Освоение архитектуры питания драйверов затворов для полумостовых преобразователей EV

Энергопреобразование в EV: фокус на полумосте

Электромобили опираются на сеть ступеней энергопреобразования — высоковольтные DC-DC преобразователи, тракционные инверторы, зарядные устройства батарей — все они трансформируют энергию из одной формы в другую. В центре каждой ступени находится полумостовая топология, где ключевые элементы верхнего и нижнего плеч переключают нагрузку между положительной и отрицательной высоковольтными шинами.

Конфигурация полумоста

В полумосте драйверы затворов должны быстро и точно заряжать затвор каждого ключа. Для IGBT напряжение затвор-эмиттер (VGE) должно превысить порог для открытия; для SiC FET — напряжение затвор-исток (VGS) выполняет ту же роль. Хотя статья фокусируется на IGBT-полумостах, те же принципы применимы к SiC-дизайнам.

Рисунок 1 изображает полумост на IGBT и на SiC FET, оба с изолированными драйверами затвора. Изоляция защищает низковольтный контроллер от высоковольтной среды и обеспечивает надёжную работу.

Рисунок 1. Полумосты с изолированными драйверами затвора и ключевыми элементами IGBT/SiC FET

Для драйвера нижнего плеча выходная каскад привязан к отрицательной высоковольтной шине (DC Link–), используя отдельное питание VDD для затвора. Это создаёт положительное VGE относительно эмиттера. Драйвер верхнего плеча, однако, должен отсчитывать свою «землю» от эмиттера верхнего ключа; иначе он бы «висел» и не смог управлять затвором. Следовательно, верхние драйверы требуют отдельный домен питания.

Множественные топологии полумостов

Сложные преобразователи часто используют несколько полумостов. Трёхфазный тракционный инвертор, например, содержит шесть силовых элементов, сгруппированных в три полумоста — по одному на фазу. Нижние ключи имеют общий эмиттер DC Link–, позволяя использовать единый домен питания для их драйверов. Эмиттеры верхних ключей подключены к индивидуальным фазным напряжениям, что требует трёх отдельных доменов питания, как показано на рисунке 2.

Рисунок 2. Трёхфазная система с одним DC-DC преобразователем

Частое решение — запитать все драйверы от одного DC-DC преобразователя с множественными выходами. Это экономично, но может вводить длинные трассы, сложность платы и ЭМИ-связность между высоковольтными и низковольтными шинами — проблемы,острые для высокочастотных SiC-дизайнов.

Разделение DC-DC преобразователя на несколько независимых блоков смягчает эти вызовы. Каждый драйвер получает чистый, жестко стабилизированный выход, уменьшаются длины трасс и междоменный шум, что позволяет повысить частоту переключения и достичь оптимального КПД. Эта модульная архитектура также легко переносится на другие топологии, например полно мостовые преобразователи.

Интегрированный DC-DC в драйверах затвора

Для баланса стоимости и производительности многие производители встраивают DC-DC стабилизатор прямо в драйвер затвора. Семейство Si828x компании Silicon Labs, например, предлагает версии с и без встроенного стабилизатора, уменьшая площадь платы и число компонентов при сохранении надёжного питания. Рисунок 3 демонстрирует трёхфазный инвертор, использующий четыре независимых домена питания и драйверы с интегрированными DC-DC контроллерами.

Рисунок 3. Трёхфазная система с драйверами затвора, имеющими встроенные DC-DC контроллеры, и четырьмя независимыми доменами питания

По мере эволюции силовых электронных систем EV — более быстрые переключения, более высокие напряжения, более сложные топологии — архитектура доменов питания драйверов затвора остаётся критическим фактором для достижения низких потерь, высокой надёжности и стоимостной эффективности.

Индустриальные статьи позволяют партнёрам делиться полезными новостями, сообщениями и технологиями с читателями All About Circuits там, где редакционный контент не подходит. Все индустриальные статьи подчиняются строгим редакционным правилам для предоставления читателям полезных новостей, технической экспертизы или историй. Точки зрения и мнения в индустриальных статьях принадлежат партнёру и не обязательно совпадают с позицией All About Circuits или его авторов.