隔离栅极驱动器的应用

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您好，欢迎观看 第二个讨论隔离式

栅极驱动器的 TI 高精度实验室讲座。

在本视频中， 我们将会探索一些应用，

在这些应用中， 隔离式栅极驱动器可以

简化设计过程并解决 系统成本、稳健性和

性能方面的严峻挑战。

根据第一节课的 内容，我们将讨论的

使用隔离式栅极 驱动器的常见拓扑

包括三相功率因数校正、 串式光伏逆变器、

电机驱动器和 牵引逆变器。

本讲座将按照设计限制 条件的顺序来介绍各种系统。

功率因数校正电路 将稳定的单频交流电源转换成

稳定、干净的直流电源。

串式光伏逆变器 则与之相反，

将稳定、干净的 直流电源转换成

稳定的单频 交流电源。

电机驱动器将稳定、干净的 直流电源转换为交流电源，

但是具有用于 实现独立速度和扭矩

控制的较大潜在输出 电压和频率范围。

牵引逆变器继承了 电机驱动器的所有

现有要求，并且通常 包括运输系统特有的

新要求。

本视频中的 每个示例拓扑

都在下面具有 附加资源链接。

三相功率因数 校正电路

使用低电压 功率控制器

将来自交流 电源的输入电流

调节至与输入电压 同相的电压，

同时在输出上产生直流电压， 该直流电压可被干净地

转换为可供电动 汽车充电器或工厂

设备等高电压 系统使用的电平。

三相功率因数 校正电路

直接与交流 电网相连接。

当该设备 还包括操作

人员可使用的 接口时，各种标准

均要求在这些接口与任何 高电压电路之间提供

增强型隔离。

在临时过压、 浪涌电压、

爬电和间隙方面， 有许多标准对系统级

性能有不同的要求。

隔离式栅极驱动器 可以帮助满足这些系统

标准--

通常能够实现 超越系统中其他

组件的性能。

一些拓扑，例如 本例中的 Vienna

整流器，使用 输出为 600 伏或

更高电压直流 总线的升压配置。

标准的 600 伏 半桥驱动器

是不可用的， 因为开关节点上的过冲

可能会损坏电平转换器。

低侧驱动器可以与栅极 驱动变压器或分立式

电平转换器 一起使用，

但是这会增加成本、占用布板 空间并增加系统的复杂性。

另一方面， 隔离式栅极驱动器

可以具有 数千伏的工作电压，

并且可以在工业和汽车 温度范围内承受

600 伏或 700 伏的 总线电压许多年。

标准制定机构限定了 交流线路谐波

电流的最大值。

提高开关频率 可以改善失真，

减小线路滤波器 和电感器尺寸，

提高功率密度 并降低成本。

对于传播延迟、脉宽 失真和部件到部件或

通道到通道计时 偏斜均较低的栅极驱动器，

可以实现 更快的开关频率。

由于电容性和 一些变压器隔离式

栅极驱动器中 使用的高频载波，

传播延迟和 计时偏斜

可以通过设计 降到非常低，

并且在工作温度和 电压范围内更加一致。

相比之下， 光电隔离器的

计时特性 通常要差得多，

特别是在考虑到 漂移温度时。

串式光伏逆变器 在许多方面

都与功率因数 校正电路类似。

但它的电力 流动特性是相反的。

逆变器直流 输入总线由转换

电路提供，

专门用于 在板级或串级

进行功率点跟踪。

直流总线输出将经过 高电压晶体管的斩波

并穿过滤波器，

从而产生与电网频率和 电压水平匹配的交流输出。

工业级串式 光伏逆变器

将许多发电板的 输出整合在一起，

并且不断推动 实现远高于 600 伏的

直流总线电压， 以尽可能较少功率

损耗并提高 发电板堆叠电压。

目前，800 伏或 1000 的 电压已经非常常见，

在不久的将来，预计 还可实现 1,500 伏的电压。

非隔离式 半桥驱动器

并不适合 未来的高电压

总线。

而隔离式栅极驱动器 却可以通过许多

现有解决方案 实现 1,500 伏的电压。

在工业级太阳能 发电应用中存在的

高电压、高功率 额定值和高环境

温度条件下，

IGBT 多年来一直 都是传统开关

晶体管的最佳选择。

但是，IGBT 在 高频下的开关速度

较慢且损耗较大， 这限制了逆变器设计的

效率和供电质量。

为了适当地过滤 低频交流线路谐波，

笨重且昂贵的 线路滤波无源器件

几乎是无可避免的。

这也就不难理解 为什么碳化硅 MOSFET

对于这些系统 越来越有吸引力。

碳化硅 MOSFET 在工作电压范围内

具有高热导性， 可以承受高电压，

可相比于 IGBT 和硅 MOSFET

大幅减少开关损耗， 且可以实现

