【導(dǎo)讀】在電動汽車 (EV) 和光伏 (PV) 系統(tǒng)等綠色能源應(yīng)用所需的 DC-DC 轉(zhuǎn)換器、電池充電器、電機(jī)驅(qū)動器和交流 (AC) 逆變器中,碳化硅 (SiC) MOSFET 和硅 (Si) IGBT 是關(guān)鍵元件。但是如要獲得最高的效率,SiC MOSFET 和 Si IGBT 的柵極在導(dǎo)通和關(guān)斷時需要精確的驅(qū)動電壓(具體取決于所使用的器件)。
在電動汽車 (EV) 和光伏 (PV) 系統(tǒng)等綠色能源應(yīng)用所需的 DC-DC 轉(zhuǎn)換器、電池充電器、電機(jī)驅(qū)動器和交流 (AC) 逆變器中,碳化硅 (SiC) MOSFET 和硅 (Si) IGBT 是關(guān)鍵元件。但是如要獲得最高的效率,SiC MOSFET 和 Si IGBT 的柵極在導(dǎo)通和關(guān)斷時需要精確的驅(qū)動電壓(具體取決于所使用的器件)。為了實現(xiàn)高可靠性,您需要柵極驅(qū)動器具有增強(qiáng)絕緣、高隔離電壓、共模瞬態(tài)抗擾度 (CMTI)、低隔離電容、電磁兼容性 (EMC) (包括 CISPR 32 55032 輻射和 IEC 61000-4-2 抗擾度)、短路保護(hù)以及 -40 至 +105°C 的工作溫度范圍。
如此眾多的性能要求使得設(shè)計能否在緊湊、高效的 DC-DC 轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)以驅(qū)動 SiC MOSFET 和 Si IGBT 柵極成為一項艱巨而耗時的挑戰(zhàn)。
為了加快速度并實現(xiàn)可靠、緊湊和高效的解決方案,您可以使用現(xiàn)成的柵極驅(qū)動 DC-DC 轉(zhuǎn)換器。這些轉(zhuǎn)換器提供了支持高效開關(guān)所需的精確電壓,并可滿足確保高可靠性的操作要求。
讓我們回顧一下 SiC MOSFET 和 Si IGBT 的不同驅(qū)動電壓要求,詳細(xì)研究一下主要規(guī)格,并看看 Mornsun 的一些柵極驅(qū)動 DC-DC 轉(zhuǎn)換器,您就可能會發(fā)現(xiàn)這些轉(zhuǎn)換器是適合各種綠色能源系統(tǒng)的。
驅(qū)動電壓差異
Si IGBT 和 SiC MOSFET 的傳導(dǎo)損耗都很低,可用于高效功率轉(zhuǎn)換應(yīng)用。對于高頻應(yīng)用,SiC MOSFET 可以實現(xiàn)更低的整體開關(guān)損耗,包括導(dǎo)通和關(guān)斷損耗。具體來說,SiC MOSFET 的導(dǎo)通損耗通常比 Si IGBT 低 15%-20%,關(guān)斷損耗則低了 75%。Si IGBT 關(guān)斷損耗較高是因為關(guān)斷期間的尾電流增加了功耗。SiC MOSFET 則不會產(chǎn)生尾電流。
SiC MOSFET 和 Si IGBT 在導(dǎo)通和關(guān)斷特性上的差異導(dǎo)致驅(qū)動電壓要求的不同(表 1)。
表 1: 不同的開關(guān)特性導(dǎo)致不同的驅(qū)動電壓要求。(表格來源:Mornsun)
關(guān)鍵驅(qū)動功率規(guī)格
雖然 Si IGBT 和 SiC MOSFET 的導(dǎo)通和關(guān)斷驅(qū)動電壓要求不同,但在其他方面它們的驅(qū)動功率卻具有相似的性能要求,具體包括:
· 增強(qiáng)絕緣、爬電距離和間隙距離,以及符合 IEC 61800-5-1 標(biāo)準(zhǔn)的 1,700 伏連續(xù)絕緣電壓要求。這些要求在保持緊湊、高效解決方案中很難實現(xiàn)。
· 高 CMTI。這是兩個隔離電路之間共模電壓的最大允許上升或下降速率,單位為千伏/微秒 (kV/μs)。這兩種器件類型都需要支持高頻率設(shè)計和更快的開關(guān)轉(zhuǎn)換,以幫助實現(xiàn)更小的系統(tǒng)尺寸和更高的效率。
