【導(dǎo)讀】電源是電子設(shè)備的基礎(chǔ)，其中的柵極驅(qū)動(dòng)器是穩(wěn)定提供設(shè)備電源的關(guān)鍵。柵極驅(qū)動(dòng)器是一種功率放大器，它接受來(lái)自控制器芯片的低功率輸入，并為高功率晶體管（例如IGBT或功率MOSFET）的柵極產(chǎn)生高電流驅(qū)動(dòng)輸入。本文將為您介紹柵極驅(qū)動(dòng)電源與DC-DC轉(zhuǎn)換器的技術(shù)概念，以及由Murata推出的隔離柵極驅(qū)動(dòng)電源產(chǎn)品系列的功能特性。
電源是電子設(shè)備的基礎(chǔ)，其中的柵極驅(qū)動(dòng)器是穩(wěn)定提供設(shè)備電源的關(guān)鍵。柵極驅(qū)動(dòng)器是一種功率放大器，它接受來(lái)自控制器芯片的低功率輸入，并為高功率晶體管（例如IGBT或功率MOSFET）的柵極產(chǎn)生高電流驅(qū)動(dòng)輸入。本文將為您介紹柵極驅(qū)動(dòng)電源與DC-DC轉(zhuǎn)換器的技術(shù)概念，以及由Murata推出的隔離柵極驅(qū)動(dòng)電源產(chǎn)品系列的功能特性。
柵極驅(qū)動(dòng)器是電力轉(zhuǎn)換電路的基礎(chǔ)
柵極驅(qū)動(dòng)器是一種用于驅(qū)動(dòng)功率半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)（如MOSFET、IGBT等）的電路。這些半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)用于控制電力轉(zhuǎn)換器的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，例如直流至交流逆變器（DC-AC inverter）、交流至直流轉(zhuǎn)換器（AC-DC converter）、直流至直流轉(zhuǎn)換器（DC-DC converter）等。
柵極驅(qū)動(dòng)器的主要作用是提供足夠的電流和電壓，以控制功率半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)的開(kāi)關(guān)速度和開(kāi)關(guān)時(shí)間，從而確保轉(zhuǎn)換器的穩(wěn)定運(yùn)行。柵極驅(qū)動(dòng)器一般包括輸入驅(qū)動(dòng)電路、輸出功率級(jí)、隔離電路等部分，能夠隔離控制信號(hào)和功率電路，以提高系統(tǒng)的安全性和可靠性。
在柵極驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)中，需要考慮輸出功率、功率半導(dǎo)體的特性、電源噪聲等因素。柵極驅(qū)動(dòng)器還可以使用不同的控制方法，例如電壓控制和電流控制等，以實(shí)現(xiàn)不同的應(yīng)用需求。
柵極驅(qū)動(dòng)器的種類相當(dāng)多樣，它可以單一芯片或作為分立模塊的方式運(yùn)作。本質(zhì)上，柵極驅(qū)動(dòng)器由電平轉(zhuǎn)換器和放大器組成，柵極驅(qū)動(dòng)器芯片用作控制信號(hào)（數(shù)字或模擬控制器）和功率開(kāi)關(guān)（IGBT、MOSFET、SiC MOSFET和GaN HEMT）之間的接口。集成式柵極驅(qū)動(dòng)器解決方案可降低設(shè)計(jì)復(fù)雜性、開(kāi)發(fā)時(shí)間、材料列表（BOM）和電路板空間，同時(shí)提高分立式實(shí)施的柵極驅(qū)動(dòng)器解決方案的可靠性。
隔離式DC-DC轉(zhuǎn)換器提高系統(tǒng)安全性
以用于柵極驅(qū)動(dòng)電源的DC-DC應(yīng)用場(chǎng)景為例，典型的應(yīng)用是為全橋電機(jī)的“High side高邊”和“Low side低邊”提供驅(qū)動(dòng)電源，它可以是半橋、全橋、三相等模式，在高邊的開(kāi)關(guān)發(fā)射極是一個(gè)高壓、高頻開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)，可以是IGBT，也可能是MOSFET、SiC、GaN，它需要一個(gè)+Ve和-Ve的正負(fù)雙路輸出電壓，在高邊的驅(qū)動(dòng)及相關(guān)電路必須采用隔離設(shè)計(jì)。