更高的开关速度。

尤其是开关 速度的提高，

这使得具有更小线路滤波器、 更高整体效率和更出色

供电质量的更紧凑的 逆变器成为可能。

跟前面的示例中 一样，高速开关

需要具有出色 计时特性的高响应性

驱动器。

更高的开关速度 还要求具有更高的

共模瞬态抗扰度。

业内给出的回应是 压摆率为每纳秒

100 伏或更高的 隔离式栅极

驱动器。

IGBT 和碳化硅

MOSFET 对栅极驱动 电压有独特的要求 --

关断时的负偏置和 过流保护。

当今的隔离式驱动器 都具有可满足

这些驱动要求的特性。

电机驱动器属于逆变器， 就电力流动特性和

从直流到交流的 一般能量转换原理而言，

其与串式光伏 逆变器类似。

与光伏逆变器不同的是， 它必须生成电压和频率

范围均较小的 高品质交流电，

电机驱动器旨在 支持可变频率，

有时还用于实现可变电压。

电机控制方案和 拓扑多不胜数，

其中一些较为 精密和复杂。

强大的微处理器、 数字信号处理器

或 FPGA 是实现高功率 电机控制的几乎必不可少的

组成部分。

而且这种控制器 需要多个栅极驱动器。

工业电机驱动标准 要求在用户可使用的

接口和高电压 元件之间提供

增强型隔离。

而且，通过将控制器和 功率级隔离开，

有助于确保系统 能在发生故障时

进行自我保护。

集成式栅极驱动器可最大 限度地减少组件数量，

提供出色的 传播延迟和

部件对部件或 通道对通道偏斜，

并且可以很好地 抵抗开关节点瞬态。

所以，它们通常 都是明智的选择。

IGBT 是低压和 中压电机驱动器的

首选开关晶体管，

因为它们较为普遍、

具有高电压和 电流额定值，

并且可在高电流下 实现低导通损耗。

但是，IGBT 的关断 尾电流会限制 PWM 频率，

这会限制 可实现的效率，

并导致不得不使用 笨重、昂贵的散热器。

碳化硅 MOSFET 具有高电压额定值、

快速导通和关断 时间以及令人印象

深刻的热可靠性， 因此尽管它的成本

远高于 IGBT，

却使得电机驱动器 设计者对其越来越

感兴趣。

随着碳化硅解决 方案成本的降低

以及对设计 挑战的理解的

加深，碳化硅 MOSFET 有望

通过提高效率和 热性能来缩减

系统尺寸和 散热器成本。

隔离式栅极驱动器 可用于处理 IGBT 和

碳化硅电机 驱动解决方案，

从而集成晶体管 保护特性

并提供优良的 计时特性。

牵引逆变器是 电机驱动器中的

一个特殊子集， 旨在为运输电极供电。

日益繁荣的电动 汽车市场要求

我们提供可实现 前所未有的效率、

响应性和稳健性的

驱动系统。

交通运输系统的 复杂性的增加

也给人类的生活 带来了新的风险。

因此，标准制定机构 对系统安全的

重视程度也相应提高。

对于铁路、电梯、 电网连接型运输应用

以及具有高电压 电池或高电机

逆变器总线电压的 电池供电型电动车辆，

必须在高电压 电源和用户接口之间

提供增强型隔离。

但是，除了 隔离要求，

牵引逆变器 还必须能够

在故障造成严重后果之前 完成检测、诊断和恢复操作。

汽车牵引逆变器的 设计要求为隔离式

栅极驱动器的后续 发展提供了启示。

交通运输系统的 典型高工作温度、

电机驱动器 散热器所占用的

大量空间以及 安全运行所需的

更高响应性要求，

这些因素都表明 碳化硅 MOSFET 是

这些系统的自然选择。

隔离式驱动器 必须能够在整个

汽车温度范围内 提供具有稳定

计时特性的 高输出电流。

暴露于高电压下的 每个晶体管都必须

具有栅极驱动信号和 故障监测信号。

隔离式栅极 驱动器可以

使用相同的隔离

技术集成许多 需要的特性，

从而节省时间、 成本和布板空间。

设备制造商必须 构建自己的牵引逆变器，

以满足严格的 功能安全要求。

当与其他保护机制 结合使用时，

隔离式栅极驱动器

可以帮助 简化和加快

必须满足相应标准的 系统的设计过程。

在整个讲座中， 您可能已经注意到

我们在多个应用中 重复提到的几个

关键差异。

之后的讲座 将会更详细地

探讨这些 关键的区分

因素。

下一节课将讨论四个 数据表参数，

它们将决定能否在高功率 系统中实现高频转换，

我们还将讨论 这些参数的差异

对最终设备的影响。

再下一节课， 我们将会简要

介绍隔离式栅极 驱动器用于解决

应用特定型 挑战的一些特性。

本视频到此结束。

谢谢观看。

请尝试完成测验以 检查您对本视频

