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讓IGBT,SiC和GaN器件更可靠的訣竅竟然是?

功率器件的市場前景
        近年來,大功率電力變換器/逆變器市場需求的增長率每年超過5%。到2020年,全球市場容量預計將達到500億美元。
        作為系統中最主流的功率器件,IGBT占到了其中的80%,市場容量約40億美元。IGBT廣泛應用于工業控制、電信、軌道交通、可再生能源、汽車電子、智能電網等多個行業。隨著汽車電子光伏逆變器行業的革命和快速發展,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,成本合理的優點,其市場容量在2020年預計將達到10億美元。

        在功率器件的研制過程中,其控制方式通常是相同的,即采用驅動電路對其進行管理。許多工程師都知道,但還沒意識到DC/DC電源對驅動電路的重要性。下面我們將介紹它的主要特性。

1、隔離電容/瞬態負載響
        眾所周知,高工作頻率是電源轉換器的發展方向之一。因此,DC/DC電源的初級和次級之間的隔離電容應盡可能小,以適應高頻應用,這使得DC/DC變壓器的設計變得更為困難。目前,驅動電路的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,功率的計算公式如下:

         
Ig:IGBT柵極電流的平均值;
VCC:驅動電路的高壓(DC/DC的正輸出)
VEE:驅動電路的低壓(DC/DC的負輸出)
Qg:柵極電荷,可從IGBT的技術手冊中獲得。

        在運行過程中,DC/DC的峰值功率可達10W,為了防止瞬態尖峰電流損壞DC/DC電源,在元件選擇和電路設計階段,需要考慮動態負載性能,同時,在DC/DC電源的輸出端,應選擇具有低ESR的電容器,以保證功率器件有足夠的驅動電流。


2、適當的偏移輸出電
        為了增強電流控制能力,通常會給功率器件設置更高的電壓。以IGBT為例,受限于生產工藝,柵極耐壓一般為±20V。因此,大部分工程師為滿足可靠性目的,設計的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,有時無法精確控制功率器件。為了解決這個問題,建議使用的DC/DC電源輸出電壓可調或調至最高。

        功率器件的導通和關斷電壓不同。目前,對于不同的器件特性,推薦采用+15/-6~-10(IGBT)、+20/-4(SiC)、+6/-3(GaN)的DC/DC輸出。不對稱的輸出電壓可確保最佳的驅動性能和電磁干擾,負輸出通常用于快速關斷功率器件并保持關閉狀態而不出錯。


3、高隔
        為避免共模干擾,消除安全隱患,各個功率器件的DC/DC電源必須相互隔離。對于系統中的每個功率器件,建議使用單獨的DC/DC電源,而不是單個DC/DC電源中的不同輸出繞組。
        從應用場景來看,金升陽產品有醫療設備、電信、固態照明等低壓(600-1200V)商業應用;中壓(1200-1700V)工業應用,有UPS、光伏逆變器、電機驅動等;高壓(2500-6500V)電力應用,有風力發電機、高壓/特高壓輸變電等。

        通常,DC/DC電源隔離電壓至少是系統長期工作電壓的兩倍甚至更高。因此,與傳統的DC/DC電源相比,加強絕緣和高隔離電壓是功率器件驅動電路中DC/DC的顯著特點。


4、體積小
        SiC和GaN器件由于其帶隙寬度大、擊穿電壓高、導熱系數高等特點而受到廣泛關注。這些特點最直觀的優勢在于功率轉換器系統可以減少至少40%。作為配套設備,其體積是一個重要的參數。目前,推挽式電路和單端反激式拓撲已成為主流解決方案。


5、EMC

        由于不同系統的輻射干擾,設計的穩定性存在風險。對于DC/DC電源,電磁兼容優化主要是為了提高電磁抗擾度性能。開關電源的干擾源是開關電路和整流電路,因此,優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電源地與信號地分離。最后,如果可以在初級和次級變壓器之間添加屏蔽并且屏蔽接地,將極大減少來自于初級變壓器的干擾。

        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年且業內地位可觀的企業,MORNSUN在該領域擁有豐富的研發創新經驗及相關自主知識產權,能根據不同應用需求設計、提升產品競爭力。此外,MORNSUN自主制造基地建設了20條高度自動化生產線,確保高質量產品交付能力。

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