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用碳化硅为电动汽车供电

发布时间:2021年08月18日    点击:[0]人次

用碳化硅为电动汽车供电

电动汽车正在推动当今功率转换技术的极限,而高功率碳化硅(SiC)FET的出现进一步推波助澜。SiC FET的许多优点允许更高的开关速度和更高的电压,从而产生更小的磁性,更轻的电缆和更高的效率。这些改进使电动汽车具有更大的航程和更多的功能中国机械网okmao.com。

SiC FET设计需要新的栅极驱动技术。一项要求是它们必须包含负栅极电压,以确保SiC FET完全保持关闭状态。这些负电压的产生需要使用隔离的电源。因此,SiC栅极驱动器的设计似乎是一项艰巨的任务。但是,对半桥基础知识和反激转换器技术的回顾可以迅速使设计中的必要步骤变得神秘。

半桥配置的SiC FET。半桥允许将中心节点(如蓝色圆圈所示)有效地拉到正轨或负轨。在电动汽车中,这些电源轨通常是直流链接电源轨,使用最新的SiC FET技术可达到800甚至1000V。

车载充电器(OBC)的核心是主要的DC-DC转换器,牵引逆变器以及许多其他构成EV的系统,它们是两个开关设备。它们通常在示意图中描绘为一个堆叠在另一个之上,形成一个半桥。半桥可将两个开关设备之间的中心节点有效地拉至正轨或负轨。在电动汽车中,这些电源轨通常是直流链接电源轨,采用最新的SiC FET技术可达到800甚至1000V。不幸的是,以半桥配置堆叠FET需要特别注意栅极驱动器的接地参考。

要导通FET,必须将栅极-源极电压VGS升高到一定水平,对于SiC FET通常为?15V。栅极驱动器通常将栅极电压拉至其VDD轨以导通FET。如果栅极驱动器使用相同的电源轨,并且高端栅极驱动器的接地连接到负极轨(直流链路-),则高端栅极驱动器的输出将参考直流链路-。这种接地连接会产生许多问题,并且根本无法正常工作。

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错误的栅极驱动器连接(左)和正确的连接(右)。如果栅极驱动器使用相同的电源轨,并且高端栅极驱动器接地端连接到负极轨(直流链路-),则高端栅极驱动器的输出将参考直流链路。这会产生许多问题,并且根本行不通。例如,如果低端FET关断,则高端FET的源极相对于高端栅极驱动器浮置,并且VGS未知。解决方案:两个栅极驱动器使用单独的电源,并且高端栅极驱动器的接地与高端FET的源极相连。

例如,如果低端FET关断,则高端FET的源极相对于高端栅极驱动器浮置,并且VGS未知。解决方案:两个栅极驱动器使用单独的电源,并且高端栅极驱动器的接地与高端FET的源极相连。在这种配置中,高端栅极驱动器以FET源极连接为参考。因此,即使FET源极升至dc link +,栅极-源极电压也保持不变。

解决了高端栅极驱动问题后,下一步就是为栅极驱动器和负栅极电压生成电源。正确的连接使用单独的电源,并且高端栅极驱动器接地端连接到高端FET的源极。

在半桥中为栅极驱动器设计电源的过程通常会成为一项艰巨的工作,涉及DC-DC控制器,变压器和PCB面积限制。SiC FET的负栅极电压要求进一步使电源设计复杂化。最后,大多数电动汽车系统都连接到高压直流链路,并要求将低压控制部分与高压功率转换级隔离。但是,只需进行一些升级,就可以修改反激式转换器以满足所有这些要求。

如今,大多数电动汽车都有一个主DC-DC转换器,它将直流链路电压降低到大多数低功耗电子系统使用的较低电压轨(通常为12和48 V)。通过隔离的反激转换器,这些低压轨之一可用于为隔离的栅极驱动器供电。在典型配置中,反激式转换器的变压器提供隔离,并具有两个单独的次级侧绕组,以为两个栅极驱动器提供两个电源。因为两个输出通过变压器耦合,所以dc-dc控制器仅直接调节两个输出之一。

其他输出通过变压器的绕组间耦合间接调节。这种配置导致间接调节的输出性能比直接调节的输出稍差,但不足以影响整个系统。对两个输出使用单个变压器和转换器可减少电路板空间和成本。通过利用这种配置,可以进一步修改变压器以产生SiC FET所需的负栅极电压。

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具有双输出反激转换器的半桥,用于为隔离式栅极驱动器供电。在此,12V电压轨为隔离式栅极驱动器的初级侧和次级侧供电。反激转换器的变压器提供隔离,并具有两个单独的次级侧绕组,以为两个栅极驱动器提供两个电源。因为两个输出通过变压器耦合,所以dc-dc控制器仅直接调节两个输出之一。其他输出通过变压器的绕组间耦合间接调节。

现在考虑将反激式变压器修改为在两个输出绕组的每个绕组的中间都带有抽头(在附近的示意图中表示为VMIDA和VMIDB)。在高端栅极驱动器电源域中,中间抽头相对于一个端抽头(示意图中的VGNDA)产生一个正电压,相对于另一个抽头产生负电压(VDDA)。高端FET的源极连接到中间抽头(VMIDA),而栅极驱动器仍以低抽头(VGNDA)为参考。当栅极驱动器关闭FET时,它将FET栅极拉至其地。这会导致FET的栅极电压(VGNDA)低于源极电压(VMIDA)。该连接产生负栅极电压,以确保将SiC FET保持在截止状态。

反激式变压器,通过分接点将VMIDA和VMIDB修改为两个输出绕组。在以蓝色突出显示的高端栅极驱动器电源域中,VMIDA相对于VGNDA产生正电压,相对于VDDA产生负电压。高端FET的源极连接到VMIDA,并且栅极驱动器保持参考VGNDA。当栅极驱动器关闭FET时,它将FET栅极拉至其地,从而导致FET栅极上的电压(VGNDA)低于源极电压(VMIDA))。现在,负栅极电压可确保SiC FET保持在截止状态。同样,此操作也适用于以绿色突出显示的低侧栅极驱动器电源域。

请注意,当栅极驱动器导通高侧SiC FET并将FET栅极拉至高侧抽头电压(VDDA)时,此配置也会改变栅极-源极电压。调节中抽头与高抽头和低抽头之间的变压器匝数比(VDDA至VMIDA以及VMIDA至VGNDA)可设置中间抽头电压(VMIDA)。同样,此操作也适用于低端栅极驱动器电源域。

许多隔离的栅极驱动器设备,例如Silicon Labs的Si828x,都包括专用的VMID引脚,以感测SiC FET两端的漏源电压,以进行去饱和检测。为了进一步降低成本和电路板空间,许多隔离式栅极驱动器都包含一个内置的DC-DC控制器。Silicon Labs的Si828x也包含此功能。集成的dc-dc控制器消除了对单独控制器IC的需求,并且由于隔离式栅极驱动器将反馈通过内部隔离栅传递,因此通常不需要光耦合器反馈。因此,通过使用具有复杂变压器设计的反激式转换器,单个dc-dc转换器可以为隔离的栅极驱动器供电并生成负栅极电压。

先进的反激式转换器与隔离式栅极驱动器的最新创新相结合,简化了以半桥配置驱动SiC FET的任务。它还降低了在许多使用半桥的电动汽车系统中实施SiC FET设计的成本和复杂性。从车载充电器到牵引逆变器的系统都采用SiC FET,电动汽车将获得更高的效率,可以在更高的电压下工作,并采用重量更轻的组件,从而真正使它们成为未来的汽车。