内容的理解。 244

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栅极驱动器的 TI 高精度实验室讲座。

在本视频中， 我们将会探索一些应用，

在这些应用中， 隔离式栅极驱动器可以

简化设计过程并解决 系统成本、稳健性和

性能方面的严峻挑战。

根据第一节课的 内容，我们将讨论的

使用隔离式栅极 驱动器的常见拓扑

包括三相功率因数校正、 串式光伏逆变器、

电机驱动器和 牵引逆变器。

本讲座将按照设计限制 条件的顺序来介绍各种系统。

功率因数校正电路 将稳定的单频交流电源转换成

稳定、干净的直流电源。

串式光伏逆变器 则与之相反，

将稳定、干净的 直流电源转换成

稳定的单频 交流电源。

电机驱动器将稳定、干净的 直流电源转换为交流电源，

但是具有用于 实现独立速度和扭矩

控制的较大潜在输出 电压和频率范围。

牵引逆变器继承了 电机驱动器的所有

现有要求，并且通常 包括运输系统特有的

新要求。

本视频中的 每个示例拓扑

都在下面具有 附加资源链接。

三相功率因数 校正电路

使用低电压 功率控制器

将来自交流 电源的输入电流

调节至与输入电压 同相的电压，

同时在输出上产生直流电压， 该直流电压可被干净地

转换为可供电动 汽车充电器或工厂

设备等高电压 系统使用的电平。

三相功率因数 校正电路

直接与交流 电网相连接。

当该设备 还包括操作

人员可使用的 接口时，各种标准

均要求在这些接口与任何 高电压电路之间提供

增强型隔离。

在临时过压、 浪涌电压、

爬电和间隙方面， 有许多标准对系统级

性能有不同的要求。

隔离式栅极驱动器 可以帮助满足这些系统

标准--

通常能够实现 超越系统中其他

组件的性能。

一些拓扑，例如 本例中的 Vienna

整流器，使用 输出为 600 伏或

更高电压直流 总线的升压配置。

标准的 600 伏 半桥驱动器

是不可用的， 因为开关节点上的过冲

可能会损坏电平转换器。

低侧驱动器可以与栅极 驱动变压器或分立式

电平转换器 一起使用，

但是这会增加成本、占用布板 空间并增加系统的复杂性。

另一方面， 隔离式栅极驱动器

可以具有 数千伏的工作电压，

并且可以在工业和汽车 温度范围内承受

600 伏或 700 伏的 总线电压许多年。

标准制定机构限定了 交流线路谐波

电流的最大值。

提高开关频率 可以改善失真，

减小线路滤波器 和电感器尺寸，

提高功率密度 并降低成本。

对于传播延迟、脉宽 失真和部件到部件或

通道到通道计时 偏斜均较低的栅极驱动器，

可以实现 更快的开关频率。

由于电容性和 一些变压器隔离式

栅极驱动器中 使用的高频载波，

传播延迟和 计时偏斜

可以通过设计 降到非常低，

并且在工作温度和 电压范围内更加一致。

相比之下， 光电隔离器的

计时特性 通常要差得多，

特别是在考虑到 漂移温度时。

串式光伏逆变器 在许多方面

都与功率因数 校正电路类似。

但它的电力 流动特性是相反的。

逆变器直流 输入总线由转换

电路提供，

专门用于 在板级或串级

进行功率点跟踪。

直流总线输出将经过 高电压晶体管的斩波

并穿过滤波器，

从而产生与电网频率和 电压水平匹配的交流输出。

工业级串式 光伏逆变器

将许多发电板的 输出整合在一起，

并且不断推动 实现远高于 600 伏的

直流总线电压， 以尽可能较少功率

损耗并提高 发电板堆叠电压。

目前，800 伏或 1000 的 电压已经非常常见，

在不久的将来，预计 还可实现 1,500 伏的电压。

非隔离式 半桥驱动器

并不适合 未来的高电压

总线。

而隔离式栅极驱动器 却可以通过许多

现有解决方案 实现 1,500 伏的电压。

在工业级太阳能 发电应用中存在的

高电压、高功率 额定值和高环境

温度条件下，

IGBT 多年来一直 都是传统开关

晶体管的最佳选择。

但是，IGBT 在 高频下的开关速度

较慢且损耗较大， 这限制了逆变器设计的

效率和供电质量。

为了适当地过滤 低频交流线路谐波，

笨重且昂贵的 线路滤波无源器件

几乎是无可避免的。

这也就不难理解 为什么碳化硅 MOSFET

对于这些系统 越来越有吸引力。

碳化硅 MOSFET 在工作电压范围内

具有高热导性， 可以承受高电压，

可相比于 IGBT 和硅 MOSFET

大幅减少开关损耗， 且可以实现

更高的开关速度。

