高帶寬電流和電壓感測(cè)

 

EV充電器應(yīng)用將電流和電壓感測(cè)用于三個(gè)主要功能：監(jiān)視、保護(hù)和控制。在電動(dòng)汽車充電器中，來(lái)自電網(wǎng)的能量轉(zhuǎn)換通常分為兩級(jí)。功率因數(shù)校正級(jí)將電網(wǎng)電壓轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的直流母線電壓。然后，DC/DC級(jí)將DC電壓轉(zhuǎn)換為適合EV電池組的電壓。

 

圖2所示為EV充電站的框圖，其中電流檢測(cè)位置標(biāo)記為A，電壓檢測(cè)位置標(biāo)記為V。

 

圖2：電動(dòng)汽車充電站框圖

 

功率級(jí)中SiC和氮化鎵（GaN）開關(guān)的使用日益增加，提高了工作頻率（數(shù)百千赫茲至幾兆赫茲），同時(shí)提供了更高的效率和更高的功率密度。這些功率級(jí)需要精確感測(cè)快速開關(guān)電流確保控制環(huán)路可靠運(yùn)行，從而確保轉(zhuǎn)換器穩(wěn)定運(yùn)行。快速響應(yīng)時(shí)間、整個(gè)溫度范圍內(nèi)的線性運(yùn)行以及精確的電流和電壓感測(cè)對(duì)于所有具有高壓級(jí)的高功率系統(tǒng)都至關(guān)重要。

 

電流檢測(cè)的半導(dǎo)體技術(shù)可大致分為直接和間接感測(cè)方法。直接感測(cè)方法包括通過采用隔離放大器或隔離Σ-Δ轉(zhuǎn)換器進(jìn)行基于分流電阻器的檢測(cè)。分流電阻上的壓降通常為50 mV或250 mV（以將電流電阻損耗降至最低），構(gòu)成該級(jí)的輸入。

 

對(duì)于隔離放大器，將縮放的低壓信號(hào)發(fā)送到外部控制器，以在保持電氣隔離的同時(shí)對(duì)高電壓軌上的電流進(jìn)行精確測(cè)量。

 

隔離式Σ-Δ轉(zhuǎn)換器將分流器兩端的壓降直接調(diào)制為數(shù)字比特流，當(dāng)直接與微控制器的Σ-Δ接口連接時(shí)可實(shí)現(xiàn)更高的帶寬。更高的信號(hào)帶寬可確保快速、精確的電流測(cè)量以及開關(guān)信號(hào)的精確表示，從而控制轉(zhuǎn)換器的功率級(jí)。

 

與基于具有基本一次性校準(zhǔn)的霍爾效應(yīng)解決方案相比，采用基于分流器的傳感是更優(yōu)的，該方法可在溫度范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)更高的直流精度。由于基于分流器的解決方案對(duì)外部磁場(chǎng)不敏感，因此其精度更高，尤其是存在低電流時(shí)。基于分流器的解決方案在整個(gè)電壓范圍內(nèi)都呈線性，尤其是在過零和磁芯飽和區(qū)域附近。與霍爾效應(yīng)傳感器相比，該解決方案還提供了高達(dá)5 kV的增強(qiáng)隔離，并減小了外形尺寸。

 

間接方法涉及感測(cè)載流導(dǎo)體周圍的磁場(chǎng)。例如，霍爾效應(yīng)傳感器通過測(cè)量導(dǎo)體周圍產(chǎn)生的磁場(chǎng)來(lái)間接檢測(cè)流過導(dǎo)體的電流。開環(huán)霍爾效應(yīng)傳感器的帶寬高達(dá)1 MHz。閉環(huán)傳感器的帶寬為350 kHz，與開環(huán)霍爾效應(yīng)傳感器相比具有更佳的性能，但成本也更高。

 

鑒于其出色的帶寬和響應(yīng)時(shí)間，開環(huán)和閉環(huán)霍爾效應(yīng)傳感器可在短路條件下（尤其是在高頻下進(jìn)行切換時(shí)）為分流解決方案中的SiC開關(guān)提供更佳的保護(hù)。SiC開關(guān)的短路耐受時(shí)間通常為1-3 µs，且需要快速檢測(cè)以防止短路。與基于霍爾效應(yīng)的解決方案相比，串聯(lián)分流器兩端的壓降會(huì)導(dǎo)致散熱和功率損耗，尤其是當(dāng)測(cè)量的電流增加時(shí)。

 

隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器

 

高速柵極驅(qū)動(dòng)器對(duì)于構(gòu)建具有高效率、高功率密度且可靠和穩(wěn)固的電源模塊至關(guān)重要。柵極驅(qū)動(dòng)器在控制器上的脈寬調(diào)制器和大功率開關(guān)之間進(jìn)行連接。基于大功率SiC/IGBT的功率模塊要求柵極驅(qū)動(dòng)器具有以極高的速度產(chǎn)生和吸收峰值電流的能力，以最大程度地縮短了導(dǎo)通和關(guān)斷的過渡時(shí)間，從而將開關(guān)損耗降至最低。柵極驅(qū)動(dòng)器必須：

 

