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OBC DC/DC SiC MOSFET驅(qū)動(dòng)選型及供電設(shè)計(jì)要點(diǎn)

發(fā)布時(shí)間:2023-01-05 來源:TI 責(zé)任編輯:wenwei

【導(dǎo)讀】新能源汽車動(dòng)力域高壓化、小型化、輕型化是大勢(shì)所趨。更高的電池電壓如800V系統(tǒng)要求功率器件具有更高的耐壓小型化要求功率拓?fù)渚哂懈叩拈_關(guān)頻率。碳化硅(SiC)作為第三代半導(dǎo)體代表,具有高頻率、高效率、小體積等優(yōu)點(diǎn),更適合車載充電機(jī)OBC、直流變換器 DC/DC、電機(jī)控制器等應(yīng)用場(chǎng)景高頻驅(qū)動(dòng)和高壓化的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)。本文主要針對(duì)SiC MOSFET的應(yīng)用特點(diǎn),介紹了車載充電機(jī)OBC和直流變換器DC/DC應(yīng)用中的SiC MOSFET的典型使用場(chǎng)景,并針對(duì)SiC MOSFET的特性推薦了驅(qū)動(dòng)芯片方案。最后,本文根據(jù)SiC MOSFET驅(qū)動(dòng)對(duì)供電的特殊要求,對(duì)不同供電設(shè)計(jì)方案的優(yōu)劣勢(shì)進(jìn)行了分析。


1. OBC DC/DC 中SiC MOSFET 應(yīng)用場(chǎng)景


1.1     OBC DC/DC 常見功率級(jí)架構(gòu)


車載充電機(jī)OBC和高壓直流變換器DC/DC組合為常見的動(dòng)力總成組合形式,兩者可以共享機(jī)械外殼和冷卻系統(tǒng),提高功率密度,優(yōu)化成本。


OBC通常分為PFC 和DC/DC兩級(jí)。PFC級(jí)為并網(wǎng)的AC/DC變換器,將輸入的單相或三相交流電變換為直流母線電壓。受電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)置分布的影響,在中國(guó)單相交流電樁更為普遍,而在國(guó)外其它區(qū)域如歐洲,三相交流充電在逐漸成為主流。對(duì)于單相交流輸入的PFC,其輸出直流母線電壓通常為400-600V,而對(duì)于三相輸入的PFC,其輸出直流母線電壓通常為700-1000V。由于單級(jí)PFC輸出的直流電流有比較大的低頻波動(dòng),所以典型的OBC系統(tǒng)在PFC級(jí)后還有會(huì)DC/DC變換器級(jí),其輸出給車載高壓動(dòng)力電池供電。對(duì)于常見的400V或800V電池系統(tǒng),OBC輸出電壓通常為230-450V與450-900V。


由于車載用電設(shè)備大部分為低壓供電,所以動(dòng)力域還需直流DC/DC變換器將高壓動(dòng)力電池的能量變化為低壓,為12V 負(fù)載系統(tǒng)及12V電池供電。


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Figure 1. OBC DC/DC常見功率級(jí)架構(gòu)


1.2     400V 電壓平臺(tái) OBC DC/DC 系統(tǒng)中SiC MOSFET應(yīng)用場(chǎng)景


目前新能源汽車動(dòng)力域高壓化是大勢(shì)所趨,但受電池成本高昂等因素影響,目前400V 依然是業(yè)界主流選擇的動(dòng)力電池電壓等級(jí)。 下面將分別介紹在400V電壓平臺(tái)下,單相和三相OBC系統(tǒng)中SiC MOSFET的使用場(chǎng)景。


