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基于UCC27531的電源開關(guān)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

發(fā)布時(shí)間:2013-05-09 責(zé)任編輯:eliane

【導(dǎo)讀】德州儀器UCC27531單通道柵極驅(qū)動(dòng)器可以非??拷娫?a target="_blank" style="text-decoration:none;" >開關(guān)柵極放置。相比在一塊單IC中組合高側(cè)/低側(cè)柵極驅(qū)動(dòng)器,它的靈活度更高,可幫助最小化驅(qū)動(dòng)器和電源開關(guān)之間的電感,并讓設(shè)計(jì)人員能夠更好地控制開關(guān)柵極。

典型電源管理結(jié)構(gòu)

高功率電平帶來更高的系統(tǒng)電壓,因此轉(zhuǎn)換器內(nèi)所用各種組件的切斷電壓也更高。為了降低400V以上電壓的功率損耗,大多數(shù)電路設(shè)計(jì)人員更喜歡使用絕緣柵極雙極型晶體管(IGBT),或者最新的碳化硅(SiC)FET。這些器件的切斷電壓可高達(dá)1200V,并且相比等效Si MOSFET擁有更低的“導(dǎo)通”電阻。這些復(fù)雜的電源系統(tǒng)通常由一個(gè)數(shù)字信號(hào)處理器、一個(gè)微控制器或者一個(gè)專用數(shù)字電源控制器來管理。因此,它們常常會(huì)要求同時(shí)將電和信號(hào)都隔離于功率級(jí)的高噪聲開關(guān)環(huán)境。即使在穩(wěn)態(tài)開關(guān)周期內(nèi),電路的電壓和電流也會(huì)劇烈變化,形成明顯的接地跳動(dòng)。

風(fēng)力發(fā)電機(jī)到電網(wǎng)的簡化電力傳輸流程圖
圖1: 風(fēng)力發(fā)電機(jī)到電網(wǎng)的簡化電力傳輸流程圖

圖2表明,即使是一個(gè)單相DC到AC逆變器,也需要許多柵極驅(qū)動(dòng)器,以正確地在功率級(jí)中對(duì)IGBT進(jìn)行開關(guān)操作。本文講述的電源開關(guān)的驅(qū)動(dòng)是基于德州儀器單通道柵極驅(qū)動(dòng)器UCC27531。作為一種單通道柵極驅(qū)動(dòng)器,只要具有必需的信號(hào)和偏壓隔離, UCC27531就可以驅(qū)動(dòng)開關(guān)橋的任何開關(guān)。利用一個(gè)光耦合器或者數(shù)字隔離器,實(shí)現(xiàn)信號(hào)隔離。對(duì)于偏壓隔離,設(shè)計(jì)人員可以使用一種帶二極管和電容器的自舉電路,或者一個(gè)隔離式偏壓電源。另一種方法是,與控制器一樣,連接同一個(gè)隔離端上的柵極驅(qū)動(dòng)器,然后通過柵極驅(qū)動(dòng)器后面的一個(gè)柵極變壓器驅(qū)動(dòng)開關(guān)。這種方法允許通過控制端上一個(gè)非隔離式電源,對(duì)驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行偏置。

單相逆變器基本結(jié)構(gòu)
圖2:單相逆變器基本結(jié)構(gòu)

可再生能源的柵極驅(qū)動(dòng)器

作為一種小型、非隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器,單通道UCC27531可以很好地工作在前述環(huán)境下。它的IC輸入信號(hào)通過一個(gè)光耦合器或者數(shù)字隔離器提供。它的高電源/輸出驅(qū)動(dòng)電壓范圍為10到35V,讓其成為12V Si MOSFET應(yīng)用和IGBT/SiC FET應(yīng)用的理想選擇。這里,正柵極驅(qū)動(dòng)通常更高,并且關(guān)斷時(shí)負(fù)電壓下拉,目的是防止電源開關(guān)受到錯(cuò)誤導(dǎo)通的損害。一般而言,SiC FET由一個(gè)相對(duì)于電源的+20/-5V柵極驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)。同樣,就IGBT而言,系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員可能會(huì)使用一個(gè)+18/-13V柵極驅(qū)動(dòng),如圖3所示。