DC-DC只向驅(qū)動(dòng)器電路提供平均直流電流，由近驅(qū)動(dòng)電路的電容提供峰值電流，用于每個(gè)周期對(duì)柵極電容進(jìn)行充電和放電，在使用時(shí)需要考慮降額和驅(qū)動(dòng)中的其他損耗，其中SiC和GaN的Qg低于IGBT，但頻率可能非常高。
根據(jù)數(shù)據(jù)表，大多數(shù)器件都可以用0V關(guān)閉，但有時(shí)還是得使用負(fù)柵極電壓，這是為了克服寄生電感效應(yīng)與米勒（Miller）電容效應(yīng)。由于源極寄生電感的存在，當(dāng)IGBT關(guān)閉時(shí)，將導(dǎo)致電流突然終止引起的感應(yīng)電壓，造成尖峰與柵極電壓反向，另一方面，在關(guān)斷期間，集電極電壓將迅速上升，導(dǎo)致電流尖峰通過(guò)米勒電容流向柵極，這會(huì)導(dǎo)致柵極電阻上出現(xiàn)相反的正電壓。
那為什么DC-DC轉(zhuǎn)換器又需要進(jìn)行隔離呢？首先考慮的便是安全因素，DC-DC可以是安全隔離系統(tǒng)的一部分，例如根據(jù)UL60950，690 VAC系統(tǒng)滿足加強(qiáng)絕緣，需要14mm爬電距離和空氣間隙，并用比工作電壓大得多的單個(gè)瞬間電壓來(lái)驗(yàn)證隔離，如加持一分鐘。此外，隔離也有功能性的需要，像是在“高邊”應(yīng)用中，DC-DC輸入到輸出中將可看到全HVDC鏈路電壓以PWM頻率連續(xù)切換，在這種情況下，只是一分鐘的單個(gè)瞬間電壓測(cè)試并不是好的隔離指標(biāo)，符合IEC 60270的局部放電測(cè)試才是有效的確保方式。
會(huì)發(fā)生放電是因?yàn)樾】障兜膿舸╇妷海▇3kV/mm），遠(yuǎn)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(cè)量，并用于定義最大工作電壓以確保絕緣體的長(zhǎng)期可靠性。局部放電短期不會(huì)造成重大損害，但長(zhǎng)時(shí)間使用，局部放電現(xiàn)象會(huì)降低絕緣性能。
高邊開(kāi)關(guān)發(fā)射極是一個(gè)高壓、高頻開(kāi)關(guān)節(jié)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(xù)切換，其頻率可能很高，變化率也很高，像是IGBT可達(dá)到約30kV/μs，MOSFET則約有50kV/μs，SiC/GaN則約有50+++Kv/μs，DCDC輸入輸出隔離將存在耦合容抗（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(duì)敏感的輸入引腳造成干擾，因此共模瞬態(tài)抗擾度（CMTI）測(cè)試將可給出此故障級(jí)別的指示。
可實(shí)現(xiàn)雙極電壓的DC-DC轉(zhuǎn)換器
Murata推出了多款用于柵極驅(qū)動(dòng)電源的DC-DC轉(zhuǎn)換器系列，這是專為柵極驅(qū)動(dòng)電路而設(shè)計(jì)，通常用于替代能源、運(yùn)動(dòng)與控制、移動(dòng)性和醫(yī)療保健解決方案。這些產(chǎn)品隔離電容很低，只有3pF，可用于IGBT/SiC和MOS柵極驅(qū)動(dòng)器的優(yōu)化雙極輸出電壓，DC Link電壓具有可達(dá)3KV的耐受能力，且擁有特有的局部放電性能，在1.6kV時(shí)的dv/dt抗擾度可達(dá)80kV/μS，全系列包括支持IGBT、SiC、MOS、GaN的多款產(chǎn)品線。
各種開(kāi)關(guān)器件需要不同的柵極電壓，不同的制造商指定的電平也存在差異，Murata實(shí)現(xiàn)雙極電壓的不同方法，是采用像是MGJ2 SIP DC-DC轉(zhuǎn)換器，其總輸出功率為2W，使用傳統(tǒng)的雙繞組方法來(lái)提供+ve和-ve柵極驅(qū)動(dòng)電壓輸出，包括支持+15V/-15V、+15V/-5V、+15V/-8.7V、+20V/-5V與+18V/-2.5V，并可以通過(guò)改變?cè)褦?shù)來(lái)提供其他專用輸出。
