Vereenvoudiging van EV Power Design door de Gate Driver Power Challenge te overwinnen

Energieconversiesystemen in EV's volgen de halfbrugconfiguratie. Dit artikel onderzoekt het IGBT-halfbrugontwerp van een hoogspanningszijde (uitgangstrap) van de gate-driver.

Bij EV's draait alles om vermogen. Grote batterijpakketten leveren stroom aan verschillende stroomconversiesystemen via hoge spanningen en stromen, en de hoofd DC-DC-converter levert stroom aan de laagspanningssystemen in een voertuig. De tractie-inverter levert mechanische kracht aan de wielen. Ten slotte levert het batterijlaadsysteem stroom aan de batterij om het hele proces opnieuw te beginnen. Elk systeem zet stroom om van de ene vorm naar de andere.

De Half-Bridge-configuratie

De kern van deze systemen is een van de belangrijkste bouwstenen van de huidige stroomconversiesystemen:de halve-brugconfiguratie. In deze configuratie schakelen een high-side-schakelaar en een low-side-schakelaar snel de verbindingen van de belasting tussen de positieve en negatieve hoogspanningsrails. Het aansturen van de poorten van deze schakelaars is essentieel om de efficiëntie te maximaliseren door ze zich zoveel mogelijk als ideale schakelaars te laten gedragen. Door te begrijpen hoe stroom van gate-drivers naar de schakelapparatuur stroomt, kan de gate-driver-stroom worden ontworpen om vereenvoudigde bordlay-outs, lagere kosten en eenvoudig hergebruik in toekomstige ontwerpen te realiseren.

EV-systemen verwijzen vaak naar de hoogspannings positieve en negatieve rails als DC Link+ en DC Link–. Figuur 1 toont een halfbrugcircuit dat is opgebouwd uit IGBT-apparaten en een circuit dat is gebouwd met siliciumcarbide (SiC) FET's. Om een ​​IGBT aan te zetten, moet de spanning van de gate naar de emitter (VGE) boven een bepaalde drempel stijgen.

Figuur 1. Halve bruggen met geïsoleerde gate-drivers en IGBT-schakelapparaten en SiC FET-schakelapparaten

Evenzo, in het geval van een SiC FET, verschijnt deze spanning van de poort naar de bron (VGS). Voor de eenvoud verwijst de rest van dit artikel naar een IGBT-halfbrugontwerp; de besproken principes zijn echter ook van toepassing op SiC FET-ontwerpen. Figuur 1 toont ook geïsoleerde gate-drivers. Vanwege de hoge spanningen die bij veel EV-systemen voorkomen, is isolatie vaak nodig om een ​​laagspannings-systeemcontroller te scheiden van de hoogspannings-eindtrap. Geïsoleerde gate-drivers overbruggen deze twee domeinen, waardoor de systeemcontroller de IGBT's of SiC FET's van de vermogenstrap kan besturen. Nogmaals, voor de eenvoud zal de rest van dit artikel alleen verwijzen naar de hoogspanningszijde (uitgangstrap) van de gate-driver.

Om een ​​IGBT in te schakelen, moet de gate-driver de gate-spanning verhogen tot ten minste de VGE-drempel en vervolgens voldoende stroom leveren om de gate op te laden en de IGBT volledig in te schakelen. Voor de low-side gate-driver die is aangesloten op DC Link– is dit vrij eenvoudig. Zoals weergegeven in afbeelding 1 is de uitgangstrap van de gate-driver verbonden met DC Link- als aarde en de positieve rail van "Power Domain 2" voor de VDD van de eindtrap. Vervolgens trekt het de poort naar VDD om het low-side-apparaat in te schakelen. Dit werkt omdat VDD wordt verwezen naar DC Link–, die is gekoppeld aan de zender van de IGBT; er wordt dus een positieve VGE gecreëerd. Voor de chauffeur van de hoge poort is het niet zo eenvoudig.

Om een ​​positieve VGE te creëren, moet de massa van de high-side gate-driver verbonden zijn met de emitter van de high-side IGBT. Zonder deze verbinding zweeft de gate-driver in wezen ten opzichte van de emitter van de high-side IGBT en kan hij de gate niet aandrijven. Dit betekent ook dat de high-side gate driver op een apart vermogensdomein moet staan. Als het is aangesloten op hetzelfde vermogensdomein als de low-side gate-driver, wordt de emitter van de high-side IGBT gekoppeld aan DC Link - en verbreekt het de opstelling van de halve brug. De architectuur van de vermogensdomeinen van de gate-driver, met name in systemen met meerdere halve-brugcircuits, heeft dus een enorme impact op de systeemcomplexiteit.

