可再生能源應(yīng)用中的柵極驅(qū)動器設(shè)計

引言

對電能轉(zhuǎn)換而言，可再生能源電子細(xì)分市場是一個復(fù)雜且多樣化的競技場。在一些負(fù)載點應(yīng)用中，開關(guān)型功率轉(zhuǎn)換器通常為非隔離式，功率水平相當(dāng)?shù)?<200 W)，并且常常會把電源從一個DC電壓轉(zhuǎn)換到另一個，例如：12V轉(zhuǎn)換為3.3V.另外，功率級開關(guān)為集成式，也即能夠通過低電流控制器或者晶體管驅(qū)動。今天，控制器和功率級之間的整合正在成為現(xiàn)實。硅(Si)MOSFET在這一市場中起主導(dǎo)作用，因為人們喜歡更高的開關(guān)頻率，它可以達(dá)到1MHz以上的速度。這些功率開關(guān)通常均由一個5V或者12V IC柵極驅(qū)動器或類似解決方案來驅(qū)動。

高效管理可再生能源系統(tǒng)的挑戰(zhàn)

在某個風(fēng)或者光伏發(fā)電機(jī)的電力系統(tǒng)中，存在一些特殊的性能問題。使用微型逆變器時典型可再生能源功率水平為1到3kW,串型逆變器為3到10kW,而大型中央式逆變器站則為10kW到1MW.除DC到DC轉(zhuǎn)換以外，還可使用DC到AC和AC到DC轉(zhuǎn)換，有時也可兩者組合使用。

老式的風(fēng)力發(fā)電機(jī)直接連接電網(wǎng)，只能工作在電力線頻率下。在經(jīng)過許多作業(yè)點以后，它們變得很低效。新型的風(fēng)力發(fā)電機(jī)(圖1)常常把AC轉(zhuǎn)換為DC,然后再把DC轉(zhuǎn)換回AC,這樣風(fēng)力發(fā)電機(jī)便可工作在各種速度下，從而獲得最大效率。

相反，光伏電池產(chǎn)生DC電壓/電流。一般而言，先升高電壓，然后通過一個DC到AC逆變器發(fā)送，最后再連接電網(wǎng)。

可再生能源發(fā)展趨勢

對于世界上的大多數(shù)國家而言，利用風(fēng)和太陽能生產(chǎn)的清潔能源都僅為其能源的很小一部分。近年來，可再生能源獲得了持續(xù)的發(fā)展。在一些地方，可再生能源已經(jīng)占有很大一部分。例如，根據(jù)丹麥能源局?jǐn)?shù)據(jù)，在2012年上半年， 丹麥所生產(chǎn)的全國總電量中約有34%為風(fēng)力發(fā)電。丹麥能源局的上級部柵極丹麥氣候、能源與建筑部發(fā)布消息稱，到2020年，丹麥的風(fēng)力發(fā)電將占到總能源的50%.當(dāng)風(fēng)力發(fā)電在一個國家總能源中占有較大比重時，轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的可靠性變得至關(guān)重要。除此以外，還有高功率電網(wǎng)連接、電隔離安全要求和大型可再生能源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的成本問題。這意味著，系統(tǒng)可靠性始終都是設(shè)計優(yōu)先考慮因素，其次是效率問題。因此，在所有層面(從控制器到FET/IGBT驅(qū)動器本身)，保護(hù)功能和可靠性都是優(yōu)先考慮項。

典型電源管理結(jié)構(gòu)

高功率電平帶來更高的系統(tǒng)電壓，因此轉(zhuǎn)換器內(nèi)所用各種組件的切斷電壓也更高。為了降低400V以上電壓的功率損耗，大多數(shù)電路設(shè)計人員更喜歡使用絕緣柵極雙極型晶體管(IGBT)，或者最新的碳化硅(SiC)FET.這些器件的切斷電壓可高達(dá)1200V,并且相比等效Si MOSFET擁有更低的“導(dǎo)通”電阻。這些復(fù)雜的電源系統(tǒng)通常由一個數(shù)字信號處理器、一個微控制器或者一個專用數(shù)字電源控制器來管理。因此，它們常常會要求同時將電和信號都隔離于功率級的高噪聲開關(guān)環(huán)境。即使在穩(wěn)態(tài)開關(guān)周期內(nèi)，電路的電壓和電流也會劇烈變化，形成明顯的接地跳動。

圖1:風(fēng)力發(fā)電機(jī)到電網(wǎng)的簡化電力傳輸流程圖

圖2表明，即使是一個單相DC到AC逆變器，也需要許多柵極驅(qū)動器，以正確地在功率級中對IGBT進(jìn)行開關(guān)操作。作為一種單通道柵極驅(qū)動器，只要具有必需的信號和偏壓隔離，德州儀器UCC27531就能驅(qū)動開關(guān)橋的任何開關(guān)。利用一個光耦合器或者數(shù)字隔離器，實現(xiàn)信號隔離。對于偏壓隔離，設(shè)計人員可以使用一種帶二極管和電容器的自舉電路，或者一個隔離式偏壓電源。另一種方法是，與控制器一樣，連接同一個隔離端上的柵極驅(qū)動器，然后通過柵極驅(qū)動器后面的一個柵極變壓器驅(qū)動開關(guān)。這種方法允許通過控制端上一個非隔離式電源，對驅(qū)動器進(jìn)行偏置。

