【導讀】在電機應用中，必須采用逆變器或轉換器進(jìn)行電源轉換，采用高隔離DC/DC轉換器，將有助于提升電機運作的穩定性與安全性，這對高功率、高速電機系統尤為重要。本文將為您介紹IGBT/MOSFET/SiC/GaN柵極驅動(dòng)DC-DC轉換器的相關(guān)技術(shù)，以及由Murata（村田制作所）所推出的一系列高隔離DC/DC轉換器的功能特性。

在電機應用中，必須采用逆變器或轉換器進(jìn)行電源轉換，采用高隔離DC/DC轉換器，將有助于提升電機運作的穩定性與安全性，這對高功率、高速電機系統尤為重要。本文將為您介紹IGBT/MOSFET/SiC/GaN柵極驅動(dòng)DC-DC轉換器的相關(guān)技術(shù)，以及由Murata（村田制作所）所推出的一系列高隔離DC/DC轉換器的功能特性。

在高功率下，逆變器或轉換器通常使用“橋式”配置來(lái)生成工頻交流電或為電機、變壓器或其他負載提供雙向PWM驅動(dòng)，可以是半橋、全橋、三相等配置。橋式電路通常包括IGBT或MOSFET（包括SiC和GaN）作為“高邊”開(kāi)關(guān)，其發(fā)射極／源極是高壓和高頻下的開(kāi)關(guān)節點(diǎn)。因此，使用發(fā)射極／源極作為參考的柵極驅動(dòng)PWM信號和相關(guān)驅動(dòng)電源軌必須與地電隔離。

高功率轉換器的其他要求是驅動(dòng)電路和相關(guān)電源軌應不受開(kāi)關(guān)節點(diǎn)高“dV/dt”的影響，并且具有非常低的耦合電容。在許多情況下，橋式電路需要與控制電路進(jìn)行安全機構額定的隔離，因此驅動(dòng)電路隔離屏障必須堅固耐用，并且在設計壽命期間不會(huì )因局部放電效應而表現出明顯的退化。

柵極驅動(dòng)電路的正電源軌電壓應足夠高，以確保電源開(kāi)關(guān)完全飽和／增強，而不超過(guò)其柵極的絕對最大電壓。例如，IGBT和標準MOSFET將在15 V驅動(dòng)下完全導通，但典型的SiC MOSFET可能需要接近20V的電壓才能完全增強。

對于關(guān)閉狀態(tài)，柵極上的0 V對于所有器件來(lái)說(shuō)就足夠了。然而，通常在-5V和-10V之間的負電壓可以實(shí)現由柵極電阻器控制的快速開(kāi)關(guān)。IGBT的導通狀態(tài)柵極閾值為幾伏，其通常為5V，但SiC和GaN可以低至略高于1伏。

負柵極驅動(dòng)還有助于克服集電極／漏極對柵極“米勒”電容的影響，該電容可在器件關(guān)斷時(shí)將電流注入柵極驅動(dòng)電路，在關(guān)斷期間，集電極電壓迅速上升，導致電流尖峰通過(guò)米勒電容流向柵極，這會(huì )導致柵極電阻上出現相反的正電壓，將柵極驅動(dòng)至負電壓可減輕這種影響，IGBT和所有類(lèi)型的MOSFET都具有相同的效果。

DC-DC轉換器驅動(dòng)電源的功率需求，其DC-DC轉換僅向驅動(dòng)器電路提供平均直流電流，由近驅動(dòng)電路的電容提供峰值電流，用于每個(gè)周期對柵極電容進(jìn)行充電和放電，需要考慮降額和驅動(dòng)中的其他損耗，SiC和GaN的Qg低于IGBT，但頻率可能非常高。

