面向未來的電源開關(guān)解決方案

在汽車、工業(yè)和逆變器應(yīng)用中，對(duì)在更高輸出功率水平下提高效率的需求日益增長。而在電動(dòng)汽車 (EV) 領(lǐng)域，通過提高電機(jī)驅(qū)動(dòng)效率和加快電池充電速度，此類優(yōu)化對(duì)于擴(kuò)展性能和延長續(xù)航里程至關(guān)重要。對(duì)于工業(yè)而言，提高效率是減少全球能源消耗和增強(qiáng)可持續(xù)性的必需條，因此當(dāng)前重點(diǎn)是直流微電網(wǎng)技術(shù)的效率效益。在綠色可再生能源方面，高效率會(huì)促進(jìn)光伏發(fā)電、水力發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電的采用，以便從有限的自然資源中最大限度獲取能源。

為了實(shí)現(xiàn)這一基本效率目標(biāo)，電力電子行業(yè)正在向提高開關(guān)頻率和電壓過渡，同時(shí)仍試圖平衡成本與性能并減小總體尺寸（圖 1）。然而，實(shí)現(xiàn)這種轉(zhuǎn)變需要集成下一代半導(dǎo)體器件，并定期發(fā)布新版本的功率 MOSFET 以及寬帶隙 SiC 和 GaN。

這給設(shè)計(jì)工程師帶來了挑戰(zhàn)：在開關(guān)功率晶體管技術(shù)持續(xù)進(jìn)步的背景下，如何才能保證功率驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品不會(huì)過時(shí)，從而在不需要不斷重新設(shè)計(jì)的情況下利用這些新一代技術(shù)？

圖 1：開關(guān)頻率越高，解決方案尺寸就越小，但晶體管技術(shù)的選擇取決于輸出功率并受限于成本。

以典型的電源設(shè)計(jì)需求為例：電動(dòng)汽車需要一種高效、緊湊的先進(jìn)三相電池充電器解決方案。采用雙向功率驅(qū)動(dòng)，同時(shí)在兩個(gè)方向上應(yīng)同樣有效：交流轉(zhuǎn)直流和直流轉(zhuǎn)交流。交流側(cè)應(yīng)具有有源功率因數(shù)控制 (PFC)，直流側(cè)應(yīng)具有低開關(guān)損耗，并與電壓高達(dá) 800 VDC 的電池包連接。該設(shè)計(jì)需在高開關(guān)頻率下運(yùn)行，以減小電感元件的尺寸和重量。

圖 2 所示為一種可能的解決方案，其中結(jié)合了三相 PFC、全橋雙向 LLC 和有源整流器。該解決方案需要 14 個(gè)功率晶體管，為實(shí)現(xiàn)最佳性價(jià)比，可以混合使用 MOSFET、SiC 和可用的 GaN 器件。

圖 2：雙向電動(dòng)汽車電池充電器設(shè)計(jì)的可能解決方案。

所有功率晶體管都需要使用單獨(dú)的柵極驅(qū)動(dòng)器，高側(cè)晶體管（Q1、Q3、Q5、Q7、Q9、Q11 和 Q13）還需要電隔離。如果柵極驅(qū)動(dòng)器具有單獨(dú)的 Out+ 和 Out- 引腳，則可以在導(dǎo)通和關(guān)斷周期使用不同的柵極電阻來優(yōu)化開關(guān)特性。此外，還可以選擇隔離 Vpos 和 Vneg 以在導(dǎo)通周期期間充分增強(qiáng)晶體管，并在關(guān)斷周期期間快速對(duì)柵極電容進(jìn)行放電。負(fù)“關(guān)斷”電壓還可消除因源極電感造成的錯(cuò)誤導(dǎo)通，從而提高開關(guān)可靠性[1]。這就是問題所在：不同的開關(guān)技術(shù)以及不同版本的晶體管，其最大柵極驅(qū)動(dòng)電壓不盡相同（圖 3）。

圖 3：晶體管柵極驅(qū)動(dòng)電壓因技術(shù)和版本原因存在差異。

針對(duì) +15/-9 V 非對(duì)稱電源電壓的 IGBT 而優(yōu)化的柵極驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)，將對(duì)只有 1 V 余量到負(fù)絕對(duì)最大限值的第一代或第二代 SiC 造成嚴(yán)重壓力，并且完全無法兼容第三代 SiC 晶體管。需要從第一代 SiC 過渡到第二代或第三代 SiC 的設(shè)計(jì)中存在類似問題：+20 V 正軌電壓將等于或超過新一代的絕對(duì)最大限值，導(dǎo)致過早出現(xiàn)故障。

