摘要：反激變換器/隔離柵-驅動(dòng)器組合降低了在電動(dòng)汽車(chē)系統中實(shí)現SiC FET設計的成本和復雜性。

 

電動(dòng)汽車(chē)正在推動(dòng)今天的能量轉換技術(shù)的極限，而大功率SiC FET的出現推動(dòng)了這一技術(shù)。SiC FET有許多優(yōu)點(diǎn)：允許更高的開(kāi)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(dòng)汽車(chē)行駛里程更長(cháng)，性能更強。

SiC FET的設計需要新的柵驅動(dòng)技術(shù)。一個(gè)要求是，它們包括負柵極電壓，以確保SiC FET保持完全關(guān)閉。產(chǎn)生這些負電壓需要使用隔離電源。因此，SiC柵極驅動(dòng)器的設計似乎是一項艱巨的任務(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(kāi)設計中必要步驟的神秘面紗。

 

 

半橋結構SiC場(chǎng)效應晶體管。半橋允許中心節點(diǎn)(藍色圓圈所示)被有效地拉到正軌或負軌上。在電動(dòng)汽車(chē)中，這些軌道通常是dc link軌道，使用最新的SiC FET技術(shù)可以達到800甚至1000 V。

 

車(chē)載充電器(OBC)、主DC-DC變換器、牽引逆變器以及許多其他電動(dòng)汽車(chē)系統的核心是兩個(gè)開(kāi)關(guān)設備。它們通常在示意圖中被描述為一個(gè)堆疊在另一個(gè)上面，形成一個(gè)半橋。半橋可以有效地將兩個(gè)開(kāi)關(guān)設備之間的中心節點(diǎn)拉到正極或負極軌道上。在電動(dòng)汽車(chē)中，這些軌道通常是直流鏈路軌道，使用最新的SiC FET技術(shù)可以達到800甚至1000 V。然而，在半橋結構中疊加FET需要特別注意柵極驅動(dòng)器接地基準。

 

要打開(kāi)場(chǎng)效應晶體管，必須將柵源電壓VGS提高到一定的水平，對于SiC場(chǎng)效應晶體管，通常是~ 15v。柵極驅動(dòng)器通常將柵極電壓拉至VDD軌來(lái)打開(kāi)FET。門(mén)驅動(dòng)器使用相同的電源線(xiàn)，高側門(mén)驅動(dòng)器的接地被連接到負軌(直流鏈路-)，高側門(mén)驅動(dòng)器的輸出被引用到直流鏈路-。這種接地方式會(huì )產(chǎn)生許多問(wèn)題，而且根本不起作用。

 

例如，如果低側場(chǎng)效應晶體管是關(guān)閉狀態(tài)，高側場(chǎng)效應晶體管的源相對于高側柵極驅動(dòng)器浮動(dòng)，VGS（柵極電壓）是未知的。

 

解決方案是:兩個(gè)柵極驅動(dòng)器使用單獨的電源，并且高側柵極驅動(dòng)器接地連接到高側FET的源極。在這種配置中，高側柵極驅動(dòng)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動(dòng)的問(wèn)題后，下一步就是為柵極驅動(dòng)產(chǎn)生電源和負柵極電壓。正確的連接使用獨立的電源，高側門(mén)驅動(dòng)器接地與高側場(chǎng)效應晶體管的電源相連。

 

 

門(mén)驅動(dòng)連接錯誤(左)和正確(右)。如果柵極驅動(dòng)器使用相同的功率軌，并且高側柵極驅動(dòng)器接地連接到負軌(直流鏈路-)，高側柵極驅動(dòng)器的輸出參考直流鏈路。這造成了許多問(wèn)題，而且根本不起作用。

 

為半橋柵驅動(dòng)電路設計電源的過(guò)程常常是一項艱巨的任務(wù)，涉及到DC-DC控制器、變壓器和PCB區域限制。SiC FET的負柵電壓讓電源設計變得更復雜化。最后，大多數電動(dòng)汽車(chē)系統連接到高壓直流鏈路，并要求低壓控制部分與高壓功率轉換階段隔離。然而，通過(guò)一些升級，反激變換器可以修改以滿(mǎn)足所有這些要求。

 

