【導(dǎo)讀】在電動(dòng)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(dòng)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(shí)需要精確的驅(qū)動(dòng)電壓（具體取決于所使用的器件）。
在電動(dòng)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(dòng)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(shí)需要精確的驅(qū)動(dòng)電壓（具體取決于所使用的器件）。為了實(shí)現(xiàn)高可靠性，您需要柵極驅(qū)動(dòng)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(jì)能否在緊湊、高效的 DC-DC 轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)以驅(qū)動(dòng) SiC MOSFET 和 Si IGBT 柵極成為一項(xiàng)艱巨而耗時(shí)的挑戰(zhàn)。
為了加快速度并實(shí)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(dòng) DC-DC 轉(zhuǎn)換器。這些轉(zhuǎn)換器提供了支持高效開(kāi)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(dòng)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(dòng) DC-DC 轉(zhuǎn)換器，您就可能會(huì)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(dòng)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(duì)于高頻應(yīng)用，SiC MOSFET 可以實(shí)現(xiàn)更低的整體開(kāi)關(guān)損耗，包括導(dǎo)通和關(guān)斷損耗。具體來(lái)說(shuō)，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?yàn)殛P(guān)斷期間的尾電流增加了功耗。SiC MOSFET 則不會(huì)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(dòng)電壓要求的不同（表 1）。
表 1： 不同的開(kāi)關(guān)特性導(dǎo)致不同的驅(qū)動(dòng)電壓要求。（表格來(lái)源：Mornsun）
關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)功率規(guī)格
雖然 Si IGBT 和 SiC MOSFET 的導(dǎo)通和關(guān)斷驅(qū)動(dòng)電壓要求不同，但在其他方面它們的驅(qū)動(dòng)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(shí)現(xiàn)。
· 高 CMTI。這是兩個(gè)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(jì)和更快的開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換，以幫助實(shí)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(guò)高，共模干擾會(huì)影響脈寬調(diào)制 (PWM) 控制信號(hào)，導(dǎo)致信號(hào)錯(cuò)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(jiàn)的故障模式之一。因此，柵極驅(qū)動(dòng)電源需要包含短路保護(hù)功能。
柵極驅(qū)動(dòng)電源
如果您正在設(shè)計(jì)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(dòng)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(dòng)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(lái)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(gè)系列驅(qū)動(dòng)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(cè)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(duì)輻射的 CISPR 32 55032和針對(duì)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(shí)例
QAxx3C-R3、QAxx3-R3 和 QAxx3H-R3 系列驅(qū)動(dòng)電源集成度很高，在一般應(yīng)用中只需要三個(gè) 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(lái)源：Mornsun）
圖 3：EMC 元件值因輸入電壓而異（表 2）。CY1（底部）是一個(gè) 330 pF 電容器，僅用于 5 VDC 輸入型號(hào)。（圖片來(lái)源：Mornsun）
表 2：支持 EMC 性能的元件值。（表格來(lái)源：Mornsun）
結(jié)語(yǔ)
在為光伏系統(tǒng)和電動(dòng)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(shí)，選擇柵極驅(qū)動(dòng)電源是重要的一步。Mornsun 提供了多個(gè)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(dòng)各種 Si IGBT 和 SiC MOSFET。
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