用于EV充电系统栅极驱动的隔离式DC/DC转换器

电动汽车充电系统正在不断发展。目前通常使用 400V 电池充电总线电压的 AC Level 2 壁挂式充电盒正在向需要 800V 总线电压的直流快速充电 （DCFC） 系统迁移。像碳化硅这样的宽带隙功率器件非常适合这些应用，与硅 IGBT 相比具有更低的传导和开关损耗。然而，SiC 更快的开关速率以及更高的电压会对栅极驱动器电路提出一些独特的要求。在本文中，我们将重点介绍 Murata 产品经理 Ann-Marie Bayliss 在近的 electronica 2022电源论坛上关于该公司用于此类栅极驱动应用的隔离式 DC/DC 转换器的演讲的某些方面。

EV 电池充电的一个关键组件是 DC/DC 转换器，如图 1 所示。下面，我们将讨论栅极驱动器电路的一些要求，这些电路通常可以驱动构成逆变器的 Si IGBT 或 SiC MOSFET。

图 1：EV 充电系统显示用于栅极驱动器电路的 DC/DC 转换器及其相关的隔离式 DC/DC 转换器（：“Murata Power Technologies enabling application solutions for EV charging stations”，electronica 2022 Power Forum）

用于关断的负栅极驱动能力

Si IGBT 或 SiC 逆变器 MOSFET 具有负栅极驱动能力具有三个优势：

SiC MOSFET的阈值电压 （V th ） 在较高温度下下降，在 EV 充电条件下可低至 1.5 V。在关断时采用负栅极驱动可以确保器件关断，并且关断时间得到很好的控制。栅极电阻 （R g ） 和电容 （C g ） 控制栅极电压 （V g ）的关断转换时间。负驱动可以限度地减少变化并确保更快的开关，如图 2 所示。

图 2：SiC 关断转换显示负电压驱动的栅极开关优势（：“Murata Power Technologies enabling application solutions for EV charging stations”，electronica 2022 Power Forum）

来自封装/模块组装的寄生电感L会在开关瞬变期间在器件源上引起负电压瞬变 （ V = L × di / dt ）。例如，200 A/？s 的 di/dt 和 10-nH 的电感会产生 –2 V，这会有效地将器件栅源电压 （V gs ） 增加到一个更正的值，并有可能开启器件，如果0-V 栅极驱动器用于关断，尤其是在高温操作下。错误的器件开启会降低效率，在坏的情况下，直通条件会导致可靠性故障。因此，栅极上的负驱动可以确保器件在这些条件下处于“关闭”状态。

SiC MOSFET 中栅极和漏极之间的米勒电容 （C gd ） 可以通过漏极电压耦合在栅极上产生正电压。这也可能会导致虚假设备开启，与上述情况非常相似。

隔离要求

如图 3 所示，作为栅极驱动器一部分的 DC/DC 转换器可以看到在栅极驱动器的 PWM 频率下切换的完整 HVDC 链路电压。在 800V EV 充电器应用中，1kV 甚至 3kV 的隔离额定值可能不够，因为这些隔离额定值测试（称为耐压测试）仅进行几秒钟。需要一个高连续隔离应力额定值，称为连续势垒耐受电压，以确保长期可靠性。此外，如果 DC/DC 转换器是安全隔离系统的一部分，例如连接到电网的系统，则它需要获得 UL 认可的安全。

图 3：用于栅极驱动的隔离式 DC/DC 转换器可以看到完整的 HVDC 链路电压。（：“Murata Power Technologies 为 EV 充电站提供应用解决方案”，electronica 2022 电源论坛）

局部放电额定值

IEC60270 标准中定义的局部放电测试可识别绝缘击穿中可能出现的未来问题。在栅极驱动应用中；绝缘可以承受恒定的压力。可以通过以下方式提高局部放电抗扰度：

适当间隔变压器的初级和次级侧

确保无空隙、固体绝缘

大于工作势垒电压的局部放电起始电压 （PDIV） 可以为其使用提供信心，并且应该充分表征。

共模瞬变抗扰度

隔离式 DC/DC 转换器两端电压 dV/dt 的高转换率也会导致电流流过隔离电容 （C c ）。SiC MOSFET 的压摆率可高达 200 kV/？s，因此即使是 3 pF 的电容也会产生 600 mA 的电流 （ I = Cc × dV / dt ）。这种电流瞬变会在接地回路中的电阻R和电感L上产生大量电压降。这反过来会在控制电子设备中产生电磁干扰和故障。共模瞬态抗扰度 （CMTI） 是承受这些事件的能力。因此，低 C c是改善 CMTI 的关键。

身体方面的考虑

EV 充电器电子设备中的电路板空间可能非常有限。薄型、表面贴装封装的隔离式 DC/DC 转换器在放置方面提供了更大的灵活性，并且可以减少整个模块的占地面积。一个例子是将它们放置在栅极驱动 PCB 下方。

因此，大功率开关应用中的隔离式 DC/DC 转换器，如 EV 充电应用，需要满足上述特定要求，而标准 DC/DC 转换器可能无法满足这些要求。Murata 的MGJ2D隔离式栅极驱动 DC/DC 转换器（图 4）具有以下特性：

表面贴装、薄型封装的额定功率为 2 W，典型开关频率约为 85–110 kHz

用于 IGBT、SiC 或 MOSFET 栅极驱动的双极 （+/–） 输出电压。提供 15 V/–9 V、15 V/–5 V 和 20 V/–5 V 的输出电压（不同部件号）。双极电压是使用具有短路保护的 pnp 射极跟随器分流器网络产生的。

5.7-kV 隔离测试额定值（在生产中测试持续时间为 1 秒）。该部件还提供功能性（非安全屏障）、连续 2.5kV 屏障电压能力。测得的 PDIV 电压超过 2.5 kV。

CMTI 的特征为 》200 kV/？s。

C c值很低 （3 pF）。

这些特性使它们非常适合用作 EV DCFC 800-V 应用的栅极驱动器中的隔离式 DC/DC 转换器。高隔离度、PD 和 CMTI 额定值还可以确保这些应用中的长期可靠性，尤其是在 SiC MOSFET 具有更快开关特性的情况下。