使用SiC MOSFET和Si IGBT柵極驅動優化電源系統
發布時間：2023-7-31 10:44
發布者：eechina
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來源：Digi-Key 在電動汽車 (EV) 和光伏 (PV) 系統等綠色能源應用所需的 DC-DC 轉換器、電池充電器、電機驅動器和交流 (AC) 逆變器中，碳化硅 (SiC) MOSFET 和硅 (Si) IGBT 是關鍵元件。但是如要獲得最高的效率，SiC MOSFET 和 Si IGBT 的柵極在導通和關斷時需要精確的驅動電壓（具體取決于所使用的器件）。為了實現高可靠性，您需要柵極驅動器具有增強絕緣、高隔離電壓、共模瞬態抗擾度 (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計能否在緊湊、高效的 DC-DC 轉換器實現以驅動 SiC MOSFET 和 Si IGBT 柵極成為一項艱巨而耗時的挑戰。 為了加快速度并實現可靠、緊湊和高效的解決方案，您可以使用現成的柵極驅動 DC-DC 轉換器。這些轉換器提供了支持高效開關所需的精確電壓，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 的不同驅動電壓要求，詳細研究一下主要規格，并看看 Mornsun 的一些柵極驅動 DC-DC 轉換器，您就可能會發現這些轉換器是適合各種綠色能源系統的。 驅動電壓差異 Si IGBT 和 SiC MOSFET 的傳導損耗都很低，可用于高效功率轉換應用。對于高頻應用，SiC MOSFET 可以實現更低的整體開關損耗，包括導通和關斷損耗。具體來說，SiC MOSFET 的導通損耗通常比 Si IGBT 低 15%-20%，關斷損耗則低了 75%。Si IGBT 關斷損耗較高是因為關斷期間的尾電流增加了功耗。SiC MOSFET 則不會產生尾電流。 SiC MOSFET 和 Si IGBT 在導通和關斷特性上的差異導致驅動電壓要求的不同（表 1）。 
表 1： 不同的開關特性導致不同的驅動電壓要求。（表格來源：Mornsun） 關鍵驅動功率規格 雖然 Si IGBT 和 SiC MOSFET 的導通和關斷驅動電壓要求不同，但在其他方面它們的驅動功率卻具有相似的性能要求，具體包括： · 增強絕緣、爬電距離和間隙距離，以及符合 IEC 61800-5-1 標準的 1,700 伏連續絕緣電壓要求。這些要求在保持緊湊、高效解決方案中很難實現。 · 高 CMTI。這是兩個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計和更快的開關轉換，以幫助實現更小的系統尺寸和更高的效率。 · 隔離電容應較低。如果過高，共模干擾會影響脈寬調制 (PWM) 控制信號，導致信號錯誤和系統故障。 · 為確保系統可靠運行，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。 短路是電源轉換器最常見的故障模式之一。因此，柵極驅動電源需要包含短路保護功能。 柵極驅動電源 如果您正在設計使用 SiC MOSFET 的綠色能源系統，就可以使用 Mornsun 的 QAxx3C-R3 系列 DC-DC 轉換器模塊。這些柵極驅動電源輸入電壓為 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 驅動電源模塊，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。 所有這三個系列驅動電源都一些共同特性： · 能效高達 87% · 單列直插式封裝 (SIP) · 經測試可承受 5 kVAC 電壓 1 分鐘的增強絕緣能力，最大漏電電流 1 毫安 (mA) · 連續絕緣耐壓 1,700 伏特 · ±200 kV/μs 的 CMTI · 3.5 皮法 (pF) 的隔離電容 · EMC 兼容性，包括針對輻射的 CISPR 32 55032 和針對外部元件抗擾度的 IEC 61000-4-2 · 短路保護 · -40 至 +105°C 的工作溫度 應用實例 QAxx3C-R3、QAxx3-R3 和 QAxx3H-R3 系列驅動電源集成度很高，在一般應用中只需要三個 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 應用中，電容器 C1、C2 和 C3 均為 100 µF、35 伏器件（如上所示）。（圖片來源：Mornsun）
圖 3：EMC 元件值因輸入電壓而異（表 2）。CY1（底部）是一個 330 pF 電容器，僅用于 5 VDC 輸入型號。（圖片來源：Mornsun）
表 2：支持 EMC 性能的元件值。（表格來源：Mornsun） 結語 在為光伏系統和電動汽車等綠色能源應用優化 Si IGBT 和 SiC MOSFET 功率轉換器的效率和可靠性時，選擇柵極驅動電源是重要的一步。Mornsun 提供了多個系列 DC-DC 轉換器模塊，有多種輸入和輸出電壓可供選擇，可用于驅動各種 Si IGBT 和 SiC MOSFET。 |
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