认识电力系统中功率元器件的重要性

　　电力电子系统中，通常分为控制电路和电力电路两个子系统，其中电力电路的输出级部分决定整个应用的特性，如效率、耐用性及杂讯情况。在整个功率级（Power Stage）子电路中的良好组合能够实现更好的性能，并获得更好的耐用性和更大的设计容限。在系统优化过程中，根据功率开关细调驱动器级是非常重要的。本文中对于闸极驱动器，诸如半桥驱动器、光隔离闸极驱动器或延迟匹配二级侧驱动器等不同的选择，将与离散元件解决方案比较；而对于功率级，将藉由实际的範例来介绍使用不同功率开关技术的决定标準。

　　电力电子应用系统面面观

　　在所有电力电子应用中，皆可发现到两种类型的电力子系统：功率转换电路和运动控制电路。第一种类型也称为交流对直流（AC-DC）或电源，第二种类型则被称为逆变器（Inverter）或频率转换器。两种类型的电路皆可从叁项推动系统发展的因素受益，即元件的性能、整合度的提高及方案和设计支持（图1）。

　　

　　图1 电力电子应用的系统趋势

　　控制器的性能、闸极驱动器及功率开关是提高性能的关键。只有借助功率开关的新技术及控制器的新功能和改进功能，才能提高运作效率和降低待机功率，不仅使现有拓扑达到更好的性能，还能实现新的拓扑。準谐振电源的使用增加就是一个例子。

　　优化功率输出级至关重要

　　优化功率输出级要求对元件和元件的性能特点进行深入的分析，不仅是诸如传导和开关损耗等纯粹的性能值，还要考虑到与其他元件的整合。无此种优化，就必须具有更大的设计容限，且更多先进元件的优势也无法发挥。例如在使用超接面（Superjunction）金属氧化物半导体场效电晶体（MOSFET）时，只有改善印刷电路板（PCB）的布局，使得这些元件达到更高的开关速度，才能降低耗电量。对于工程师而言，做出选择不成问题，因为有众多可选用的元件。

　　在上述两个子系统中，均需要以相当高的频率进行开关，本文不讨论电源断路器、闭合/断开开关等经由开关造成系统状态改变的应用。以高频进行开关是缩小所用被动元件体积的要求，但同时也增加开关损耗。一方面要找到功率开关成本及其开关损耗之间的平衡，还要找到省下被动元件与降低相关损耗的潜力。更高频率开关还能够改善动态负载的瞬态特性，此也许是一项系统的优点。

　　大多数情况下，功率开关不仅与地连接，且与输入、电源或匯流排电压连接。因为这些开关必须由合适的闸极电压进行控制，这些合适的闸极电压是以其源极或发射极接脚作为参考，需要一个所谓的浮动的（Floating）驱动器。此可藉由使用如快捷（Fairchild）FAN7080单片闸极驱动器，或诸如快捷FOD3120的光隔离器件来实现。在运动控制应用方面，可能会考虑使用将功率开关与闸极驱动器整合在一起的智慧功率模组，其主要优点包括更高可靠性、更好的元件优化、更小体积、更好的设计灵活性及更好的保护功能。事实上，智慧功率模组具有许多功率输出级所包含的高整合和元件组合优势。

　　开关与导通损耗为元件选择指标

　　影响选择绝缘闸双极性电晶体（IGBT）和MOSFET作为主功率开关的两个最重要因素，係开关损耗和导通损耗。不同的应用会有其需要的最高电压、最大电流和开关频率。对于高开关频率和/或小电流（最高达10～20安培）应用，通常使用MOSFET；而对中低开关频率，尤其是在电流更大时，则选择IGBT。表1说明不同开关技术之间的差异。

　　

　　对于驱动开关，使用特定的闸极驱动器，在使用FAN3222时有高达11安培/12安培（散热器/源极）的漏电流，当需要开关保持断开状态时，能够安全地对闸极进行钳制（Clamp）。选择合适的闸极驱动峰值电流很重要，电流较大，则在效率方面没有显着的优势，会在系统中产生大的电压过衝和难以消除的电磁干扰，此是由于快速边缘（Fast Edge）包含丰富的谐波杂讯成分。

　　现有叁种不同的闸极驱动器系列：单片半桥或高侧闸极驱动器系列，用于大多数不需要电气隔离的应用；具有出色的抗杂讯能力的光隔离闸极驱动器系列；具有出色定时性能的低侧端驱动器系列，用于功率较大的应用，包括脉衝变压器驱动（表2）。

　　

　　实现系统级优化　功率、成本及体积扮要角

　　功率输出级优化须要考虑的最重要因素当然是功效、拥有成本的影响及体积大小和成本，它们都受到如图1所示叁种主要驱动因素的影响。此外，在工业电子应用中还须要考虑更多的因素，尤其是耐用性（异常系统状态下的保护和连续运作）、可靠性（无故障工作，延长寿命）及更严苛的环境条件。这些额外的要求通常会影响散热、电气及布局设计，同时亦须要考虑电磁干扰的性能。

　　图2为某高密度电源的功率级拓扑，使用并联MOSFET，两个元件使用一个散热器。为改善开关性能，闸极驱动电路（此处使用离散元件）非常靠近它们控制的功率开关，为的是改善闸极驱动电流环路并使其愈小愈好；减小寄生闸极-漏极电容，以防止寄生振盪；使闸极驱动输入阻抗与闸极愈接近愈好，进一步防止寄生振盪。在PCB的底侧使用表面黏着（SMD）元件来实现驱动器电路。注意两个功率级完全对称的布局，确保两个并联路径具有同样的开关特性，以及源极接脚之前电源地和驱动器地的分离。

　　

　　图2 高密度电源的功率级拓扑

　　功率输出级的优化是复杂的，在元件方面有许多不同的选择，但也有许多相互矛盾的要求。本文介绍不同的技术选择，并说明实现最高性能的优化可能性。所有这些成效都是经由对系统内功率开关和闸极驱动器的仔细调整，以达到最佳的整体表现。