提高 SiC 逆变器和其他应用中隔离偏置电源的共模瞬态电压抗扰度 (CMTI)

近年来，碳化硅 (SiC) 场效应晶体管 (FET) 在牵引逆变器设计中的使用显着增加。其主要原因是 SiC FET 可以在高开关频率下工作，从而在保持高效率的同时提高功率密度。另一方面，SiC 逆变器可以产生大于 100V/ns 的大瞬态电压 (dv/dt) 信号，引发人们对共模瞬态电压抗扰度 (CMTI) 的担忧。这在设计逆变器栅极驱动器的隔离偏置电源时提出了新的挑战。

隔离式偏置电源有多种拓扑结构，但初级侧调节 (PSR) 反激式转换器可提供最佳的性价比。该拓扑具有外部元件数量少、输出电压调节严格、无光耦合器、高效率和可靠的电流隔离等特点。通过利用有效的 CMTI 改进方法，PSR 反激式可以继续与 SiC FET 和隔离式偏置电源结合使用，从而有助于提高 SiC 逆变器中 PSR 反激式的容差。

使用PSR反激式作为隔离偏置电源

图 1显示了牵引逆变器应用中使用TI LM5180转换器的PSR反激式转换器拓扑。所有 PSR 反激器件(例如LM5181、LM25180、LM25183和LM25184转换器以及 LM5185 控制器)均与LM5180共享通用架构。这些产品之间的主要区别在于它们可以处理的功率大小。

图 1 仅显示了两个输出轨，它们为逆变器 SiC FET 的一个高侧驱动器提供偏置电压。还可以通过将更多绕组耦合到变压器来添加额外的隔离输出。用虚线显示的部件是支持附加功能的可选部件。

图 1 ：牵引逆变器的PSR反激偏置电源

传统的反激式转换器通常需要次级侧的光耦合器和电压基准(例如TI 的TLV431 )来形成反馈电路，以实现严格的输出调节。相比之下，PSR 反激式转换器通过变压器的初级绕组感测输出电压，并通过隔离电压轨提供严格的输出电压调节，从而无需光耦合器或次级反馈电路。其结果是一个简单的偏置电源解决方案，具有出色的性价比。

具体地，输出电压由下面的等式1和等式2确定。这里我们假设V o1是主要输出(功率较大)。

这里，1.21V是转换器IC的参考电压。 N P、N S1、N S2分别是相应变压器绕组的匝数。 R FB和R SET分别是输出电压检测电阻和调节设置电阻。 V D1和V D2分别是两个输出二极管的正向压降。

对于 LM5180、LM5181、LM5183、LM5184，R SET通常固定为 12.1kΩ;对于 LM5185，R SET 通常固定为 10kΩ。因此，方程 1 可以重写为：

公式 3显示，如果流经 R FB 的100μA 工作电流不受噪声影响，则输出电压将保持稳定。

CMTI挑战

如图 2 所示，当 SiC FET 在纳秒 (ns) 内切换时，逆变器桥臂的开关节点(也是 SiC FET 驱动器的浮动接地)会以超过 100V/ns 的压摆率发生变化。

图 2 ：由标准 PSR反激式偏置电源产生的 CMTI

浮动接地引起的大 dv/dt 会导致隔离偏置电源出现共模瞬态 (CMT)。图 2 还显示，该 CMT 会产生 CMT 电流，该电流通过变压器的寄生电容器(用虚线表示)流至初级侧。该CMT电流的一部分流过R FB，影响稳定工作。

图 3 显示了受 CMTI 影响的正常 PSR 反激的典型波形。这是使用标准LM5180EVM-S05 评估板 (EVM) 捕获的。黄色波形是 SiC 桥臂的 CMT。红色波形是 PSR 反激式 SW 引脚上的电压。

下面解释该间歇开关操作。 PSR 反激输出采样保持周期内的 CMT 会影响反馈信号。这是因为 CMT 电流贡献了公式 3 所示的 100μA 工作电流。受影响的反馈信号可能导致转换器错误地偏离稳定运行。其结果是间歇性开关和向输出的稳定电力传输中断。输出电压可能会下降，从而影响SiC逆变器的运行。

图 3 ：受 CMT 影响的PSR反激式(纵轴：通道1 = 100V步长，通道2 = 10V步长;横轴：50 μs步长)

改进PSR反激式中的CMTI

图 4 显示了所提出的 CMTI 改进方法。该方法在之间引脚VIN和两个反馈电阻添加一个与 R FB 串联的电阻 (R 1 )和一个陶瓷电容器 (C 1 )。该电阻和电容形成一个低通滤波器，减少CMT电流对流过R FB 的100μA工作电流的影响。可选的第二个滤波电容器(C2连接到R SET引脚)可以进一步增强缓解效果。

图 4 ：PSR 反激式的CMTI改进

图5所示为CMTI改进方法的工作原理。箭头大小的差异表示不同路径中流动的 CMT 电流的相对大小。可以看出，CMT电流对反馈信号的影响明显较小。

图 5 ： PSR 反激中改进的CMTI降低了 CMT 电流对反馈信号的影响

概念证明

我们使用多个 TI PSR 反激转换器板(包括LM5180EVM-S05 和LM5185EVM-SIO )验证了提出的 CMTI 改进方法，并展示了预期的改进。图 6 显示了 LM5180EVM-S05 实施此方法的原理图。

图 6 ：对LM5180EVM-S05进行的更改以改进 CMTI

图 7 显示了实现该 CMTI 改进方法的评估板 (EVM) 的性能。在与图 3 相同的工作条件下，转换器的工作得到显着改善，并且没有明显的中断。 LM5185EVM-SIO 也证实了类似的改进。

图 7 ：实施 CMTI 改进方法的 LM5180EVM-S05的性能(纵轴：通道1 = 100V增量，通道2 = 10V增量;横轴：50 μs增量)

概括

通过实施所提出的 CMTI 改进方法，PSR 反激式作为隔离偏置电源仍然是一种有吸引力且合适的解决方案。它不仅可用于SiC逆变器，还可用于采用SiC FET的车载充电器、电池管理系统、大功率DC/DC转换器等。