【導讀】在電機應用中
，必須采用逆變器或轉換器進行電源轉換，采用高隔離DC/DC轉換器，將有助於提升電機運作的穩定性與安全性，這對高功率、高速電機係統尤為重要。本文將為您介紹IGBT/MOSFET/SiC/GaN柵極驅動DC-DC轉換器的相關技術，以及由Murata（村田製作所）所推出的一係列高隔離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行電源轉換，采用高隔離DC/DC轉換器，將有助於提升電機運作的穩定性與安全性，這對高功率、高速電機係統尤為重要。本文將為您介紹IGBT/MOSFET/SiC/GaN柵極驅動DC-DC轉換器的相關技術，以及由Murata（村田製作所）所推出的一係列高隔離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，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”開關，其發射極／源極是高壓和高頻下的開關節點。因此，使用發射極／源極作為參考的柵極驅動PWM信號和相關驅動電源軌必須與地電隔離。

高功率轉換器的其他要求是驅動電路和相關電源軌應不受開關節點高“dV/dt”的(de)影(ying)響(xiang)
，並(bing)且(qie)具(ju)有(you)非(fei)常(chang)低(di)的(de)耦(ou)合(he)電(dian)容(rong)。在(zai)許(xu)多(duo)情(qing)況(kuang)下(xia)，橋(qiao)式(shi)電(dian)路(lu)需(xu)要(yao)與(yu)控(kong)製(zhi)電(dian)路(lu)進(jin)行(xing)安(an)全(quan)機(ji)構(gou)額(e)定(ding)的(de)隔(ge)離(li)，因(yin)此(ci)驅(qu)動(dong)電(dian)路(lu)隔(ge)離(li)屏(ping)障(zhang)必(bi)須(xu)堅(jian)固(gu)耐(nai)用(yong)，並(bing)且(qie)在(zai)設(she)計(ji)壽(shou)命(ming)期(qi)間(jian)不(bu)會(hui)因(yin)局(ju)部(bu)放(fang)電(dian)效(xiao)應(ying)而(er)表(biao)現(xian)出(chu)明(ming)顯(xian)的(de)退(tui)化(hua)。

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

對於關閉狀態，柵極上的0 V對於所有器件來說就足夠了。然而，通常在-5V和-10V之間的負電壓可以實現由柵極電阻器控製的快速開關。IGBT的導通狀態柵極閾值為幾伏，其通常為5V，但SiC和GaN可以低至略高於1伏。

負柵極驅動還有助於克服集電極／漏極對柵極“米勒”電dian容rong的de影ying響xiang
，該gai電dian容rong可ke在zai器qi件jian關guan斷duan時shi將jiang電dian流liu注zhu入ru柵zha極ji驅qu動dong電dian路lu
，在zai關guan斷duan期qi間jian，集ji電dian極ji電dian壓ya迅xun速su上shang升sheng，導dao致zhi電dian流liu尖jian峰feng通tong過guo米mi勒le電dian容rong流liu向xiang柵zha極ji，這zhe會hui導dao致zhi柵zha極ji電dian阻zu上shang出chu現xian相xiang反fan的de正zheng電dian壓ya，將jiang柵zha極ji驅qu動dong至zhi負fu電dian壓ya可ke減jian輕qing這zhe種zhong影ying響xiang
，IGBT和所有類型的MOSFET都具有相同的效果。

DC-DC轉換器驅動電源的功率需求
，其DC-DC轉(zhuan)換(huan)僅(jin)向(xiang)驅(qu)動(dong)器(qi)電(dian)路(lu)提(ti)供(gong)平(ping)均(jun)直(zhi)流(liu)電(dian)流(liu)
，由(you)近(jin)驅(qu)動(dong)電(dian)路(lu)的(de)電(dian)容(rong)提(ti)供(gong)峰(feng)值(zhi)電(dian)流(liu)，用(yong)於(yu)每(mei)個(ge)周(zhou)期(qi)對(dui)柵(zha)極(ji)電(dian)容(rong)進(jin)行(xing)充(chong)電(dian)和(he)放(fang)電(dian)
，需(xu)要(yao)考(kao)慮(lv)降(jiang)額(e)和(he)驅(qu)動(dong)中(zhong)的(de)其(qi)他(ta)損(sun)耗(hao)
，SiC和GaN的Qg低於IGBT，但頻率可能非常高。

Murata推出了一係列由Murata Power Solutions開發的高隔離DC/DC轉換器
，其中的MGJ係列DC-DC轉換器專為柵極驅動應用而設計，可滿足電機驅動和逆變器中使用的橋式電路中常見的高隔離要求
，旨在為這些“高邊”柵極驅動電路提供最佳驅動電壓和隔離。其中柵極在每個PWM開(kai)關(guan)周(zhou)期(qi)進(jin)行(xing)完(wan)全(quan)充(chong)電(dian)和(he)放(fang)電(dian)
，無(wu)論(lun)正(zheng)驅(qu)動(dong)電(dian)壓(ya)和(he)負(fu)驅(qu)動(dong)電(dian)壓(ya)如(ru)何(he)，這(zhe)都(dou)對(dui)應(ying)於(yu)相(xiang)等(deng)的(de)正(zheng)負(fu)平(ping)均(jun)電(dian)流(liu)和(he)峰(feng)值(zhi)電(dian)流(liu)。如(ru)果(guo)輸(shu)出(chu)負(fu)載(zai)有(you)不(bu)相(xiang)等(deng)的(de)電(dian)流(liu)（例如通過額外的保護電路），則電壓可能不會保持在預期的容差範圍內。