利用FET/IGBT單柵極驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)電源開關(guān)
利用FET/IGBT單柵極驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)電源開關(guān)
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由于UCC27531是一種軌到軌驅(qū)動(dòng)器,因此相對(duì)于發(fā)射極,OUTH上拉電源開關(guān)柵極至其18V VDD。相對(duì)于發(fā)射極,OUTL下拉柵極至驅(qū)動(dòng)器的–13 V GND。驅(qū)動(dòng)器有效地從+18到-13V,或者從相對(duì)于其自有GND的VDD到31V。另外,35V額定電壓提供了一定的余量,可防止噪聲和振鈴產(chǎn)生的IC過電壓故障。

OUTH和OUTL的分離輸出,允許用戶單獨(dú)控制導(dǎo)通(灌)電流和關(guān)斷(拉)電流。它幫助最大化效率,并保持開關(guān)時(shí)間控制,從而滿足噪聲和電磁干擾要求。另外,即使是分離輸出,單柵極驅(qū)動(dòng)器也在輸出級(jí)保持最小電感,防止出現(xiàn)過多振鈴和過沖。利用一種非對(duì)稱驅(qū)動(dòng)(2.5A導(dǎo)通,5A關(guān)斷),UCC27531經(jīng)過了優(yōu)化,適用于高功率可再生能源應(yīng)用的平均開關(guān)時(shí)序。再者,利用低下拉阻抗,這種驅(qū)動(dòng)器通過確保柵極不遭受電壓尖峰來增加可靠性。由于IGBT的集電極和柵極之間以及FET的漏極和柵極之間的寄生米勒效應(yīng)電容,這些電壓尖峰可能會(huì)導(dǎo)致出現(xiàn)錯(cuò)誤導(dǎo)通。開關(guān)導(dǎo)通期間集電極/漏極電壓迅速上升,這時(shí)在柵極上拉升電壓,這種內(nèi)部電容便以此來引導(dǎo)柵極超出導(dǎo)通閾值電壓。

UCC27531的輸入級(jí)也為可再生能源等高可靠性系統(tǒng)而設(shè)計(jì)。它擁有一個(gè)所謂的TTL/CMOS輸入,其與電源電壓無關(guān),從而實(shí)現(xiàn)了與標(biāo)準(zhǔn)TTL級(jí)信號(hào)的兼容。相比典型TTL中的常見0.5V磁滯,它擁有約1V的高磁滯。如果輸入信號(hào)因故丟失變得不穩(wěn)定,則拉低輸出。另外,驅(qū)動(dòng)器IC的GND電壓較大變化時(shí),如果在開關(guān)沿期間GND跳動(dòng)較高,則輸入信號(hào)可能表現(xiàn)為負(fù)。由于能夠連續(xù)對(duì)這些事件期間輸入(IN)或激活(EN)端上-5V電壓進(jìn)行處理,因此驅(qū)動(dòng)器成功地解決了這個(gè)問題。

UCC27531使用3 x 3mm的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SOT-23封裝,相比使用離散式電平位移器、沒有負(fù)輸入能力或者缺少保護(hù)的離散式雙晶體管解決方案,它擁有非常大的競(jìng)爭(zhēng)力。除節(jié)省大量空間以外,把UCC27531的各種功能集成到一塊單IC封裝中還提高了系統(tǒng)的整體可靠性。

這種單通道驅(qū)動(dòng)器是一種引人注目的解決方案,因?yàn)樗梢苑浅?拷娫撮_關(guān)柵極放置。相比在一塊單IC中組合高側(cè)/低側(cè)柵極驅(qū)動(dòng)器,它的靈活度更高。這種靈活性可幫助最小化驅(qū)動(dòng)器和電源開關(guān)之間的電感,并讓設(shè)計(jì)人員能夠更好地控制開關(guān)柵極。圖2說明了許多高功率開關(guān)如何集成到一個(gè)DC到AC級(jí)單相中。對(duì)于一個(gè)完整的多轉(zhuǎn)換(DC和AC之間往復(fù)轉(zhuǎn)換)三相系統(tǒng)而言,甚至一些應(yīng)用中還需要DC到DC轉(zhuǎn)換增壓級(jí),需要許多的柵極驅(qū)動(dòng)器。每一個(gè)驅(qū)動(dòng)器的放置都必須在PCB上安排好,以確保獲得正確的設(shè)計(jì)。

雖然表面看起來,電源開關(guān)的柵極驅(qū)動(dòng)器只是總系統(tǒng)控制和電力生產(chǎn)流程中一個(gè)小小的部件,但它們對(duì)整體設(shè)計(jì)性能卻十分的重要。

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