目前的趨勢是，每一代新型功率晶體管都將在較低的柵極驅(qū)動(dòng)電壓電平下完全增強(qiáng)或完全耗盡，但最佳柵極驅(qū)動(dòng)電壓電平仍會(huì)因制造商、開發(fā)迭代和晶體管類型而有所不同。? 由于隔離柵極驅(qū)動(dòng)器電源電壓（Vpos和Vneg）由隔離變壓器或隔離 DC/DC 轉(zhuǎn)換器提供，盡管柵極驅(qū)動(dòng)器本身適用于所有晶體管類型，但每種功率晶體管的選擇都需要不同的解決方案。這意味著即使使用引腳兼容的二級(jí)供應(yīng)商開關(guān)晶體管，也可能需要對(duì)隔離電源進(jìn)行重大設(shè)計(jì)更改。

可編程隔離非對(duì)稱電源則可以滿足此類需求，以支持柵極驅(qū)動(dòng)器電路針對(duì)不同的晶體管選項(xiàng)（可能包括尚未發(fā)布的新一代晶體管）進(jìn)行優(yōu)化。

RECOM 發(fā)布了此類產(chǎn)品：RxxC2T25S。這是一款采用 SOIC 封裝的 SMD DC/DC 轉(zhuǎn)換器，并帶有集成隔離變壓器（圖 4）。通過改變反饋分壓器電路中的電阻值，可以將輸出單獨(dú)設(shè)置為處于 +2.5 V 至 +22.5 V 和 -2.5 V 至 -22.5 V 的范圍內(nèi)，這意味著只要組合輸出在 18 至 25 V 范圍內(nèi)，一種電源解決方案即可提供 +15/-9、+20/-5、+18/-4、+15/-3 或任何其他輸出電壓組合。這支持設(shè)計(jì)人員通過更改 BoM 電阻值（而不是 PCB 設(shè)計(jì)），在一級(jí)和二級(jí)功率晶體管供應(yīng)商之間輕松切換。這也意味著，如果推出具有 +14.5/-3.5 V 最佳柵極驅(qū)動(dòng)電壓的全新一代功率晶體管，則該解決方案足以滿足未來需求。最后，輸出電壓可獨(dú)立調(diào)節(jié)，這對(duì)于將柵極驅(qū)動(dòng)到非常接近絕對(duì)最大值電壓電平以獲得盡可能高的開關(guān)效率至關(guān)重要。

圖 4：采用 SOIC 封裝的隔離 DC/DC 轉(zhuǎn)換器，具有可編程的非對(duì)稱穩(wěn)壓輸出。

隨著功率水平增加到千瓦級(jí)，柵極驅(qū)動(dòng)器和柵極驅(qū)動(dòng)器電源周圍的環(huán)境要求變得更加嚴(yán)苛。盡管先進(jìn)的 WBG 功率晶體管技術(shù)的開關(guān)損耗較低，但預(yù)計(jì)環(huán)境工作溫度較高。高電壓的硬開關(guān)會(huì)產(chǎn)生非常高的 dv/dt 轉(zhuǎn)換速率，因此良好的 CMTI（共模瞬態(tài)抗擾度）、低隔離電容和高隔離度對(duì)于保證開關(guān)穩(wěn)定可靠至關(guān)重要。

RxxC2T25S 的環(huán)境工作溫度范圍為 -40 ℃ 至 +100 ℃（1.5 W 負(fù)載），最高 +125 ℃（0.6 W 負(fù)載），特別是 CMTI 為 ±150 kV/μs，隔離電容僅為 3.5 pF 和 3 kVAC/1 分鐘隔離（額定重復(fù)峰值電壓為 ±1200 VDC）。輸出還提供全面保護(hù)措施，可以防止短路、過載和過溫故障。
欠壓鎖定功能意味著，只有輸入電壓和輸出電壓都穩(wěn)定后，才會(huì)激活 DC-OK 引腳，因此該引腳可以連接到柵極驅(qū)動(dòng)器上的使能引腳，以確保從首個(gè)開關(guān)周期開始就處于穩(wěn)定狀態(tài)（圖 5）。

圖 5：使用 RxxC2T25S 的全面隔離柵極驅(qū)動(dòng)器解決方案。R1-R4 設(shè)置輸出電壓。

總之，RxxC2T25S 是設(shè)計(jì)人員期待已久的解決方案。一款堅(jiān)固耐用的 SMD 部件，專為隔離柵極驅(qū)動(dòng)器應(yīng)用而設(shè)計(jì)，具有滿足期望的所有技術(shù)功能，并且能夠自由選擇輸出電壓，從而可利用現(xiàn)有解決方案以及未來設(shè)計(jì)獲得最大效率。
?

有關(guān)負(fù)柵極驅(qū)動(dòng)電壓（也適用于低側(cè)開關(guān)）需求的詳細(xì)分析，請(qǐng)參閱 RECOM 網(wǎng)站中提供的白皮書“使用 IGBT 和 SIC MOSFET 來設(shè)計(jì)可靠耐用之晶體管電路”。

?