1.2.1 400V 單相OBC 系統(tǒng)中SiC MOSFET應(yīng)用場(chǎng)景


在400V 單相交流輸入的OBC DC/DC 系統(tǒng)中,不論是PFC輸出的直流母線電壓還是OBC整體輸出的電池電壓,其波動(dòng)范圍都在Si硅基MOSEFT可以承受的電壓范圍之內(nèi)。然而,隨著對(duì)系統(tǒng)功率密度要求的逐步提升,傳統(tǒng)二極管整流橋Boost PFC電路不能再滿足效率和散熱的要求,無橋PFC如圖騰柱PFC在逐步成為業(yè)界主流。在圖騰柱PFC拓?fù)渲?,可以利用碳化硅SiC MOSFET高頻開關(guān)、反向恢復(fù)低和導(dǎo)通電阻小的優(yōu)勢(shì),大大提升系統(tǒng)效率和功率密度,如圖2所示。


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Figure 2. 400V系統(tǒng)單相圖騰柱PFC拓?fù)渲蠸iC MOSFET應(yīng)用場(chǎng)景


圖騰柱PFC通常由快橋臂和慢橋臂組成,快橋臂由SiC MOSFET構(gòu)成,通常開關(guān)頻率可高達(dá)100kHz。 慢橋臂開關(guān)頻率為工頻,即45-65Hz。對(duì)于單向OBC而言,慢橋臂可使用二極管。對(duì)于雙向OBC,即需要高壓電池反向向電網(wǎng)或負(fù)載饋電的場(chǎng)景下,慢橋臂需要使用Si MOSFET或Si IGBT以支持能量的反向傳輸。為了進(jìn)一步減小紋波和前級(jí)濾波器的體積,也可采用兩相快橋臂交錯(cuò)并聯(lián)的方式。圖3和圖4以雙向OBC為例,示意了SiC MOSFET在圖騰柱和交錯(cuò)并聯(lián)圖騰柱電路中的用法。


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Figure 3. 圖騰柱PFC SiC MOSFET快管應(yīng)用場(chǎng)景


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Figure 4. 交錯(cuò)并聯(lián)圖騰柱PFC SiC MOSFET快管應(yīng)用場(chǎng)景


1.2.2 400V 三相OBC系統(tǒng)中SiC MOSFET應(yīng)用場(chǎng)景


對(duì)于三相交流輸入的OBC系統(tǒng),其PFC輸出的母線電壓通??赡芨哌_(dá)900V。在這種情況下,考慮到高耐壓與高效率的要求,通常選用SiC MOSFET而非Si IGBT作為開關(guān)管。OBC的PFC及與DCDC級(jí)的原邊側(cè)都需使用SiC MOSFET,如圖5所示。圖6展示了以400V電壓平臺(tái),11kW雙向OBC為例的系統(tǒng)中SiC MOSFET的使用位置。


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Figure 5. 400V 三相OBC DC/DC 系統(tǒng)中SiC MOSFET 應(yīng)用場(chǎng)景


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Figure 6. 400V 三相11kW雙向OBC中SiC MOSFET應(yīng)用場(chǎng)景


1.3     800V 電壓平臺(tái) OBC DC/DC 系統(tǒng)中SiC MOSFET應(yīng)用場(chǎng)景


在相同充電電流情況下,電池電壓從400V升級(jí)到800V后充電速率可以加倍。為了滿足大功率快充,動(dòng)力域也需要持續(xù)向高壓化演進(jìn)。當(dāng)動(dòng)力電池電壓平臺(tái)升級(jí)到800V,OBC及DC/DC電源產(chǎn)品都需要從400V等級(jí)提升到800V 電壓等級(jí)平臺(tái)。此時(shí)不論是單相或三相系統(tǒng),OBC 的兩級(jí)和高壓轉(zhuǎn)低壓 DC/DC高壓側(cè)的開關(guān)管都需要使用更高耐壓的SiC MOSFET器件以滿足系統(tǒng)電壓等級(jí)的要求下,如圖7所示。圖8以800V電壓平臺(tái)下三相OBC及移相全橋DC/DC拓?fù)錇槔?,說明了系統(tǒng)中SiC MOSFET的使用位置。


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Figure 7. 800V OBC DC/DC SiC MOSFET 應(yīng)用場(chǎng)景


