通过RECOM的DC/DC转换器驱动的SiC技术

在许多人的头脑中，电力电子与可再生能源及电动力紧密关联 – 换言之：数百伏的电压以及中等到高功率范围的功率输出。“乐高® 盒”式模块化电源（即 DC/DC 转换器）中的较小元件则不太为人所知。然而它们的重要性也不逞多让，因为正是它们确保了现代电力电子的高效和可靠运行。

图 1： 得益于通过 RECOM 的 DC/DC 转换器驱动的先进 SiC 技术，此汽车使用电动电源，可以在 2 秒内从 0 加速至 100 km/h。（图片来源： RECOM Power）

可再生能源领域最新的发展推动了电力电子领域的创新。现代 IGBT（绝缘栅极双极晶体管）在提高逆变器的效率方面扮演着重要的角色。与 MOSFET 相似，它们只需要极低的功率便可致动。处于传导状态时，沿集电极-发射极的损耗与双极型晶体一样低。

近期通过使用新型半导体材料，它们的性能得到了进一步的提升。利用 SiC（碳化硅）和 GaN（氮化镓）制作的晶体管可以实现更高的电流和开关频率。它们还能加快开关过程，并将效率从约 95% 提升至 98% 甚至更高。虽然这看起来可能算不得什么重大的成果，但还必须考虑到，这些新型组件帮助降低了约 66% 的能源损耗，并因此保持了较低的温度！

不要忘了，在电动力领域，任何效率提升不仅能减少系统的能源损耗，还能增加电池需要充电之前的驱动距离。更低的热耗散意味着需要更少的冷却，这反过来意味着更轻的重量。而更轻的重量则有利于改善加速性能，以及延长汽车电池的续航距离。此外，新型 SiC 和 GaN 材料通常能够承受更高的温度，因此可以提高冷却效率。可以合理地假设，电动力的未来发展必将带动电力电子领域的进一步改进和创新。

电动赛车在不到 2 秒的时间内从 0 加速至 100 km/h

每年，慕尼黑应用科学大学的学生方程式团队都会与 municHMotorsport 联合设计一款电动赛车，参加一年一度的大学生方程式电动车赛 (FSE)。他们的最新型号重量不足 200 kg，从 0 到 100 km/h 的加速时间不到 2 秒。轮毂内的三相电机能够产生高达 129 kW (174 HP) 的抓地功率。实现这一顶级性能所需的“动力”源自一个为两路高达 600 V 的中间电路供电的高电压电池。

图 2： 此 3D 模型展示了 Pwe7.16 赛车的电动动力总成。每个车轮由一个 32 kW 三相电机驱动。电力电子在密闭式侧箱内与中间电路集成在一起。（图片来源： MunicHMotorsport）。

此高电压是在大型电容器的协助下产生的，并用于驱动四个逆变器（图 3）。四个同步电机分别通过自己的配有 Wolfspeed SiC MOSFET 的逆变器桥供电。为生成高达 100 A 的相电流，两个 MOSFET 分别以并行方式接线（未在图 4 中显示），以便在 SiC MOSFET 与栅极驱动器之间保持尽可能短的距离。

图 3： 四个电机分别配有自己的电力电子（顶部），其中的六个 SiC MOSFET 对被组合到桥中。栅极驱动器采用 RECOM 的 R12P22005D DC/DC 转换器供电。这些转换器专为在 SiC 应用中使用而设计。（图片来源： RECOM Power）

图 4： 三相逆变器的电路原理图，其中六个 SiC MOSFET 驱动器分别通过一个不对称的双 DC/DC 转换器供电。（图片来源： RECOM Power）

每个电源开关对通过自己的栅极驱动器，使用极陡峭的开关边沿进行控制，从而充当浮动的栅极电势与固定的控制电子电势之间的电隔离器。

但事情并没有这么简单，因为 24 个驱动器分别需要 +20 V 到 -5 V 之间的电压沿陡峭的开关边沿工作，同时还要防止开关故障。而且这些电压还必须与 12 V 板载网络进行电隔离（高隔离度）。

