使用SiC MOSFET和Si IGBT栅极驱动优化电源系统

【导读】在电动汽车 (EV) 和光伏 (PV) 系统等绿色能源应用所需的 DC-DC 转换器、电池充电器、电机驱动器和交流 (AC) 逆变器中，碳化硅 (SiC) MOSFET 和硅 (Si) IGBT 是关键元件。但是如要获得最高的效率，SiC MOSFET 和 Si IGBT 的栅极在导通和关断时需要精确的驱动电压（具体取决于所使用的器件）。

在电动汽车(EV) 和光伏 (PV) 系统等绿色能源应用所需的 DC-DC 转换器、电池充电器、电机驱动器和交流 (AC)逆变器中，碳化硅 (SiC)MOSFET和硅 (Si)IGBT是关键元件。但是如要获得最高的效率，SiC MOSFET 和 Si IGBT 的栅极在导通和关断时需要精确的驱动电压（具体取决于所使用的器件）。为了实现高可靠性，您需要栅极驱动器具有增强绝缘、高隔离电压、共模瞬态抗扰度 (CMTI)、低隔离电容、电磁兼容性 (EMC) （包括 CISPR 32 55032 辐射和 IEC 61000-4-2 抗扰度）、短路保护以及 -40 至 +105°C 的工作温度范围。

如此众多的性能要求使得设计能否在紧凑、高效的 DC-DC 转换器实现以驱动 SiC MOSFET 和 Si IGBT 栅极成为一项艰巨而耗时的挑战。

为了加快速度并实现可靠、紧凑和高效的解决方案，您可以使用现成的栅极驱动 DC-DC 转换器。这些转换器提供了支持高效开关所需的精确电压，并可满足确保高可靠性的操作要求。

让我们回顾一下 SiC MOSFET 和 Si IGBT 的不同驱动电压要求，详细研究一下主要规格，并看看 Mornsun 的一些栅极驱动 DC-DC 转换器，您就可能会发现这些转换器是适合各种绿色能源系统的。

驱动电压差异

Si IGBT 和 SiC MOSFET 的传导损耗都很低，可用于高效功率转换应用。对于高频应用，SiC MOSFET 可以实现更低的整体开关损耗，包括导通和关断损耗。具体来说，SiC MOSFET 的导通损耗通常比 Si IGBT 低 15%-20%，关断损耗则低了 75%。Si IGBT 关断损耗较高是因为关断期间的尾电流增加了功耗。SiC MOSFET 则不会产生尾电流。

SiC MOSFET 和 Si IGBT 在导通和关断特性上的差异导致驱动电压要求的不同（表 1）。

表 1： 不同的开关特性导致不同的驱动电压要求。（表格来源：Mornsun）

关键驱动功率规格

虽然 Si IGBT 和 SiC MOSFET 的导通和关断驱动电压要求不同，但在其他方面它们的驱动功率却具有相似的性能要求，具体包括：

· 增强绝缘、爬电距离和间隙距离，以及符合 IEC 61800-5-1 标准的 1,700 伏连续绝缘电压要求。这些要求在保持紧凑、高效解决方案中很难实现。
· 高 CMTI。这是两个隔离电路之间共模电压的最大允许上升或下降速率，单位为千伏/微秒 (kV/μs)。这两种器件类型都需要支持高频率设计和更快的开关转换，以帮助实现更小的系统尺寸和更高的效率。
· 隔离电容应较低。如果过高，共模干扰会影响脉宽调制 (PWM) 控制信号，导致信号错误和系统故障。
· 为确保系统可靠运行，电磁兼容性能必须符合 CISPR 32/EN55032 的易感性限制和 IEC/EN61000-4-2 的抗扰度限制。

短路是电源转换器最常见的故障模式之一。因此，栅极驱动电源需要包含短路保护功能。

栅极驱动电源

如果您正在设计使用 SiC MOSFET 的绿色能源系统，就可以使用 Mornsun 的 QAxx3C-R3 系列 DC-DC 转换器模块。这些栅极驱动电源输入电压为 5、12、15 和 24 伏直流 (VDC)，输出组合多种多样，如 QA123C-2005R3 具有 12 VDC 输入，可产生 20 和 -5.0 VDC；QA243C-2005R3 输入电压为 24 VDC，输出电压为 20 VDC 和 -5.0 VDC；QA153C-1504R3（图 1）输入电压为 15 VDC，输出电压为 15 VDC 和 -4.0 VDC。

图 1：QA153-1504R3 是 SiC MOSFET 驱动电源模块，输入电压为 15 VDC，输出电压为 15 VDC 和 -4.0 VDC。（图片来源：Mornsun）

如果您使用的是 IGBT，Mornsun 则提供了输入电压为 12、15 和 24 VDC 的 QAxx3H-R3 系列。例如，QA123H-1509R3 的输入电压为 12 VDC，输出电压为 15 VDC 和 -9.0 VDC。还有 QAxx3-R3 系列，输入电压为 5、12、15 和 24 VDC。例如，QA053-1509R3 的输入电压为 5 VDC，输出为 15 VDC 和 -8.7 VDC。

所有这三个系列驱动电源都一些共同特性：

· 能效高达 87%
· 单列直插式封装 (SIP)
· 经测试可承受 5 kVAC 电压 1 分钟的增强绝缘能力，最大漏电电流 1 毫安 (mA)
· 连续绝缘耐压 1,700 伏特
· ±200 kV/μs 的 CMTI
· 3.5 皮法 (pF) 的隔离电容
· EMC 兼容性，包括针对辐射的 CISPR 32 55032和针对外部元件抗扰度的 IEC 61000-4-2
· 短路保护
· -40 至 +105°C 的工作温度

应用实例

QAxx3C-R3、QAxx3-R3 和 QAxx3H-R3 系列驱动电源集成度很高，在一般应用中只需要三个 100 微法 (μF) 的 35 伏低阻电解电容器（图 2），以及一些满足典型 EMC 要求的额外元件（图 3 和表 2）即可。

图 2：在 IGBT 和 SiC 应用中，电容器 C1、C2 和 C3 均为 100 μF、35 伏器件（如上所示）。（图片来源：Mornsun）

图 3：EMC 元件值因输入电压而异（表 2）。CY1（底部）是一个 330 pF 电容器，仅用于 5 VDC 输入型号。（图片来源：Mornsun）

表 2：支持 EMC 性能的元件值。（表格来源：Mornsun）

结语

在为光伏系统和电动汽车等绿色能源应用优化 Si IGBT 和 SiC MOSFET 功率转换器的效率和可靠性时，选择栅极驱动电源是重要的一步。Mornsun 提供了多个系列 DC-DC 转换器模块，有多种输入和输出电压可供选择，可用于驱动各种 Si IGBT 和 SiC MOSFET。

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