圖2:單相逆變器基本結(jié)構(gòu)[!--empirenews.page--]

可再生能源的柵極驅(qū)動器

作為一種小型、非隔離式柵極驅(qū)動器，單通道UCC27531可以很好地工作在前述環(huán)境下。它的IC輸入信號通過一個光耦合器或者數(shù)字隔離器提供。它的高電源/輸出驅(qū)動電壓范圍為10到35V,讓其成為12V Si MOSFET應(yīng)用和IGBT/SiC FET應(yīng)用的理想選擇。這里，正柵極驅(qū)動通常更高，并且關(guān)斷時負(fù)電壓下拉，目的是防止電源開關(guān)受到錯誤導(dǎo)通的損害。一般而言，SiC FET由一個相對于電源的+20/-5V柵極驅(qū)動器驅(qū)動。同樣，就IGBT而言，系統(tǒng)設(shè)計人員可能會使用一個+18/-13V柵極驅(qū)動，如圖3所示。

圖3:利用FET/IGBT單柵極驅(qū)動器驅(qū)動電源開關(guān)

由于UCC27531是一種軌到軌驅(qū)動器，因此相對于發(fā)射極，OUTH上拉電源開關(guān)柵極至其18V VDD.相對于發(fā)射極，OUTL下拉柵極至驅(qū)動器的–13V GND.驅(qū)動器有效地從+18到-13V,或者從相對于其自有GND的VDD到31V.另外，35V額定電壓提供了一定的余量，可防止噪聲和振鈴產(chǎn)生的IC過電壓故障。

OUTH和OUTL的分離輸出，允許用戶單獨控制導(dǎo)通(灌)電流和關(guān)斷(拉)電流。它幫助最大化效率，并保持開關(guān)時間控制，從而滿足噪聲和電磁干擾要求。另外，即使是分離輸出，單柵極驅(qū)動器也在輸出級保持最小電感，防止出現(xiàn)過多振鈴和過沖。利用一種非對稱驅(qū)動(2.5A導(dǎo)通，5A關(guān)斷)，UCC27531經(jīng)過了優(yōu)化，適用于高功率可再生能源應(yīng)用的平均開關(guān)時序。再者，利用低下拉阻抗，這種驅(qū)動器通過確保柵極不遭受電壓尖峰來增加可靠性。由于IGBT的集電極和柵極之間以及FET的漏極和柵極之間的寄生米勒效應(yīng)電容，這些電壓尖峰可能會導(dǎo)致出現(xiàn)錯誤導(dǎo)通。開關(guān)導(dǎo)通期間集電極/漏極電壓迅速上升，這時在柵極上拉升電壓，這種內(nèi)部電容便以此來引導(dǎo)柵極超出導(dǎo)通閾值電壓。

UCC27531的輸入級也為可再生能源等高可靠性系統(tǒng)而設(shè)計。它擁有一個所謂的TTL/CMOS輸入，其與電源電壓無關(guān)，從而實現(xiàn)了與標(biāo)準(zhǔn)TTL級信號的兼容。相比典型TTL中的常見0.5V磁滯，它擁有約1V的高磁滯。如果輸入信號因故丟失變得不穩(wěn)定，則拉低輸出。另外，驅(qū)動器IC的GND電壓較大變化時，如果在開關(guān)沿期間GND跳動較高，則輸入信號可能表現(xiàn)為負(fù)。由于能夠連續(xù)對這些事件期間輸入(IN)或激活(EN)端上-5V電壓進(jìn)行處理，因此驅(qū)動器成功地解決了這個問題。

UCC27531使用3 x 3mm的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SOT-23封裝，相比使用離散式電平位移器、沒有負(fù)輸入能力或者缺少保護(hù)的離散式雙晶體管解決方案，它擁有非常大的競爭力。除節(jié)省大量空間以外，把UCC27531的各種功能集成到一塊單IC封裝中還提高了系統(tǒng)的整體可靠性。

這種單通道驅(qū)動器是一種引人注目的解決方案，因為它可以非?？拷娫撮_關(guān)柵極放置。相比在一塊單IC中組合高側(cè)/低側(cè)柵極驅(qū)動器，它的靈活度更高。這種靈活性可幫助最小化驅(qū)動器和電源開關(guān)之間的電感，并讓設(shè)計人員能夠更好地控制開關(guān)柵極。圖2說明了許多高功率開關(guān)如何集成到一個DC到AC級單相中。對于一個完整的多轉(zhuǎn)換(DC和AC之間往復(fù)轉(zhuǎn)換)三相系統(tǒng)而言，甚至一些應(yīng)用中還需要DC到DC轉(zhuǎn)換增壓級，需要許多的柵極驅(qū)動器。每一個驅(qū)動器的放置都必須在PCB上安排好，以確保獲得正確的設(shè)計。

結(jié)論

在可再生能源應(yīng)用中，太陽能電池板陣列和風(fēng)力發(fā)電機(jī)的功率轉(zhuǎn)換給廣大系統(tǒng)設(shè)計人員帶來巨大的挑戰(zhàn)。這些挑戰(zhàn)包括高壓和高功率電平、滿足安全與可靠性要求以及完整連接系統(tǒng)的總體復(fù)雜程度。表面看起來，盡管電源開關(guān)的柵極驅(qū)動器只是總系統(tǒng)控制和電力生產(chǎn)流程中一個小小的部件，但它們對整體設(shè)計性能卻十分的重要。