【導讀】電動汽車充電系統正在不斷發展。目前通常使用 400V 電池充電總線電壓的 AC Level 2 壁掛式充電盒正在向需要 800V 總線電壓的直流快速充電 (DCFC) 系統遷移。像碳化硅這樣的寬帶隙功率器件非常適合這些應用，與硅 IGBT 相比具有更低的傳導和開關損耗。然而，SiC 更快的開關速率以及更高的電壓會對柵極驅動器電路提出一些獨特的要求。在本文中，我們將重點介紹 Murata 產品經理 Ann-Marie Bayliss 在近的 electronica 2022電源論壇上關于該公司用于此類柵極驅動應用的隔離式 DC/DC 轉換器的演講的某些方面。
電動汽車充電系統正在不斷發展。目前通常使用 400V 電池充電總線電壓的 AC Level 2 壁掛式充電盒正在向需要 800V 總線電壓的直流快速充電 (DCFC) 系統遷移。像碳化硅這樣的寬帶隙功率器件非常適合這些應用，與硅 IGBT 相比具有更低的傳導和開關損耗。然而，SiC 更快的開關速率以及更高的電壓會對柵極驅動器電路提出一些獨特的要求。在本文中，我們將重點介紹 Murata 產品經理 Ann-Marie Bayliss 在近的 electronica 2022電源論壇上關于該公司用于此類柵極驅動應用的隔離式 DC/DC 轉換器的演講的某些方面。
EV 電池充電的一個關鍵組件是 DC/DC 轉換器，如圖 1 所示。下面，我們將討論柵極驅動器電路的一些要求，這些電路通常可以驅動構成逆變器的 Si IGBT 或 SiC MOSFET。
圖 1：EV 充電系統顯示用于柵極驅動器電路的 DC/DC 轉換器及其相關的隔離式 DC/DC 轉換器（：“Murata Power Technologies enabling application solutions for EV charging stations”，electronica 2022 Power Forum）
用于關斷的負柵極驅動能力
Si IGBT 或 SiC 逆變器 MOSFET 具有負柵極驅動能力具有三個優勢：
SiC MOSFET的閾值電壓 (V th ) 在較高溫度下下降，在 EV 充電條件下可低至 1.5 V。在關斷時采用負柵極驅動可以確保器件關斷，并且關斷時間得到很好的控制。柵極電阻 (R g ) 和電容 (C g ) 控制柵極電壓 (V g )的關斷轉換時間。負驅動可以限度地減少變化并確保更快的開關，如圖 2 所示。
圖 2：SiC 關斷轉換顯示負電壓驅動的柵極開關優勢（：“Murata Power Technologies enabling application solutions for EV charging stations”，electronica 2022 Power Forum）
來自封裝/模塊組裝的寄生電感L會在開關瞬變期間在器件源上引起負電壓瞬變 ( V = L × di / dt )。例如，200 A/?s 的 di/dt 和 10-nH 的電感會產生 –2 V，這會有效地將器件柵源電壓 (V gs ) 增加到一個更正的值，并有可能開啟器件，如果0-V 柵極驅動器用于關斷，尤其是在高溫操作下。錯誤的器件開啟會降低效率，在壞的情況下，直通條件會導致可靠性故障。因此，柵極上的負驅動可以確保器件在這些條件下處于“關閉”狀態。
SiC MOSFET 中柵極和漏極之間的米勒電容 (C gd ) 可以通過漏極電壓耦合在柵極上產生正電壓。這也可能會導致虛假設備開啟，與上述情況非常相似。
隔離要求
如圖 3 所示，作為柵極驅動器一部分的 DC/DC 轉換器可以看到在柵極驅動器的 PWM 頻率下切換的完整 HVDC 鏈路電壓。在 800V EV 充電器應用中，1kV 甚至 3kV 的隔離額定值可能不夠，因為這些隔離額定值測試（稱為耐壓測試）僅進行幾秒鐘。需要一個高連續隔離應力額定值，稱為連續勢壘耐受電壓，以確保長期可靠性。此外，如果 DC/DC 轉換器是安全隔離系統的一部分，例如連接到電網的系統，則它需要獲得 UL 認可的安全。
圖 3：用于柵極驅動的隔離式 DC/DC 轉換器可以看到完整的 HVDC 鏈路電壓。（：“Murata Power Technologies 為 EV 充電站提供應用解決方案”，electronica 2022 電源論壇）
局部放電額定值
IEC60270 標準中定義的局部放電測試可識別絕緣擊穿中可能出現的未來問題。在柵極驅動應用中；絕緣可以承受恒定的壓力。可以通過以下方式提高局部放電抗擾度：
適當間隔變壓器的初級和次級側
確保無空隙、固體絕緣
大于工作勢壘電壓的局部放電起始電壓 (PDIV) 可以為其使用提供信心，并且應該充分表征。
共模瞬變抗擾度
隔離式 DC/DC 轉換器兩端電壓 dV/dt 的高轉換率也會導致電流流過隔離電容 (C c )。SiC MOSFET 的壓擺率可高達 200 kV/?s，因此即使是 3 pF 的電容也會產生 600 mA 的電流 ( I = Cc × dV / dt )。這種電流瞬變會在接地回路中的電阻R和電感L上產生大量電壓降。這反過來會在控制電子設備中產生電磁干擾和故障。共模瞬態抗擾度 (CMTI) 是承受這些事件的能力。因此，低 C c是改善 CMTI 的關鍵。
身體方面的考慮
EV 充電器電子設備中的電路板空間可能非常有限。薄型、表面貼裝封裝的隔離式 DC/DC 轉換器在放置方面提供了更大的靈活性，并且可以減少整個模塊的占地面積。一個例子是將它們放置在柵極驅動 PCB 下方。
因此，大功率開關應用中的隔離式 DC/DC 轉換器，如 EV 充電應用，需要滿足上述特定要求，而標準 DC/DC 轉換器可能無法滿足這些要求。Murata 的MGJ2D隔離式柵極驅動 DC/DC 轉換器（圖 4）具有以下特性：
表面貼裝、薄型封裝的額定功率為 2 W，典型開關頻率約為 85–110 kHz
用于 IGBT、SiC 或 MOSFET 柵極驅動的雙極 (+/–) 輸出電壓。提供 15 V/–9 V、15 V/–5 V 和 20 V/–5 V 的輸出電壓（不同部件號）。雙極電壓是使用具有短路保護的 pnp 射極跟隨器分流器網絡產生的。
5.7-kV 隔離測試額定值（在生產中測試持續時間為 1 秒）。該部件還提供功能性（非安全屏障）、連續 2.5kV 屏障電壓能力。測得的 PDIV 電壓超過 2.5 kV。
CMTI 的特征為 >200 kV/?s。
C c值很低 (3 pF)。
這些特性使它們非常適合用作 EV DCFC 800-V 應用的柵極驅動器中的隔離式 DC/DC 轉換器。高隔離度、PD 和 CMTI 額定值還可以確保這些應用中的長期可靠性，尤其是在 SiC MOSFET 具有更快開關特性的情況下。
（翻譯自powerelectronicsnews）
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