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让IGBT,SiC和GaN器件更可靠的诀窍竟然是?

供稿:广州金升阳科技有限公司 2019/8/13 16:16:42

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  • 关键词: IGBT SiC GaN
  • 摘要:让IGBT,SiC和GaN器件更可靠的诀窍竟然是?金升阳作为专注一站式电源解决方案21年且业内地位可观的企业,来为您解答!

功率器件的市场前景
        近年来,大功率电力变换器/逆变器市场需求的增长率每年超过5%。到2020年,全球市场容量预计将达到500亿美元。
        作为系统中最主流的功率器件,IGBT占到了其中的80%,市场容量约40亿美元。IGBT广泛应用于工业控制、电信、轨道交通、可再生能源、汽车电子、智能电网等多个行业。随着汽车电子光伏逆变器行业的革命和快速发展,SiC MOSFET、GaN晶体管等新兴功率器件凭借着高工作频率,卓越温度性能,高功率密度,成本合理的优点,其市场容量在2020年预计将达到10亿美元。

        在功率器件的研制过程中,其控制方式通常是相同的,即采用驱动电路对其进行管理。许多工程师都知道,但还没意识到DC/DC电源对驱动电路的重要性。下面我们将介绍它的主要特性。

1、隔离电容/瞬态负载响
        众所周知,高工作频率是电源转换器的发展方向之一。因此,DC/DC电源的初级和次级之间的隔离电容应尽可能小,以适应高频应用,这使得DC/DC变压器的设计变得更为困难。目前,驱动电路的DC/DC电源的隔离电容在3-10pF之间。
        在功率方面,100A IGBT需要DC/DC电源提供约3.5W,功率的计算公式如下:

         

Ig:IGBT栅极电流的平均值;
VCC:驱动电路的高压(DC/DC的正输出)
VEE:驱动电路的低压(DC/DC的负输出)
Qg:栅极电荷,可从IGBT的技术手册中获得。

        在运行过程中,DC/DC的峰值功率可达10W,为了防止瞬态尖峰电流损坏DC/DC电源,在元件选择和电路设计阶段,需要考虑动态负载性能,同时,在DC/DC电源的输出端,应选择具有低ESR的电容器,以保证功率器件有足够的驱动电流。

2、适当的偏移输出电
        为了增强电流控制能力,通常会给功率器件设置更高的电压。以IGBT为例,受限于生产工艺,栅极耐压一般为±20V。因此,大部分工程师为满足可靠性目的,设计的DC/DC电源输出通常约为15V。然而,由于在布局上存在电压损失,有时无法精确控制功率器件。为了解决这个问题,建议使用的DC/DC电源输出电压可调或调至最高。

        功率器件的导通和关断电压不同。目前,对于不同的器件特性,推荐采用+15/-6~-10(IGBT)、+20/-4(SiC)、+6/-3(GaN)的DC/DC输出。不对称的输出电压可确保最佳的驱动性能和电磁干扰,负输出通常用于快速关断功率器件并保持关闭状态而不出错。

3、高隔
        为避免共模干扰,消除安全隐患,各个功率器件的DC/DC电源必须相互隔离。对于系统中的每个功率器件,建议使用单独的DC/DC电源,而不是单个DC/DC电源中的不同输出绕组。
        从应用场景来看,金升阳产品有医疗设备、电信、固态照明等低压(600-1200V)商业应用;中压(1200-1700V)工业应用,有UPS、光伏逆变器、电机驱动等;高压(2500-6500V)电力应用,有风力发电机、高压/特高压输变电等。

        通常,DC/DC电源隔离电压至少是系统长期工作电压的两倍甚至更高。因此,与传统的DC/DC电源相比,加强绝缘和高隔离电压是功率器件驱动电路中DC/DC的显著特点。

4、体积小
        SiC和GaN器件由于其带隙宽度大、击穿电压高、导热系数高等特点而受到广泛关注。这些特点最直观的优势在于功率转换器系统可以减少至少40%。作为配套设备,其体积是一个重要的参数。目前,推挽式电路和单端反激式拓扑已成为主流解决方案。

5、EMC

        由于不同系统的辐射干扰,设计的稳定性存在风险。对于DC/DC电源,电磁兼容优化主要是为了提高电磁抗扰度性能。开关电源的干扰源是开关电路和整流电路,因此,优化布局是非常重要的,例如增加大电流回路的布线宽度,避免交叉布线,以及将DC/DC电源地与信号地分离。最后,如果可以在初级和次级变压器之间添加屏蔽并且屏蔽接地,将极大减少来自于初级变压器的干扰。

        本文介绍了大容量电力变换器/逆变器使用的DC/DC电源的主要特性。作为专注一站式电源解决方案21年且业内地位可观的企业,MORNSUN在该领域拥有丰富的研发创新经验及相关自主知识产权,能根据不同应用需求设计、提升产品竞争力。此外,MORNSUN自主制造基地建设了20条高度自动化生产线,确保高质量产品交付能力。

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审核编辑(王静)
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