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针对IGBT和MOSFET可再生能源应用的驱动器设计

发布时间:2020-06-30 19:54:33 阅读: 来源:消毒柜厂家

引言

本文引用地址:对电能转换而言,可再生能源电子细分市场是一个复杂且多样化的竞技场。在一些负载点应用中,开关型功率转换器通常为非隔离式,功率水平相当低(200 W),并且常常会把电源从一个DC电压转换到另一个,例如:12V转换为3.3V。另外,功率级开关为集成式,也即能够通过低电流控制器或者晶体管驱动。今天,控制器和功率级之间的整合正在成为现实。硅(Si)MOSFET在这一市场中起主导作用,因为人们喜欢更高的开关频率,它可以达到1MHz以上的速度。这些功率开关通常均由一个5V或者12V IC栅极驱动器或类似解决方案来驱动。

高效管理可再生能源系统的挑战

在某个风或者光伏发电机的电力系统中,存在一些特殊的性能问题。使用微型逆变器时典型可再生能源功率水平为1到3kW,串型逆变器为3到10kW,而大型中央式逆变器站则为10kW到1MW。除DC到DC转换以外,还可使用DC到AC和AC到DC转换,有时也可两者组合使用。

老式的风力发电机直接连接电网,只能工作在电力线频率下。在经过许多作业点以后,它们变得很低效。新型的风力发电机(图1)常常把AC转换为DC,然后再把DC转换回AC,这样风力发电机便可工作在各种速度下,从而获得最大效率。

相反,光伏电池产生DC电压/电流。一般而言,先升高电压,然后通过一个DC到AC逆变器发送,最后再连接电网。

可再生能源发展趋势

对于世界上的大多数国家而言,利用风和太阳能生产的清洁能源都仅为其能源的很小一部分。近年来,可再生能源获得了持续的发展。在一些地方,可再生能源已经占有很大一部分。例如,根据丹麦能源局数据,在2012年上半年, 丹麦所生产的全国总电量中约有34%为风力发电。丹麦能源局的上级部栅极丹麦气候、能源与建筑部发布消息称,到2020年,丹麦的风力发电将占到总能源的50%。当风力发电在一个国家总能源中占有较大比重时,转换系统的可靠性变得至关重要。除此以外,还有高功率电网连接、电隔离安全要求和大型可再生能源转换系统的成本问题。这意味着,系统可靠性始终都是设计优先考虑因素,其次是效率问题。因此,在所有层面(从控制器到FET/IGBT驱动器本身),保护功能和可靠性都是优先考虑项。典型电源管理结构

高功率电平带来更高的系统电压,因此转换器内所用各种组件的切断电压也更高。为了降低400V以上电压的功率损耗,大多数电路设计人员更喜欢使用绝缘栅极双极型晶体管(IGBT),或者最新的碳化硅(SiC)FET。这些器件的切断电压可高达1200V,并且相比等效SiMOSFET拥有更低的“导通”电阻。这些复杂的电源系统通常由一个数字信号处理器、一个微控制器或者一个专用数字电源控制器来管理。因此,它们常常会要求同时将电和信号都隔离于功率级的高噪声开关环境。即使在稳态开关周期内,电路的电压和电流也会剧烈变化,形成明显的接地跳动。

图 1 风力发电机到电网的简化电力传输流程图

图2表明,即使是一个单相DC到AC逆变器,也需要许多栅极驱动器,以正确地在功率级中对IGBT进行开关操作。作为一种单通道栅极驱动器,只要具有必需的信号和偏压隔离,德州仪器UCC27531就能驱动开关桥的任何开关。利用一个光耦合器或者数字隔离器,实现信号隔离。对于偏压隔离,设计人员可以使用一种带二极管和电容器的自举电路,或者一个隔离式偏压电源。另一种方法是,与控制器一样,连接同一个隔离端上的栅极驱动器,然后通过栅极驱动器后面的一个栅极变压器驱动开关。这种方法允许通过控制端上一个非隔离式电源,对驱动器进行偏置。

图 2 单相逆变器基本结构可再生能源的栅极驱动器

作为一种小型、非隔离式栅极驱动器,单通道UCC27531可以很好地工作在前述环境下。它的IC输入信号通过一个光耦合器或者数字隔离器提供。它的高电源/输出驱动电压范围为10到35V,让其成为12V SiMOSFET应用和IGBT/SiC FET应用的理想选择。这里,正栅极驱动通常更高,并且关断时负电压下拉,目的是防止电源开关受到错误导通的损害。一般而言,SiC FET由一个相对于电源的+20/-5V栅极驱动器驱动。同样,就IGBT而言,系统设计人员可能会使用一个+18/-13V栅极驱动,如图3所示。

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