· 隔離電容應(yīng)較低。如果過高,共模干擾會影響脈寬調(diào)制 (PWM) 控制信號,導(dǎo)致信號錯誤和系統(tǒng)故障。
· 為確保系統(tǒng)可靠運(yùn)行,電磁兼容性能必須符合 CISPR 32/EN55032 的易感性限制和 IEC/EN61000-4-2 的抗擾度限制。
短路是電源轉(zhuǎn)換器最常見的故障模式之一。因此,柵極驅(qū)動電源需要包含短路保護(hù)功能。
柵極驅(qū)動電源
如果您正在設(shè)計使用 SiC MOSFET 的綠色能源系統(tǒng),就可以使用 Mornsun 的 QAxx3C-R3 系列 DC-DC 轉(zhuǎn)換器模塊。這些柵極驅(qū)動電源輸入電壓為 5、12、15 和 24 伏直流 (VDC),輸出組合多種多樣,如 QA123C-2005R3 具有 12 VDC 輸入,可產(chǎn)生 20 和 -5.0 VDC;QA243C-2005R3 輸入電壓為 24 VDC,輸出電壓為 20 VDC 和 -5.0 VDC;QA153C-1504R3(圖 1)輸入電壓為 15 VDC,輸出電壓為 15 VDC 和 -4.0 VDC。
圖 1:QA153-1504R3 是 SiC MOSFET 驅(qū)動電源模塊,輸入電壓為 15 VDC,輸出電壓為 15 VDC 和 -4.0 VDC。(圖片來源:Mornsun)
如果您使用的是 IGBT,Mornsun 則提供了輸入電壓為 12、15 和 24 VDC 的 QAxx3H-R3 系列。例如,QA123H-1509R3 的輸入電壓為 12 VDC,輸出電壓為 15 VDC 和 -9.0 VDC。還有 QAxx3-R3 系列,輸入電壓為 5、12、15 和 24 VDC。例如,QA053-1509R3 的輸入電壓為 5 VDC,輸出為 15 VDC 和 -8.7 VDC。
所有這三個系列驅(qū)動電源都一些共同特性:
· 能效高達(dá) 87%
· 單列直插式封裝 (SIP)
· 經(jīng)測試可承受 5 kVAC 電壓 1 分鐘的增強(qiáng)絕緣能力,最大漏電電流 1 毫安 (mA)
· 連續(xù)絕緣耐壓 1,700 伏特
· ±200 kV/μs 的 CMTI
· 3.5 皮法 (pF) 的隔離電容
· EMC 兼容性,包括針對輻射的 CISPR 32 55032和針對外部元件抗擾度的 IEC 61000-4-2
· 短路保護(hù)
· -40 至 +105°C 的工作溫度
應(yīng)用實例
QAxx3C-R3、QAxx3-R3 和 QAxx3H-R3 系列驅(qū)動電源集成度很高,在一般應(yīng)用中只需要三個 100 微法 (μF) 的 35 伏低阻電解電容器(圖 2),以及一些滿足典型 EMC 要求的額外元件(圖 3 和表 2)即可。
圖 2:在 IGBT 和 SiC 應(yīng)用中,電容器 C1、C2 和 C3 均為 100 μF、35 伏器件(如上所示)。(圖片來源:Mornsun)
圖 3:EMC 元件值因輸入電壓而異(表 2)。CY1(底部)是一個 330 pF 電容器,僅用于 5 VDC 輸入型號。(圖片來源:Mornsun)
表 2:支持 EMC 性能的元件值。(表格來源:Mornsun)
結(jié)語
在為光伏系統(tǒng)和電動汽車等綠色能源應(yīng)用優(yōu)化 Si IGBT 和 SiC MOSFET 功率轉(zhuǎn)換器的效率和可靠性時,選擇柵極驅(qū)動電源是重要的一步。Mornsun 提供了多個系列 DC-DC 轉(zhuǎn)換器模塊,有多種輸入和輸出電壓可供選擇,可用于驅(qū)動各種 Si IGBT 和 SiC MOSFET。
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