世界关注:主功率模块架构分析与驱动IC选型锦囊

2023-05-12 10:25:36 来源:芯朋微电子

能量单向主功率变换器模块

小功率便携储能(200W~600W)的主功率变换器拓扑架构如下图所示。电池充电与电池放电采用独立模块实现,能量在开关变换器中只能单向流动。


(相关资料图)

1. AC-DCcharger用于将市电能量转移至电池组,对电池充电。拓扑架构为反激变换器,控制芯片可采用PN8213,因功率较小不需要专用驱动芯片;

2. DC-DC converter用于将电池电压隔离并升压,拓扑架构为推挽变换器,驱动芯片推荐双通道低侧驱动PN7762;

3. DC-AC inverter用于将高压直流逆变成交流市电,拓扑架构为全桥逆变器,通常采用MCU作为主控,驱动芯片优选电平移位半桥驱动PN7113。

PN7762 驱动芯片简介

PN7762是一款双通道低侧驱动器,具有以下亮点:

VDD供电范围4.5V~24V,所有管脚耐压均大于24V,超高可靠性

两通道延时匹配佳,典型值1ns

传播延时低,典型值22ns

驱动能力强,5A拉灌电流能力

具有外部使能功能,EN为低电平时关闭OUT

PN7113 驱动芯片简介

PN7113是一款基于电平移位技术的半桥驱动器,具有以下亮点:

浮地侧耐压大于600V,适用于400V直流母线应用

抗干扰能力强,CMTI大于50kV/μs,Vs负压能力-8V

两通道延时匹配佳,小于30ns

传播延时低,典型值130ns

驱动能力强,2.5A拉灌电流能力

能量双向主功率变换器模块

中大功率便携储能(600W~3000W)的主功率变换器拓扑架构如下图所示,能量在开关变换器中可双向流动:S1闭合能量从市电流向电池,电池充电;S1断开能量从电池流向负载,电池放电。

1. 电池充电模式:Converter I工作在PWM整流器模式,实现功率因数校正并产生高压直流母线;Converter II为LLC谐振变换器,开环工作于谐振点,整个变换器近似等价为直流变压器(DCX),产生低压直流母线;Converter III工作在Buck变换器模式,对电池进行充电。

2. 电池放电模式Converter III工作在Boost变换器模式,用于将电池电压升压至低压直流母线;Converter II为LLC谐振变换器,开环工作于谐振点,整个变换器近似等价为直流变压器(DCX),产生高压直流母线;Converter III工作在全桥逆变器模式,将高压直流母线逆变成交流市电,为电子设备供电。

驱动芯片在能量双向主功率变换器中如何选取?以一个H桥为例说明如下:

优选方案一

当MCU控制器与功率变换器共地,可选择两颗基于电平移位技术的半桥驱动芯片,根据母线电压选择驱动芯片:低压直流母线选取150V耐压驱动芯片PN7011,高压直流母线选取600V耐压驱动芯片PN7113。

备选方案

当MCU控制器与功率电路共地,可选取两颗单通道隔离驱动PN7901M和一颗双通道低侧驱动PN7762。

优选方案二

当MCU控制器与功率变换器不共地,可选择两颗基于容隔离技术的半桥驱动芯片PN7921(或四颗单通道隔离驱动PN7903)。

PN7011 驱动芯片简介

PN7011是一款基于电平移位技术的半桥驱动器,具有以下亮点:

浮地侧耐压大于150V,适用于120V直流母线应用

抗干扰能力强, CMTI大于50kV/μs

两通道延时匹配佳,典型值3ns

传播延时低,典型值30ns

驱动能力强,4A拉灌电流能力

PN7921 驱动芯片简介

PN7921是一款基于OOK调制的容隔离双通道驱动器,具有以下亮点:

宽体SOP16封装,隔离电压大于5700V

抗干扰能力强, CMTI大于150kV/μs

两通道延时匹配佳,小于2ns

传播延时低,典型值44ns

驱动能力强,4A/8A拉灌电流能力

PN7903 驱动芯片简介

PN7903是一款基于OOK调制的容隔离单通道驱动器,具有以下亮点:

宽体SOP6封装,隔离电压大于5700V

抗干扰能力强, CMTI大于150kV/μs

传播延时低,典型值70ns

脉宽畸变失真小,小于35ns

驱动能力强,4.5A/5.3A拉灌电流能力

PN7901M 驱动芯片简介

PN7901M是一款带米勒钳位的容隔离单通道栅极驱动芯片 ,具有以下亮点:

采用SOP8封装,输入输出隔离电压大于2500V

电源电压范围宽:

VCC1:3.1V~24V,VCC2:13V~24V

驱动能力强,5A拉灌电流能力

带米勒钳位功能,3A拉电流能力

抗干扰能力强, CMTI高达150kV/μs

外部驱动电阻设计

含寄生参数的功率MOSFET及其驱动电路如下图所示,其中Rup和Rlow为驱动芯片输出级上管和下管导通电阻,Rg为外部驱动电阻,Rgi为功率器件内部栅极电阻,Ls为栅极寄生电感,Cgs、 Cgd、 Cds为功率管的栅源、栅漏、漏源之间的寄生电容

该电路可进一步简化为:

外部驱动电阻Rg选取依据:

备注:Q为Req、Ls、Ciss形成的串联谐振电路的品质因数。

通过调节外部驱动电阻Rg,使得品质因数Q介于0.5(临界阻尼)到1(欠阻尼)之间。

审核编辑:汤梓红

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