認識電力系統中功率元器件的重要性

　　電力電子應用系統面面觀(guān)

　　在所有電力電子應用中，皆可發(fā)現到兩種類(lèi)型的電力子系統：功率轉換電路和運動(dòng)控制電路。第一種類(lèi)型也稱(chēng)為交流對直流（AC-DC）或電源，第二種類(lèi)型則被稱(chēng)為逆變器（Inverter）或頻率轉換器。兩種類(lèi)型的電路皆可從叁項推動(dòng)系統發(fā)展的因素受益，即元件的性能、整合度的提高及方案和設計支持（圖1）。

　　圖1 電力電子應用的系統趨勢

　　控制器的性能、閘極驅動(dòng)器及功率開(kāi)關(guān)是提高性能的關(guān)鍵。只有借助功率開(kāi)關(guān)的新技術(shù)及控制器的新功能和改進(jìn)功能，才能提高運作效率和降低待機功率，不僅使現有拓撲達到更好的性能，還能實(shí)現新的拓撲。準諧振電源的使用增加就是一個(gè)例子。

　　優(yōu)化功率輸出級至關(guān)重要

　　優(yōu)化功率輸出級要求對元件和元件的性能特點(diǎn)進(jìn)行深入的分析，不僅是諸如傳導和開(kāi)關(guān)損耗等純粹的性能值，還要考慮到與其他元件的整合。無(wú)此種優(yōu)化，就必須具有更大的設計容限，且更多先進(jìn)元件的優(yōu)勢也無(wú)法發(fā)揮。例如在使用超接面（Superjunction）金屬氧化物半導體場(chǎng)效電晶體（MOSFET）時(shí)，只有改善印刷電路板（PCB）的布局，使得這些元件達到更高的開(kāi)關(guān)速度，才能降低耗電量。對于工程師而言，做出選擇不成問(wèn)題，因為有眾多可選用的元件。

　　在上述兩個(gè)子系統中，均需要以相當高的頻率進(jìn)行開(kāi)關(guān)，本文不討論電源斷路器、閉合/斷開(kāi)開(kāi)關(guān)等經(jīng)由開(kāi)關(guān)造成系統狀態(tài)改變的應用。以高頻進(jìn)行開(kāi)關(guān)是縮小所用被動(dòng)元件體積的要求，但同時(shí)也增加開(kāi)關(guān)損耗。一方面要找到功率開(kāi)關(guān)成本及其開(kāi)關(guān)損耗之間的平衡，還要找到省下被動(dòng)元件與降低相關(guān)損耗的潛力。更高頻率開(kāi)關(guān)還能夠改善動(dòng)態(tài)負載的瞬態(tài)特性，此也許是一項系統的優(yōu)點(diǎn)。

　　大多數情況下，功率開(kāi)關(guān)不僅與地連接，且與輸入、電源或匯流排電壓連接。因為這些開(kāi)關(guān)必須由合適的閘極電壓進(jìn)行控制，這些合適的閘極電壓是以其源極或發(fā)射極接腳作為參考，需要一個(gè)所謂的浮動(dòng)的（Floating）驅動(dòng)器。此可藉由使用如快捷（Fairchild）FAN7080單片閘極驅動(dòng)器，或諸如快捷FOD3120的光隔離器件來(lái)實(shí)現。在運動(dòng)控制應用方面，可能會(huì )考慮使用將功率開(kāi)關(guān)與閘極驅動(dòng)器整合在一起的智慧功率模組，其主要優(yōu)點(diǎn)包括更高可靠性、更好的元件優(yōu)化、更小體積、更好的設計靈活性及更好的保護功能。事實(shí)上，智慧功率模組具有許多功率輸出級所包含的高整合和元件組合優(yōu)勢。

　　開(kāi)關(guān)與導通損耗為元件選擇指標

　　影響選擇絕緣閘雙極性電晶體（IGBT）和MOSFET作為主功率開(kāi)關(guān)的兩個(gè)最重要因素，係開(kāi)關(guān)損耗和導通損耗。不同的應用會(huì )有其需要的最高電壓、最大電流和開(kāi)關(guān)頻率。對于高開(kāi)關(guān)頻率和/或小電流（最高達10～20安培）應用，通常使用MOSFET；而對中低開(kāi)關(guān)頻率，尤其是在電流更大時(shí)，則選擇IGBT。表1說(shuō)明不同開(kāi)關(guān)技術(shù)之間的差異。

　　對于驅動(dòng)開(kāi)關(guān)，使用特定的閘極驅動(dòng)器，在使用FAN3222時(shí)有高達11安培/12安培（散熱器/源極）的漏電流，當需要開(kāi)關(guān)保持斷開(kāi)狀態(tài)時(shí)，能夠安全地對閘極進(jìn)行鉗制（Clamp）。選擇合適的閘極驅動(dòng)峰值電流很重要，電流較大，則在效率方面沒(méi)有顯著(zhù)的優(yōu)勢，會(huì )在系統中產(chǎn)生大的電壓過(guò)衝和難以消除的電磁干擾，此是由于快速邊緣（Fast Edge）包含豐富的諧波雜訊成分。

　　現有叁種不同的閘極驅動(dòng)器系列：?jiǎn)纹霕蚧蚋邆乳l極驅動(dòng)器系列，用于大多數不需要電氣隔離的應用；具有出色的抗雜訊能力的光隔離閘極驅動(dòng)器系列；具有出色定時(shí)性能的低側端驅動(dòng)器系列，用于功率較大的應用，包括脈衝變壓器驅動(dòng)（表2）。

　　實(shí)現系統級優(yōu)化　功率、成本及體積扮要角

　　功率輸出級優(yōu)化須要考慮的最重要因素當然是功效、擁有成本的影響及體積大小和成本，它們都受到如圖1所示叁種主要驅動(dòng)因素的影響。此外，在工業(yè)電子應用中還須要考慮更多的因素，尤其是耐用性（異常系統狀態(tài)下的保護和連續運作）、可靠性（無(wú)故障工作，延長(cháng)壽命）及更嚴苛的環(huán)境條件。這些額外的要求通常會(huì )影響散熱、電氣及布局設計，同時(shí)亦須要考慮電磁干擾的性能。

　　圖2為某高密度電源的功率級拓撲，使用并聯(lián)MOSFET，兩個(gè)元件使用一個(gè)散熱器。為改善開(kāi)關(guān)性能，閘極驅動(dòng)電路（此處使用離散元件）非?？拷鼈兛刂频墓β书_(kāi)關(guān)，為的是改善閘極驅動(dòng)電流環(huán)路并使其愈小愈好；減小寄生閘極-漏極電容，以防止寄生振盪；使閘極驅動(dòng)輸入阻抗與閘極愈接近愈好，進(jìn)一步防止寄生振盪。在PCB的底側使用表面黏著(zhù)（SMD）元件來(lái)實(shí)現驅動(dòng)器電路。注意兩個(gè)功率級完全對稱(chēng)的布局，確保兩個(gè)并聯(lián)路徑具有同樣的開(kāi)關(guān)特性，以及源極接腳之前電源地和驅動(dòng)器地的分離。

　　圖2 高密度電源的功率級拓撲

　　功率輸出級的優(yōu)化是復雜的，在元件方面有許多不同的選擇，但也有許多相互矛盾的要求。本文介紹不同的技術(shù)選擇，并說(shuō)明實(shí)現最高性能的優(yōu)化可能性。所有這些成效都是經(jīng)由對系統內功率開(kāi)關(guān)和閘極驅動(dòng)器的仔細調整，以達到最佳的整體表現。