通过克服Gate Driver Power Challenge，简化EV Power设计

电动汽车与动力有关。大型电池组通过高压和电流向各种电力转换系统输送电力，主DC-DC转换器向车辆中的低压系统输送电力。牵引逆变器为车轮提供机械动力。最后，电池充电系统给电池供电，重新开始整个过程。每个系统都将能量从一种形式转化为另一种形式。

网格状的配置

这些系统的核心是当今电力转换系统的关键组成部分之一:半桥配置。在这种配置中，高侧开关和低侧开关快速拨动高压正负导轨之间的负载连接。通过使这些开关尽可能地像理想的开关一样发挥作用，驱动这些开关的闸门对于最大限度地提高效率至关重要。通过了解电源如何从栅极驱动器流入开关设备，栅极驱动器电源可以实现简化电路板布局，降低成本，并易于在未来的设计重用。

电动汽车系统通常将高压正负极轨道称为DC链+和DC链-。图1显示了由IGBT器件和使用碳化硅(SiC)场效应晶体管组成的半桥电路。要接通IGBT，从栅极到发射极(VGE)的电压必须高于某一阈值。

图1所示。带有隔离栅极驱动器和IGBT开关器件和SiC FET开关器件的半桥

同样，在SiC场效应晶体管的情况下，这个电压从栅极到源(VGS)出现。为简单起见，本文的其余部分将参考IGBT半桥设计;然而，所讨论的原则也适用于SiC FET设计。图1还显示了隔离的栅极驱动器。由于许多电动汽车系统中涉及到高压，为了将低压系统控制器与高压电源级分离，隔离常常是必要的。隔离栅极驱动器桥接这两个领域，允许系统控制器控制igbt或SiC场效应晶体管的功率级。同样，为简单起见，本文的其余部分将只讨论栅极驱动器的高压侧(输出级)。

要打开IGBT，栅极驱动器必须至少将栅极电压升高到至少VGE阈值，然后提供足够的电流以对栅极充电并完全打开IGBT。对于连接到DC链路的低侧栅极驱动器，这相当简单。如图1所示，栅极驱动器的输出级与DC链路相关联，为输出级VDD的“电源域2”的地面和正导轨。然后它将栅极拉到VDD以打开低侧装置。这有效，因为VDD引用了DC链路 - 与IGBT的发射器相关联;因此，创建了积极的VGE。对于高侧栅极驱动器，事情并不那么简单。

为了创建一个正VGE，高侧栅极驱动器的地必须连接到高侧IGBT的发射极。如果没有这种连接，栅极驱动器基本上是相对于高端IGBT的发射极浮动的，它不能驱动栅极。这也意味着高侧栅极驱动器必须在一个单独的电源域中。如果它与低侧栅极驱动器连接到相同的功率域，那么高侧IGBT的发射极将被绑定到直流链路上，并断开半桥设置。因此，栅极驱动器功率域的架构，特别是在具有多个半桥电路的系统中，对系统的复杂性有着巨大的影响。

具有多半桥配置的转换器拓扑

许多复杂的变换器拓扑包含一种以上的半桥结构。例如，用于电动汽车传动系统的马达通常是三相马达，每一阶段的开启和关闭都能产生运动。牵引逆变器使用三个半桥电路为电机的每一阶段供电。与六个功率器件和栅极驱动器相比，仔细规划栅极驱动器的功率分布对性能有重大影响。三相逆变器还说明了不同的功率分配配置的权衡，这也与其他使用一个或两个半桥电路的系统有关。

在三相逆变器中，所有低侧器件共享到其发射极的共同直流链路连接;因此，低侧门驱动器可以共享一个共同的功率域。不幸的是，高侧栅极驱动器的发射器连接到系统的不同阶段，因此需要三个独立的功率域，如图2所示。

图2。具有单个DC-DC转换器的三相系统

将低侧驱动器连接到单个电源域，然后使用单个DC-DC转换器产生所有四个电源轨道(也如图2所示)是该问题的常见解决方案。然而，这种方法通常会导致复杂的电路板布局和长PCB轨迹，这可能导致高频系统中的电磁干扰问题。当使用单个DC-DC控制器时，在所有四个输出轨道上实现严格的电压调节也很困难，最后，它会导致噪声从高侧耦合通过共享变压器传入低侧。这在高频SiC设计中尤其成问题。另一种方法是将DC-DC变换器分解成多个独立的DC-DC变换器。

将DC-DC转换器分成多个独立的DC-DC转换器通常简化PCB布局，减少迹线长度，并为每个输出轨提供清洁调节。它也大大降低了电源域之间的噪声，并允许基于SIC的系统实现高开关频率和最大效率。此外，独立的DC-DC转换器设计可以用较少的开关（如全桥系统）中的其他半桥配置中重复使用。

将DC-DC控制器集成到门驱动器中

比起使用6个独立的DC-DC转换器(每个隔离的栅极驱动器一个)，系统通常被分解成4个转换器以降低成本。如图3所示，一些栅极驱动器，如Silicon Labs Si828x，集成了DC-DC控制器，以进一步降低成本和板空间，并提供具有或不具有集成的DC-DC控制器的相同栅极驱动器。在许多情况下，这种配置能够在复杂性、成本和性能之间找到适当的平衡。

图3。三相系统采用栅极驱动器与集成的直流-直流控制器和四个独立的电源域

电动汽车以及它们所依赖的电力转换系统将继续存在下去。随着对更高效率和更长的续航里程的需求不断增长，电力系统将被迫实现更快的开关速度、更复杂的拓扑结构和更高的电压。新的电源开关器件和门驱动技术的进步将把半桥电路的效率推向新的高度。然而，即使半桥电路不断发展，电力领域的架构仍将是未来几年的关键设计考虑。

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