引言

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

高效管理可再生能源系統的挑戰

在某個(gè)風(fēng)或者光伏發(fā)電機的電力系統中，存在一些特殊的性能問(wèn)題。使用微型逆變器時(shí)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(shí)也可兩者組合使用。

老式的風(fēng)力發(fā)電機直接連接電網(wǎng)，只能工作在電力線(xiàn)頻率下。在經(jīng)過(guò)許多作業(yè)點(diǎn)以后，它們變得很低效。新型的風(fēng)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(fēng)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(chǎn)生DC電壓/電流。一般而言，先升高電壓，然后通過(guò)一個(gè)DC到AC逆變器發(fā)送，最后再連接電網(wǎng)。

可再生能源發(fā)展趨勢

對于世界上的大多數國家而言，利用風(fēng)和太陽(yáng)能生產(chǎn)的清潔能源都僅為其能源的很小一部分。近年來(lái)，可再生能源獲得了持續的發(fā)展。在一些地方，可再生能源已經(jīng)占有很大一部分。例如，根據丹麥能源局數據，在2012年上半年， 丹麥所生產(chǎn)的全國總電量中約有34%為風(fēng)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(chēng)，到2020年，丹麥的風(fēng)力發(fā)電將占到總能源的50%。當風(fēng)力發(fā)電在一個(gè)國家總能源中占有較大比重時(shí)，轉換系統的可靠性變得至關(guān)重要。除此以外，還有高功率電網(wǎng)連接、電隔離安全要求和大型可再生能源轉換系統的成本問(wèn)題。這意味著(zhù)，系統可靠性始終都是設計優(yōu)先考慮因素，其次是效率問(wèn)題。因此，在所有層面（從控制器到FET/IGBT驅動(dòng)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(lái)更高的系統電壓，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通常由一個(gè)數字信號處理器、一個(gè)微控制器或者一個(gè)專(zhuān)用數字電源控制器來(lái)管理。因此，它們常常會(huì )要求同時(shí)將電和信號都隔離于功率級的高噪聲開(kāi)關(guān)環(huán)境。即使在穩態(tài)開(kāi)關(guān)周期內，電路的電壓和電流也會(huì )劇烈變化，形成明顯的接地跳動(dòng)。

圖 1 風(fēng)力發(fā)電機到電網(wǎng)的簡(jiǎn)化電力傳輸流程圖

圖2表明，即使是一個(gè)單相DC到AC逆變器，也需要許多柵極驅動(dòng)器，以正確地在功率級中對IGBT進(jìn)行開(kāi)關(guān)操作。作為一種單通道柵極驅動(dòng)器，只要具有必需的信號和偏壓隔離，德州儀器UCC27531就能驅動(dòng)開(kāi)關(guān)橋的任何開(kāi)關(guān)。利用一個(gè)光耦合器或者數字隔離器，實(shí)現信號隔離。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(gè)隔離式偏壓電源。另一種方法是，與控制器一樣，連接同一個(gè)隔離端上的柵極驅動(dòng)器，然后通過(guò)柵極驅動(dòng)器后面的一個(gè)柵極變壓器驅動(dòng)開(kāi)關(guān)。這種方法允許通過(guò)控制端上一個(gè)非隔離式電源，對驅動(dòng)器進(jìn)行偏置。

圖 2 單相逆變器基本結構

可再生能源的柵極驅動(dòng)器

作為一種小型、非隔離式柵極驅動(dòng)器，單通道UCC27531可以很好地工作在前述環(huán)境下。它的IC輸入信號通過(guò)一個(gè)光耦合器或者數字隔離器提供。它的高電源/輸出驅動(dòng)電壓范圍為10到35V，讓其成為12V Si MOSFET應用和IGBT/SiC FET應用的理想選擇。這里，正柵極驅動(dòng)通常更高，并且關(guān)斷時(shí)負電壓下拉，目的是防止電源開(kāi)關(guān)受到錯誤導通的損害。一般而言，SiC FET由一個(gè)相對于電源的+20/-5V柵極驅動(dòng)器驅動(dòng)。同樣，就IGBT而言，系統設計人員可能會(huì )使用一個(gè)+18/-13V柵極驅動(dòng)，如圖3所示。

圖 3 利用FET/IGBT單柵極驅動(dòng)器驅動(dòng)電源開(kāi)關(guān)

