 對(duì)應(yīng)于 100V/ns 的安全值。相同的 GD 解決方案也可用于其他高壓 SiC MOSFET 器件。

圖 8：實(shí)驗(yàn)波形