針對IGBT和MOSFET可再生能源應用的驅動(dòng)器設計

引言

對電能轉換而言，可再生能源電子細分市場(chǎng)是一個(gè)復雜且多樣化的競技場(chǎng)。在一些負載點(diǎn)應用中，開(kāi)關(guān)型功率轉換器通常為非隔離式，功率水平相當低(200 W)，并且常常會(huì )把電源從一個(gè)DC電壓轉換到另一個(gè)，例如：12V轉換為3.3V。另外，功率級開(kāi)關(guān)為集成式，也即能夠通過(guò)低電流控制器或者晶體管驅動(dòng)。今天，控制器和功率級之間的整合正在成為現實(shí)。硅(Si)MOSFET在這一市場(chǎng)中起主導作用，因為人們喜歡更高的開(kāi)關(guān)頻率，它可以達到1MHz以上的速度。這些功率開(kāi)關(guān)通常均由一個(gè)5V或者12V IC柵極驅動(dòng)器或類(lèi)似解決方案來(lái)驅動(dòng)。

高效管理可再生能源系統的挑戰

在某個(gè)風(fēng)或者光伏發(fā)電機的電力系統中，存在一些特殊的性能問(wèn)題。使用微型逆變器時(shí)典型可再生能源功率水平為1到3kW，串型逆變器為3到10kW，而大型中央式逆變器站則為10kW到1MW。除DC到DC轉換以外，還可使用DC到AC和AC到DC轉換，有時(shí)也可兩者組合使用。

老式的風(fēng)力發(fā)電機直接連接電網(wǎng)，只能工作在電力線(xiàn)頻率下。在經(jīng)過(guò)許多作業(yè)點(diǎn)以后，它們變得很低效。新型的風(fēng)力發(fā)電機(圖1)常常把AC轉換為DC，然后再把DC轉換回AC，這樣風(fēng)力發(fā)電機便可工作在各種速度下，從而獲得最大效率。

相反，光伏電池產(chǎn)生DC電壓/電流。一般而言，先升高電壓，然后通過(guò)一個(gè)DC到AC逆變器發(fā)送，最后再連接電網(wǎng)。

可再生能源發(fā)展趨勢

對于世界上的大多數國家而言，利用風(fēng)和太陽(yáng)能生產(chǎn)的清潔能源都僅為其能源的很小一部分。近年來(lái)，可再生能源獲得了持續的發(fā)展。在一些地方，可再生能源已經(jīng)占有很大一部分。例如，根據丹麥能源局數據，在2012年上半年， 丹麥所生產(chǎn)的全國總電量中約有34%為風(fēng)力發(fā)電。丹麥能源局的上級部柵極丹麥氣候、能源與建筑部發(fā)布消息稱(chēng)，到2020年，丹麥的風(fēng)力發(fā)電將占到總能源的50%。當風(fēng)力發(fā)電在一個(gè)國家總能源中占有較大比重時(shí)，轉換系統的可靠性變得至關(guān)重要。除此以外，還有高功率電網(wǎng)連接、電隔離安全要求和大型可再生能源轉換系統的成本問(wèn)題。這意味著(zhù)，系統可靠性始終都是設計優(yōu)先考慮因素，其次是效率問(wèn)題。因此，在所有層面(從控制器到FET/IGBT驅動(dòng)器本身)，保護功能和可靠性都是優(yōu)先考慮項。典型電源管理結構

高功率電平帶來(lái)更高的系統電壓，因此轉換器內所用各種組件的切斷電壓也更高。為了降低400V以上電壓的功率損耗，大多數電路設計人員更喜歡使用絕緣柵極雙極型晶體管(IGBT)，或者最新的碳化硅(SiC)FET。這些器件的切斷電壓可高達1200V，并且相比等效SiMOSFET擁有更低的“導通”電阻。這些復雜的電源系統通常由一個(gè)數字信號處理器、一個(gè)微控制器或者一個(gè)專(zhuān)用數字電源控制器來(lái)管理。因此，它們常常會(huì )要求同時(shí)將電和信號都隔離于功率級的高噪聲開(kāi)關(guān)環(huán)境。即使在穩態(tài)開(kāi)關(guān)周期內，電路的電壓和電流也會(huì )劇烈變化，形成明顯的接地跳動(dòng)。

圖 1 風(fēng)力發(fā)電機到電網(wǎng)的簡(jiǎn)化電力傳輸流程圖

圖2表明，即使是一個(gè)單相DC到AC逆變器，也需要許多柵極驅動(dòng)器，以正確地在功率級中對IGBT進(jìn)行開(kāi)關(guān)操作。作為一種單通道柵極驅動(dòng)器，只要具有必需的信號和偏壓隔離，德州儀器UCC27531就能驅動(dòng)開(kāi)關(guān)橋的任何開(kāi)關(guān)。利用一個(gè)光耦合器或者數字隔離器，實(shí)現信號隔離。對于偏壓隔離，設計人員可以使用一種帶二極管和電容器的自舉電路，或者一個(gè)隔離式偏壓電源。另一種方法是，與控制器一樣，連接同一個(gè)隔離端上的柵極驅動(dòng)器，然后通過(guò)柵極驅動(dòng)器后面的一個(gè)柵極變壓器驅動(dòng)開(kāi)關(guān)。這種方法允許通過(guò)控制端上一個(gè)非隔離式電源，對驅動(dòng)器進(jìn)行偏置。

圖 2 單相逆變器基本結構可再生能源的柵極驅動(dòng)器

作為一種小型、非隔離式柵極驅動(dòng)器，單通道UCC27531可以很好地工作在前述環(huán)境下。它的IC輸入信號通過(guò)一個(gè)光耦合器或者數字隔離器提供。它的高電源/輸出驅動(dòng)電壓范圍為10到35V，讓其成為12V SiMOSFET應用和IGBT/SiC FET應用的理想選擇。這里，正柵極驅動(dòng)通常更高，并且關(guān)斷時(shí)負電壓下拉，目的是防止電源開(kāi)關(guān)受到錯誤導通的損害。一般而言，SiC FET由一個(gè)相對于電源的+20/-5V柵極驅動(dòng)器驅動(dòng)。同樣，就IGBT而言，系統設計人員可能會(huì )使用一個(gè)+18/-13V柵極驅動(dòng)，如圖3所示。