摘要：反激變換器/隔離柵-驅動器組合降低了在電動汽車系統中實現SiC FET設計的成本和復雜性。

 

電動汽車正在推動今天的能量轉換技術的極限，而大功率SiC FET的出現推動了這一技術。SiC FET有許多優點：允許更高的開關速度和更高的電壓，從而產生更小的磁性、更輕的電纜和更高的效率。這些改進使電動汽車行駛里程更長，性能更強。

SiC FET的設計需要新的柵驅動技術。一個要求是，它們包括負柵極電壓，以確保SiC FET保持完全關閉。產生這些負電壓需要使用隔離電源。因此，SiC柵極驅動器的設計似乎是一項艱巨的任務。然而，回顧半橋原理和反激變換器技術可以迅速地揭開設計中必要步驟的神秘面紗。

 

 

半橋結構SiC場效應晶體管。半橋允許中心節點(藍色圓圈所示)被有效地拉到正軌或負軌上。在電動汽車中，這些軌道通常是dc link軌道，使用最新的SiC FET技術可以達到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的核心是兩個開關設備。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設備之間的中心節點拉到正極或負極軌道上。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器接地基準。

 

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

 

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

 

解決方案是:兩個柵極驅動器使用單獨的電源，并且高側柵極驅動器接地連接到高側FET的源極。在這種配置中，高側柵極驅動器引用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動的問題后，下一步就是為柵極驅動產生電源和負柵極電壓。正確的連接使用獨立的電源，高側門驅動器接地與高側場效應晶體管的電源相連。

 

 

門驅動連接錯誤(左)和正確(右)。如果柵極驅動器使用相同的功率軌，并且高側柵極驅動器接地連接到負軌(直流鏈路-)，高側柵極驅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。

 

為半橋柵驅動電路設計電源的過程常常是一項艱巨的任務，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，大多數電動汽車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低功率電子系統使用的低電壓軌道(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，并有兩個單獨的二次側繞組，為兩個柵門驅動器創建兩個電源。因為兩個輸出是由變壓器耦合的，所以DC-DC控制器僅直接調節兩個輸出中的一個。

 

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，但不足以影響整個系統。使用一個變壓器和轉換器的兩個輸出減少了電路板的空間和成本。通過利用這種結構，可以進一步修改變壓器，以產生SiC FET所需的負柵電壓。

 

 

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

 

 

現在考慮一個改進后的反激變壓器，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)。在高側柵驅動電源域中，中間接頭相對于一端接頭產生正電壓(原理圖中為VGNDA)，相對于另一端(VDDA)產生負電壓。高側場效應晶體管的源被連接到中間接頭 (VMIDA)，而柵極驅動程序仍然參考低接頭(VGNDA)。當柵驅動關閉場效應管時，它將場效應管柵拉向地面。這導致FET門極電壓(VGNDA)低于源極電壓(VMIDA)。該連接產生一個負的柵極電壓，以確保SiC FET保持在關斷狀態。

 

 

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

 

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

 

許多隔離柵極驅動器件，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，以進行去飽和檢測。為了進一步降低成本和電路板空間，許多隔離柵極驅動器包括一個內置的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，因為隔離柵極驅動器通過內部的隔離屏障傳遞反饋。因此，通過使用帶有復雜變壓器設計的反激變換器，單個DC-DC變換器可以為隔離的柵極驅動器供電，并產生負的柵極電壓。

 

一個復雜的反激變換器加上最新的隔離柵驅動器，簡化了驅動半橋結構SiC FET。它還降低了在許多電動汽車系統中使用半橋式SiC FET設計的成本和復雜性。由于從車載充電器到牽引逆變器的系統都采用了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。