【導讀】電源是電子設備的基礎，其中的柵極驅動器是穩定提供設備電源的關鍵。柵極驅動器是一種功率放大器，它接受來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）的柵極產生高電流驅動輸入。本文將為您介紹柵極驅動電源與DC-DC轉換器的技術概念，以及由Murata推出的隔離柵極驅動電源產品系列的功能特性。
電源是電子設備的基礎，其中的柵極驅動器是穩定提供設備電源的關鍵。柵極驅動器是一種功率放大器，它接受來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）的柵極產生高電流驅動輸入。本文將為您介紹柵極驅動電源與DC-DC轉換器的技術概念，以及由Murata推出的隔離柵極驅動電源產品系列的功能特性。
柵極驅動器是電力轉換電路的基礎
柵極驅動器是一種用于驅動功率半導體開關（如MOSFET、IGBT等）的電路。這些半導體開關用于控制電力轉換器的開關狀態，例如直流至交流逆變器（DC-AC inverter）、交流至直流轉換器（AC-DC converter）、直流至直流轉換器（DC-DC converter）等。
柵極驅動器的主要作用是提供足夠的電流和電壓，以控制功率半導體開關的開關速度和開關時間，從而確保轉換器的穩定運行。柵極驅動器一般包括輸入驅動電路、輸出功率級、隔離電路等部分，能夠隔離控制信號和功率電路，以提高系統的安全性和可靠性。
在柵極驅動器的設計中，需要考慮輸出功率、功率半導體的特性、電源噪聲等因素。柵極驅動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，以實現不同的應用需求。
柵極驅動器的種類相當多樣，它可以單一芯片或作為分立模塊的方式運作。本質上，柵極驅動器由電平轉換器和放大器組成，柵極驅動器芯片用作控制信號（數字或模擬控制器）和功率開關（IGBT、MOSFET、SiC MOSFET和GaN HEMT）之間的接口。集成式柵極驅動器解決方案可降低設計復雜性、開發時間、材料列表（BOM）和電路板空間，同時提高分立式實施的柵極驅動器解決方案的可靠性。
隔離式DC-DC轉換器提高系統安全性
以用于柵極驅動電源的DC-DC應用場景為例，典型的應用是為全橋電機的“High side高邊”和“Low side低邊”提供驅動電源，它可以是半橋、全橋、三相等模式，在高邊的開關發射極是一個高壓、高頻開關節點，可以是IGBT，也可能是MOSFET、SiC、GaN，它需要一個+Ve和-Ve的正負雙路輸出電壓，在高邊的驅動及相關電路必須采用隔離設計。
DC-DC只向驅動器電路提供平均直流電流，由近驅動電路的電容提供峰值電流，用于每個周期對柵極電容進行充電和放電，在使用時需要考慮降額和驅動中的其他損耗，其中SiC和GaN的Qg低于IGBT，但頻率可能非常高。
根據數據表，大多數器件都可以用0V關閉，但有時還是得使用負柵極電壓，這是為了克服寄生電感效應與米勒（Miller）電容效應。由于源極寄生電感的存在，當IGBT關閉時，將導致電流突然終止引起的感應電壓，造成尖峰與柵極電壓反向，另一方面，在關斷期間，集電極電壓將迅速上升，導致電流尖峰通過米勒電容流向柵極，這會導致柵極電阻上出現相反的正電壓。
那為什么DC-DC轉換器又需要進行隔離呢？首先考慮的便是安全因素，DC-DC可以是安全隔離系統的一部分，例如根據UL60950，690 VAC系統滿足加強絕緣，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瞬間電壓來驗證隔離，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頻率連續切換，在這種情況下，只是一分鐘的單個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有效的確保方式。
會發生放電是因為小空隙的擊穿電壓（~3kV/mm），遠低于周圍固體絕緣體的擊穿電壓（~300kV/mm），這個“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期可靠性。局部放電短期不會造成重大損害，但長時間使用，局部放電現象會降低絕緣性能。
