提高 SiC 逆變器和其他應用中隔離偏置電源的共模瞬態(tài)電壓抗擾度 (CMTI)

時間：2024-09-17 19:31:00

關鍵字： SiC 逆變器

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[導讀]近年來，碳化硅 (SiC) 場效應晶體管 (FET) 在牽引逆變器設計中的使用顯著增加。其主要原因是 SiC FET 可以在高開關頻率下工作，從而在保持高效率的同時提高功率密度。另一方面，SiC 逆變器可以產生大于 100V/ns 的大瞬態(tài)電壓 (dv/dt) 信號，引發(fā)人們對共模瞬態(tài)電壓抗擾度 (CMTI) 的擔憂。這在設計逆變器柵極驅動器的隔離偏置電源時提出了新的挑戰(zhàn)。

近年來，碳化硅 (SiC) 場效應晶體管 (FET) 在牽引逆變器設計中的使用顯著增加。其主要原因是 SiC FET 可以在高開關頻率下工作，從而在保持高效率的同時提高功率密度。另一方面，SiC 逆變器可以產生大于 100V/ns 的大瞬態(tài)電壓 (dv/dt) 信號，引發(fā)人們對共模瞬態(tài)電壓抗擾度 (CMTI) 的擔憂。這在設計逆變器柵極驅動器的隔離偏置電源時提出了新的挑戰(zhàn)。

隔離式偏置電源有多種拓撲結構，但初級側調節(jié) (PSR) 反激式轉換器可提供最佳的性價比。該拓撲具有外部元件數量少、輸出電壓調節(jié)嚴格、無光耦合器、高效率和可靠的電流隔離等特點。通過利用有效的 CMTI 改進方法，PSR 反激式可以繼續(xù)與 SiC FET 和隔離式偏置電源結合使用，從而有助于提高 SiC 逆變器中 PSR 反激式的容差。

使用PSR反激式作為隔離偏置電源

圖 1顯示了牽引逆變器應用中使用TI LM5180轉換器的PSR反激式轉換器拓撲。所有 PSR 反激器件(例如LM5181、LM25180、LM25183和LM25184轉換器以及 LM5185 控制器)均與LM5180共享通用架構。這些產品之間的主要區(qū)別在于它們可以處理的功率大小。

圖 1 僅顯示了兩個輸出軌，它們?yōu)槟孀兤?SiC FET 的一個高側驅動器提供偏置電壓。還可以通過將更多繞組耦合到變壓器來添加額外的隔離輸出。用虛線顯示的部件是支持附加功能的可選部件。

圖 1 ：牽引逆變器的PSR反激偏置電源

傳統(tǒng)的反激式轉換器通常需要次級側的光耦合器和電壓基準(例如TI 的TLV431 )來形成反饋電路，以實現嚴格的輸出調節(jié)。相比之下，PSR 反激式轉換器通過變壓器的初級繞組感測輸出電壓，并通過隔離電壓軌提供嚴格的輸出電壓調節(jié)，從而無需光耦合器或次級反饋電路。其結果是一個簡單的偏置電源解決方案，具有出色的性價比。

具體地，輸出電壓由下面的等式1和等式2確定。這里我們假設V o1是主要輸出(功率較大)。

這里，1.21V是轉換器IC的參考電壓。 N P、N S1、N S2分別是相應變壓器繞組的匝數。 R FB和R SET分別是輸出電壓檢測電阻和調節(jié)設置電阻。 V D1和V D2分別是兩個輸出二極管的正向壓降。

對于 LM5180、LM5181、LM5183、LM5184，R SET通常固定為 12.1kΩ;對于 LM5185，R SET 通常固定為 10kΩ。因此，方程 1 可以重寫為：

公式 3顯示，如果流經 R FB 的100μA 工作電流不受噪聲影響，則輸出電壓將保持穩(wěn)定。

CMTI挑戰(zhàn)

如圖 2 所示，當 SiC FET 在納秒 (ns) 內切換時，逆變器橋臂的開關節(jié)點(也是 SiC FET 驅動器的浮動接地)會以超過 100V/ns 的壓擺率發(fā)生變化。

圖 2 ：由標準 PSR反激式偏置電源產生的 CMTI

浮動接地引起的大 dv/dt 會導致隔離偏置電源出現共模瞬態(tài) (CMT)。圖 2 還顯示，該 CMT 會產生 CMT 電流，該電流通過變壓器的寄生電容器(用虛線表示)流至初級側。該CMT電流的一部分流過R FB，影響穩(wěn)定工作。

圖 3 顯示了受 CMTI 影響的正常 PSR 反激的典型波形。這是使用標準LM5180EVM-S05 評估板 (EVM) 捕獲的。黃色波形是 SiC 橋臂的 CMT。紅色波形是 PSR 反激式 SW 引腳上的電壓。

下面解釋該間歇開關操作。 PSR 反激輸出采樣保持周期內的 CMT 會影響反饋信號。這是因為 CMT 電流貢獻了公式 3 所示的 100μA 工作電流。受影響的反饋信號可能導致轉換器錯誤地偏離穩(wěn)定運行。其結果是間歇性開關和向輸出的穩(wěn)定電力傳輸中斷。輸出電壓可能會下降，從而影響SiC逆變器的運行。

圖 3 ：受 CMT 影響的PSR反激式(縱軸：通道1 = 100V步長，通道2 = 10V步長;橫軸：50 μs步長)

改進PSR反激式中的CMTI

圖 4 顯示了所提出的 CMTI 改進方法。該方法在之間引腳VIN和兩個反饋電阻添加一個與 R FB 串聯的電阻 (R 1 )和一個陶瓷電容器 (C 1 )。該電阻和電容形成一個低通濾波器，減少CMT電流對流過R FB 的100μA工作電流的影響?？蛇x的第二個濾波電容器(C2連接到R SET引腳)可以進一步增強緩解效果。