Упрощение расчета мощности электромобиля за счет преодоления проблемы мощности драйвера затвора

Системы преобразования энергии в электромобилях соответствуют конфигурации полумоста. В этой статье исследуется конструкция полумоста IGBT высоковольтной стороны (выходного каскада) драйвера затвора.

Все электромобили - это сила. Большие аккумуляторные блоки обеспечивают питание различных систем преобразования энергии с помощью высоких напряжений и токов, а основной преобразователь постоянного тока подает питание на системы низкого напряжения в автомобиле. Инвертор тяги передает механическую мощность на колеса. Наконец, система зарядки аккумулятора подает питание на аккумулятор, чтобы снова начать весь процесс. Каждая система преобразует энергию из одной формы в другую.

Конфигурация полумоста

В основе этих систем лежит один из ключевых строительных блоков современных систем преобразования энергии:полумостовая конфигурация. В этой конфигурации переключатель высокого напряжения и переключатель низкого уровня быстро переключают соединения нагрузки между положительной и отрицательной шинами высокого напряжения. Управление воротами этих переключателей важно для максимизации эффективности, заставляя их вести себя, насколько это возможно, как идеальные переключатели. Понимая, как мощность передается от драйверов затвора к коммутационным устройствам, мощность драйвера затвора может быть спроектирована для реализации упрощенной компоновки платы, снижения затрат и легкости повторного использования в будущих проектах.

В системах электромобилей высоковольтные положительные и отрицательные шины часто называются «звено постоянного тока +» и «звено постоянного тока–». На рисунке 1 показана полумостовая схема, построенная на IGBT-устройствах и одна, построенная на полевых транзисторах из карбида кремния (SiC). Чтобы включить IGBT, напряжение между затвором и эмиттером (VGE) должно превысить определенный порог.

Рисунок 1. Полумосты с изолированными драйверами затвора, коммутационными устройствами IGBT и коммутационными устройствами SiC FET

Точно так же в случае SiC FET это напряжение появляется от затвора к истоку (VGS). Для простоты, оставшаяся часть этой статьи будет относиться к конструкции полумоста IGBT; однако обсуждаемые принципы также применимы к конструкциям SiC FET. На рисунке 1 также показаны изолированные драйверы затвора. Из-за высокого напряжения, присутствующего во многих системах электромобилей, часто требуется изоляция для отделения низковольтного системного контроллера от высоковольтного силового каскада. Изолированные драйверы затвора соединяют эти две области, позволяя системному контроллеру управлять IGBT или SiC FET силового каскада. Еще раз, для простоты, оставшаяся часть этой статьи будет относиться только к высоковольтной стороне (выходному каскаду) драйвера затвора.

Чтобы включить IGBT, драйвер затвора должен поднять напряжение затвора как минимум до порогового значения VGE, а затем обеспечить ток, достаточный для зарядки затвора и полного включения IGBT. Для драйвера затвора нижнего плеча, подключенного к звену постоянного тока, это довольно просто. Как показано на рисунке 1, выходной каскад драйвера затвора подключен к звену постоянного тока в качестве заземления и положительной шины Power Domain 2 для VDD выходного каскада. Затем он подтягивает ворота к VDD, чтобы включить устройство нижнего уровня. Это работает, потому что VDD ссылается на DC Link–, который привязан к эмиттеру IGBT; Итак, создается положительный VGE. Для драйвера затвора с высокой стороны все не так просто.

Чтобы создать положительный VGE, заземление драйвера затвора верхнего плеча должно быть подключено к эмиттеру IGBT верхнего плеча. Без этого соединения драйвер затвора по существу плавающий относительно эмиттера IGBT верхнего плеча, и он не может управлять затвором. Это также означает, что драйвер затвора верхнего плеча должен находиться в отдельной области питания. Если он подключен к той же области мощности, что и драйвер затвора нижнего плеча, эмиттер IGBT верхнего плеча будет привязан к звену постоянного тока - и нарушит настройку полумоста. Таким образом, архитектура областей питания драйверов затвора, особенно в системах с несколькими полумостовыми схемами, оказывает огромное влияние на сложность системы.

