針對(duì)IGBT和MOSFET可再生能源應(yīng)用的驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)

引言

對(duì)電能轉(zhuǎn)換而言，可再生能源電子細(xì)分市場(chǎng)是一個(gè)復(fù)雜且多樣化的競(jìng)技場(chǎng)。在一些負(fù)載點(diǎn)應(yīng)用中，開(kāi)關(guān)型功率轉(zhuǎn)換器通常為非隔離式，功率水平相當(dāng)?shù)?200 W)，并且常常會(huì)把電源從一個(gè)DC電壓轉(zhuǎn)換到另一個(gè)，例如：12V轉(zhuǎn)換為3.3V。另外，功率級(jí)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(qū)動(dòng)。今天，控制器和功率級(jí)之間的整合正在成為現(xiàn)實(shí)。硅(Si)MOSFET在這一市場(chǎng)中起主導(dǎo)作用，因?yàn)槿藗兿矚g更高的開(kāi)關(guān)頻率，它可以達(dá)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(qū)動(dòng)器或類(lèi)似解決方案來(lái)驅(qū)動(dòng)。

高效管理可再生能源系統(tǒng)的挑戰(zhàn)

在某個(gè)風(fēng)或者光伏發(fā)電機(jī)的電力系統(tǒng)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(zhuǎn)換以外，還可使用DC到AC和AC到DC轉(zhuǎn)換，有時(shí)也可兩者組合使用。

老式的風(fēng)力發(fā)電機(jī)直接連接電網(wǎng)，只能工作在電力線頻率下。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(jī)(圖1)常常把AC轉(zhuǎn)換為DC，然后再把DC轉(zhuǎn)換回AC，這樣風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(shì)

對(duì)于世界上的大多數(shù)國(guó)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(xù)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(jù)丹麥能源局?jǐn)?shù)據(jù)，在2012年上半年， 丹麥所生產(chǎn)的全國(guó)總電量中約有34%為風(fēng)力發(fā)電。丹麥能源局的上級(jí)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(dāng)風(fēng)力發(fā)電在一個(gè)國(guó)家總能源中占有較大比重時(shí)，轉(zhuǎn)換系統(tǒng)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(zhuǎn)換系統(tǒng)的成本問(wèn)題。這意味著，系統(tǒng)可靠性始終都是設(shè)計(jì)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(qū)動(dòng)器本身)，保護(hù)功能和可靠性都是優(yōu)先考慮項(xiàng)。典型電源管理結(jié)構(gòu)

高功率電平帶來(lái)更高的系統(tǒng)電壓，因此轉(zhuǎn)換器內(nèi)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(shù)電路設(shè)計(jì)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(dá)1200V，并且相比等效SiMOSFET擁有更低的“導(dǎo)通”電阻。這些復(fù)雜的電源系統(tǒng)通常由一個(gè)數(shù)字信號(hào)處理器、一個(gè)微控制器或者一個(gè)專(zhuān)用數(shù)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(hào)都隔離于功率級(jí)的高噪聲開(kāi)關(guān)環(huán)境。即使在穩(wěn)態(tài)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)，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(jī)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(qū)動(dòng)器，以正確地在功率級(jí)中對(duì)IGBT進(jìn)行開(kāi)關(guān)操作。作為一種單通道柵極驅(qū)動(dòng)器，只要具有必需的信號(hào)和偏壓隔離，德州儀器UCC27531就能驅(qū)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(shù)字隔離器，實(shí)現(xiàn)信號(hào)隔離。對(duì)于偏壓隔離，設(shè)計(jì)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(qū)動(dòng)器，然后通過(guò)柵極驅(qū)動(dòng)器后面的一個(gè)柵極變壓器驅(qū)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(duì)驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行偏置。

圖 2 單相逆變器基本結(jié)構(gòu)可再生能源的柵極驅(qū)動(dòng)器

作為一種小型、非隔離式柵極驅(qū)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(hào)通過(guò)一個(gè)光耦合器或者數(shù)字隔離器提供。它的高電源/輸出驅(qū)動(dòng)電壓范圍為10到35V，讓其成為12V SiMOSFET應(yīng)用和IGBT/SiC FET應(yīng)用的理想選擇。這里，正柵極驅(qū)動(dòng)通常更高，并且關(guān)斷時(shí)負(fù)電壓下拉，目的是防止電源開(kāi)關(guān)受到錯(cuò)誤導(dǎo)通的損害。一般而言，SiC FET由一個(gè)相對(duì)于電源的+20/-5V柵極驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)。同樣，就IGBT而言，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員可能會(huì)使用一個(gè)+18/-13V柵極驅(qū)動(dòng)，如圖3所示。