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针对IGBT和MOSFET可再生能源应用的35V、单通道栅极驱动器

作者:John Stevens,德州仪器 (TI) 高性能隔离式电源系统工程师

引言

对电能转换而言,可再生能源电子细分市场是一个复杂且多样化的竞技场。在一些负载点应用中,开关型功率转换器通常为非隔离式,功率水平相当低(<200 W),并且常常会把电源从一个DC电压转换到另一个,例如:12V转换为3.3V。另外,功率级开关为集成式,也即能够通过低电流控制器或者晶体管驱动。今天,控制器和功率级之间的整合正在成为现实。硅(Si)MOSFET在这一市场中起主导作用,因为人们喜欢更高的开关频率,它可以达到1MHz以上的速度。这些功率开关通常均由一个5V或者12V IC栅极驱动器或类似解决方案来驱动。

高效管理可再生能源系统的挑战
在某个风或者光伏发电机的电力系统中,存在一些特殊的性能问题。使用微型逆变器时典型可再生能源功率水平为1到3kW,串型逆变器为3到10kW,而大型中央式逆变器站则为10kW到1MW。除DC到DC转换以外,还可使用DC到AC和AC到DC转换,有时也可两者组合使用。

老式的风力发电机直接连接电网,只能工作在电力线频率下。在经过许多作业点以后,它们变得很低效。新型的风力发电机(图1)常常把AC转换为DC,然后再把DC转换回AC,这样风力发电机便可工作在各种速度下,从而获得最大效率。

相反,光伏电池产生DC电压/电流。一般而言,先升高电压,然后通过一个DC到AC逆变器发送,最后再连接电网。

可再生能源发展趋势
对于世界上的大多数国家而言,利用风和太阳能生产的清洁能源都仅为其能源的很小一部分。近年来,可再生能源获得了持续的发展。在一些地方,可再生能源已经占有很大一部分。例如,根据丹麦能源局数据,在2012年上半年, 丹麦所生产的全国总电量中约有34%为风力发电。丹麦能源局的上级部栅极丹麦气候、能源与建筑部发布消息称,到2020年,丹麦的风力发电将占到总能源的50%。当风力发电在一个国家总能源中占有较大比重时,转换系统的可靠性变得至关重要。除此以外,还有高功率电网连接、电隔离安全要求和大型可再生能源转换系统的成本问题。这意味着,系统可靠性始终都是设计优先考虑因素,其次是效率问题。因此,在所有层面(从控制器到FET/IGBT驱动器本身),保护功能和可靠性都是优先考虑项。

典型电源管理结构
高功率电平带来更高的系统电压,因此转换器内所用各种组件的切断电压也更高。为了降低400V以上电压的功率损耗,大多数电路设计人员更喜欢使用绝缘栅极双极型晶体管(IGBT),或者最新的碳化硅(SiC)FET。这些器件的切断电压可高达1200V,并且相比等效Si MOSFET拥有更低的“导通”电阻。这些复杂的电源系统通常由一个数字信号处理器、一个微控制器或者一个专用数字电源控制器来管理。因此,它们常常会要求同时将电和信号都隔离于功率级的高噪声开关环境。即使在稳态开关周期内,电路的电压和电流也会剧烈变化,形成明显的接地跳动。

图 1 风力发电机到电网的简化电力传输流程图



图2表明,即使是一个单相DC到AC逆变器,也需要许多栅极驱动器,以正确地在功率级中对IGBT进行开关操作。作为一种单通道栅极驱动器,只要具有必需的信号和偏压隔离,德州仪器UCC27531就能驱动开关桥的任何开关。利用一个光耦合器或者数字隔离器,实现信号隔离。对于偏压隔离,设计人员可以使用一种带二极管和电容器的自举电路,或者一个隔离式偏压电源。另一种方法是,与控制器一样,连接同一个隔离端上的栅极驱动器,然后通过栅极驱动器后面的一个栅极变压器驱动开关。这种方法允许通过控制端上一个非隔离式电源,对驱动器进行偏置。

图 2 单相逆变器基本结构



可再生能源的栅极驱动器

作为一种小型、非隔离式栅极驱动器,单通道UCC27531可以很好地工作在前述环境下。它的IC输入信号通过一个光耦合器或者数字隔离器提供。它的高电源/输出驱动电压范围为10到35V,让其成为12V Si MOSFET应用和IGBT/SiC FET应用的理想选择。这里,正栅极驱动通常更高,并且关断时负电压下拉,目的是防止电源开关受到错误导通的损害。一般而言,SiC FET由一个相对于电源的+20/-5V栅极驱动器驱动。同样,就IGBT而言,系统设计人员可能会使用一个+18/-13V栅极驱动,如图3所示。

