怎么设计出绿色高效节能的电源

通常人们的生活水平提高后更加注重绿色环保，绿色理念越来越深入人心，对绿色能源生产和能源消耗的追求使高效电源电路变得更加重要。在这方面，许多现代电源和转换器都在更高的电压下工作，从而允许使用更低的电流来最大程度地降低I2R损耗。碳化硅(SiC)MOSFET和二极管是这些新型大功率，高压功率转换电路的重要组成部分。

图1

栅极驱动评估平台包括主板、两个插件栅极驱动器模块，以及支持高达5千瓦输出功率的散热器和风扇。

碳化硅MOSFET具有较低的导通电阻，可以在开关状态之间快速地来回切换。因此，它们比绝缘栅双极晶体管(IGBT)消耗的功率小得多，IGBT具有较慢的关断速度和较高的关断开关功率损耗。此外，碳化硅的宽带隙使碳化硅器件能够在高压下工作。相反，硅基MOSFET不能同时实现高阻断电压和低导通电阻。因此，碳化硅器件在高功率应用中变得越来越重要。

由于碳化硅器件具有较高的功率水平，因此设计人员必须评估碳化硅器件本身及其栅极驱动器电路。碳化硅技术仍是相对较新的技术，在各种条件下的器件性能还没有得到充分表征。

评估平台将使设计工程师能够评估在转换器电路应用中连续工作的碳化硅MOSFET，碳化硅肖特基二极管和栅极驱动器电路。评估平台将有助于加快成功的基于碳化硅的功率转换器设计的设计周期，并有助于加快最终产品的上市时间。

功率转换电路的设计挑战

为了使功率输出和功率转换电路的效率最大化，设计人员必须确保：

电源设备可以在额定功率和电流下运行，并向负载提供足够的功率

电路将内部功率损耗降至最低，以获得最大效率

该设计包含用于碳化硅功率器件的保护电路

印刷电路板(PCB)布局最大程度地减少了寄生电感和电容

EMI辐射在允许范围内

该设计使用最少的无源元件，有助于降低成本、尺寸和重量

栅极驱动器有助于实现上述目标，并有助于将热性能保持在规定的温度额定值内。

图2

栅极驱动评估平台的简化图。电源配置为半桥输出级。未显示的去耦电容器靠近碳化硅器件放置，以在器件切换期间保持电源电压。去耦电容器和碳化硅器件两端的电容器充当低通滤波器，以消除直流电源线上的开关噪声。下面为栅极驱动环路中的寄生电容和电感。

栅极驱动评估平台可帮助设计人员应对所有这些挑战。该平台可以连续在高功率下工作，以表征所选碳化硅MOSFET和二极管的性能。该平台还可以在多种测试条件下比较不同的栅极驱动器。可以评估栅极驱动器的热性能，抗电磁干扰能力以及驱动功率元件的能力，以使其高效工作。最后，该平台允许对设计进行分析，以提高效率，减少电磁干扰(EMI)，降低成本，减小尺寸和减轻重量。

栅极驱动评估平台本质上是一个功率级参考设计平台，它由一个主板和和一个以半桥配置的两个碳化硅MOSFET-碳化硅肖特基二极管对组成。半桥电路在800伏直流总线电压下可输出最大5千瓦的功率。主板可以容纳两个独立的栅极驱动器模块板，每个开关位置一个。因此，不同的栅极驱动集成电路和栅极驱动设计可以快速方便地安装在主板上，以评估栅极驱动性能以及驱动器如何影响输出功率。

栅极驱动评估平台的第三个主要元素是热管理，散热器和冷却MOSFET-二极管对的风扇。散热器风扇子系统使功率电路能够在频率高达200kHz的MOSFET二极管对切换时连续输出高达5kW的功率。

栅极驱动评估平台的印刷电路板布局最小化了回路电感和电源电路与栅极电路之间的耦合。两个栅极驱动电路允许独立评估顶部和底部栅极驱动质量。

碳化硅MOSFET和二极管的选择以及栅极驱动器的选择是功率转换设计的最重要决定。MOSFET必须具有电压，电流和功率规格，才能满足转换器的要求。栅极驱动器有更复杂的要求。它应具有较宽的电压范围和足够的输出电流来驱动功率MOSFET。

图3

使用降压转换器作为负载的栅极驱动器开关损耗测试。此处显示的是栅极驱动电压，MOSFET漏源电流和MOSFET漏源电压。

推荐的驱动电压为15至20V，以便将MOSFET切换到导通状态;推荐电压为0至-5V，以便将MOSFET切换到关闭状态。栅极驱动器的峰值输出电流范围为1至15A，具体取决于MOSFET的功率处理能力。驱动器需要提供高脉冲电流，以减少开关瞬态期间的MOSFET开关损耗。此外，高持续电流和较小的外部栅极电阻可降低碳化硅MOSFET的高频开关期间的驱动器温度。

快速碳化硅MOSFET开关引起的高dv/dt使得高共模电流流经栅极驱动器和功率转换电路的其余部分。高共模电流会影响控制电路中的参考电压节点，从而导致误操作。共模电流的大小由MOSFETdv/dt和共模电流路径中的阻抗决定。因此，栅极驱动器集成电路及其电源都需要较高的隔离阻抗以减小共模电流。栅极驱动器的隔离电容应小于1pF。电源的隔离电容应低于10pF。