•   靈活使用具有寬操作電壓和不同類型電源開關(guān)的同一驅(qū)動(dòng)器。

•   可在嘈雜的環(huán)境和極端溫度條件下運(yùn)行。

•  具有最小的導(dǎo)通傳播延遲，可實(shí)現(xiàn)場(chǎng)效應(yīng)晶體管（FET）的更快切換，使體二極管的導(dǎo)通時(shí)間最小化，從而提高效率。

•   具有良好的延遲匹配，以確保以最小的導(dǎo)通延遲差驅(qū)動(dòng)并聯(lián)的金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管（MOSFET）。

 

對(duì)于高電壓應(yīng)用，增強(qiáng)型隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器可提高系統(tǒng)抵御電涌（CMTI）、由電勢(shì)差引起的泄漏電流以及其他可能損壞系統(tǒng)異常事件的能力。

 

基于控制器的位置，控制器和驅(qū)動(dòng)器之間可能需要隔離。傳統(tǒng)的隔離方法是使用非隔離柵極驅(qū)動(dòng)器和分立的變壓器實(shí)現(xiàn)隔離。集成式隔離柵極驅(qū)動(dòng)器的傳播延遲與分立式變壓器解決方案相似或更佳，而且占用的面積減少了50％。此外，集成時(shí)的隔離柵極驅(qū)動(dòng)器以提供大于100 V/ns的CMTI，該數(shù)字明顯高于分立解決方案所能達(dá)到的數(shù)字。CMTI是決定柵極驅(qū)動(dòng)器魯棒性的關(guān)鍵參數(shù)。

 

為了使轉(zhuǎn)換器可靠運(yùn)行，需要柵極驅(qū)動(dòng)器中的保護(hù)功能。由于具有提高功率密度和效率的優(yōu)點(diǎn)，SiC和GaN已成為各類應(yīng)用中硅IGBT的潛在替代品。SiC MOSFET具有更嚴(yán)格的短路保護(hù)要求；與IGBT約10 µs相比，短路耐受時(shí)間為1-3 µs。集成到柵極驅(qū)動(dòng)器的DESAT管腳對(duì)于在檢測(cè)短路時(shí)提供快速響應(yīng)至關(guān)重要。集成的欠壓鎖定和有源Miller鉗位對(duì)于防止半橋應(yīng)用中FET的誤導(dǎo)通也至關(guān)重要。

 

對(duì)具有自然對(duì)流冷卻功能的便攜式直流快速充電器（可輕松拿起并存放在EV行李箱的背面）的需求正推動(dòng)設(shè)計(jì)具有最新功率密度和效率的EV充電器的發(fā)展。具有集成柵極驅(qū)動(dòng)器的基于GaN的開關(guān)可提供導(dǎo)通電阻、快速開關(guān)和低輸出電容，從而有助于功率密度提高多達(dá)三分之一的EV充電器的設(shè)計(jì)。EV充電器中常用的諧振架構(gòu)也將從零電壓和零電流開關(guān)中受益，這些開關(guān)可減輕開關(guān)損耗并提高整體系統(tǒng)效率。

 

結(jié)論

 

在電動(dòng)汽車充電站中使用的電源轉(zhuǎn)換器中，高功率密度、可靠性和魯棒性變得越來(lái)越重要。隨著功率和電壓水平的提高，保護(hù)人員和設(shè)備免受危險(xiǎn)操作條件的影響至關(guān)重要。

 

目標(biāo)于高功率密度和高效率充電器的制造商將采用基于IGBT、SiC和GaN的功率轉(zhuǎn)換器，其開關(guān)頻率從幾百赫茲到幾兆赫茲不等。高頻電流和電壓傳感器對(duì)于這些平臺(tái)的開發(fā)至關(guān)重要。

 

智能柵極驅(qū)動(dòng)器技術(shù)將實(shí)現(xiàn)必要的高電壓電平、快速開關(guān)速度以及快速保護(hù)的需求。鑒于過去十年來(lái)半導(dǎo)體技術(shù)的飛躍發(fā)展，在短暫的休息時(shí)間里將EV充滿電將很快實(shí)現(xiàn)。

 

Jayanth Rangaraju目前擔(dān)任德州儀器（TI）的系統(tǒng)經(jīng)理，致力于可再生能源。在此職位，他的團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)利用TI的產(chǎn)品組合來(lái)利用系統(tǒng)解決方案和專業(yè)知識(shí)來(lái)解決工程問題。在德州儀器的13年中，Jayanth擔(dān)任過各種職務(wù)，包括設(shè)計(jì)工程師、應(yīng)用程序和系統(tǒng)經(jīng)理以及市場(chǎng)經(jīng)理。他獲得了德克薩斯大學(xué)阿靈頓分校電氣工程碩士學(xué)位。他于2015年畢業(yè)于德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校麥考姆斯商學(xué)院，獲得工商管理碩士學(xué)位。

 

Harish Ramakrishnan目前擔(dān)任德州儀器（TI）的系統(tǒng)工程師，致力于可再生能源。他負(fù)責(zé)利用TI的系統(tǒng)解決方案和專業(yè)知識(shí)解決客戶的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。這是他就職于TI的第二年，他在通用電氣、斯倫貝謝和L＆T的電力電子和電機(jī)控制領(lǐng)域擁有5年的行業(yè)經(jīng)驗(yàn)。Harish于2014年在得州農(nóng)工大學(xué)學(xué)院站獲得了電氣工程碩士學(xué)位。