可再生能源應用中的柵極驅動器設計

引言

對電能轉換而言，可再生能源電子細分市場是一個復雜且多樣化的競技場。在一些負載點應用中，開關型功率轉換器通常為非隔離式，功率水平相當?shù)?200 W)，并且常常會把電源從一個DC電壓轉換到另一個，例如：12V轉換為3.3V.另外，功率級開關為集成式，也即能夠通過低電流控制器或者晶體管驅動。今天，控制器和功率級之間的整合正在成為現(xiàn)實。硅(Si)MOSFET在這一市場中起主導作用，因為人們喜歡更高的開關頻率，它可以達到1MHz以上的速度。這些功率開關通常均由一個5V或者12V IC柵極驅動器或類似解決方案來驅動。

高效管理可再生能源系統(tǒng)的挑戰(zhàn)

在某個風或者光伏發(fā)電機的電力系統(tǒng)中，存在一些特殊的性能問題。使用微型逆變器時典型可再生能源功率水平為1到3kW,串型逆變器為3到10kW,而大型中央式逆變器站則為10kW到1MW.除DC到DC轉換以外，還可使用DC到AC和AC到DC轉換，有時也可兩者組合使用。

老式的風力發(fā)電機直接連接電網，只能工作在電力線頻率下。在經過許多作業(yè)點以后，它們變得很低效。新型的風力發(fā)電機(圖1)常常把AC轉換為DC,然后再把DC轉換回AC,這樣風力發(fā)電機便可工作在各種速度下，從而獲得最大效率。

相反，光伏電池產生DC電壓/電流。一般而言，先升高電壓，然后通過一個DC到AC逆變器發(fā)送，最后再連接電網。

可再生能源發(fā)展趨勢

對于世界上的大多數(shù)國家而言，利用風和太陽能生產的清潔能源都僅為其能源的很小一部分。近年來，可再生能源獲得了持續(xù)的發(fā)展。在一些地方，可再生能源已經占有很大一部分。例如，根據(jù)丹麥能源局數(shù)據(jù)，在2012年上半年， 丹麥所生產的全國總電量中約有34%為風力發(fā)電。丹麥能源局的上級部柵極丹麥氣候、能源與建筑部發(fā)布消息稱，到2020年，丹麥的風力發(fā)電將占到總能源的50%.當風力發(fā)電在一個國家總能源中占有較大比重時，轉換系統(tǒng)的可靠性變得至關重要。除此以外，還有高功率電網連接、電隔離安全要求和大型可再生能源轉換系統(tǒng)的成本問題。這意味著，系統(tǒng)可靠性始終都是設計優(yōu)先考慮因素，其次是效率問題。因此，在所有層面(從控制器到FET/IGBT驅動器本身)，保護功能和可靠性都是優(yōu)先考慮項。

典型電源管理結構

高功率電平帶來更高的系統(tǒng)電壓，因此轉換器內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)電路設計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1200V,并且相比等效Si MOSFET擁有更低的“導通”電阻。這些復雜的電源系統(tǒng)通常由一個數(shù)字信號處理器、一個微控制器或者一個專用數(shù)字電源控制器來管理。因此，它們常常會要求同時將電和信號都隔離于功率級的高噪聲開關環(huán)境。即使在穩(wěn)態(tài)開關周期內，電路的電壓和電流也會劇烈變化，形成明顯的接地跳動。

圖1:風力發(fā)電機到電網的簡化電力傳輸流程圖

圖2表明，即使是一個單相DC到AC逆變器，也需要許多柵極驅動器，以正確地在功率級中對IGBT進行開關操作。作為一種單通道柵極驅動器，只要具有必需的信號和偏壓隔離，德州儀器UCC27531就能驅動開關橋的任何開關。利用一個光耦合器或者數(shù)字隔離器，實現(xiàn)信號隔離。對于偏壓隔離，設計人員可以使用一種帶二極管和電容器的自舉電路，或者一個隔離式偏壓電源。另一種方法是，與控制器一樣，連接同一個隔離端上的柵極驅動器，然后通過柵極驅動器后面的一個柵極變壓器驅動開關。這種方法允許通過控制端上一個非隔離式電源，對驅動器進行偏置。

圖2:單相逆變器基本結構