【導讀】在汽車、工業(yè)和逆變器應用中，對在更高輸出功率水平下提高效率的需求日益增長。而在電動汽車 (EV) 領(lǐng)域，通過提高電機驅(qū)動效率和加快電池充電速度，此類優(yōu)化對于擴展性能和延長續(xù)航里程至關(guān)重要。對于工業(yè)而言，提高效率是減少全球能源消耗和增強可持續(xù)性的必需條，因此當前重點是直流微電網(wǎng)技術(shù)的效率效益。在綠色可再生能源方面，高效率會促進光伏發(fā)電、水力發(fā)電和風力發(fā)電的采用，以便從有限的自然資源中最大限度獲取能源。
在汽車、工業(yè)和逆變器應用中，對在更高輸出功率水平下提高效率的需求日益增長。而在電動汽車 (EV) 領(lǐng)域，通過提高電機驅(qū)動效率和加快電池充電速度，此類優(yōu)化對于擴展性能和延長續(xù)航里程至關(guān)重要。對于工業(yè)而言，提高效率是減少全球能源消耗和增強可持續(xù)性的必需條，因此當前重點是直流微電網(wǎng)技術(shù)的效率效益。在綠色可再生能源方面，高效率會促進光伏發(fā)電、水力發(fā)電和風力發(fā)電的采用，以便從有限的自然資源中最大限度獲取能源。
為了實現(xiàn)這一基本效率目標，電力電子行業(yè)正在向提高開關(guān)頻率和電壓過渡，同時仍試圖平衡成本與性能并減小總體尺寸（圖 1）。然而，實現(xiàn)這種轉(zhuǎn)變需要集成下一代半導體器件，并定期發(fā)布新版本的功率 MOSFET 以及寬帶隙 SiC 和 GaN。
這給設(shè)計工程師帶來了挑戰(zhàn)：在開關(guān)功率晶體管技術(shù)持續(xù)進步的背景下，如何才能保證功率驅(qū)動產(chǎn)品不會過時，從而在不需要不斷重新設(shè)計的情況下利用這些新一代技術(shù)？
圖 1：開關(guān)頻率越高，解決方案尺寸就越小，但晶體管技術(shù)的選擇取決于輸出功率并受限于成本。
以典型的電源設(shè)計需求為例：電動汽車需要一種高效、緊湊的先進三相電池充電器解決方案。采用雙向功率驅(qū)動，同時在兩個方向上應同樣有效：交流轉(zhuǎn)直流和直流轉(zhuǎn)交流。交流側(cè)應具有有源功率因數(shù)控制 (PFC)，直流側(cè)應具有低開關(guān)損耗，并與電壓高達 800 VDC 的電池包連接。該設(shè)計需在高開關(guān)頻率下運行，以減小電感元件的尺寸和重量。
圖 2 所示為一種可能的解決方案，其中結(jié)合了三相 PFC、全橋雙向 LLC 和有源整流器。該解決方案需要 14 個功率晶體管，為實現(xiàn)最佳性價比，可以混合使用 MOSFET、SiC 和可用的 GaN 器件。
圖 2：雙向電動汽車電池充電器設(shè)計的可能解決方案。
所有功率晶體管都需要使用單獨的柵極驅(qū)動器，高側(cè)晶體管（Q1、Q3、Q5、Q7、Q9、Q11 和 Q13）還需要電隔離。如果柵極驅(qū)動器具有單獨的 Out+ 和 Out- 引腳，則可以在導通和關(guān)斷周期使用不同的柵極電阻來優(yōu)化開關(guān)特性。此外，還可以選擇隔離 Vpos 和 Vneg 以在導通周期期間充分增強晶體管，并在關(guān)斷周期期間快速對柵極電容進行放電。負“關(guān)斷”電壓還可消除因源極電感造成的錯誤導通，從而提高開關(guān)可靠性[有關(guān)負柵極驅(qū)動電壓（也適用于低側(cè)開關(guān)）需求的詳細分析，請參閱 RECOM 網(wǎng)站中提供的白皮書“使用 IGBT 和 SIC MOSFET 來設(shè)計可靠耐用之晶體管電路” ]。這就是問題所在：不同的開關(guān)技術(shù)以及不同版本的晶體管，其最大柵極驅(qū)動電壓不盡相同（圖 3）。
圖 3：晶體管柵極驅(qū)動電壓因技術(shù)和版本原因存在差異。
