摘要：反激變換器/隔離柵-驅(qū)動器組合降低了在電動汽車系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)SiC FET設(shè)計(jì)的成本和復(fù)雜性。

 

電動汽車正在推動今天的能量轉(zhuǎn)換技術(shù)的極限，而大功率SiC FET的出現(xiàn)推動了這一技術(shù)。SiC FET有許多優(yōu)點(diǎn)：允許更高的開關(guān)速度和更高的電壓，從而產(chǎn)生更小的磁性、更輕的電纜和更高的效率。這些改進(jìn)使電動汽車行駛里程更長，性能更強(qiáng)。

SiC FET的設(shè)計(jì)需要新的柵驅(qū)動技術(shù)。一個要求是，它們包括負(fù)柵極電壓，以確保SiC FET保持完全關(guān)閉。產(chǎn)生這些負(fù)電壓需要使用隔離電源。因此，SiC柵極驅(qū)動器的設(shè)計(jì)似乎是一項(xiàng)艱巨的任務(wù)。然而，回顧半橋原理和反激變換器技術(shù)可以迅速地揭開設(shè)計(jì)中必要步驟的神秘面紗。

 

 

半橋結(jié)構(gòu)SiC場效應(yīng)晶體管。半橋允許中心節(jié)點(diǎn)(藍(lán)色圓圈所示)被有效地拉到正軌或負(fù)軌上。在電動汽車中，這些軌道通常是dc link軌道，使用最新的SiC FET技術(shù)可以達(dá)到800甚至1000 V。

 

車載充電器(OBC)、主DC-DC變換器、牽引逆變器以及許多其他電動汽車系統(tǒng)的核心是兩個開關(guān)設(shè)備。它們通常在示意圖中被描述為一個堆疊在另一個上面，形成一個半橋。半橋可以有效地將兩個開關(guān)設(shè)備之間的中心節(jié)點(diǎn)拉到正極或負(fù)極軌道上。在電動汽車中，這些軌道通常是直流鏈路軌道，使用最新的SiC FET技術(shù)可以達(dá)到800甚至1000 V。然而，在半橋結(jié)構(gòu)中疊加FET需要特別注意柵極驅(qū)動器接地基準(zhǔn)。

 

要打開場效應(yīng)晶體管，必須將柵源電壓VGS提高到一定的水平，對于SiC場效應(yīng)晶體管，通常是~ 15v。柵極驅(qū)動器通常將柵極電壓拉至VDD軌來打開FET。門驅(qū)動器使用相同的電源線，高側(cè)門驅(qū)動器的接地被連接到負(fù)軌(直流鏈路-)，高側(cè)門驅(qū)動器的輸出被引用到直流鏈路-。這種接地方式會產(chǎn)生許多問題，而且根本不起作用。

 

例如，如果低側(cè)場效應(yīng)晶體管是關(guān)閉狀態(tài)，高側(cè)場效應(yīng)晶體管的源相對于高側(cè)柵極驅(qū)動器浮動，VGS（柵極電壓）是未知的。

 

解決方案是:兩個柵極驅(qū)動器使用單獨(dú)的電源，并且高側(cè)柵極驅(qū)動器接地連接到高側(cè)FET的源極。在這種配置中，高側(cè)柵極驅(qū)動器引用FET源連接;因此，即使FET源上升到直流link+，柵源電壓仍然是相同的。

 

解決了高電平柵極驅(qū)動的問題后，下一步就是為柵極驅(qū)動產(chǎn)生電源和負(fù)柵極電壓。正確的連接使用獨(dú)立的電源，高側(cè)門驅(qū)動器接地與高側(cè)場效應(yīng)晶體管的電源相連。

 

 

門驅(qū)動連接錯誤(左)和正確(右)。如果柵極驅(qū)動器使用相同的功率軌，并且高側(cè)柵極驅(qū)動器接地連接到負(fù)軌(直流鏈路-)，高側(cè)柵極驅(qū)動器的輸出參考直流鏈路。這造成了許多問題，而且根本不起作用。

 

為半橋柵驅(qū)動電路設(shè)計(jì)電源的過程常常是一項(xiàng)艱巨的任務(wù)，涉及到DC-DC控制器、變壓器和PCB區(qū)域限制。SiC FET的負(fù)柵電壓讓電源設(shè)計(jì)變得更復(fù)雜化。最后，大多數(shù)電動汽車系統(tǒng)連接到高壓直流鏈路，并要求低壓控制部分與高壓功率轉(zhuǎn)換階段隔離。然而，通過一些升級，反激變換器可以修改以滿足所有這些要求。

 