由于UCC27531是一種軌到軌驅動(dòng)器，因此相對于發(fā)射極，OUTH上拉電源開(kāi)關(guān)柵極至其18V V_DD。相對于發(fā)射極，OUTL下拉柵極至驅動(dòng)器的–13 V GND。驅動(dòng)器有效地從+18到-13V，或者從相對于其自有GND的V_DD到31V。另外，35V額定電壓提供了一定的余量，可防止噪聲和振鈴產(chǎn)生的IC過(guò)電壓故障。

OUTH和OUTL的分離輸出，允許用戶(hù)單獨控制導通（灌）電流和關(guān)斷（拉）電流。它幫助最大化效率，并保持開(kāi)關(guān)時(shí)間控制，從而滿(mǎn)足噪聲和電磁干擾要求。另外，即使是分離輸出，單柵極驅動(dòng)器也在輸出級保持最小電感，防止出現過(guò)多振鈴和過(guò)沖。利用一種非對稱(chēng)驅動(dòng)（2.5A導通，5A關(guān)斷），UCC27531經(jīng)過(guò)了優(yōu)化，適用于高功率可再生能源應用的平均開(kāi)關(guān)時(shí)序。再者，利用低下拉阻抗，這種驅動(dòng)器通過(guò)確保柵極不遭受電壓尖峰來(lái)增加可靠性。由于IGBT的集電極和柵極之間以及FET的漏極和柵極之間的寄生米勒效應電容，這些電壓尖峰可能會(huì )導致出現錯誤導通。開(kāi)關(guān)導通期間集電極/漏極電壓迅速上升，這時(shí)在柵極上拉升電壓，這種內部電容便以此來(lái)引導柵極超出導通閾值電壓。

UCC27531的輸入級也為可再生能源等高可靠性系統而設計。它擁有一個(gè)所謂的TTL/CMOS輸入，其與電源電壓無(wú)關(guān)，從而實(shí)現了與標準TTL級信號的兼容。相比典型TTL中的常見(jiàn)0.5V磁滯，它擁有約1V的高磁滯。如果輸入信號因故丟失變得不穩定，則拉低輸出。另外，驅動(dòng)器IC的GND電壓較大變化時(shí)，如果在開(kāi)關(guān)沿期間GND跳動(dòng)較高，則輸入信號可能表現為負。由于能夠連續對這些事件期間輸入（IN）或激活（EN）端上-5V電壓進(jìn)行處理，因此驅動(dòng)器成功地解決了這個(gè)問(wèn)題。

UCC27531使用3 x 3mm的工業(yè)標準SOT-23封裝，相比使用離散式電平位移器、沒(méi)有負輸入能力或者缺少保護的離散式雙晶體管解決方案，它擁有非常大的競爭力。除節省大量空間以外，把UCC27531的各種功能集成到一塊單IC封裝中還提高了系統的整體可靠性。

這種單通道驅動(dòng)器是一種引人注目的解決方案，因為它可以非�？拷�電源開(kāi)關(guān)柵極放置。相比在一塊單IC中組合高側/低側柵極驅動(dòng)器，它的靈活度更高。這種靈活性可幫助最小化驅動(dòng)器和電源開(kāi)關(guān)之間的電感，并讓設計人員能夠更好地控制開(kāi)關(guān)柵極。圖2說(shuō)明了許多高功率開(kāi)關(guān)如何集成到一個(gè)DC到AC級單相中。對于一個(gè)完整的多轉換（DC和AC之間往復轉換）三相系統而言，甚至一些應用中還需要DC到DC轉換增壓級，需要許多的柵極驅動(dòng)器。每一個(gè)驅動(dòng)器的放置都必須在PCB上安排好，以確保獲得正確的設計。

結論

在可再生能源應用中，太陽(yáng)能電池板陣列和風(fēng)力發(fā)電機的功率轉換給廣大系統設計人員帶來(lái)巨大的挑戰。這些挑戰包括高壓和高功率電平、滿(mǎn)足安全與可靠性要求以及完整連接系統的總體復雜程度。表面看起來(lái)，盡管電源開(kāi)關(guān)的柵極驅動(dòng)器只是總系統控制和電力生產(chǎn)流程中一個(gè)小小的部件，但它們對整體設計性能卻十分的重要。