針對 +15/-9 V 非對稱電源電壓的 IGBT 而優(yōu)化的柵極驅(qū)動器設(shè)計，將對只有 1 V 余量到負絕對最大限值的第一代或第二代 SiC 造成嚴重壓力，并且完全無法兼容第三代 SiC 晶體管。需要從第一代 SiC 過渡到第二代或第三代 SiC 的設(shè)計中存在類似問題：+20 V 正軌電壓將等于或超過新一代的絕對最大限值，導致過早出現(xiàn)故障。
目前的趨勢是，每一代新型功率晶體管都將在較低的柵極驅(qū)動電壓電平下完全增強或完全耗盡，但最佳柵極驅(qū)動電壓電平仍會因制造商、開發(fā)迭代和晶體管類型而有所不同。 由于隔離柵極驅(qū)動器電源電壓（Vpos和Vneg）由隔離變壓器或隔離 DC/DC 轉(zhuǎn)換器提供，盡管柵極驅(qū)動器本身適用于所有晶體管類型，但每種功率晶體管的選擇都需要不同的解決方案。這意味著即使使用引腳兼容的二級供應商開關(guān)晶體管，也可能需要對隔離電源進行重大設(shè)計更改。
可編程隔離非對稱電源則可以滿足此類需求，以支持柵極驅(qū)動器電路針對不同的晶體管選項（可能包括尚未發(fā)布的新一代晶體管）進行優(yōu)化。
RECOM 發(fā)布了此類產(chǎn)品：RxxC2T25S。這是一款采用 SOIC 封裝的 SMD DC/DC 轉(zhuǎn)換器，并帶有集成隔離變壓器（圖 4）。通過改變反饋分壓器電路中的電阻值，可以將輸出單獨設(shè)置為處于 +2.5 V 至 +22.5 V 和 -2.5 V 至 -22.5 V 的范圍內(nèi)，這意味著只要組合輸出在 18 至 25 V 范圍內(nèi)，一種電源解決方案即可提供 +15/-9、+20/-5、+18/-4、+15/-3 或任何其他輸出電壓組合。這支持設(shè)計人員通過更改 BoM 電阻值（而不是 PCB 設(shè)計），在一級和二級功率晶體管供應商之間輕松切換。這也意味著，如果推出具有 +14.5/-3.5 V 最佳柵極驅(qū)動電壓的全新一代功率晶體管，則該解決方案足以滿足未來需求。最后，輸出電壓可獨立調(diào)節(jié)，這對于將柵極驅(qū)動到非常接近絕對最大值電壓電平以獲得盡可能高的開關(guān)效率至關(guān)重要。
圖 4：采用 SOIC 封裝的隔離 DC/DC 轉(zhuǎn)換器，具有可編程的非對稱穩(wěn)壓輸出。
隨著功率水平增加到千瓦級，柵極驅(qū)動器和柵極驅(qū)動器電源周圍的環(huán)境要求變得更加嚴苛。盡管先進的 WBG 功率晶體管技術(shù)的開關(guān)損耗較低，但預計環(huán)境工作溫度較高。高電壓的硬開關(guān)會產(chǎn)生非常高的 dv/dt 轉(zhuǎn)換速率，因此良好的 CMTI（共模瞬態(tài)抗擾度）、低隔離電容和高隔離度對于保證開關(guān)穩(wěn)定可靠至關(guān)重要。
RxxC2T25S 的環(huán)境工作溫度范圍為 -40 ℃ 至 +100 ℃（1.5 W 負載），最高 +125 ℃（0.6 W 負載），特別是 CMTI 為 ±150 kV/μs，隔離電容僅為 3.5 pF 和 3 kVAC/1 分鐘隔離（額定重復峰值電壓為 ±1200 VDC）。輸出還提供全面保護措施，可以防止短路、過載和過溫故障。
欠壓鎖定功能意味著，只有輸入電壓和輸出電壓都穩(wěn)定后，才會激活 DC-OK 引腳，因此該引腳可以連接到柵極驅(qū)動器上的使能引腳，以確保從首個開關(guān)周期開始就處于穩(wěn)定狀態(tài)（圖 5）。
圖 5：使用 RxxC2T25S 的全面隔離柵極驅(qū)動器解決方案。R1-R4 設(shè)置輸出電壓。
總之，RxxC2T25S 是設(shè)計人員期待已久的解決方案。一款堅固耐用的 SMD 部件，專為隔離柵極驅(qū)動器應用而設(shè)計，具有滿足期望的所有技術(shù)功能，并且能夠自由選擇輸出電壓，從而可利用現(xiàn)有解決方案以及未來設(shè)計獲得最大效率。
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