Murata推出了一系列由Murata Power Solutions開(kāi)發(fā)的高隔離DC/DC轉換器，其中的MGJ系列DC-DC轉換器專(zhuān)為柵極驅動(dòng)應用而設計，可滿(mǎn)足電機驅動(dòng)和逆變器中使用的橋式電路中常見(jiàn)的高隔離要求，旨在為這些“高邊”柵極驅動(dòng)電路提供最佳驅動(dòng)電壓和隔離。其中柵極在每個(gè)PWM開(kāi)關(guān)周期進(jìn)行完全充電和放電，無(wú)論正驅動(dòng)電壓和負驅動(dòng)電壓如何，這都對應于相等的正負平均電流和峰值電流。如果輸出負載有不相等的電流（例如通過(guò)額外的保護電路），則電壓可能不會(huì )保持在預期的容差范圍內。

柵極驅動(dòng)電壓的絕對值并不是非常關(guān)鍵，只要它們高于開(kāi)關(guān)增強所需的最小值、適當低于擊穿水平并且耗散是可接受的即可。因此，如果DC-DC的輸入標稱(chēng)恒定，則提供驅動(dòng)電源的DC-DC轉換器可能是非穩壓類(lèi)型，例如MGJ1或MGJ2系列。然而，與大多數DC-DC應用不同的是，當IGBT/MOSFET在任何占空比下切換時(shí)，負載都相當恒定?；蛘?，當器件不切換時(shí)，負載接近于零。簡(jiǎn)單的DC-DC通常需要最小負載，否則它們的輸出電壓會(huì )急劇增加，甚至可能達到柵極擊穿水平。

該高電壓存儲在大容量電容器上，因此當器件開(kāi)始開(kāi)關(guān)時(shí)，它可能會(huì )出現柵極過(guò)壓，直到該電平在正常負載下下降。因此，應選擇具有鉗位輸出電壓或非常低的最小負載要求的DC-DC。

在驅動(dòng)電路電壓軌達到正確值之前，不應由PWM信號主動(dòng)驅動(dòng)IGBT/MOSFET。然而，當柵極驅動(dòng)DC-DC通電或斷電時(shí)，即使PWM信號處于非活動(dòng)狀態(tài)，也可能會(huì )出現瞬態(tài)情況，導致器件被驅動(dòng)，從而導致?lián)舸┖蛽p壞。因此，DC-DC輸出在加電和斷電時(shí)應表現良好，且單調上升和下降。

用于“高邊”IGBT/MOSFET驅動(dòng)器的隔離式DC-DC可以看到跨過(guò)其勢壘的開(kāi)關(guān)“DC鏈路”電壓。該電壓可以達到千伏，具有10 kV/μs以上的非?？斓拈_(kāi)關(guān)邊緣。最新的GaN器件的開(kāi)關(guān)速度可能達到100 kV/μs或更高，其只要20pF和10 kV/μs，就會(huì )產(chǎn)生200mA的電流。該電流找到一條不確定的返回路徑，通過(guò)控制器電路返回電橋，導致連接電阻和電感上出現電壓尖峰，可能會(huì )擾亂控制器和DC-DC轉換器本身的運行，因此需要低耦合電容。

高邊開(kāi)關(guān)發(fā)射極是一個(gè)高壓、高頻開(kāi)關(guān)節點(diǎn)，從DC-DC輸入到輸出可以看到全HVDC鏈路電壓以PWM頻率連續切換，其頻率可能很高，變化率也很高，IGBT可達到約30 kV/μs，MOSFET則約有50 kV/μs，SiC/GaN則約為50+++ kV/μs，DC-DC輸入輸出隔離存在耦合電容（Cc），該電容兩端有高開(kāi)關(guān)電壓，因此將有脈沖電流流過(guò)，這可能會(huì )對敏感的輸入引腳造成干擾，采用共模瞬態(tài)抗擾度（CMTI）測試，便可給出此故障級別的指示。

在某些情況下，隔離式DC-DC由另一個(gè)線(xiàn)性或開(kāi)關(guān)模式轉換器供電，高瞬態(tài)電流可能會(huì )導致隔離式DC-DC輸入出現過(guò)沖。如果超過(guò)隔離DC-DC的最大輸入電壓，可能會(huì )造成損壞。在這種情況下，可能需要在輸入端使用齊納二極管作為保護。