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Figure 8. 800V 三相OBC 及移相全橋DCDC SiC MOSFET 應(yīng)用位置


2. SiC MOSFET應(yīng)用特點(diǎn)


2.1     SiC MOSFET應(yīng)用特點(diǎn)


如前文所述,SiC MOSFET在OBC DC/DC 系統(tǒng)中的應(yīng)用場(chǎng)景多為高電壓和高開關(guān)速率的場(chǎng)合,因而在開關(guān)時(shí)的dVds/dt比普通Si MOSFET顯著增加。以橋式電路為例,在上管快速開通、下管關(guān)斷時(shí),下管的Vds會(huì)升高,此時(shí)電荷通過米勒電容Cgd轉(zhuǎn)移至下管門極,會(huì)造成門級(jí)電壓出現(xiàn)一個(gè)小的尖峰。根據(jù)廠家和溝道技術(shù)的不同,SiC MOSFET的閾值電壓一般為2V至5V。如果在這一過程中串?dāng)_造成的電壓抬升幅度超過了SiC MOSFET開通的閾值電壓,可能會(huì)造成下橋臂的誤開通,從而導(dǎo)致上下橋臂直通,造成系統(tǒng)短路損壞等嚴(yán)重后果1。


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Figure 9. 高dv/dt造成SiC MOSFET誤開通


2.1     SiC MOSFET驅(qū)動(dòng)選型要點(diǎn)


2.2.1 負(fù)壓驅(qū)動(dòng)


為了規(guī)避開關(guān)過程中產(chǎn)生的橋臂直通風(fēng)險(xiǎn),通常SiC MOSFET需要使用正負(fù)壓驅(qū)動(dòng),即通過負(fù)壓關(guān)斷確保關(guān)斷過程中即使出現(xiàn)小的電壓尖峰,也不會(huì)超過閾值電壓致使MOSFET開通,如下圖10所示。


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Figure 10. SiC MOSFET負(fù)壓驅(qū)動(dòng)防止誤開通


2.2.2 米勒鉗位


另一種常見的防止SiC MOSFET誤開通的方式是搭建米勒鉗位電路或使用具有米勒鉗位功能的芯片,如TI的單通道隔離驅(qū)動(dòng)芯片UCC5350-Q12等。


如圖11所示,米勒鉗位功能主要通過采樣?xùn)艠O的電壓并與閾值電壓相比較,當(dāng)柵極電壓低于閾值電壓后比較器反轉(zhuǎn),使得內(nèi)置的米勒鉗位MOSFET導(dǎo)通,形成一條低導(dǎo)通阻抗的路徑。這條低阻抗路徑可以將SiC MOSFET柵極有力關(guān)斷,從而避免誤導(dǎo)通。


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Figure 11. 內(nèi)置米勒鉗位功能的驅(qū)動(dòng)芯片防止MOSFET誤開通


設(shè)計(jì)米勒鉗位電路也需要注意驅(qū)動(dòng)芯片需要盡量靠近開關(guān)管。如果布板不夠優(yōu)化,米勒鉗位回路過大,可能會(huì)由于走線上寄生參數(shù)的影響,使得低阻抗路徑不夠有效,反而會(huì)增大柵極震蕩。


2.2.3 欠壓保護(hù)點(diǎn)UVLO


SiC MOSFET具有高功率密度的特性, 一般會(huì)使用較高的驅(qū)動(dòng)電壓以使得MOSFET完全開通,從而得到最小的導(dǎo)通電阻,最低的導(dǎo)通損耗和最大的電流輸送能力。驅(qū)動(dòng)芯片的欠壓保護(hù)點(diǎn)UVLO決定了開關(guān)管可以正常工作時(shí)最小的驅(qū)動(dòng)電壓3。如上述2.2.1小節(jié)所屬,為了防止SiC MOSFET的誤開通,SiC MOSFET驅(qū)動(dòng)一般會(huì)使用負(fù)電壓供電。此時(shí)需要注意,對(duì)于大部分無單獨(dú)COM腳的驅(qū)動(dòng)芯片來說,芯片的UVLO通常參考的是芯片VEE/VSS 腳。


