用于 EV 充電系統(tǒng)柵極驅(qū)動的隔離式 DC／DC 轉(zhuǎn)換器

電動汽車充電系統(tǒng)正在不斷發(fā)展。目前通常使用 400V 電池充電總線電壓的 AC Level 2 壁掛式充電盒正在向需要 800V 總線電壓的直流快速充電 (DCFC) 系統(tǒng)遷移。像碳化硅這樣的寬帶隙功率器件非常適合這些應(yīng)用，與硅 IGBT 相比具有更低的傳導(dǎo)和開關(guān)損耗。然而，SiC 更快的開關(guān)速率以及更高的電壓會對柵極驅(qū)動器電路提出一些獨特的要求。在本文中，我們將重點介紹 Murata 產(chǎn)品經(jīng)理 Ann-Marie Bayliss 在近的 electronica 2022電源論壇上關(guān)于該公司用于此類柵極驅(qū)動應(yīng)用的隔離式 DC/DC 轉(zhuǎn)換器的演講的某些方面。

電動汽車充電系統(tǒng)正在不斷發(fā)展。目前通常使用 400V 電池充電總線電壓的 AC Level 2 壁掛式充電盒正在向需要 800V 總線電壓的直流快速充電 (DCFC) 系統(tǒng)遷移。像碳化硅這樣的寬帶隙功率器件非常適合這些應(yīng)用，與硅 IGBT 相比具有更低的傳導(dǎo)和開關(guān)損耗。然而，SiC 更快的開關(guān)速率以及更高的電壓會對柵極驅(qū)動器電路提出一些獨特的要求。在本文中，我們將重點介紹 Murata 產(chǎn)品經(jīng)理 Ann-Marie Bayliss 在近的 electronica 2022電源論壇上關(guān)于該公司用于此類柵極驅(qū)動應(yīng)用的隔離式 DC/DC 轉(zhuǎn)換器的演講的某些方面。

EV 電池充電的一個關(guān)鍵組件是 DC/DC 轉(zhuǎn)換器，如圖 1 所示。下面，我們將討論柵極驅(qū)動器電路的一些要求，這些電路通常可以驅(qū)動構(gòu)成逆變器的 Si IGBT 或 SiC MOSFET。

圖 1：EV 充電系統(tǒng)顯示用于柵極驅(qū)動器電路的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器及其相關(guān)的隔離式 DC/DC 轉(zhuǎn)換器（：“Murata Power Technologies enabling application solutions for EV charging stations”，electronica 2022 Power Forum）

用于關(guān)斷的負(fù)柵極驅(qū)動能力

Si IGBT 或 SiC 逆變器 MOSFET 具有負(fù)柵極驅(qū)動能力具有三個優(yōu)勢：

SiC MOSFET的閾值電壓 (V th ) 在較高溫度下下降，在 EV 充電條件下可低至 1.5 V。在關(guān)斷時采用負(fù)柵極驅(qū)動可以確保器件關(guān)斷，并且關(guān)斷時間得到很好的控制。柵極電阻 (R g ) 和電容 (C g ) 控制柵極電壓 (V g )的關(guān)斷轉(zhuǎn)換時間。負(fù)驅(qū)動可以限度地減少變化并確保更快的開關(guān)，如圖 2 所示。

圖 2：SiC 關(guān)斷轉(zhuǎn)換顯示負(fù)電壓驅(qū)動的柵極開關(guān)優(yōu)勢（：“Murata Power Technologies enabling application solutions for EV charging stations”，electronica 2022 Power Forum）

來自封裝/模塊組裝的寄生電感L會在開關(guān)瞬變期間在器件源上引起負(fù)電壓瞬變 ( V = L × di / dt )。例如，200 A/?s 的 di/dt 和 10-nH 的電感會產(chǎn)生 –2 V，這會有效地將器件柵源電壓 (V gs ) 增加到一個更正的值，并有可能開啟器件，如果0-V 柵極驅(qū)動器用于關(guān)斷，尤其是在高溫操作下。錯誤的器件開啟會降低效率，在壞的情況下，直通條件會導(dǎo)致可靠性故障。因此，柵極上的負(fù)驅(qū)動可以確保器件在這些條件下處于“關(guān)閉”狀態(tài)。

SiC MOSFET 中柵極和漏極之間的米勒電容 (C gd ) 可以通過漏極電壓耦合在柵極上產(chǎn)生正電壓。這也可能會導(dǎo)致虛假設(shè)備開啟，與上述情況非常相似。