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，像是IGBT可達到約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），該電容兩端有高開關電壓，因此將有脈沖電流流過，這可能會對敏感的輸入引腳造成干擾，因此共模瞬態抗擾度（CMTI）測試將可給出此故障級別的指示。
可實現雙極電壓的DC-DC轉換器
Murata推出了多款用于柵極驅動電源的DC-DC轉換器系列，這是專為柵極驅動電路而設計，通常用于替代能源、運動與控制、移動性和醫療保健解決方案。這些產品隔離電容很低，只有3pF，可用于IGBT/SiC和MOS柵極驅動器的優化雙極輸出電壓，DC Link電壓具有可達3KV的耐受能力，且擁有特有的局部放電性能，在1.6kV時的dv/dt抗擾度可達80kV/μS，全系列包括支持IGBT、SiC、MOS、GaN的多款產品線。
各種開關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實現雙極電壓的不同方法，是采用像是MGJ2 SIP DC-DC轉換器，其總輸出功率為2W，使用傳統的雙繞組方法來提供+ve和-ve柵極驅動電壓輸出，包括支持+15V/-15V、+15V/-5V、+15V/-8.7V、+20V/-5V與+18V/-2.5V，并可以通過改變匝數來提供其他專用輸出。
另外像是MGJ3與MGJ6 DC-DC轉換器，可提供3W和6W的總輸出功率，采用專利技術，可輸出三路電壓進行靈活配置，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）與+19V/-5V（從一個單一24V輸出），通過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轉換器
GaN器件已經成為當前高功率應用的理想產品，Murata也針對GaN柵極驅動應用，推出經過優化的新型DC-DC轉換器，Murata利用專有的PCB電氣和機械設計拓撲，推出了一系列新的緊湊型DC-DC轉換器，這些轉換器與日益普及的寬帶隙技術保持一致。全新MGN1系列1W輸出DC-DC轉換器，旨在提供GaN器件柵極驅動器所需的電壓。
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中。它們還具有輕量的優勢，這開辟了更大的部署機會，提供的輸出電壓為+8V、+12V和+6/-3V。
MGN1系列DC-DC轉換器的關鍵屬性之一是其隔離電容很低，只有2.5pF（典型值）。如此一來，隔離勢壘上的瞬態耦合大幅減少，從而防止信號失真。此外，這意味著可以減緩系統EMI問題。這些單元的>200kV/μs CMTI使其非常適合基于GaN系統的更高開關速度，進一步確保柵極驅動器信號完整性。得益于其局部放電性能，可在高壓條件下保持可靠運行。
Murata的MGN1系列中的DC-DC轉換器支持1.1kV的連續隔離勢壘耐受電壓，并針對650VDC基本絕緣和240VAC增強絕緣，以符合UL62368標準。這些轉換器具有6.5mm的爬電距離和間隙數據，并可在-40℃至+105℃的工作溫度范圍內運作，使其能夠安裝在非常有挑戰性的環境中。此外，還結合了反極性和短路保護機制。
這款新型DC-DC轉換器可用于多種基于GaN的應用，其中包括電動汽車的快速充電基礎設施、電池存儲轉換器、智能電網實施、太陽能逆變器、固態開關斷路器、ICT和數據中心、風力渦輪機和電機驅動器等。
結語
在各種電力轉換過程中，柵極驅動器扮演著重要的角色，而通過柵極驅動電源并支持雙極電壓輸出的隔離式DC-DC轉換器，更是為各種電器設備提供穩定電源的理想選擇。Murata推出了一系列的隔離式DC-DC轉換器，提供支持IGBT、MOSFET、SiC MOSFET和GaN等不同技術的產品系列，能夠滿足各種應用的不同功率需求，產品系列相當完整，將是您進行產品開發時的上佳搭檔。
文章來源：Arrow Solution微信公眾號
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