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，功率水平相當低（《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的挑戰

　　在某個風或者光伏發電機的電力系統中，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。在經過許多作業點以后，它們變得很低效。新型的風力發電機（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逆變器發送，最后再連接電網。

　　可再生能源發展趨勢

　　對于世界上的大多數國家而言，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的發展。在一些地方，可再生能源已經占有很大一部分。例如，根據丹麥能源局數據，在2012年上半年， 丹麥所生產的全國總電量中約有34%為風力發電。丹麥能源局的上級部柵極丹麥氣候、能源與建筑部發布消息稱，到2020年，丹麥的風力發電將占到總能源的50%。當風力發電在一個國家總能源中占有較大比重時，轉換系統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的成本問題。這意味著，系統可靠性始終都是設計優先考慮因素，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先考慮項。

　　典型電源管理結構

　　高功率電平帶來更高的系統電壓，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數字信號處理器、一個微控制器或者一個專用數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境。即使在穩態開關周期內，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字隔離器，實現信號隔離。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

　　可再生能源的柵極驅動器

　　作為一種小型、非隔離式柵極驅動器，單通道UCC27531可以很好地工作在前述環境下。它的IC輸入信號通過一個光耦合器或者數字隔離器提供。它的高電源/輸出驅動電壓范圍為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，正柵極驅動通常更高，并且關斷時負電壓下拉，目的是防止電源開關受到錯誤導通的損害。一般而言，SiC FET由一個相對于電源的+20/-5V柵極驅動器驅動。同樣，就IGBT而言，系統設計人員可能會使用一個+18/-13V柵極驅動，如圖3所示。

　　圖 3 利用FET/IGBT單柵極驅動器驅動電源開關

　　由于UCC27531是一種軌到軌驅動器，因此相對于發射極，OUTH上拉電源開關柵極至其18V VDD。相對于發射極，OUTL下拉柵極至驅動器的–13 V GND。驅動器有效地從+18到-13V，或者從相對于其自有GND的VDD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生的IC過電壓故障。

　　OUTH和OUTL的分離輸出，允許用戶單獨控制導通（灌）電流和關斷（拉）電流。它幫助最大化效率，并保持開關時間控制，從而滿足噪聲和電磁干擾要求。另外，即使是分離輸出，單柵極驅動器也在輸出級保持最小電感，防止出現過多振鈴和過沖。利用一種非對稱驅動（2.5A導通，5A關斷），UCC27531經過了優化，適用于高功率可再生能源應用的平均開關時序。再者，利用低下拉阻抗，這種驅動器通過確保柵極不遭受電壓尖峰來增加可靠性。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導致出現錯誤導通。開關導通期間集電極/漏極電壓迅速上升，這時在柵極上拉升電壓，這種內部電容便以此來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。它擁有一個所謂的TTL/CMOS輸入，其與電源電壓無關，從而實現了與標準TTL級信號的兼容。相比典型TTL中的常見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，驅動器IC的GND電壓較大變化時，如果在開關沿期間GND跳動較高，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電壓進行處理，因此驅動器成功地解決了這個問題。

　　UCC27531使用3 x 3mm的工業標準SOT-23封裝，相比使用離散式電平位移器、沒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。

　　這種單通道驅動器是一種引人注目的解決方案，因為它可以非常靠近電源開關柵極放置。相比在一塊單IC中組合高側/低側柵極驅動器，它的靈活度更高。這種靈活性可幫助最小化驅動器和電源開關之間的電感，并讓設計人員能夠更好地控制開關柵極。圖2說明了許多高功率開關如何集成到一個DC到AC級單相中。對于一個完整的多轉換（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器。每一個驅動器的放置都必須在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，太陽能電池板陣列和風力發電機的功率轉換給廣大系統設計人員帶來巨大的挑戰。這些挑戰包括高壓和高功率電平、滿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，盡管電源開關的柵極驅動器只是總系統控制和電力生產流程中一個小小的部件，但它們對整體設計性能卻十分的重要。

　　參考文獻

　　1 《可再生能源系統的電源電子組件和可靠性》，作者：F. Blaabjerg等人，2012年5月28日-31日中國杭州第21屆IEEE國際工業電子研討會發言稿。

　　2 《可再生能源系統中電源組件的作用》，作者Veda Prakash Galigekere和Marian K. Kazimierczuk，在線版《白皮書》，訪問網址：www.magnelab.com。

　　3 《碳化硅MOSFET的應用考慮》，作者Bob Calanan，2011年1月，在線版《電源應用說明》，訪問網址：www.cree.com/power/document-library