800 V 汽車系統(tǒng)可使電動(dòng)汽車性能更強(qiáng)大，一次充電即可行駛超過(guò) 400 英里，充電時(shí)間最快可達(dá) 20 分鐘。800 V 電池很少在 800 V 的準(zhǔn)確電壓下運(yùn)行，最高可達(dá) 900 V，而轉(zhuǎn)換器輸入要求高達(dá) 1000 V。

1000 V 型應(yīng)用面臨許多電源設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，包括場(chǎng)效應(yīng)晶體管 (FET) 的選擇，以及需要為 >1,000 V 硅 FET 提供足夠強(qiáng)大的柵極驅(qū)動(dòng)，而硅 FET 的柵極電容通常比碳化硅 (SiC) FET 更大。SiC FET 的優(yōu)勢(shì)在于總柵極電荷低于具有類似參數(shù)的硅 FET;然而，SiC 的成本通常較高。

您會(huì)發(fā)現(xiàn)硅 FET 被用于諸如德州儀器 (TI) 350 V 至 1,000 V 直流輸入、56 W 反激式隔離電源參考設(shè)計(jì)等設(shè)計(jì)中，該設(shè)計(jì)將兩個(gè) 950 V FET 級(jí)聯(lián)到 54 W 初級(jí)側(cè)調(diào)節(jié) (PSR) 反激式中。在低功率通用偏置電源 (<10 W) 中，可以在 TI 的三輸出 10W PSR 反激式參考設(shè)計(jì)中使用單個(gè) 1,200 V 硅 FET ，這是本電源技巧的重點(diǎn)。

該參考設(shè)計(jì)可作為牽引逆變器隔離柵極驅(qū)動(dòng)器的偏置電源。它包括一個(gè)寬輸入(60 V 至 1000 V)PSR 反激式轉(zhuǎn)換器，具有三個(gè)隔離的 33 V 輸出、100 mA 負(fù)載，并使用 TI 的UCC28730-Q1作為控制器。圖 1顯示了 UCC28730-Q1 數(shù)據(jù)表，其最小驅(qū)動(dòng)電流為 20 mA。

圖 1 UCC28730-Q1 的柵極驅(qū)動(dòng)能力，最小驅(qū)動(dòng)電流為 20 mA。

挑戰(zhàn)在于，1,200 V 硅 FET 將具有非常大的輸入電容 (Ciss)，在 100 V VDS 時(shí)約為 1,400 pF，是同等額定值的 SiC FET 的 4 倍。

由于 UCC28730-Q1 的柵極驅(qū)動(dòng)相對(duì)較弱，因此根據(jù)公式 1估算，主 FET 的開(kāi)啟時(shí)間約為 840 納秒。

圖 2顯示，隨著 FET 柵極 - 源極電容 (C GS ) 和柵極 - 漏極電容 (C GD ) 的增加，它會(huì)消耗調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)換器輸出電壓所需的初級(jí) FET 的導(dǎo)通時(shí)間。

圖 2 FET 導(dǎo)通和關(guān)斷曲線，隨著 FET C GS和 C GD 的增加，它會(huì)消耗調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)換器輸出電壓所需的初級(jí) FET 的導(dǎo)通時(shí)間。

圖 3通過(guò)查看直接驅(qū)動(dòng)主 FET 的 UCC28730-Q1 的柵極電壓顯示了這種做法的不良影響。在此示例中，完全打開(kāi) FET 大約需要 800 ns，柵極達(dá)到其標(biāo)稱電壓需要 1.5 μs。當(dāng)電壓達(dá)到 400 V 時(shí)，當(dāng)控制器決定關(guān)閉 FET 時(shí)，它仍在嘗試為 C GD充電。在 1,000 V 時(shí)，情況更糟，C GS在關(guān)閉前仍在充電。這表明，隨著輸入電壓的增加，控制器無(wú)法輸出完整的導(dǎo)通脈沖，因此轉(zhuǎn)換器無(wú)法加電至標(biāo)稱輸出電壓。

圖 3 UCC28730-Q1 的柵極電壓隨著輸入電壓的增加直接驅(qū)動(dòng)初級(jí) FET。

為了解決這個(gè)問(wèn)題，您可以使用一個(gè)由兩個(gè)低成本雙極結(jié)型晶體管組成的簡(jiǎn)單緩沖電路，如圖4所示。

圖 4簡(jiǎn)單的 N 溝道 P 溝道 N 溝道、P 溝道 N 溝道 P 溝道 (NPN-PNP) 射極跟隨器柵極驅(qū)動(dòng)電路。

圖 5顯示了初級(jí) FET 的柵極電流波形，并演示了緩沖電路能夠?qū)崿F(xiàn)大于 500 mA 的柵極驅(qū)動(dòng)電流。

圖 5 PMP23431 的柵極驅(qū)動(dòng)緩沖器電流波形，表明緩沖電路能夠?qū)崿F(xiàn)大于 500 mA 的柵極驅(qū)動(dòng)電流。

如公式 2所示，這將充電時(shí)間縮短至 33 納秒，與僅使用控制器的柵極驅(qū)動(dòng)相比，充電速度提高了 25 倍。

PSR 反激式架構(gòu)通常需要最小負(fù)載電流才能保持在調(diào)節(jié)范圍內(nèi)。這有助于增加導(dǎo)通時(shí)間，轉(zhuǎn)換器現(xiàn)在可以在 1000 V 下達(dá)到其最小負(fù)載要求，如圖6所示。轉(zhuǎn)換器的整體性能在PMP23431 測(cè)試報(bào)告中，圖 7顯示了主 FET 上具有恒定脈沖的開(kāi)關(guān)波形。在 1,000 V 下，最小負(fù)載要求為，導(dǎo)通時(shí)間約為 1 μs。如果沒(méi)有這個(gè)緩沖電路，轉(zhuǎn)換器就無(wú)法達(dá)到 1,000 V 輸入。

圖 6轉(zhuǎn)換器啟動(dòng)時(shí)負(fù)載要求最低，輸入電壓為 1000 V。來(lái)源：德州儀器

圖 7： 1000 V 輸入時(shí) PMP23431 的初級(jí) FET 開(kāi)關(guān)波形。

在高達(dá) 1,000 V 的高壓應(yīng)用中，占空比可能非常小 - 僅為數(shù)百納秒。高壓硅 FET 可能成為實(shí)現(xiàn)良好調(diào)節(jié)輸出的限制因素，因?yàn)樗哂懈邧艠O電容。本電源技巧介紹了 PMP23431 和一個(gè)簡(jiǎn)單的緩沖電路，用于快速為柵極電容充電，以支持這些高壓系統(tǒng)的較低導(dǎo)通時(shí)間。