為了確保電源轉換過(guò)程的安全，DC-DC可以是安全隔離系統的一部分，例如根據UL60950，690 VAC系統滿(mǎn)足加強絕緣，便需要14mm爬電距離和電氣間隙，隔離電壓需要用比工作電壓大得多的單個(gè)瞬間電壓來(lái)驗證隔離，如加持一分鐘。此外，依據功能性的需要，在“高邊”應用中，DC-DC輸入到輸出可看到全HVDC鏈路電壓以PWM頻率連續切換。在這種情況下，僅一分鐘的單個(gè)瞬間電壓測試并不是好的隔離指標，符合IEC 60270的局部放電測試才是唯一的確保方式。

發(fā)生放電是因為小空隙的擊穿電壓（~3kV/mm）遠低于周?chē)腆w絕緣體的擊穿電壓（~300kV/mm），這個(gè)“起始電壓”可以被測量，并用于定義最大工作電壓以確保絕緣體的長(cháng)期可靠性。局部放電短期不會(huì )造成重大損害，但長(cháng)時(shí)間使用時(shí)，局部放電現象會(huì )降低絕緣性能。

由Murata推出的MGJ系列DC-DC轉換器非常適合為橋式電路中的IGBT和MOSFET的“高邊”和“低邊”柵極驅動(dòng)電路供電。選擇不對稱(chēng)輸出電壓可實(shí)現最佳驅動(dòng)電平，從而實(shí)現最佳系統效率和EMI。MGJ系列的特點(diǎn)是滿(mǎn)足電機驅動(dòng)和逆變器中使用的橋式電路中常見(jiàn)的高隔離和dv/dt要求。MGJ系列的推薦應用包括新能源（如風(fēng)能、太陽(yáng)能）上的逆變器與備用電池，也可用于高速和變速電機驅動(dòng)，并可通過(guò)關(guān)鍵參數來(lái)滿(mǎn)足應用特定技術(shù)要求。

MGJ系列中的MGJ2 SIP的總輸出功率為2W，使用傳統的雙繞組方法提供+ve和-ve柵極驅動(dòng)電壓輸出，包括+15V/-15V、+15V/-5V、+15V/-8.7V、+20V/-5V、+18V/-2.5V，可以通過(guò)改變匝數來(lái)提供其他特殊輸出，而MGJ2工業(yè)級溫度額定值和結構可提供較長(cháng)的使用壽命和可靠性。

MGJ3與MGJ6系列的總輸出功率則為3W和6W，采用專(zhuān)利技術(shù)，輸出三路電壓可進(jìn)行靈活配置，如20V/-5V（15V+5V，-5V）、15V/-10V（15V，-5V-5V），MGJ3與MGJ6的禁用／頻率同步引腳簡(jiǎn)化了EMC濾波器設計，其保護功能包括短路保護和過(guò)載保護。

MGJ1與MGJ2 SMD的總輸出功率則為1W和2W，使用內部齊納二極管分壓提供特定的+ve和-ve柵極驅動(dòng)電壓，包括+15V/-5V（從一個(gè)單一20V輸出）、+15V/-9V（從一個(gè)單一24V輸出）、+19V/-5V（從一個(gè)單一24V輸出），通過(guò)改變齊納二極管可以提供其他特殊輸出。MGJ1與MGJ2工業(yè)級溫度額定值和結構則可提供較長(cháng)的使用壽命和可靠性。

結語(yǔ)

柵極驅動(dòng)電源的DC-DC轉換器對于電機運作的安全性與穩定性至關(guān)重要，尤其針對高電壓、高頻率系統更是關(guān)鍵的零部件。Murata推出了一系列針對不同功率、耦合電容與封裝規格需求，推出MGJ系列的DC-DC轉換器，非常適合為橋式電路中的IGBT和MOSFET的“高邊”和“低邊”柵極驅動(dòng)電路供電，并提供強大的隔離與絕緣性能，以確保系統運作的穩定性與安全性，將是您開(kāi)發(fā)電機驅動(dòng)應用的理想解決方案。

（來(lái)源：艾睿電子）

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