Convertertopologieën met meerdere halve-brugconfiguraties

Veel complexe convertertopologieën bevatten meer dan één halve-brugconfiguratie. Motoren die bijvoorbeeld worden gebruikt in de aandrijflijnen van elektrische voertuigen zijn typisch driefasige motoren waarbij elke fase wordt in- en uitgeschakeld om beweging te creëren. De tractie-omvormer gebruikt drie halve-brugcircuits om elke fase van de motor van stroom te voorzien. Met zes stroomapparaten en gate-drivers heeft het zorgvuldig plannen van de powerdistributie van de gate-driver een grote invloed op de prestaties. De driefasige omvormer illustreert ook de afwegingen voor verschillende stroomverdelingsconfiguraties, die ook relevant zijn voor andere systemen die slechts één of twee halve brugcircuits gebruiken.

In een driefasige omvormer delen alle low-side apparaten een gemeenschappelijke DC Link-verbinding met hun emitter; dus de drivers van de low-side gate kunnen allemaal een gemeenschappelijk vermogensdomein delen. Helaas zijn de emitters van de high-side gate-drivers aangesloten op de verschillende fasen van het systeem, dus er zijn drie afzonderlijke vermogensdomeinen vereist, zoals weergegeven in afbeelding 2.

Figuur 2. Driefasensysteem met een enkele DC-DC-converter

Het aansluiten van de low-side drivers op een enkel voedingsdomein en vervolgens het gebruik van een enkele DC-DC-converter om alle vier de voedingsrails te genereren (ook weergegeven in figuur 2) is een veelvoorkomende oplossing voor dit probleem. Deze benadering leidt echter vaak tot complexe printlay-outs en lange PCB-sporen, wat EMI-problemen kan veroorzaken in hoogfrequente systemen. Het bereiken van een strakke spanningsregeling op alle vier de uitgangsrails is ook moeilijk bij gebruik van een enkele DC-DC-controller, en ten slotte kan het leiden tot ruis van de koppeling aan de hoge kant naar de lage kant via de gedeelde transformator. Dit is vooral problematisch bij hoogfrequente SiC-ontwerpen. Een andere benadering is het splitsen van de DC-DC-converter in meerdere, onafhankelijke DC-DC-converters.

Het opsplitsen van de DC-DC-converter in meerdere onafhankelijke DC-DC-converters vereenvoudigt in het algemeen de lay-out van de PCB, vermindert de trace-lengtes en zorgt voor een zuivere regeling van elke uitgangsrail. Het vermindert ook de ruis tussen de vermogensdomeinen aanzienlijk en stelt SiC-gebaseerde systemen in staat om hoge schakelfrequenties en maximale efficiëntie te bereiken. Bovendien kan het onafhankelijke DC-DC-converterontwerp worden hergebruikt in andere halve-brugconfiguraties met minder schakelaars, zoals volledige-brugsystemen.

DC-DC-controllers integreren in Gate Drivers

In plaats van zes onafhankelijke DC-DC-converters te gebruiken (één voor elke geïsoleerde gate-driver), wordt het systeem doorgaans opgedeeld in vier converters om de kosten te verlagen. Zoals weergegeven in afbeelding 3, integreren sommige gate-drivers, zoals de Silicon Labs Si828x, de DC-DC-controller om de kosten en bordruimte verder te verminderen en bieden ze dezelfde gate-driver met en zonder een geïntegreerde DC-DC-controller. In veel gevallen zorgt deze configuratie voor de juiste balans tussen complexiteit, kosten en prestaties.

Figuur 3. Driefasig systeem met gate-drivers met geïntegreerde DC-DC-controllers en vier onafhankelijke vermogensdomeinen

Elektrische voertuigen en de stroomconversiesystemen waarop ze vertrouwen, zijn er om te blijven. Naarmate de vraag naar hogere efficiëntie en een groter bereik blijft groeien, zullen voedingssystemen worden gepusht om hogere schakelsnelheden, complexere topologieën en hogere spanningen te bereiken. Nieuwe stroomschakelaars en vooruitgang in gate-drivertechnologie zullen de efficiëntie van halve-brugcircuits naar nieuwe hoogten tillen. Maar zelfs naarmate het halfbrugcircuit evolueert, zal de architectuur van het machtsdomein de komende jaren een kritische ontwerpoverweging blijven.

Industrieartikelen zijn een vorm van inhoud waarmee branchepartners nuttig nieuws, berichten en technologie kunnen delen met lezers van All About Circuits op een manier waarop redactionele inhoud niet goed geschikt is. Alle brancheartikelen zijn onderworpen aan strikte redactionele richtlijnen met de bedoeling de lezers nuttig nieuws, technische expertise of verhalen te bieden. De standpunten en meningen in brancheartikelen zijn die van de partner en niet noodzakelijk die van All About Circuits of zijn schrijvers.