讓IGBT、SiC和GaN器件更可靠的是什么？

文/廣州金升陽(yáng)科技有限公司

 近年來(lái)，大功率電力變換器/逆變器市場(chǎng)需求的增長(zhǎng)率每年超過(guò)5%。到2020年，全球市場(chǎng)容量預(yù)計(jì)將達(dá)到500億美元。
   作為系統(tǒng)中最主流的功率器件，IGBT占到了其中的80%，市場(chǎng)容量約40億美元。IGBT廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制、電信、軌道交通、可再生能源、汽車(chē)電子、智能電網(wǎng)等多個(gè)行業(yè)。隨著汽車(chē)電子光伏逆變器行業(yè)的革命和快速發(fā)展，SiC MOSFET、GaN晶體管等新興功率器件憑借著高工作頻率，卓越溫度性能，高功率密度，成本合理的優(yōu)點(diǎn)，其市場(chǎng)容量在2020年預(yù)計(jì)將達(dá)到10億美元。

   在功率器件的研制過(guò)程中，其控制方式通常是相同的，即采用驅(qū)動(dòng)電路對(duì)其進(jìn)行管理。許多工程師都知道，但還沒(méi)意識(shí)到DC/DC電源對(duì)驅(qū)動(dòng)電路的重要性。下面我們將介紹它的主要特性。

 1、隔離電容/瞬態(tài)負(fù)載響應(yīng)

   眾所周知，高工作頻率是電源轉(zhuǎn)換器的發(fā)展方向之一。因此，DC/DC電源的初級(jí)和次級(jí)之間的隔離電容應(yīng)盡可能小，以適應(yīng)高頻應(yīng)用，這使得DC/DC變壓器的設(shè)計(jì)變得更為困難。目前，驅(qū)動(dòng)電路的DC/DC電源的隔離電容在3-10pF之間。
   在功率方面，100A IGBT需要DC/DC電源提供約3.5W，功率的計(jì)算公式如下：

Ig：IGBT柵極電流的平均值；
VCC：驅(qū)動(dòng)電路的高壓（DC/DC的正輸出）
VEE：驅(qū)動(dòng)電路的低壓（DC/DC的負(fù)輸出）
Qg：柵極電荷，可從IGBT的技術(shù)手冊(cè)中獲得。

   在運(yùn)行過(guò)程中，DC/DC的峰值功率可達(dá)10W，為了防止瞬態(tài)尖峰電流損壞DC/DC電源，在元件選擇和電路設(shè)計(jì)階段，需要考慮動(dòng)態(tài)負(fù)載性能，同時(shí)，在DC/DC電源的輸出端，應(yīng)選擇具有低ESR的電容器，以保證功率器件有足夠的驅(qū)動(dòng)電流。

 2、適當(dāng)?shù)钠戚敵鲭妷?/span>

   為了增強(qiáng)電流控制能力，通常會(huì)給功率器件設(shè)置更高的電壓。以IGBT為例，受限于生產(chǎn)工藝，柵極耐壓一般為±20V。因此，大部分工程師為滿足可靠性目的，設(shè)計(jì)的DC/DC電源輸出通常約為15V。然而，由于在布局上存在電壓損失，有時(shí)無(wú)法精確控制功率器件。為了解決這個(gè)問(wèn)題，建議使用的DC/DC電源輸出電壓可調(diào)或調(diào)至最高。

   功率器件的導(dǎo)通和關(guān)斷電壓不同。目前，對(duì)于不同的器件特性，推薦采用+15/-6~-10（IGBT）、+20/-4（SiC）、+6/-3（GaN）的DC/DC輸出。不對(duì)稱的輸出電壓可確保最佳的驅(qū)動(dòng)性能和電磁干擾，負(fù)輸出通常用于快速關(guān)斷功率器件并保持關(guān)閉狀態(tài)而不出錯(cuò)。

 3、高隔離

   為避免共模干擾，消除安全隱患，各個(gè)功率器件的DC/DC電源必須相互隔離。對(duì)于系統(tǒng)中的每個(gè)功率器件，建議使用單獨(dú)的DC/DC電源，而不是單個(gè)DC/DC電源中的不同輸出繞組。
   從應(yīng)用場(chǎng)景來(lái)看，金升陽(yáng)產(chǎn)品有醫(yī)療設(shè)備、電信、固態(tài)照明等低壓（600-1200V）商業(yè)應(yīng)用；中壓（1200-1700V）工業(yè)應(yīng)用，有UPS、光伏逆變器、電機(jī)驅(qū)動(dòng)等；高壓（2500-6500V）電力應(yīng)用，有風(fēng)力發(fā)電機(jī)、高壓/特高壓輸變電等。

   通常，DC/DC電源隔離電壓至少是系統(tǒng)長(zhǎng)期工作電壓的兩倍甚至更高。因此，與傳統(tǒng)的DC/DC電源相比，加強(qiáng)絕緣和高隔離電壓是功率器件驅(qū)動(dòng)電路中DC/DC的顯著特點(diǎn)。

 4、體積小巧

   SiC和GaN器件由于其帶隙寬度大、擊穿電壓高、導(dǎo)熱系數(shù)高等特點(diǎn)而受到廣泛關(guān)注。這些特點(diǎn)最直觀的優(yōu)勢(shì)在于功率轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)可以減少至少40%。作為配套設(shè)備，其體積是一個(gè)重要的參數(shù)。目前，推挽式電路和單端反激式拓?fù)湟殉蔀橹髁鹘鉀Q方案。

 5、EMC

   由于不同系統(tǒng)的輻射干擾，設(shè)計(jì)的穩(wěn)定性存在風(fēng)險(xiǎn)。對(duì)于DC/DC電源，電磁兼容優(yōu)化主要是為了提高電磁抗擾度性能。開(kāi)關(guān)電源的干擾源是開(kāi)關(guān)電路和整流電路，因此，優(yōu)化布局是非常重要的，例如增加大電流回路的布線寬度，避免交叉布線，以及將DC/DC電源地與信號(hào)地分離。最后，如果可以在初級(jí)和次級(jí)變壓器之間添加屏蔽并且屏蔽接地，將極大減少來(lái)自于初級(jí)變壓器的干擾。

   本文介紹了大容量電力變換器/逆變器使用的DC/DC電源的主要特性。作為專注一站式電源解決方案21年且業(yè)內(nèi)地位可觀的企業(yè)，MORNSUN在該領(lǐng)域擁有豐富的研發(fā)創(chuàng)新經(jīng)驗(yàn)及相關(guān)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，能根據(jù)不同應(yīng)用需求設(shè)計(jì)、提升產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力。此外，MORNSUN自主制造基地建設(shè)了20條高度自動(dòng)化生產(chǎn)線，確保高質(zhì)量產(chǎn)品交付能力。