如何利用SiC高效驱动电动车

摘要：反激变换器/隔离栅-驱动器组合降低了在电动汽车系统中实现SiC FET设计的成本和复杂性。
 
电动汽车正在推动今天的能量转换技术的极限，而大功率SiC FET的出现推动了这一技术。SiC FET有许多优点：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行驶里程更长，性能更强。

SiC FET的设计需要新的栅驱动技术。一个要求是，它们包括负栅极电压，以确保SiC FET保持完全关闭。产生这些负电压需要使用隔离电源。因此，SiC栅极驱动器的设计似乎是一项艰巨的任务。然而，回顾半桥原理和反激变换器技术可以迅速地揭开设计中必要步骤的神秘面纱。

半桥结构SiC场效应晶体管。半桥允许中心节点(蓝色圆圈所示)被有效地拉到正轨或负轨上。在电动汽车中，这些轨道通常是dc link轨道，使用最新的SiC FET技术可以达到800甚至1000 V。
 
车载充电器(OBC)、主DC-DC变换器、牵引逆变器以及许多其他电动汽车系统的核心是两个开关设备。它们通常在示意图中被描述为一个堆叠在另一个上面，形成一个半桥。半桥可以有效地将两个开关设备之间的中心节点拉到正极或负极轨道上。在电动汽车中，这些轨道通常是直流链路轨道，使用最新的SiC FET技术可以达到800甚至1000 V。然而，在半桥结构中叠加FET需要特别注意栅极驱动器接地基准。
 
要打开场效应晶体管，必须将栅源电压VGS提高到一定的水平，对于SiC场效应晶体管，通常是~ 15v。栅极驱动器通常将栅极电压拉至VDD轨来打开FET。门驱动器使用相同的电源线，高侧门驱动器的接地被连接到负轨(直流链路-)，高侧门驱动器的输出被引用到直流链路-。这种接地方式会产生许多问题，而且根本不起作用。
 
例如，如果低侧场效应晶体管是关闭状态，高侧场效应晶体管的源相对于高侧栅极驱动器浮动，VGS（栅极电压）是未知的。
 
解决方案是:两个栅极驱动器使用单独的电源，并且高侧栅极驱动器接地连接到高侧FET的源极。在这种配置中，高侧栅极驱动器引用FET源连接;因此，即使FET源上升到直流link+，栅源电压仍然是相同的。
 
解决了高电平栅极驱动的问题后，下一步就是为栅极驱动产生电源和负栅极电压。正确的连接使用独立的电源，高侧门驱动器接地与高侧场效应晶体管的电源相连。

门驱动连接错误(左)和正确(右)。如果栅极驱动器使用相同的功率轨，并且高侧栅极驱动器接地连接到负轨(直流链路-)，高侧栅极驱动器的输出参考直流链路。这造成了许多问题，而且根本不起作用。
 
为半桥栅驱动电路设计电源的过程常常是一项艰巨的任务，涉及到DC-DC控制器、变压器和PCB区域限制。SiC FET的负栅电压让电源设计变得更复杂化。最后，大多数电动汽车系统连接到高压直流链路，并要求低压控制部分与高压功率转换阶段隔离。然而，通过一些升级，反激变换器可以修改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变换器，将直流链路电压逐步降低到大多数低功率电子系统使用的低电压轨道(通常是12和48 V)。通过一个隔离反激变换器，其中一个低压轨可以用来为隔离栅驱动器供电。在典型的配置中，反激变换器的变压器提供隔离，并有两个单独的二次侧绕组，为两个栅门驱动器创建两个电源。因为两个输出是由变压器耦合的，所以DC-DC控制器仅直接调节两个输出中的一个。
 
另一个输出通过变压器的交错耦合间接调节。这种配置导致间接调节输出的性能略低于直接调节输出，但不足以影响整个系统。使用一个变压器和转换器的两个输出减少了电路板的空间和成本。通过利用这种结构，可以进一步修改变压器，以产生SiC FET所需的负栅电压。

带双输出反激变换器的半桥电路，为隔离的栅极驱动器供电。在这里，12v轨为隔离栅极驱动器的主侧和副侧供电。反激变换器的变压器提供了隔离，并有两个分开的二次侧绕组，以创建两个供应的两个门驱动器。因为两个输出是由变压器耦合的，所以DC-DC控制器只直接调节两个输出中的一个。另一个输出通过变压器的交错耦合间接调节。
 
现在考虑一个改进后的反激变压器，在两个输出绕组的中间各有一个接头(在示意图中表示为VMIDA和VMIDB)。在高侧栅驱动电源域中，中间接头相对于一端接头产生正电压(原理图中为VGNDA)，相对于另一端(VDDA)产生负电压。高侧场效应晶体管的源被连接到中间接头 (VMIDA)，而栅极驱动程序仍然参考低接头(VGNDA)。当栅驱动关闭场效应管时，它将场效应管栅拉向地面。这导致FET门极电压(VGNDA)低于源极电压(VMIDA)。该连接产生一个负的栅极电压，以确保SiC FET保持在关断状态。

在两个输出绕组上改装了VMIDA和VMIDB接头的反激变压器。在用蓝色突出显示的高侧栅极驱动电源域中，VMIDA相对于VGNDA产生一个正电压，相对于VDDA产生一个负电压。高侧场效应晶体管的源被绑定到VMIDA，而栅极驱动程序仍然引用VGNDA。
  
要注意的是:当栅极驱动打开高侧SiC FET，并将场效应晶体管栅极拉到高侧分接电压(VDDA)时，这种配置也会改变栅极电压。通过调整变压器中接头与高、低接头的匝数比(VDDA / VMIDA、VMIDA / VGNDA)来设置电压(VMIDA)。同样，这个操作也适用于低侧栅驱动电源域。
 
许多隔离栅极驱动器件，如Silicon Labs的Si828x，包括一个专用的VMID引脚，用于检测SiC FET的漏源极电压，以进行去饱和检测。为了进一步降低成本和电路板空间，许多隔离栅极驱动器包括一个内置的DC-DC控制器。Silicon Labs的Si828x也有这个功能。集成的DC-DC控制器消除了一个单独的控制器IC的需要，并且常常使光耦反馈闲的不那么重要，因为隔离栅极驱动器通过内部的隔离屏障传递反馈。因此，通过使用带有复杂变压器设计的反激变换器，单个DC-DC变换器可以为隔离的栅极驱动器供电，并产生负的栅极电压。
 
一个复杂的反激变换器加上最新的隔离栅驱动器，简化了驱动半桥结构SiC FET。它还降低了在许多电动汽车系统中使用半桥式SiC FET设计的成本和复杂性。由于从车载充电器到牵引逆变器的系统都采用了SiC FET，电动汽车获得了更高的效率，可以在更高的电压下工作，并使用更轻的部件，从而让电动车的动力能够与燃油车媲美。