如今，大多數(shù)電動汽車都有一個主DC-DC變換器，將直流鏈路電壓逐步降低到大多數(shù)低功率電子系統(tǒng)使用的低電壓軌道(通常是12和48 V)。通過一個隔離反激變換器，其中一個低壓軌可以用來為隔離柵驅(qū)動器供電。在典型的配置中，反激變換器的變壓器提供隔離，并有兩個單獨(dú)的二次側(cè)繞組，為兩個柵門驅(qū)動器創(chuàng)建兩個電源。因?yàn)閮蓚€輸出是由變壓器耦合的，所以DC-DC控制器僅直接調(diào)節(jié)兩個輸出中的一個。

 

另一個輸出通過變壓器的交錯耦合間接調(diào)節(jié)。這種配置導(dǎo)致間接調(diào)節(jié)輸出的性能略低于直接調(diào)節(jié)輸出，但不足以影響整個系統(tǒng)。使用一個變壓器和轉(zhuǎn)換器的兩個輸出減少了電路板的空間和成本。通過利用這種結(jié)構(gòu)，可以進(jìn)一步修改變壓器，以產(chǎn)生SiC FET所需的負(fù)柵電壓。

 

 

帶雙輸出反激變換器的半橋電路，為隔離的柵極驅(qū)動器供電。在這里，12v軌為隔離柵極驅(qū)動器的主側(cè)和副側(cè)供電。反激變換器的變壓器提供了隔離，并有兩個分開的二次側(cè)繞組，以創(chuàng)建兩個供應(yīng)的兩個門驅(qū)動器。因?yàn)閮蓚€輸出是由變壓器耦合的，所以DC-DC控制器只直接調(diào)節(jié)兩個輸出中的一個。另一個輸出通過變壓器的交錯耦合間接調(diào)節(jié)。

 

 

現(xiàn)在考慮一個改進(jìn)后的反激變壓器，在兩個輸出繞組的中間各有一個接頭(在示意圖中表示為VMIDA和VMIDB)。在高側(cè)柵驅(qū)動電源域中，中間接頭相對于一端接頭產(chǎn)生正電壓(原理圖中為VGNDA)，相對于另一端(VDDA)產(chǎn)生負(fù)電壓。高側(cè)場效應(yīng)晶體管的源被連接到中間接頭 (VMIDA)，而柵極驅(qū)動程序仍然參考低接頭(VGNDA)。當(dāng)柵驅(qū)動關(guān)閉場效應(yīng)管時(shí)，它將場效應(yīng)管柵拉向地面。這導(dǎo)致FET門極電壓(VGNDA)低于源極電壓(VMIDA)。該連接產(chǎn)生一個負(fù)的柵極電壓，以確保SiC FET保持在關(guān)斷狀態(tài)。

 

 

在兩個輸出繞組上改裝了VMIDA和VMIDB接頭的反激變壓器。在用藍(lán)色突出顯示的高側(cè)柵極驅(qū)動電源域中，VMIDA相對于VGNDA產(chǎn)生一個正電壓，相對于VDDA產(chǎn)生一個負(fù)電壓。高側(cè)場效應(yīng)晶體管的源被綁定到VMIDA，而柵極驅(qū)動程序仍然引用VGNDA。

 

要注意的是:當(dāng)柵極驅(qū)動打開高側(cè)SiC FET，并將場效應(yīng)晶體管柵極拉到高側(cè)分接電壓(VDDA)時(shí)，這種配置也會改變柵極電壓。通過調(diào)整變壓器中接頭與高、低接頭的匝數(shù)比(VDDA / VMIDA、VMIDA / VGNDA)來設(shè)置電壓(VMIDA)。同樣，這個操作也適用于低側(cè)柵驅(qū)動電源域。

 

許多隔離柵極驅(qū)動器件，如Silicon Labs的Si828x，包括一個專用的VMID引腳，用于檢測SiC FET的漏源極電壓，以進(jìn)行去飽和檢測。為了進(jìn)一步降低成本和電路板空間，許多隔離柵極驅(qū)動器包括一個內(nèi)置的DC-DC控制器。Silicon Labs的Si828x也有這個功能。集成的DC-DC控制器消除了一個單獨(dú)的控制器IC的需要，并且常常使光耦反饋閑的不那么重要，因?yàn)楦綦x柵極驅(qū)動器通過內(nèi)部的隔離屏障傳遞反饋。因此，通過使用帶有復(fù)雜變壓器設(shè)計(jì)的反激變換器，單個DC-DC變換器可以為隔離的柵極驅(qū)動器供電，并產(chǎn)生負(fù)的柵極電壓。

 

一個復(fù)雜的反激變換器加上最新的隔離柵驅(qū)動器，簡化了驅(qū)動半橋結(jié)構(gòu)SiC FET。它還降低了在許多電動汽車系統(tǒng)中使用半橋式SiC FET設(shè)計(jì)的成本和復(fù)雜性。由于從車載充電器到牽引逆變器的系統(tǒng)都采用了SiC FET，電動汽車獲得了更高的效率，可以在更高的電壓下工作，并使用更輕的部件，從而讓電動車的動力能夠與燃油車媲美。