另外像是MGJ3與MGJ6 DC-DC轉(zhuǎn)換器，可提供3W和6W的總輸出功率，采用專利技術(shù)，可輸出三路電壓進(jìn)行靈活配置，像是20V/-5V（15V+5V，-5V）與15V/-10V（15V，-5V-5V）。MGJ1與MGJ2 SMD的總輸出功率則為1W和2W，其使用內(nèi)部齊納二極管分壓提供特定的+ve和-ve柵極驅(qū)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）與+19V/-5V（從一個(gè)單一24V輸出），通過(guò)改變齊納二極管還可以提供其他專用輸出。
支持GaN器件的DC-DC轉(zhuǎn)換器
GaN器件已經(jīng)成為當(dāng)前高功率應(yīng)用的理想產(chǎn)品，Murata也針對(duì)GaN柵極驅(qū)動(dòng)應(yīng)用，推出經(jīng)過(guò)優(yōu)化的新型DC-DC轉(zhuǎn)換器，Murata利用專有的PCB電氣和機(jī)械設(shè)計(jì)拓?fù)洌瞥隽艘幌盗行碌木o湊型DC-DC轉(zhuǎn)換器，這些轉(zhuǎn)換器與日益普及的寬帶隙技術(shù)保持一致。全新MGN1系列1W輸出DC-DC轉(zhuǎn)換器，旨在提供GaN器件柵極驅(qū)動(dòng)器所需的電壓。
這些器件提供薄型、占地面積小的表面貼裝解決方案，可以輕松集成到空間受限的系統(tǒng)中。它們還具有輕量的優(yōu)勢(shì)，這開(kāi)辟了更大的部署機(jī)會(huì)，提供的輸出電壓為+8V、+12V和+6/-3V。
MGN1系列DC-DC轉(zhuǎn)換器的關(guān)鍵屬性之一是其隔離電容很低，只有2.5pF（典型值）。如此一來(lái)，隔離勢(shì)壘上的瞬態(tài)耦合大幅減少，從而防止信號(hào)失真。此外，這意味著可以減緩系統(tǒng)EMI問(wèn)題。這些單元的>200kV/μs CMTI使其非常適合基于GaN系統(tǒng)的更高開(kāi)關(guān)速度，進(jìn)一步確保柵極驅(qū)動(dòng)器信號(hào)完整性。得益于其局部放電性能，可在高壓條件下保持可靠運(yùn)行。
Murata的MGN1系列中的DC-DC轉(zhuǎn)換器支持1.1kV的連續(xù)隔離勢(shì)壘耐受電壓，并針對(duì)650VDC基本絕緣和240VAC增強(qiáng)絕緣，以符合UL62368標(biāo)準(zhǔn)。這些轉(zhuǎn)換器具有6.5mm的爬電距離和間隙數(shù)據(jù)，并可在-40℃至+105℃的工作溫度范圍內(nèi)運(yùn)作，使其能夠安裝在非常有挑戰(zhàn)性的環(huán)境中。此外，還結(jié)合了反極性和短路保護(hù)機(jī)制。
這款新型DC-DC轉(zhuǎn)換器可用于多種基于GaN的應(yīng)用，其中包括電動(dòng)汽車(chē)的快速充電基礎(chǔ)設(shè)施、電池存儲(chǔ)轉(zhuǎn)換器、智能電網(wǎng)實(shí)施、太陽(yáng)能逆變器、固態(tài)開(kāi)關(guān)斷路器、ICT和數(shù)據(jù)中心、風(fēng)力渦輪機(jī)和電機(jī)驅(qū)動(dòng)器等。
結(jié)語(yǔ)
在各種電力轉(zhuǎn)換過(guò)程中，柵極驅(qū)動(dòng)器扮演著重要的角色，而通過(guò)柵極驅(qū)動(dòng)電源并支持雙極電壓輸出的隔離式DC-DC轉(zhuǎn)換器，更是為各種電器設(shè)備提供穩(wěn)定電源的理想選擇。Murata推出了一系列的隔離式DC-DC轉(zhuǎn)換器，提供支持IGBT、MOSFET、SiC MOSFET和GaN等不同技術(shù)的產(chǎn)品系列，能夠滿足各種應(yīng)用的不同功率需求，產(chǎn)品系列相當(dāng)完整，將是您進(jìn)行產(chǎn)品開(kāi)發(fā)時(shí)的上佳搭檔。
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