双路输出将 DC/DC 转换器的数量减半

原则上，每个驱动器都需要两个 DC/DC 转换器。图 2 所示的电动车设计采用了四个电机，因此需要多达 48 个转换器。为了将此数量减半，RECOM 开发了专门的 DC/DC 转换器系列为现代 SiC MOSFET 驱动器供电。这些 RxxP22005D 系列转换器采用不对称的双路输出，根据应用中的驱动器要求提供 +20 V 和 -5 V 电源。RECOM 的新型转换器采用“功率均分”技术，并且可使用恒定的功率和不对称的电流，或使用恒定的电流和不对称的功率工作。这些模块提供 5 V、12 V、15 V 和 24 V DC 额定输入。

需要特别注意隔离强度，它将在 1 分钟内提供极高的 5.2 kVDC 隔离电压。鉴于 SiC MOSFET 通常以约 100 kHz 的频率工作并且使用极陡峭的边沿，高隔离强度是一项关键要求，因为 DC/DC 转换器的绝缘栅会永久承受高应力。电路中的寄生电容和电感可能导致峰值远高于基于电路拓扑得出的预期值。由于此类电压峰值很难进行测量，因此快速电源开关的尺寸需要留有足够大的安全裕量。这也适用于允许的最高工作温度，其中 RxxP22005 系列具有高达 +95°C 的出色额定温度。

SiC MOSFET 和 IGBT 的广泛应用

当前，快速电源开关在众多应用和各种类型的电力电子中广泛使用。它们在逆变器、频率转换器、感应电炉、焊接机、电机控制系统和其他许多设备中随处可见。其中大多数电路附带 IGBT，因为它们是大批量生产的，因此比 SiC MOSFET 要便宜得多。与 SiC MOSFET 一样，IGBT 驱动器必须使用两个不同的电源供电，其中 +15 V 和 -9 V 已成为标准电压。RECOM 为 IGBT 应用提供了广泛的 DC/DC 转换器选择，所有转换器均采用不对称的双路输出。RECOM 的各种转换器系列具有不同的设计和隔离强度，其中持续 1 秒钟的 3 到 4 kV 隔离电压通常可以满足大多数应用的需求（参见图 5）此外，RECOM 还提供了一系列适合 IGBT 和 SiC MOSFET 应用的单路输出转换器（未在图 5 中列出）。

典型值RGZ-xx1509DRH-xx1509DRKZ-xx1509DRKZ-xx2005DRP-xx1509DRV-xx1509DRxxP1509DRxxP21509DRxxP22005D应用IGBTIGBTIGBTSiCIGBTIGBTIGBTIGBTSiC输出电压+15/-9 V+15/-9 V+15/-9 V+20/-5 V+15/-9 V+15/-9 V+15/-9 V+15/-9 V+20/-5 V输出电流+67/-111 mA+33/-56 mA+67/-111 mA功率均分+42 mA+67/-111 mA+33/-56 mA+67/-111 mA功率均分输入电压5/12/24 V5/12/24 V5/12/24 V5/12/15/24 V5/12/24 V5/12/24 V(5)/12/24 V5/12/24 V5/12/15/24 V隔离 1 秒钟3/4 kV3/4 kV3/4 kV3/4 kV5,2 kV6,0 kV6,4 kV6,4 kV5,2 kV/1 分钟功率2 W1 W2 W2 W1 W2 W1 W2 W2 W效率70-81%70-81%70-81%85-87%70-85%70-82%70-80%70-82%82-85%工作温度-40°C 至 +90°C-40°C 至 +90°C-40°C 至 +85°C-40°C 至 +100°C-40°C 至 +85°C-40°C 至 +90°C-40°C 至 +90°C-40°C 至 +90°C-40°C 至 +90/5°C封装DIP14DIP14SIP7SIP7SIP7DIP24SIP7SIP7SIP7

图 5： RECOM 最新的双 DC/DC 转换器（采用不对称输出，适合为 IGBT 和 SiC MOSFET 驱动器供电）概述。（图片来源： RECOM Power）

总结

过去十多年里，电力电子一直与太阳能和风能技术紧密联系在一起。因此可以合理地预测，在今后十年里，电动力领域取得的进步势必会进一步加快新型电力电子的发展。IGBT 技术仍有很多改进机会，使用由 SiC 和 GaN 制作的元器件只是一个开始。