隔離要求

如圖 3 所示，作為柵極驅(qū)動器一部分的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器可以看到在柵極驅(qū)動器的 PWM 頻率下切換的完整 HVDC 鏈路電壓。在 800V EV 充電器應(yīng)用中，1kV 甚至 3kV 的隔離額定值可能不夠，因為這些隔離額定值測試（稱為耐壓測試）僅進(jìn)行幾秒鐘。需要一個高連續(xù)隔離應(yīng)力額定值，稱為連續(xù)勢壘耐受電壓，以確保長期可靠性。此外，如果 DC/DC 轉(zhuǎn)換器是安全隔離系統(tǒng)的一部分，例如連接到電網(wǎng)的系統(tǒng)，則它需要獲得 UL 認(rèn)可的安全。

圖 3：用于柵極驅(qū)動的隔離式 DC/DC 轉(zhuǎn)換器可以看到完整的 HVDC 鏈路電壓。（：“Murata Power Technologies 為 EV 充電站提供應(yīng)用解決方案”，electronica 2022 電源論壇）

局部放電額定值

IEC60270 標(biāo)準(zhǔn)中定義的局部放電測試可識別絕緣擊穿中可能出現(xiàn)的未來問題。在柵極驅(qū)動應(yīng)用中；絕緣可以承受恒定的壓力。可以通過以下方式提高局部放電抗擾度：

適當(dāng)間隔變壓器的初級和次級側(cè)

確保無空隙、固體絕緣

大于工作勢壘電壓的局部放電起始電壓 (PDIV) 可以為其使用提供信心，并且應(yīng)該充分表征。

共模瞬變抗擾度

隔離式 DC/DC 轉(zhuǎn)換器兩端電壓 dV/dt 的高轉(zhuǎn)換率也會導(dǎo)致電流流過隔離電容 (C c )。SiC MOSFET 的壓擺率可高達(dá) 200 kV/?s，因此即使是 3 pF 的電容也會產(chǎn)生 600 mA 的電流 ( I = Cc × dV / dt )。這種電流瞬變會在接地回路中的電阻R和電感L上產(chǎn)生大量電壓降。這反過來會在控制電子設(shè)備中產(chǎn)生電磁干擾和故障。共模瞬態(tài)抗擾度 (CMTI) 是承受這些事件的能力。因此，低 C c是改善 CMTI 的關(guān)鍵。

身體方面的考慮

EV 充電器電子設(shè)備中的電路板空間可能非常有限。薄型、表面貼裝封裝的隔離式 DC/DC 轉(zhuǎn)換器在放置方面提供了更大的靈活性，并且可以減少整個模塊的占地面積。一個例子是將它們放置在柵極驅(qū)動 PCB 下方。

因此，大功率開關(guān)應(yīng)用中的隔離式 DC/DC 轉(zhuǎn)換器，如 EV 充電應(yīng)用，需要滿足上述特定要求，而標(biāo)準(zhǔn) DC/DC 轉(zhuǎn)換器可能無法滿足這些要求。Murata 的MGJ2D隔離式柵極驅(qū)動 DC/DC 轉(zhuǎn)換器（圖 4）具有以下特性：

表面貼裝、薄型封裝的額定功率為 2 W，典型開關(guān)頻率約為 85–110 kHz

用于 IGBT、SiC 或 MOSFET 柵極驅(qū)動的雙極 (+/–) 輸出電壓。提供 15 V/–9 V、15 V/–5 V 和 20 V/–5 V 的輸出電壓（不同部件號）。雙極電壓是使用具有短路保護(hù)的 pnp 射極跟隨器分流器網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生的。

5.7-kV 隔離測試額定值（在生產(chǎn)中測試持續(xù)時間為 1 秒）。該部件還提供功能性（非安全屏障）、連續(xù) 2.5kV 屏障電壓能力。測得的 PDIV 電壓超過 2.5 kV。

CMTI 的特征為 >200 kV/?s。

C c值很低 (3 pF)。

這些特性使它們非常適合用作 EV DCFC 800-V 應(yīng)用的柵極驅(qū)動器中的隔離式 DC/DC 轉(zhuǎn)換器。高隔離度、PD 和 CMTI 額定值還可以確保這些應(yīng)用中的長期可靠性，尤其是在 SiC MOSFET 具有更快開關(guān)特性的情況下。

（翻譯自powerelectronicsnews）