提高 SiC 逆變器和其他應(yīng)用中隔離偏置電源的共模瞬態(tài)電壓抗擾度 (CMTI)

時間：2024-09-17 19:31:00

關(guān)鍵字： SiC 逆變器

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[導(dǎo)讀]近年來，碳化硅 (SiC) 場效應(yīng)晶體管 (FET) 在牽引逆變器設(shè)計中的使用顯著增加。其主要原因是 SiC FET 可以在高開關(guān)頻率下工作，從而在保持高效率的同時提高功率密度。另一方面，SiC 逆變器可以產(chǎn)生大于 100V/ns 的大瞬態(tài)電壓 (dv/dt) 信號，引發(fā)人們對共模瞬態(tài)電壓抗擾度 (CMTI) 的擔(dān)憂。這在設(shè)計逆變器柵極驅(qū)動器的隔離偏置電源時提出了新的挑戰(zhàn)。

近年來，碳化硅 (SiC) 場效應(yīng)晶體管 (FET) 在牽引逆變器設(shè)計中的使用顯著增加。其主要原因是 SiC FET 可以在高開關(guān)頻率下工作，從而在保持高效率的同時提高功率密度。另一方面，SiC 逆變器可以產(chǎn)生大于 100V/ns 的大瞬態(tài)電壓 (dv/dt) 信號，引發(fā)人們對共模瞬態(tài)電壓抗擾度 (CMTI) 的擔(dān)憂。這在設(shè)計逆變器柵極驅(qū)動器的隔離偏置電源時提出了新的挑戰(zhàn)。

隔離式偏置電源有多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，但初級側(cè)調(diào)節(jié) (PSR) 反激式轉(zhuǎn)換器可提供最佳的性價比。該拓?fù)渚哂型獠吭?shù)量少、輸出電壓調(diào)節(jié)嚴(yán)格、無光耦合器、高效率和可靠的電流隔離等特點。通過利用有效的 CMTI 改進(jìn)方法，PSR 反激式可以繼續(xù)與 SiC FET 和隔離式偏置電源結(jié)合使用，從而有助于提高 SiC 逆變器中 PSR 反激式的容差。

使用PSR反激式作為隔離偏置電源

圖 1顯示了牽引逆變器應(yīng)用中使用TI LM5180轉(zhuǎn)換器的PSR反激式轉(zhuǎn)換器拓?fù)?。所?PSR 反激器件(例如LM5181、LM25180、LM25183和LM25184轉(zhuǎn)換器以及 LM5185 控制器)均與LM5180共享通用架構(gòu)。這些產(chǎn)品之間的主要區(qū)別在于它們可以處理的功率大小。

圖 1 僅顯示了兩個輸出軌，它們?yōu)槟孀兤?SiC FET 的一個高側(cè)驅(qū)動器提供偏置電壓。還可以通過將更多繞組耦合到變壓器來添加額外的隔離輸出。用虛線顯示的部件是支持附加功能的可選部件。

圖 1 ：牽引逆變器的PSR反激偏置電源

傳統(tǒng)的反激式轉(zhuǎn)換器通常需要次級側(cè)的光耦合器和電壓基準(zhǔn)(例如TI 的TLV431 )來形成反饋電路，以實現(xiàn)嚴(yán)格的輸出調(diào)節(jié)。相比之下，PSR 反激式轉(zhuǎn)換器通過變壓器的初級繞組感測輸出電壓，并通過隔離電壓軌提供嚴(yán)格的輸出電壓調(diào)節(jié)，從而無需光耦合器或次級反饋電路。其結(jié)果是一個簡單的偏置電源解決方案，具有出色的性價比。

具體地，輸出電壓由下面的等式1和等式2確定。這里我們假設(shè)V o1是主要輸出(功率較大)。

這里，1.21V是轉(zhuǎn)換器IC的參考電壓。 N P、N S1、N S2分別是相應(yīng)變壓器繞組的匝數(shù)。 R FB和R SET分別是輸出電壓檢測電阻和調(diào)節(jié)設(shè)置電阻。 V D1和V D2分別是兩個輸出二極管的正向壓降。

對于 LM5180、LM5181、LM5183、LM5184，R SET通常固定為 12.1kΩ;對于 LM5185，R SET 通常固定為 10kΩ。因此，方程 1 可以重寫為：

公式 3顯示，如果流經(jīng) R FB 的100μA 工作電流不受噪聲影響，則輸出電壓將保持穩(wěn)定。

CMTI挑戰(zhàn)

如圖 2 所示，當(dāng) SiC FET 在納秒 (ns) 內(nèi)切換時，逆變器橋臂的開關(guān)節(jié)點(也是 SiC FET 驅(qū)動器的浮動接地)會以超過 100V/ns 的壓擺率發(fā)生變化。

圖 2 ：由標(biāo)準(zhǔn) PSR反激式偏置電源產(chǎn)生的 CMTI

浮動接地引起的大 dv/dt 會導(dǎo)致隔離偏置電源出現(xiàn)共模瞬態(tài) (CMT)。圖 2 還顯示，該 CMT 會產(chǎn)生 CMT 電流，該電流通過變壓器的寄生電容器(用虛線表示)流至初級側(cè)。該CMT電流的一部分流過R FB，影響穩(wěn)定工作。

圖 3 顯示了受 CMTI 影響的正常 PSR 反激的典型波形。這是使用標(biāo)準(zhǔn)LM5180EVM-S05 評估板 (EVM) 捕獲的。黃色波形是 SiC 橋臂的 CMT。紅色波形是 PSR 反激式 SW 引腳上的電壓。

下面解釋該間歇開關(guān)操作。 PSR 反激輸出采樣保持周期內(nèi)的 CMT 會影響反饋信號。這是因為 CMT 電流貢獻(xiàn)了公式 3 所示的 100μA 工作電流。受影響的反饋信號可能導(dǎo)致轉(zhuǎn)換器錯誤地偏離穩(wěn)定運行。其結(jié)果是間歇性開關(guān)和向輸出的穩(wěn)定電力傳輸中斷。輸出電壓可能會下降，從而影響SiC逆變器的運行。

圖 3 ：受 CMT 影響的PSR反激式(縱軸：通道1 = 100V步長，通道2 = 10V步長;橫軸：50 μs步長)

改進(jìn)PSR反激式中的CMTI

圖 4 顯示了所提出的 CMTI 改進(jìn)方法。該方法在之間引腳VIN和兩個反饋電阻添加一個與 R FB 串聯(lián)的電阻 (R 1 )和一個陶瓷電容器 (C 1 )。該電阻和電容形成一個低通濾波器，減少CMT電流對流過R FB 的100μA工作電流的影響?？蛇x的第二個濾波電容器(C2連接到R SET引腳)可以進(jìn)一步增強(qiáng)緩解效果。