讓IGBT、SiC和GaN器件更可靠的是什么？

文/廣州金升陽科技有限公司

 近年來，大功率電力變換器/逆變器市場需求的增長率每年超過5%。到2020年，全球市場容量預計將達到500億美元。
   作為系統中最主流的功率器件，IGBT占到了其中的80%，市場容量約40億美元。IGBT廣泛應用于工業控制、電信、軌道交通、可再生能源、汽車電子、智能電網等多個行業。隨著汽車電子光伏逆變器行業的革命和快速發展，SiC MOSFET、GaN晶體管等新興功率器件憑借著高工作頻率，卓越溫度性能，高功率密度，成本合理的優點，其市場容量在2020年預計將達到10億美元。

   在功率器件的研制過程中，其控制方式通常是相同的，即采用驅動電路對其進行管理。許多工程師都知道，但還沒意識到DC/DC電源對驅動電路的重要性。下面我們將介紹它的主要特性。

 1、隔離電容/瞬態負載響應

   眾所周知，高工作頻率是電源轉換器的發展方向之一。因此，DC/DC電源的初級和次級之間的隔離電容應盡可能小，以適應高頻應用，這使得DC/DC變壓器的設計變得更為困難。目前，驅動電路的DC/DC電源的隔離電容在3-10pF之間。
   在功率方面，100A IGBT需要DC/DC電源提供約3.5W，功率的計算公式如下：

Ig：IGBT柵極電流的平均值；
VCC：驅動電路的高壓（DC/DC的正輸出）
VEE：驅動電路的低壓（DC/DC的負輸出）
Qg：柵極電荷，可從IGBT的技術手冊中獲得。

   在運行過程中，DC/DC的峰值功率可達10W，為了防止瞬態尖峰電流損壞DC/DC電源，在元件選擇和電路設計階段，需要考慮動態負載性能，同時，在DC/DC電源的輸出端，應選擇具有低ESR的電容器，以保證功率器件有足夠的驅動電流。

 2、適當的偏移輸出電壓

   為了增強電流控制能力，通常會給功率器件設置更高的電壓。以IGBT為例，受限于生產工藝，柵極耐壓一般為±20V。因此，大部分工程師為滿足可靠性目的，設計的DC/DC電源輸出通常約為15V。然而，由于在布局上存在電壓損失，有時無法精確控制功率器件。為了解決這個問題，建議使用的DC/DC電源輸出電壓可調或調至最高。

   功率器件的導通和關斷電壓不同。目前，對于不同的器件特性，推薦采用+15/-6~-10（IGBT）、+20/-4（SiC）、+6/-3（GaN）的DC/DC輸出。不對稱的輸出電壓可確保最佳的驅動性能和電磁干擾，負輸出通常用于快速關斷功率器件并保持關閉狀態而不出錯。

 3、高隔離

   為避免共模干擾，消除安全隱患，各個功率器件的DC/DC電源必須相互隔離。對于系統中的每個功率器件，建議使用單獨的DC/DC電源，而不是單個DC/DC電源中的不同輸出繞組。
   從應用場景來看，金升陽產品有醫療設備、電信、固態照明等低壓（600-1200V）商業應用；中壓（1200-1700V）工業應用，有UPS、光伏逆變器、電機驅動等；高壓（2500-6500V）電力應用，有風力發電機、高壓/特高壓輸變電等。

   通常，DC/DC電源隔離電壓至少是系統長期工作電壓的兩倍甚至更高。因此，與傳統的DC/DC電源相比，加強絕緣和高隔離電壓是功率器件驅動電路中DC/DC的顯著特點。

 4、體積小巧

   SiC和GaN器件由于其帶隙寬度大、擊穿電壓高、導熱系數高等特點而受到廣泛關注。這些特點最直觀的優勢在于功率轉換器系統可以減少至少40%。作為配套設備，其體積是一個重要的參數。目前，推挽式電路和單端反激式拓撲已成為主流解決方案。

 5、EMC

   由于不同系統的輻射干擾，設計的穩定性存在風險。對于DC/DC電源，電磁兼容優化主要是為了提高電磁抗擾度性能。開關電源的干擾源是開關電路和整流電路，因此，優化布局是非常重要的，例如增加大電流回路的布線寬度，避免交叉布線，以及將DC/DC電源地與信號地分離。最后，如果可以在初級和次級變壓器之間添加屏蔽并且屏蔽接地，將極大減少來自于初級變壓器的干擾。

   本文介紹了大容量電力變換器/逆變器使用的DC/DC電源的主要特性。作為專注一站式電源解決方案21年且業內地位可觀的企業，MORNSUN在該領域擁有豐富的研發創新經驗及相關自主知識產權，能根據不同應用需求設計、提升產品競爭力。此外，MORNSUN自主制造基地建設了20條高度自動化生產線，確保高質量產品交付能力。