針對(duì)IGBT和MOSFET可再生能源應(yīng)用的35V、單通道柵極驅(qū)動(dòng)器

引言

對(duì)電能轉(zhuǎn)換而言，可再生能源電子細(xì)分市場(chǎng)是一個(gè)復(fù)雜且多樣化的競(jìng)技場(chǎng)。在一些負(fù)載點(diǎn)應(yīng)用中，開(kāi)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(huì)把電源從一個(gè)DC電壓轉(zhuǎn)換到另一個(gè)，例如：12V轉(zhuǎn)換為3.3V。另外，功率級(jí)開(kāi)關(guān)為集成式，也即能夠通過(guò)低電流控制器或者晶體管驅(qū)動(dòng)。今天，控制器和功率級(jí)之間的整合正在成為現(xiàn)實(shí)。硅(Si)MOSFET在這一市場(chǎng)中起主導(dǎo)作用，因?yàn)槿藗兿矚g更高的開(kāi)關(guān)頻率，它可以達(dá)到1MHz以上的速度。這些功率開(kāi)關(guān)通常均由一個(gè)5V或者12V IC柵極驅(qū)動(dòng)器或類似解決方案來(lái)驅(qū)動(dòng)。

高效管理可再生能源系統(tǒng)的挑戰(zhàn)

在某個(gè)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(wèn)題。使用微型逆變器時(shí)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(shí)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(guò)許多作業(yè)點(diǎn)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(guò)一個(gè)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(shì)

對(duì)于世界上的大多數(shù)國(guó)家而言，利用風(fēng)和太陽(yáng)能生產(chǎn)的清潔能源都僅為其能源的很小一部分。近年來(lái)，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(guó)總電量中約有34%為風(fēng)力發(fā)電。丹麥能源局的上級(jí)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(gè)國(guó)家總能源中占有較大比重時(shí)，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(wèn)題。這意味著，系統(tǒng)可靠性始終都是設(shè)計(jì)優(yōu)先考慮因素，其次是效率問(wèn)題。因此，在所有層面(從控制器到FET/IGBT驅(qū)動(dòng)器本身)，保護(hù)功能和可靠性都是優(yōu)先考慮項(xiàng)。

典型電源管理結(jié)構(gòu)

高功率電平帶來(lái)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(jì)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(gè)數(shù)字信號(hào)處理器、一個(gè)微控制器或者一個(gè)專用數(shù)字電源控制器來(lái)管理。因此，它們常常會(huì)要求同時(shí)將電和信號(hào)都隔離于功率級(jí)的高噪聲開(kāi)關(guān)環(huán)境。即使在穩(wěn)態(tài)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)，電路的電壓和電流也會(huì)劇烈變化，形成明顯的接地跳動(dòng)。

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

圖2表明，即使是一個(gè)單相DC到AC逆變器，也需要許多柵極驅(qū)動(dòng)器，以正確地在功率級(jí)中對(duì)IGBT進(jìn)行開(kāi)關(guān)操作。作為一種單通道柵極驅(qū)動(dòng)器，只要具有必需的信號(hào)和偏壓隔離，德州儀器UCC27531就能驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)橋的任何開(kāi)關(guān)。利用一個(gè)光耦合器或者數(shù)字隔離器，實(shí)現(xiàn)信號(hào)隔離。對(duì)于偏壓隔離，設(shè)計(jì)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(gè)隔離式偏壓電源。另一種方法是，與控制器一樣，連接同一個(gè)隔離端上的柵極驅(qū)動(dòng)器，然后通過(guò)柵極驅(qū)動(dòng)器后面的一個(gè)柵極變壓器驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)。這種方法允許通過(guò)控制端上一個(gè)非隔離式電源，對(duì)驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行偏置。

圖 2 單相逆變器基本結(jié)構(gòu)

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可再生能源的柵極驅(qū)動(dòng)器

作為一種小型、非隔離式柵極驅(qū)動(dòng)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(hào)通過(guò)一個(gè)光耦合器或者數(shù)字隔離器提供。它的高電源/輸出驅(qū)動(dòng)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(dòng)通常更高，并且關(guān)斷時(shí)負(fù)電壓下拉，目的是防止電源開(kāi)關(guān)受到錯(cuò)誤導(dǎo)通的損害。一般而言，SiC FET由一個(gè)相對(duì)于電源的+20/-5V柵極驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)。同樣，就IGBT而言，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員可能會(huì)使用一個(gè)+18/-13V柵極驅(qū)動(dòng)，如圖3所示。