尤其是开关 速度的提高，

这使得具有更小线路滤波器、 更高整体效率和更出色

供电质量的更紧凑的 逆变器成为可能。

跟前面的示例中 一样，高速开关

需要具有出色 计时特性的高响应性

驱动器。

更高的开关速度 还要求具有更高的

共模瞬态抗扰度。

业内给出的回应是 压摆率为每纳秒

100 伏或更高的 隔离式栅极

驱动器。

IGBT 和碳化硅

MOSFET 对栅极驱动 电压有独特的要求 --

关断时的负偏置和 过流保护。

当今的隔离式驱动器 都具有可满足

这些驱动要求的特性。

电机驱动器属于逆变器， 就电力流动特性和

从直流到交流的 一般能量转换原理而言，

其与串式光伏 逆变器类似。

与光伏逆变器不同的是， 它必须生成电压和频率

范围均较小的 高品质交流电，

电机驱动器旨在 支持可变频率，

有时还用于实现可变电压。

电机控制方案和 拓扑多不胜数，

其中一些较为 精密和复杂。

强大的微处理器、 数字信号处理器

或 FPGA 是实现高功率 电机控制的几乎必不可少的

组成部分。

而且这种控制器 需要多个栅极驱动器。

工业电机驱动标准 要求在用户可使用的

接口和高电压 元件之间提供

增强型隔离。

而且，通过将控制器和 功率级隔离开，

有助于确保系统 能在发生故障时

进行自我保护。

集成式栅极驱动器可最大 限度地减少组件数量，

提供出色的 传播延迟和

部件对部件或 通道对通道偏斜，

并且可以很好地 抵抗开关节点瞬态。

所以，它们通常 都是明智的选择。

IGBT 是低压和 中压电机驱动器的

首选开关晶体管，

因为它们较为普遍、

具有高电压和 电流额定值，

并且可在高电流下 实现低导通损耗。

但是，IGBT 的关断 尾电流会限制 PWM 频率，

这会限制 可实现的效率，

并导致不得不使用 笨重、昂贵的散热器。

碳化硅 MOSFET 具有高电压额定值、

快速导通和关断 时间以及令人印象

深刻的热可靠性， 因此尽管它的成本

远高于 IGBT，

却使得电机驱动器 设计者对其越来越

感兴趣。

随着碳化硅解决 方案成本的降低

以及对设计 挑战的理解的

加深，碳化硅 MOSFET 有望

通过提高效率和 热性能来缩减

系统尺寸和 散热器成本。

隔离式栅极驱动器 可用于处理 IGBT 和

碳化硅电机 驱动解决方案，

从而集成晶体管 保护特性

并提供优良的 计时特性。

牵引逆变器是 电机驱动器中的

一个特殊子集， 旨在为运输电极供电。

日益繁荣的电动 汽车市场要求

我们提供可实现 前所未有的效率、

响应性和稳健性的

驱动系统。

交通运输系统的 复杂性的增加

也给人类的生活 带来了新的风险。

因此，标准制定机构 对系统安全的

重视程度也相应提高。

对于铁路、电梯、 电网连接型运输应用

以及具有高电压 电池或高电机

逆变器总线电压的 电池供电型电动车辆，

必须在高电压 电源和用户接口之间

提供增强型隔离。

但是，除了 隔离要求，

牵引逆变器 还必须能够

在故障造成严重后果之前 完成检测、诊断和恢复操作。

汽车牵引逆变器的 设计要求为隔离式

栅极驱动器的后续 发展提供了启示。

交通运输系统的 典型高工作温度、

电机驱动器 散热器所占用的

大量空间以及 安全运行所需的

更高响应性要求，

这些因素都表明 碳化硅 MOSFET 是

这些系统的自然选择。

隔离式驱动器 必须能够在整个

汽车温度范围内 提供具有稳定

计时特性的 高输出电流。

暴露于高电压下的 每个晶体管都必须

具有栅极驱动信号和 故障监测信号。

隔离式栅极 驱动器可以

使用相同的隔离

技术集成许多 需要的特性，

从而节省时间、 成本和布板空间。

设备制造商必须 构建自己的牵引逆变器，

以满足严格的 功能安全要求。

当与其他保护机制 结合使用时，

隔离式栅极驱动器

可以帮助 简化和加快

必须满足相应标准的 系统的设计过程。

在整个讲座中， 您可能已经注意到

我们在多个应用中 重复提到的几个

关键差异。

之后的讲座 将会更详细地

探讨这些 关键的区分

因素。

下一节课将讨论四个 数据表参数，

它们将决定能否在高功率 系统中实现高频转换，

我们还将讨论 这些参数的差异

对最终设备的影响。

再下一节课， 我们将会简要

介绍隔离式栅极 驱动器用于解决

应用特定型 挑战的一些特性。

本视频到此结束。

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