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适用于中压SiC MOSFET的低电容耦合恒定输出电压栅极驱动电源
Gate Driver Power Supply With Low-Capacitance-Coupling and Constant Output Voltage for Medium-Voltage SiC MOSFETs
| 作者 | Zhixing Yan · Gao Liu · Shaokang Luan · Yuan Gao · Rui Wang · Benjamin Futtrup Kjærsgaard |
| 期刊 | IEEE Transactions on Power Electronics |
| 出版日期 | 2025年2月 |
| 技术分类 | 电动汽车驱动 |
| 技术标签 | SiC器件 多物理场耦合 |
| 相关度评分 | ★★★★★ 5.0 / 5.0 |
| 关键词 | 碳化硅半导体器件 门极驱动电源 平面变压器 电压调节器 双脉冲测试 |
语言:
中文摘要
摘要:随着宽禁带器件的发展,10 - 15 kV 电压等级的碳化硅(SiC)半导体器件在中压(MV)系统中展现出应用潜力。为确保这些中压 SiC 器件可靠运行,栅极驱动电源必须满足特定要求:具备中压隔离能力、低耦合电容、在电压电位波动时性能稳定以及便于组装。本文提出了一种定制的栅极驱动电源解决方案。所提出的磁芯串联耦合平面变压器满足上述特定要求,通过磁芯串联显著降低了共模电容,同时保持了制造的简便性。此外,开环电压调节器电路模型通过考虑绕组电阻和励磁电感,确保了精确的输出电压。本文展示了一款中压 SiC 栅极驱动器,其局部放电起始电压达到 11.5 kV,变压器的耦合电容低至 0.42 pF。此外,本文还进行了 6 kV/30 A 双脉冲测试,结果表明该栅极驱动器在关断瞬态时开关速度达 133.9 V/ns、开通瞬态时开关速度达 111.6 V/ns 的情况下仍能表现出强劲的性能。
English Abstract
With the development of wide band-gap devices, Silicon Carbide (SiC) semiconductor devices in 10–15 kV voltage class offer potentials in medium-voltage (MV) systems. To ensure the reliable operation of these MV SiC devices, gate driver power supplies must meet specific requirements: MV isolation capability, low coupling capacitance, stable performance across fluctuating voltage potentials, and assembly convenience. This article proposes a customized gate driver power supply solution. The proposed core-series-coupling planar transformer meets the specified requirements and significantly reduces common-mode capacitance by series connection of core, while maintaining ease of manufacturing. In addition, the open-loop voltage regulator circuit model ensures precise output voltage by accounting for winding resistance and magnetizing inductance. This article presents an MV SiC gate driver that achieves a partial discharge inception voltage of 11.5 kV and the transformer exhibits a low coupling capacitance of 0.42 pF. Additionally, this article conducts a 6 kV/30 A double pulse test, demonstrating the robust performance of the gate driver even at switching speeds of 133.9 V/ns during turn-off and 111.6 V/ns during turn-on transients.
S
SunView 深度解读
从阳光电源的业务视角来看,这项针对中压SiC MOSFET栅极驱动电源的技术创新具有重要的战略价值。随着公司在1500V光伏系统和中压储能变流器领域的持续拓展,10-15kV级SiC器件的应用将成为突破传统硅基器件限制的关键路径。
该技术的核心价值体现在三个维度:首先,0.42pF的超低耦合电容设计通过磁芯串联结构有效抑制共模干扰,这对于阳光电源的高功率密度逆变器和储能PCS产品至关重要,可显著降低EMI滤波器体积,提升系统集成度。其次,开环稳压电路模型实现的恒压输出能力,确保在电位剧烈波动的应用场景下驱动信号的可靠性,这直接关系到大型地面电站和工商业储能系统的长期稳定运行。第三,11.5kV的局部放电起始电压和超过100V/ns的开关速度验证,为阳光电源开发下一代中压直挂式拓扑提供了技术可行性。
从技术成熟度评估,该方案已完成6kV/30A双脉冲测试验证,但距离量产应用仍需解决平面变压器的成本控制、高温环境下的长期可靠性以及与现有产品平台的兼容性问题。对于阳光电源而言,机遇在于可将此技术应用于正在研发的3.3kV及以上电压等级的储能变流器和光伏逆变器,通过减少功率单元串联数量降低系统复杂度。建议启动联合开发或技术引进评估,重点关注定制化平面变压器的供应链建设和驱动电路的模块化封装技术,以支撑公司在中压大功率产品线的技术领先地位。