可再生能源应用中的栅极驱动器设计

引言

对电能转换而言，可再生能源电子细分市场是一个复杂且多样化的竞技场。在一些负载点应用中，开关型功率转换器通常为非隔离式，功率水平相当低(200 W)，并且常常会把电源从一个DC电压转换到另一个，例如：12V转换为3.3V.另外，功率级开关为集成式，也即能够通过低电流控制器或者晶体管驱动。今天，控制器和功率级之间的整合正在成为现实。硅(Si)MOSFET在这一市场中起主导作用，因为人们喜欢更高的开关频率，它可以达到1MHz以上的速度。这些功率开关通常均由一个5V或者12V IC栅极驱动器或类似解决方案来驱动。

高效管理可再生能源系统的挑战

在某个风或者光伏发电机的电力系统中，存在一些特殊的性能问题。使用微型逆变器时典型可再生能源功率水平为1到3kW,串型逆变器为3到10kW,而大型中央式逆变器站则为10kW到1MW.除DC到DC转换以外，还可使用DC到AC和AC到DC转换，有时也可两者组合使用。

老式的风力发电机直接连接电网，只能工作在电力线频率下。在经过许多作业点以后，它们变得很低效。新型的风力发电机(图1)常常把AC转换为DC,然后再把DC转换回AC,这样风力发电机便可工作在各种速度下，从而获得最大效率。

相反，光伏电池产生DC电压/电流。一般而言，先升高电压，然后通过一个DC到AC逆变器发送，最后再连接电网。

可再生能源发展趋势

对于世界上的大多数国家而言，利用风和太阳能生产的清洁能源都仅为其能源的很小一部分。近年来，可再生能源获得了持续的发展。在一些地方，可再生能源已经占有很大一部分。例如，根据丹麦能源局数据，在2012年上半年， 丹麦所生产的全国总电量中约有34%为风力发电。丹麦能源局的上级部栅极丹麦气候、能源与建筑部发布消息称，到2020年，丹麦的风力发电将占到总能源的50%.当风力发电在一个国家总能源中占有较大比重时，转换系统的可靠性变得至关重要。除此以外，还有高功率电网连接、电隔离安全要求和大型可再生能源转换系统的成本问题。这意味着，系统可靠性始终都是设计优先考虑因素，其次是效率问题。因此，在所有层面(从控制器到FET/IGBT驱动器本身)，保护功能和可靠性都是优先考虑项。

典型电源管理结构

高功率电平带来更高的系统电压，因此转换器内所用各种组件的切断电压也更高。为了降低400V以上电压的功率损耗，大多数电路设计人员更喜欢使用绝缘栅极双极型晶体管(IGBT)，或者最新的碳化硅(SiC)FET.这些器件的切断电压可高达1200V,并且相比等效Si MOSFET拥有更低的“导通”电阻。这些复杂的电源系统通常由一个数字信号处理器、一个微控制器或者一个专用数字电源控制器来管理。因此，它们常常会要求同时将电和信号都隔离于功率级的高噪声开关环境。即使在稳态开关周期内，电路的电压和电流也会剧烈变化，形成明显的接地跳动。

图1:风力发电机到电网的简化电力传输流程图

图2表明，即使是一个单相DC到AC逆变器，也需要许多栅极驱动器，以正确地在功率级中对IGBT进行开关操作。作为一种单通道栅极驱动器，只要具有必需的信号和偏压隔离，德州仪器UCC27531就能驱动开关桥的任何开关。利用一个光耦合器或者数字隔离器，实现信号隔离。对于偏压隔离，设计人员可以使用一种带二极管和电容器的自举电路，或者一个隔离式偏压电源。另一种方法是，与控制器一样，连接同一个隔离端上的栅极驱动器，然后通过栅极驱动器后面的一个栅极变压器驱动开关。这种方法允许通过控制端上一个非隔离式电源，对驱动器进行偏置。

图2:单相逆变器基本结构