图 3 利用FET/IGBT单栅极驱动器驱动电源开关



由于UCC27531是一种轨到轨驱动器,因此相对于发射极,OUTH上拉电源开关栅极至其18V VDD。相对于发射极,OUTL下拉栅极至驱动器的–13 V GND。驱动器有效地从+18到-13V,或者从相对于其自有GND的VDD到31V。另外,35V额定电压提供了一定的余量,可防止噪声和振铃产生的IC过电压故障。

OUTH和OUTL的分离输出,允许用户单独控制导通(灌)电流和关断(拉)电流。它帮助最大化效率,并保持开关时间控制,从而满足噪声和电磁干扰要求。另外,即使是分离输出,单栅极驱动器也在输出级保持最小电感,防止出现过多振铃和过冲。利用一种非对称驱动(2.5A导通,5A关断),UCC27531经过了优化,适用于高功率可再生能源应用的平均开关时序。再者,利用低下拉阻抗,这种驱动器通过确保栅极不遭受电压尖峰来增加可靠性。由于IGBT的集电极和栅极之间以及FET的漏极和栅极之间的寄生米勒效应电容,这些电压尖峰可能会导致出现错误导通。开关导通期间集电极/漏极电压迅速上升,这时在栅极上拉升电压,这种内部电容便以此来引导栅极超出导通阈值电压。

UCC27531的输入级也为可再生能源等高可靠性系统而设计。它拥有一个所谓的TTL/CMOS输入,其与电源电压无关,从而实现了与标准TTL级信号的兼容。相比典型TTL中的常见0.5V磁滞,它拥有约1V的高磁滞。如果输入信号因故丢失变得不稳定,则拉低输出。另外,驱动器IC的GND电压较大变化时,如果在开关沿期间GND跳动较高,则输入信号可能表现为负。由于能够连续对这些事件期间输入(IN)或激活(EN)端上-5V电压进行处理,因此驱动器成功地解决了这个问题。

UCC27531使用3 x 3mm的工业标准SOT-23封装,相比使用离散式电平位移器、没有负输入能力或者缺少保护的离散式双晶体管解决方案,它拥有非常大的竞争力。除节省大量空间以外,把UCC27531的各种功能集成到一块单IC封装中还提高了系统的整体可靠性。

这种单通道驱动器是一种引人注目的解决方案,因为它可以非常靠近电源开关栅极放置。相比在一块单IC中组合高侧/低侧栅极驱动器,它的灵活度更高。这种灵活性可帮助最小化驱动器和电源开关之间的电感,并让设计人员能够更好地控制开关栅极。图2说明了许多高功率开关如何集成到一个DC到AC级单相中。对于一个完整的多转换(DC和AC之间往复转换)三相系统而言,甚至一些应用中还需要DC到DC转换增压级,需要许多的栅极驱动器。每一个驱动器的放置都必须在PCB上安排好,以确保获得正确的设计。

结论
在可再生能源应用中,太阳能电池板阵列和风力发电机的功率转换给广大系统设计人员带来巨大的挑战。这些挑战包括高压和高功率电平、满足安全与可靠性要求以及完整连接系统的总体复杂程度。表面看起来,尽管电源开关的栅极驱动器只是总系统控制和电力生产流程中一个小小的部件,但它们对整体设计性能却十分的重要。

参考文献
1 《可再生能源系统的电源电子组件和可靠性》,作者:F. Blaabjerg等人,2012年5月28日-31日中国杭州第21届IEEE国际工业电子研讨会发言稿。
2 《可再生能源系统中电源组件的作用》,作者Veda Prakash Galigekere和Marian K. Kazimierczuk,在线版《白皮书》,访问网址:www.magnelab.com。
3 《碳化硅MOSFET的应用考虑》,作者Bob Calanan,2011年1月,在线版《电源应用说明》,访问网址:www.cree.com/power/document-library

相关网站
电源管理:
http://www.ti.com.cn/lsds/ti_zh/analog/powermanagement/power_portal.page
UCC27531 :http://www.ti.com.cn/product/cn/ucc27531

参考文献

1 《可再生能源系统的电源电子组件和可靠性》,作者:F. Blaabjerg等人,2012年5月28日-31日中国杭州第21届IEEE国际工业电子研讨会发言稿。
2 《可再生能源系统中电源组件的作用》,作者Veda Prakash Galigekere和Marian K. Kazimierczuk,在线版《白皮书》,访问网址:www.magnelab.com。
3 《碳化硅MOSFET的应用考虑》,作者Bob Calanan,2011年1月,在线版《电源应用说明》,访问网址:www.cree.com/power/document-library

相关网站

电源管理:

http://www.ti.com.cn/lsds/ti_zh/analog/powermanagement/power_portal.page

UCC27531 http://www.ti.com.cn/product/cn/ucc27531

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