柵極驅動電壓的絕對值並不是非常關鍵，隻要它們高於開關增強所需的最小值
、適當低於擊穿水平並且耗散是可接受的即可。因此，如果DC-DC的輸入標稱恒定
，則提供驅動電源的DC-DC轉換器可能是非穩壓類型
，例如MGJ1或MGJ2係列。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，負載都相當恒定。或者，當器件不切換時
，負載接近於零。簡單的DC-DC通常需要最小負載，否則它們的輸出電壓會急劇增加，甚至可能達到柵極擊穿水平。

該(gai)高(gao)電(dian)壓(ya)存(cun)儲(chu)在(zai)大(da)容(rong)量(liang)電(dian)容(rong)器(qi)上(shang)
，因(yin)此(ci)當(dang)器(qi)件(jian)開(kai)始(shi)開(kai)關(guan)時(shi)，它(ta)可(ke)能(neng)會(hui)出(chu)現(xian)柵(zha)極(ji)過(guo)壓(ya)，直(zhi)到(dao)該(gai)電(dian)平(ping)在(zai)正(zheng)常(chang)負(fu)載(zai)下(xia)下(xia)降(jiang)。因(yin)此(ci)，應(ying)選(xuan)擇(ze)具(ju)有(you)鉗(qian)位(wei)輸(shu)出(chu)電(dian)壓(ya)或(huo)非(fei)常(chang)低(di)的(de)最(zui)小(xiao)負(fu)載(zai)要(yao)求(qiu)的(de)DC-DC。

在驅動電路電壓軌達到正確值之前
，不應由PWM信號主動驅動IGBT/MOSFET。然而，當柵極驅動DC-DC通電或斷電時，即使PWM信號處於非活動狀態，也可能會出現瞬態情況，導致器件被驅動
，從而導致擊穿和損壞。因此，DC-DC輸出在加電和斷電時應表現良好，且單調上升和下降。

用於“高邊”IGBT/MOSFET驅動器的隔離式DC-DC可以看到跨過其勢壘的開關“DC鏈路”電壓。該電壓可以達到千伏，具有10 kV/μs以上的非常快的開關邊緣。最新的GaN器件的開關速度可能達到100 kV/μs或更高
，其隻要20pF和10 kV/μs，就會產生200mA的電流。該電流找到一條不確定的返回路徑，通過控製器電路返回電橋，導致連接電阻和電感上出現電壓尖峰，可能會擾亂控製器和DC-DC轉換器本身的運行，因此需要低耦合電容。

高邊開關發射極是一個高壓、高頻開關節點，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）
，該電容兩端有高開關電壓
，因此將有脈衝電流流過，這可能會對敏感的輸入引腳造成幹擾，采用共模瞬態抗擾度（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由另一個線性或開關模式轉換器供電，高瞬態電流可能會導致隔離式DC-DC輸入出現過衝。如果超過隔離DC-DC的最大輸入電壓，可能會造成損壞。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程的安全，DC-DC可以是安全隔離係統的一部分
，例如根據UL60950，690 VAC係統滿足加強絕緣
，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瞬間電壓來驗證隔離，如加持一分鍾。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，僅一分鍾的單個瞬間電壓測試並不是好的隔離指標，符合IEC 60270的局部放電測試才是唯一的確保方式。

發生放電是因為小空隙的擊穿電壓（~3kV/mm）遠低於周圍固體絕緣體的擊穿電壓（~300kV/mm），這個“起始電壓”可ke以yi被bei測ce量liang，並bing用yong於yu定ding義yi最zui大da工gong作zuo電dian壓ya以yi確que保bao絕jue緣yuan體ti的de長chang期qi可ke靠kao性xing。局ju部bu放fang電dian短duan期qi不bu會hui造zao成cheng重zhong大da損sun害hai，但dan長chang時shi間jian使shi用yong時shi，局ju部bu放fang電dian現xian象xiang會hui降jiang低di絕jue緣yuan性xing能neng。

由Murata推出的MGJ係列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”柵極驅動電路供電。選擇不對稱輸出電壓可實現最佳驅動電平
，從而實現最佳係統效率和EMI。MGJ係列的特點是滿足電機驅動和逆變器中使用的橋式電路中常見的高隔離和dv/dt要求。MGJ係列的推薦應用包括新能源（如風能
、太陽能）上的逆變器與備用電池，也可用於高速和變速電機驅動，並可通過關鍵參數來滿足應用特定技術要求。

MGJ係列中的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柵極驅動電壓輸出，包括+15V/-15V、+15V/-5V、+15V/-8.7V
、+20V/-5V、+18V/-2.5V，可以通過改變匝數來提供其他特殊輸出，而MGJ2工業級溫度額定值和結構可提供較長的使用壽命和可靠性。

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

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柵極驅動電壓
，包括+15V/-5V（從一個單一20V輸出）、+15V/-9V（從一個單一24V輸出）、+19V/-5V（從一個單一24V輸出）
，通過改變齊納二極管可以提供其他特殊輸出。MGJ1與MGJ2工業級溫度額定值和結構則可提供較長的使用壽命和可靠性。

結語

柵極驅動電源的DC-DC轉換器對於電機運作的安全性與穩定性至關重要，尤其針對高電壓、高頻率係統更是關鍵的零部件。Murata推出了一係列針對不同功率、耦合電容與封裝規格需求，推出MGJ係列的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”柵極驅動電路供電，並提供強大的隔離與絕緣性能
，以確保係統運作的穩定性與安全性，將是您開發電機驅動應用的理想解決方案。

（來源：艾睿電子）

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