以SiC MOSFET C3M0016120K4為例,其導(dǎo)通閾值典型值為Vth=2.5V,以系統(tǒng)設(shè)置負(fù)壓驅(qū)動(dòng)為-5V為例。如果使用8V UVLO的驅(qū)動(dòng)芯片,實(shí)際SiC MOSFET可以工作的Vgsmin為8V-5V=3V,僅略高于芯片的導(dǎo)通閾值,此時(shí)SiC MOSFET的導(dǎo)通阻抗由完全開通是的16m?上升至?級(jí)??梢钥闯鯯iC MOSFET驅(qū)動(dòng)電壓不足時(shí),導(dǎo)通阻抗會(huì)迅速提高,可能造成系統(tǒng)短時(shí)間內(nèi)迅速過熱,對(duì)MOSFET長(zhǎng)期可靠性和系統(tǒng)安全都有極為不利的影響。因而一般建議選擇欠壓保護(hù)點(diǎn)UVLO為12V的芯片,如TI的UCC21530-Q15 或UCC5350-Q1, 從而對(duì)SiC MOSFET驅(qū)動(dòng)供電進(jìn)行及時(shí)保護(hù),減小此類風(fēng)險(xiǎn)。


3. SiC MOSFET驅(qū)動(dòng)供電方案


3.1     自舉供電電路


如前文所述,SiC MOSFET驅(qū)動(dòng)芯片一般需要足夠的正向驅(qū)動(dòng)電壓,以保證MOSFET完全開通,同時(shí)也需要負(fù)壓進(jìn)行有效關(guān)斷,防止串?dāng)_。如果使用傳統(tǒng)的自舉通電的方式,由于自舉供電電壓建立需要時(shí)間,可能會(huì)存在前幾個(gè)周期開通關(guān)斷電壓不足6。


3.2     基于雙路低邊驅(qū)動(dòng)芯片的隔離供電方案


為了避免此類問題,可采用隔離供電的方式給SiC MOSFET驅(qū)動(dòng)供電, 常見的方式有全橋諧振電路等。業(yè)界主流方式為用雙路低邊驅(qū)動(dòng)如TI 的UCC27524-Q17 的兩路輸出直接驅(qū)動(dòng)變壓器實(shí)現(xiàn)隔離供電,如下圖12所示。


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Figure 12. 使用雙路低邊驅(qū)動(dòng)構(gòu)建隔離供電電路


然而,使用雙路低邊驅(qū)動(dòng)芯片如UCC27524-Q1驅(qū)動(dòng)脈沖變壓器,搭建隔離供電電路有以下幾點(diǎn)局限性:


●   首先,這種方式需要MCU或DSP提供驅(qū)動(dòng)的輸入信號(hào),而輔源供電部分與主控芯片信號(hào)電路部分通常距離較遠(yuǎn),走線較長(zhǎng)。輸入走線上寄生的電感和電阻容易在芯片輸入管腳耦合噪聲,超過芯片輸入規(guī)格要求,需要增加額外的輸入側(cè)防護(hù)。


●   另外,不同于驅(qū)動(dòng)MOSFET結(jié)電容的容性負(fù)載,驅(qū)動(dòng)芯片驅(qū)動(dòng)變壓器等感性負(fù)載時(shí),輸出承受負(fù)壓和反向電流的能力有限,因而常常需要在驅(qū)動(dòng)輸出測(cè)進(jìn)行有效保護(hù)。


需要注意的是,UCC27524-Q1等芯片的輸出負(fù)向耐壓一般為二極管壓降0.3V。這時(shí)如果選擇普通PN二極管,其較大的正向?qū)▔航?~0.7V) 常常使其不能在超出負(fù)向耐壓限值時(shí)及時(shí)起到保護(hù)作用。通常建議選擇正向?qū)▔航蹈〉男ぬ鼗O管進(jìn)行負(fù)電壓的有效鉗位, 如BAT54S8.


