認(rèn)識電力系統(tǒng)中功率元器件的重要性

　　電力電子應(yīng)用系統(tǒng)面面觀

　　在所有電力電子應(yīng)用中，皆可發(fā)現(xiàn)到兩種類型的電力子系統(tǒng)：功率轉(zhuǎn)換電路和運(yùn)動控制電路。第一種類型也稱為交流對直流（AC-DC）或電源，第二種類型則被稱為逆變器（Inverter）或頻率轉(zhuǎn)換器。兩種類型的電路皆可從叁項推動系統(tǒng)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(shè)計支持（圖1）。

　　圖1 電力電子應(yīng)用的系統(tǒng)趨勢

　　控制器的性能、閘極驅(qū)動器及功率開關(guān)是提高性能的關(guān)鍵。只有借助功率開關(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(yùn)作效率和降低待機(jī)功率，不僅使現(xiàn)有拓?fù)溥_(dá)到更好的性能，還能實(shí)現(xiàn)新的拓?fù)?。?zhǔn)諧振電源的使用增加就是一個例子。

　　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(dǎo)和開關(guān)損耗等純粹的性能值，還要考慮到與其他元件的整合。無此種優(yōu)化，就必須具有更大的設(shè)計容限，且更多先進(jìn)元件的優(yōu)勢也無法發(fā)揮。例如在使用超接面（Superjunction）金屬氧化物半導(dǎo)體場效電晶體（MOSFET）時，只有改善印刷電路板（PCB）的布局，使得這些元件達(dá)到更高的開關(guān)速度，才能降低耗電量。對于工程師而言，做出選擇不成問題，因?yàn)橛斜姸嗫蛇x用的元件。

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

　　大多數(shù)情況下，功率開關(guān)不僅與地連接，且與輸入、電源或匯流排電壓連接。因?yàn)檫@些開關(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，需要一個所謂的浮動的（Floating）驅(qū)動器。此可藉由使用如快捷（Fairchild）FAN7080單片閘極驅(qū)動器，或諸如快捷FOD3120的光隔離器件來實(shí)現(xiàn)。在運(yùn)動控制應(yīng)用方面，可能會考慮使用將功率開關(guān)與閘極驅(qū)動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(shè)計靈活性及更好的保護(hù)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。

　　開關(guān)與導(dǎo)通損耗為元件選擇指標(biāo)

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

　　對于驅(qū)動開關(guān)，使用特定的閘極驅(qū)動器，在使用FAN3222時有高達(dá)11安培/12安培（散熱器/源極）的漏電流，當(dāng)需要開關(guān)保持?jǐn)嚅_狀態(tài)時，能夠安全地對閘極進(jìn)行鉗制（Clamp）。選擇合適的閘極驅(qū)動峰值電流很重要，電流較大，則在效率方面沒有顯著的優(yōu)勢，會在系統(tǒng)中產(chǎn)生大的電壓過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(xiàn)有叁種不同的閘極驅(qū)動器系列：單片半橋或高側(cè)閘極驅(qū)動器系列，用于大多數(shù)不需要電氣隔離的應(yīng)用；具有出色的抗雜訊能力的光隔離閘極驅(qū)動器系列；具有出色定時性能的低側(cè)端驅(qū)動器系列，用于功率較大的應(yīng)用，包括脈衝變壓器驅(qū)動（表2）。

　　實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)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(dāng)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(qū)動因素的影響。此外，在工業(yè)電子應(yīng)用中還須要考慮更多的因素，尤其是耐用性（異常系統(tǒng)狀態(tài)下的保護(hù)和連續(xù)運(yùn)作）、可靠性（無故障工作，延長壽命）及更嚴(yán)苛的環(huán)境條件。這些額外的要求通常會影響散熱、電氣及布局設(shè)計，同時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?fù)?，使用并?lián)MOSFET，兩個元件使用一個散熱器。為改善開關(guān)性能，閘極驅(qū)動電路（此處使用離散元件）非常靠近它們控制的功率開關(guān)，為的是改善閘極驅(qū)動電流環(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(qū)動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(cè)使用表面黏著（SMD）元件來實(shí)現(xiàn)驅(qū)動器電路。注意兩個功率級完全對稱的布局，確保兩個并聯(lián)路徑具有同樣的開關(guān)特性，以及源極接腳之前電源地和驅(qū)動器地的分離。

　　圖2 高密度電源的功率級拓?fù)?/P>

　　功率輸出級的優(yōu)化是復(fù)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，并說明實(shí)現(xiàn)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(tǒng)內(nèi)功率開關(guān)和閘極驅(qū)動器的仔細(xì)調(diào)整，以達(dá)到最佳的整體表現(xiàn)。