Топологии преобразователей с несколькими конфигурациями полумоста

Многие сложные топологии преобразователей содержат более одной полумостовой конфигурации. Например, двигатели, используемые в трансмиссии электромобилей, обычно представляют собой трехфазные двигатели, в которых каждая фаза включается и выключается для создания движения. В тяговом инверторе используются три полумостовые схемы для питания каждой фазы двигателя. При наличии шести устройств питания и драйверов затвора тщательное планирование распределения мощности драйвера затвора оказывает большое влияние на производительность. Трехфазный инвертор также демонстрирует компромиссы для различных конфигураций распределения мощности, которые также актуальны для других систем, использующих только одну или две полумостовые схемы.

В трехфазном инверторе все устройства нижнего плеча имеют общее соединение постоянного тока со своим эмиттером; Таким образом, драйверы затвора нижнего плеча могут иметь общую область мощности. К сожалению, эмиттеры затворных драйверов верхнего плеча подключены к разным фазам системы, поэтому требуются три отдельных области мощности, как показано на рисунке 2.

Рисунок 2. Трехфазная система с одним преобразователем постоянного тока в постоянный

Обычным решением этой проблемы является подключение драйверов нижнего уровня к одной области питания, а затем использование одного преобразователя постоянного тока в постоянный для генерации всех четырех шин питания (также показанных на рисунке 2). Однако такой подход часто приводит к сложной компоновке плат и длинным дорожкам на печатной плате, что может вызвать проблемы с электромагнитными помехами в высокочастотных системах. Достижение точного регулирования напряжения на всех четырех выходных рельсах также затруднено при использовании одного контроллера DC-DC, и, наконец, это может привести к возникновению шума от соединения на стороне высокого напряжения к стороне низкого напряжения через общий трансформатор. Это особенно проблематично в конструкциях с высокочастотным SiC. Другой подход предполагает разбиение преобразователя постоянного тока в постоянный на несколько независимых преобразователей постоянного тока в постоянный.

Разделение преобразователя постоянного тока на несколько независимых преобразователей постоянного тока в постоянный обычно упрощает компоновку печатной платы, сокращает длину дорожек и обеспечивает четкое регулирование каждой выходной шины. Это также значительно снижает шум между областями мощности и позволяет системам на основе SiC достигать высоких частот переключения и максимальной эффективности. Кроме того, конструкция независимого преобразователя постоянного тока в постоянный может быть повторно использована в других полумостовых конфигурациях с меньшим количеством переключателей, например, в полномостовых системах.

Интеграция контроллеров DC-DC в драйверы затворов

Вместо использования шести независимых преобразователей постоянного тока в постоянный (по одному на каждый изолированный драйвер затвора) система обычно разбивается на четыре преобразователя для снижения затрат. Как показано на рисунке 3, некоторые драйверы затвора, такие как Silicon Labs Si828x, объединяют контроллер DC-DC для дальнейшего снижения затрат и места на плате и предлагают тот же драйвер затвора со встроенным контроллером DC-DC и без него. Во многих случаях эта конфигурация обеспечивает правильный баланс между сложностью, стоимостью и производительностью.

Рисунок 3. Трехфазная система с драйверами затворов со встроенными контроллерами постоянного и постоянного тока и четырьмя независимыми областями питания

Электромобили и системы преобразования энергии, на которые они полагаются, никуда не денутся. Поскольку требования к более высокой эффективности и большему радиусу действия продолжают расти, энергосистемы будут стремиться к достижению более высоких скоростей переключения, более сложных топологий и более высоких напряжений. Новые устройства переключения мощности и достижения в технологии драйверов затвора поднимут эффективность полумостовых схем на новый уровень. Тем не менее, даже по мере развития полумостовой схемы, архитектура области мощности будет оставаться критически важным фактором при проектировании на долгие годы.

Отраслевые статьи - это форма контента, позволяющая отраслевым партнерам делиться полезными новостями, сообщениями и технологиями с читателями All About Circuits, что не подходит для редакционного контента. Все отраслевые статьи подлежат строгим редакционным правилам с целью предлагать читателям полезные новости, технические знания или истории. Точки зрения и мнения, выраженные в отраслевых статьях, принадлежат партнеру, а не обязательно All About Circuits или ее авторам.