針對(duì)這一應(yīng)用場(chǎng)景和典型電路,TI推出了新一代產(chǎn)品UCC27624-Q19,提升了輸入側(cè)負(fù)壓耐受能力至-10V,輸出負(fù)壓耐受能力提升為-2V,與輸出反向脈沖電流承受能力。使用UCC27624-Q1后,可以不需上圖中紅框標(biāo)出的鉗位保護(hù)電路,大大減小系統(tǒng)成本和板面積。關(guān)于此方案更加詳細(xì)的描述可以參考此篇E2E文章10。


3.3     基于開環(huán)LLC 拓?fù)銾CC25800-Q1的隔離供電方案


盡管UCC27624-Q1芯片的魯棒性和管腳電應(yīng)力承受能力更強(qiáng),但是此方案仍然有其應(yīng)用的局限性。因?yàn)樽儔浩髀└猩袭a(chǎn)生的壓降會(huì)影響驅(qū)動(dòng)電壓,占空比和系統(tǒng)EMI表現(xiàn),對(duì)系統(tǒng)應(yīng)用不利。工程師一般為了減小漏感,對(duì)變壓器會(huì)采用三明治繞法。這種繞制方式會(huì)增加變壓器的層間電容,對(duì)SiC MOSFET高電壓和高dVdT應(yīng)用工況下更加嚴(yán)苛的CMTI要求不利。針對(duì)上述應(yīng)用的局限性,TI推出了LLC控制芯片UCC25800-Q111作為驅(qū)動(dòng)變壓器隔離供電方案。


LLC拓?fù)渲?,變壓器漏感可以作為電路的一部分參與諧振,因而不需要刻意優(yōu)化。這時(shí)變壓器可以使用分立式繞法12。這種繞制方法的分布電容可以做到低于2pF,漏感參與LLC電路諧振,便于系統(tǒng)EMI整體性能的優(yōu)化,且CMTI可以做到高于150V/ns。


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Figure 13. 分立式變壓器繞法


另外,UCC25800-Q1設(shè)計(jì)時(shí)不需要額外來自MCU/DSP的輸入信號(hào),因此不受主控芯片布板位置的影響。直接通過調(diào)節(jié)外部電阻即可調(diào)整開關(guān)頻率,外圍設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單。同時(shí),其輸出級(jí)專為驅(qū)動(dòng)變壓器類感性負(fù)載設(shè)計(jì),天然承受負(fù)壓與反向電流的能力更強(qiáng)。在LLC電路變壓器副邊側(cè),僅需使用兩顆二極管,相比于基于雙路驅(qū)動(dòng)的方案節(jié)省了兩顆二極管的成本13。


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Figure 14. 基于UCC25800-Q1的驅(qū)動(dòng)供電方案


參考文獻(xiàn)


1. SiC Gate Drivers Fundamentals e-book (SLYY169)

2. UCC5350-Q1 datasheet (SLUSE29D)

3. Why is high UVLO important for safe IGBT and SiC MOSFET power switch operation (SLUA944)

4. C3M0016120K datasheet

5. UCC21530-Q1 datasheet (SLUSDG3D)

6. https://e2e.ti.com/support/power-management-group/power-management/f/power-management-forum/930831/faq-ucc21520-what-do-i-need-to-know-about-power-up-delay-when-designing-a-driver-bootstrap-supply

7. UCC27524-Q1 datasheet (SLVSCC1B)

8. BAT54S datasheet

9. UCC27624-Q1 datasheet (SLUSES4B)

10. https://e2echina.ti.com/blogs_/b/power_house/posts/53437

11. UCC25800-Q1 datasheet (SLUSDX3B)

12. Isolated bias supply solutions for isolated gate drivers (SLYP832)

13. Bias Supply Design for Isolated Gate Driver Using UCC25800-Q1 Open-Loop LLC Transformer Driver (SLUAAB9A)


來源:TI

作者:Scarlett Cao



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