传统的做法是由光耦合器提供隔离。新的集成电路技术可以采用电感或电容隔离。这些新方法被称为数字隔离器技术。光耦合器和数字隔离器既有优点也有缺点。光耦合器提供电流，从而使其输入不易受到EMI的影响。但是，光耦合器不能处理像数字隔离器一样高的数据传输速率，并且会带来更长的脉冲宽度失真时间。脉冲宽度失真时间是指通过驱动器集成电路的信号延迟时间。在半桥电源转换拓扑中，过多的延迟会产生波形失真和低频噪声。

光耦合器的性能随驱动器电压，温度和设备寿命的变化而变化。基于数字隔离器的驱动器在整个温度范围内具有更稳定的参数。由于数字隔离器在电压输入下工作，因此它们更容易受到EMI的影响。但总的来说，与使用碳化硅MOSFET的功率转换电路的栅极驱动器中的光耦合器相比，数字隔离器更稳定的工作参数使其成为更好的选择。

对于大功率电路，必须采用保护机制来防止器件热失控以及由于故障而损坏器件和电路。强烈建议采用带有保护电路的栅极驱动器集成电路。栅极驱动集成电路应具有去饱和(de-sat)保护，故障情况下的软关断，米勒钳位电路和欠压锁定(UVLO)。

发生负载短路时，去饱和保护电路会关闭MOSFET。软关断可避免较大的瞬态电压过冲，并在直通故障期间(两个MOSFET同时同时导通)关闭MOSFET。Miller钳位电路通过从寄生漏极-栅极电容中释放电流来避免直通条件，从而避免栅极电压的瞬态上升。钳位电路可防止MOSFET在应处于关闭状态时导通。如果用于栅极驱动器输入或隔离输出电路的电压供应过低，则UVLO电路会关闭栅极驱动器，以保护MOSFET免受不正确的开关时序的影响。这些保护电路确保了更坚固和安全的电源转换电路。

PCB板布局对动态电路(例如高效功率转换电路)的性能有重大影响。PCB走线和接地层的寄生电容和电感会增加电路中的寄生电容和电感。栅极驱动回路中的寄生元件会降低MOSFET的开关性能。栅极-源极电容迫使栅极驱动器集成电路产生更高的驱动电流。杂散电感会增加栅极-源极电压的过冲，并导致在MOSFET开关期间产生振铃。

为了减少杂散电容和电感，将栅极驱动器，栅极电阻和去耦电容靠近MOSFET栅极，使栅极路径尽可能短。通过将栅极返回路径直接布置在栅极电源走线的正下方，将环路电感降至最低。最大化MOSFET栅极走线和漏极走线之间的距离，以减小栅极-漏极电容的大小。这种做法会切断进入栅极的电流，从而降低米勒效应。

此外，电源转换电路下方的接地层会增加电容耦合;避免在基于MOSFET开关的功率转换电路中使用接地层。所有这些PCB布局建议均已在栅极驱动评估平台中实施，以避免定制测试板的设计，布局和测试。

图4

产生波形的测试条件：输入电压=800V，输出电压=400V，开关频率=100kHz，输出功率=2.5kW

栅极驱动评估平台通过使用不同的栅极驱动集成电路可以方便地比较开关损耗和开关瞬态。考虑为在连续开关条件下工作的降压转换器评估栅极驱动器的情况。降压转换器的工作频率为100kHz，输出为2.5kW。

驱动器集成电路的驱动能力和所使用的外部栅极电阻将影响碳化硅MOSFET的开关瞬变和整体开关损耗。在此测试中，第一个栅极驱动器的额定驱动电流为14A，第二个栅极驱动器的额定驱动电流为2A。每个栅极驱动器均使用10Ω和1Ω栅极电阻进行测试。

10Ω栅极电阻消除了栅极驱动器性能上的差异。10Ω的栅极电阻会降低MOSFET的瞬态开关速度，从而增加开关损耗。高输出电流驱动器和低输出电流驱动器之间的差异更加明显。当以较低的栅极电阻使用高输出电流驱动器时，MOSFET的开关速度更快。与较高的栅极电阻相比，较低的栅极电阻确实在开关转换期间产生更多的振铃。设计人员必须找到栅极驱动器，栅极电阻和MOSFET的最佳组合，以最大程度地降低开关损耗。

图5

具有两个不同的驱动器集成电路和一个10Ω和2Ω栅极电阻的MOSFET导通瞬变。绿色轨迹：IXDN614。灰色轨迹IXDN602

栅极驱动器评估平台可借助散热器和风扇来评估驱动器集成电路的热性能，这些散热器和风扇使MOSFET能够在连续开关输出状态下工作。该平台还可用于测试驱动器保护功能。

简而言之，栅极驱动评估平台是一种有助于对碳化硅器件和栅极驱动器进行评估的工具。通过将栅极驱动模块插入主板，设计人员可以很容易地比较不同栅极驱动器集成电路的效率和热性能。设计人员可以使用评估平台上的PCB布局技术和推荐元件来克服碳化硅器件的设计挑战，从而开发出高效，热可控和受保护的电源转换电路。因此，该评估平台可以更快地设计高效的功率转换电路，并加快产品上市时间。