如今，大多數電動(dòng)汽車(chē)都有一個(gè)主DC-DC變換器，將直流鏈路電壓逐步降低到大多數低功率電子系統使用的低電壓軌道(通常是12和48 V)。通過(guò)一個(gè)隔離反激變換器，其中一個(gè)低壓軌可以用來(lái)為隔離柵驅動(dòng)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(gè)單獨的二次側繞組，為兩個(gè)柵門(mén)驅動(dòng)器創(chuàng )建兩個(gè)電源。因為兩個(gè)輸出是由變壓器耦合的，所以DC-DC控制器僅直接調節兩個(gè)輸出中的一個(gè)。

 

另一個(gè)輸出通過(guò)變壓器的交錯耦合間接調節。這種配置導致間接調節輸出的性能略低于直接調節輸出，但不足以影響整個(gè)系統。使用一個(gè)變壓器和轉換器的兩個(gè)輸出減少了電路板的空間和成本。通過(guò)利用這種結構，可以進(jìn)一步修改變壓器，以產(chǎn)生SiC FET所需的負柵電壓。

 

 

帶雙輸出反激變換器的半橋電路，為隔離的柵極驅動(dòng)器供電。在這里，12v軌為隔離柵極驅動(dòng)器的主側和副側供電。反激變換器的變壓器提供了隔離，并有兩個(gè)分開(kāi)的二次側繞組，以創(chuàng )建兩個(gè)供應的兩個(gè)門(mén)驅動(dòng)器。因為兩個(gè)輸出是由變壓器耦合的，所以DC-DC控制器只直接調節兩個(gè)輸出中的一個(gè)。另一個(gè)輸出通過(guò)變壓器的交錯耦合間接調節。

 

 

現在考慮一個(gè)改進(jìn)后的反激變壓器，在兩個(gè)輸出繞組的中間各有一個(gè)接頭(在示意圖中表示為VMIDA和VMIDB)。在高側柵驅動(dòng)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)生負電壓。高側場(chǎng)效應晶體管的源被連接到中間接頭 (VMIDA)，而柵極驅動(dòng)程序仍然參考低接頭(VGNDA)。當柵驅動(dòng)關(guān)閉場(chǎng)效應管時(shí)，它將場(chǎng)效應管柵拉向地面。這導致FET門(mén)極電壓(VGNDA)低于源極電壓(VMIDA)。該連接產(chǎn)生一個(gè)負的柵極電壓，以確保SiC FET保持在關(guān)斷狀態(tài)。

 

 

在兩個(gè)輸出繞組上改裝了VMIDA和VMIDB接頭的反激變壓器。在用藍色突出顯示的高側柵極驅動(dòng)電源域中，VMIDA相對于VGNDA產(chǎn)生一個(gè)正電壓，相對于VDDA產(chǎn)生一個(gè)負電壓。高側場(chǎng)效應晶體管的源被綁定到VMIDA，而柵極驅動(dòng)程序仍然引用VGNDA。

 

要注意的是:當柵極驅動(dòng)打開(kāi)高側SiC FET，并將場(chǎng)效應晶體管柵極拉到高側分接電壓(VDDA)時(shí)，這種配置也會(huì )改變柵極電壓。通過(guò)調整變壓器中接頭與高、低接頭的匝數比(VDDA / VMIDA、VMIDA / VGNDA)來(lái)設置電壓(VMIDA)。同樣，這個(gè)操作也適用于低側柵驅動(dòng)電源域。

 

許多隔離柵極驅動(dòng)器件，如Silicon Labs的Si828x，包括一個(gè)專(zhuān)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，許多隔離柵極驅動(dòng)器包括一個(gè)內置的DC-DC控制器。Silicon Labs的Si828x也有這個(gè)功能。集成的DC-DC控制器消除了一個(gè)單獨的控制器IC的需要，并且常常使光耦反饋閑的不那么重要，因為隔離柵極驅動(dòng)器通過(guò)內部的隔離屏障傳遞反饋。因此，通過(guò)使用帶有復雜變壓器設計的反激變換器，單個(gè)DC-DC變換器可以為隔離的柵極驅動(dòng)器供電，并產(chǎn)生負的柵極電壓。

 

一個(gè)復雜的反激變換器加上最新的隔離柵驅動(dòng)器，簡(jiǎn)化了驅動(dòng)半橋結構SiC FET。它還降低了在許多電動(dòng)汽車(chē)系統中使用半橋式SiC FET設計的成本和復雜性。由于從車(chē)載充電器到牽引逆變器的系統都采用了SiC FET，電動(dòng)汽車(chē)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(dòng)車(chē)的動(dòng)力能夠與燃油車(chē)媲美。