圖 3 利用FET/IGBT單柵極驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)電源開(kāi)關(guān)

由于UCC27531是一種軌到軌驅(qū)動(dòng)器，因此相對(duì)于發(fā)射極，OUTH上拉電源開(kāi)關(guān)柵極至其18V VDD。相對(duì)于發(fā)射極，OUTL下拉柵極至驅(qū)動(dòng)器的–13 V GND。驅(qū)動(dòng)器有效地從+18到-13V，或者從相對(duì)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(guò)電壓故障。

OUTH和OUTL的分離輸出，允許用戶單獨(dú)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(kāi)關(guān)時(shí)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(dòng)器也在輸出級(jí)保持最小電感，防止出現(xiàn)過(guò)多振鈴和過(guò)沖。利用一種非對(duì)稱驅(qū)動(dòng)(2.5A導(dǎo)通，5A關(guān)斷)，UCC27531經(jīng)過(guò)了優(yōu)化，適用于高功率可再生能源應(yīng)用的平均開(kāi)關(guān)時(shí)序。再者，利用低下拉阻抗，這種驅(qū)動(dòng)器通過(guò)確保柵極不遭受電壓尖峰來(lái)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(huì)導(dǎo)致出現(xiàn)錯(cuò)誤導(dǎo)通。開(kāi)關(guān)導(dǎo)通期間集電極/漏極電壓迅速上升，這時(shí)在柵極上拉升電壓，這種內(nèi)部電容便以此來(lái)引導(dǎo)柵極超出導(dǎo)通閾值電壓。

UCC27531的輸入級(jí)也為可再生能源等高可靠性系統(tǒng)而設(shè)計(jì)。它擁有一個(gè)所謂的TTL/CMOS輸入，其與電源電壓無(wú)關(guān)，從而實(shí)現(xiàn)了與標(biāo)準(zhǔn)TTL級(jí)信號(hào)的兼容。相比典型TTL中的常見(jiàn)0.5V磁滯，它擁有約1V的高磁滯。如果輸入信號(hào)因故丟失變得不穩(wěn)定，則拉低輸出。另外，驅(qū)動(dòng)器IC的GND電壓較大變化時(shí)，如果在開(kāi)關(guān)沿期間GND跳動(dòng)較高，則輸入信號(hào)可能表現(xiàn)為負(fù)。由于能夠連續(xù)對(duì)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(dòng)器成功地解決了這個(gè)問(wèn)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(méi)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(jìng)爭(zhēng)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(dòng)器是一種引人注目的解決方案，因?yàn)樗梢苑浅？拷娫撮_(kāi)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(dòng)器，它的靈活度更高。這種靈活性可幫助最小化驅(qū)動(dòng)器和電源開(kāi)關(guān)之間的電感，并讓設(shè)計(jì)人員能夠更好地控制開(kāi)關(guān)柵極。圖2說(shuō)明了許多高功率開(kāi)關(guān)如何集成到一個(gè)DC到AC級(jí)單相中。對(duì)于一個(gè)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(jí)，需要許多的柵極驅(qū)動(dòng)器。每一個(gè)驅(qū)動(dòng)器的放置都必須在PCB上安排好，以確保獲得正確的設(shè)計(jì)。

結(jié)論

在可再生能源應(yīng)用中，太陽(yáng)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(jì)人員帶來(lái)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(lái)，盡管電源開(kāi)關(guān)的柵極驅(qū)動(dòng)器只是總系統(tǒng)控制和電力生產(chǎn)流程中一個(gè)小小的部件，但它們對(duì)整體設(shè)計(jì)性能卻十分的重要。

參考文獻(xiàn)

1 《可再生能源系統(tǒng)的電源電子組件和可靠性》，作者：F. Blaabjerg等人，2012年5月28日-31日中國(guó)杭州第21屆IEEE國(guó)際工業(yè)電子研討會(huì)發(fā)言稿。

2 《可再生能源系統(tǒng)中電源組件的作用》，作者Veda Prakash Galigekere和Marian K. Kazimierczuk，在線版《白皮書(shū)》，訪問(wèn)網(wǎng)址：www.magnelab.com。

3 《碳化硅MOSFET的應(yīng)用考慮》，作者Bob Calanan，2011年1月，在線版《電源應(yīng)用說(shuō)明》，訪問(wèn)網(wǎng)址：www.cree.com/power/document-library