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滿足當(dāng)今電源需求的全系列柵極驅(qū)動電源產(chǎn)品

發(fā)布時(shí)間:2023-06-02 責(zé)任編輯:lina

【導(dǎo)讀】電源是電子設(shè)備的基礎(chǔ),其中的柵極驅(qū)動器是穩(wěn)定提供設(shè)備電源的關(guān)鍵。柵極驅(qū)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(chǎn)生高電流驅(qū)動輸入。本文將為您介紹柵極驅(qū)動電源與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)動器是穩(wěn)定提供設(shè)備電源的關(guān)鍵。柵極驅(qū)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(chǎn)生高電流驅(qū)動輸入。本文將為您介紹柵極驅(qū)動電源與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)動電源產(chǎn)品系列的功能特性。


柵極驅(qū)動器是電力轉(zhuǎn)換電路的基礎(chǔ)


柵極驅(qū)動器是一種用于驅(qū)動功率半導(dǎo)體開關(guān)(如MOSFET、IGBT等)的電路。這些半導(dǎo)體開關(guān)用于控制電力轉(zhuǎn)換器的開關(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)體開關(guān)的開關(guān)速度和開關(guān)時(shí)間,從而確保轉(zhuǎn)換器的穩(wěn)定運(yùn)行。柵極驅(qū)動器一般包括輸入驅(qū)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(tǒng)的安全性和可靠性。


在柵極驅(qū)動器的設(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)動器由電平轉(zhuǎn)換器和放大器組成,柵極驅(qū)動器芯片用作控制信號(數(shù)字或模擬控制器)和功率開關(guān)(IGBT、MOSFET、SiC MOSFET和GaN HEMT)之間的接口。集成式柵極驅(qū)動器解決方案可降低設(shè)計(jì)復(fù)雜性、開發(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)動器解決方案的可靠性。


滿足當(dāng)今電源需求的全系列柵極驅(qū)動電源產(chǎn)品


隔離式DC-DC轉(zhuǎn)換器提高系統(tǒng)安全性


以用于柵極驅(qū)動電源的DC-DC應(yīng)用場景為例,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)動電源,它可以是半橋、全橋、三相等模式,在高邊的開關(guān)發(fā)射極是一個高壓、高頻開關(guān)節(jié)點(diǎn),可以是IGBT,也可能是MOSFET、SiC、GaN,它需要一個+Ve和-Ve的正負(fù)雙路輸出電壓,在高邊的驅(qū)動及相關(guān)電路必須采用隔離設(shè)計(jì)。


DC-DC只向驅(qū)動器電路提供平均直流電流,由近驅(qū)動電路的電容提供峰值電流,用于每個周期對柵極電容進(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)致電流尖峰通過米勒電容流向柵極,這會導(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瞬間電壓來驗(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,只是一分鐘的單個瞬間電壓測試并不是好的隔離指標(biāo),符合IEC 60270的局部放電測試才是有效的確保方式。


會發(fā)生放電是因?yàn)樾】障兜膿舸╇妷海▇3kV/mm),遠(yuǎn)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(shí)間使用,局部放電現(xiàn)象會降低絕緣性能。


高邊開關(guān)發(fā)射極是一個高壓、高頻開關(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),該電容兩端有高開關(guān)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(tài)抗擾度(CMTI)測試將可給出此故障級別的指示。


滿足當(dāng)今電源需求的全系列柵極驅(qū)動電源產(chǎn)品

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)動電源的DC-DC轉(zhuǎn)換器系列,這是專為柵極驅(qū)動電路而設(shè)計(jì),通常用于替代能源、運(yùn)動與控制、移動性和醫(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)的雙繞組方法來提供+ve和-ve柵極驅(qū)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(shù)來提供其他專用輸出。


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。


滿足當(dāng)今電源需求的全系列柵極驅(qū)動電源產(chǎn)品


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GaN柵極驅(qū)動應(yīng)用,推出經(jīng)過優(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)?,推出了一系列新的緊湊型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,這開辟了更大的部署機(jī)會,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,隔離勢壘上的瞬態(tài)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(tǒng)EMI問題。這些單元的>200kV/μs CMTI使其非常適合基于GaN系統(tǒng)的更高開關(guān)速度,進(jìn)一步確保柵極驅(qū)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(yùn)行。


Murata的MGN1系列中的DC-DC轉(zhuǎn)換器支持1.1kV的連續(xù)隔離勢壘耐受電壓,并針對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,其中包括電動汽車的快速充電基礎(chǔ)設(shè)施、電池存儲轉(zhuǎn)換器、智能電網(wǎng)實(shí)施、太陽能逆變器、固態(tài)開關(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)動器等。


結(jié)語


在各種電力轉(zhuǎn)換過程中,柵極驅(qū)動器扮演著重要的角色,而通過柵極驅(qū)動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)品開發(fā)時(shí)的上佳搭檔。

文章來源:Arrow Solution微信公眾號


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