电源是电子@@设备@@的@@基础@@，其中@@的@@栅极驱动器@@是稳定提供设备@@电源的@@关键@@。栅极驱动器@@是一种功率放大器@@，它接受来自控制器芯片的@@低功率输入@@，并为高功率晶体管@@（例如@@@@IGBT或@@功率@@MOSFET）的@@栅极产生高电流驱动输入@@。本文将为您介绍栅极驱动电源与@@@@DC-DC转换器@@的@@技术@@概念@@，以@@及由@@Murata推出的@@隔离栅极驱动电源产品系列@@的@@功能特性@@。
栅极驱动器@@是电力转换电路的@@基础@@
栅极驱动器@@是一种用于驱动功率半导体开关@@（如@@MOSFET、IGBT等@@）的@@电路@@。这些半导体开关用于控制电力转换器@@的@@开关状态@@，例如@@@@直流至@@交流逆变器@@（DC-AC inverter）、交流至@@直流转换器@@@@（AC-DC converter）、直流至@@直流转换器@@@@（DC-DC converter）等@@。
栅极驱动器@@的@@主要作用是提供足够的@@电流和@@电压@@，以@@控制功率半导体开关的@@开关速度和@@开关时间@@，从@@而确保转换器@@的@@稳定运行@@。栅极驱动器@@一般包括@@输入驱动电路@@、输出@@功率级@@、隔离电路等@@部分@@，能够隔离控制信号和@@功率电路@@，以@@提高@@系统的@@安全性和@@可靠性@@。
在@@栅极驱动器@@的@@设计中@@，需要@@考虑输出@@功率@@、功率半导体的@@特性@@、电源噪声等@@因素@@。栅极驱动器@@还可以@@使用不同的@@控制方法@@，例如@@@@电压控制和@@电流控制等@@@@，以@@实现不同的@@应用@@需求@@。
栅极驱动器@@的@@种类相当@@多样@@，它可以@@单一芯片或@@作为分立模块的@@方式运作@@。本质上@@，栅极驱动器@@由电平转换器@@和@@放大器组成@@，栅极驱动器@@芯片用作控制信号@@（数字或@@模拟控制器@@）和@@功率开关@@（IGBT、MOSFET、SiC MOSFET和@@GaN HEMT）之间的@@接口@@。集成式栅极驱动器@@解决方案可降低设计复杂性@@、开发时间@@、材料列表@@（BOM）和@@电路板空间@@@@，同时提高@@分立式实施的@@栅极驱动器@@解决方案的@@可靠性@@。
隔离式@@DC-DC转换器@@提高@@系统安全性@@
以@@用于栅极驱动电源的@@@@DC-DC应用场景为例@@，典型的@@应用@@是为全桥@@电机的@@@@“High side高边@@”和@@“Low side低边@@”提供驱动电源@@，它可以@@是@@半桥@@、全桥@@、三相等@@模式@@，在@@高边@@的@@开关发射极是一个高压@@、高频开关节点@@，可以@@是@@IGBT，也可能是@@MOSFET、SiC、GaN，它需要@@一个@@+Ve和@@-Ve的@@正负双路输出@@电压@@，在@@高边@@的@@驱动及相关电路必须采用隔离设计@@。
DC-DC只向驱动器电路提供平均直流电流@@，由近驱动电路的@@电容提供峰值电流@@，用于每个周期对栅极电容进行充电和@@放电@@，在@@使用时需要@@考虑降额和@@驱动中的@@其他损耗@@，其中@@SiC和@@GaN的@@Qg低于@@IGBT，但频率可能非常高@@。
根据数据表@@，大多数器件都可以@@用@@0V关闭@@，但有时还是得使用负栅极电压@@，这是为了克服寄生电感效应与@@米勒@@（Miller）电容效应@@。由于源极寄生电感的@@存在@@@@，当@@IGBT关闭@@时@@，将导致电流突然终止引起的@@感应电压@@，造成尖峰与@@栅极电压反向@@，另一方面@@，在@@关断期间@@，集电极电压将迅速上升@@，导致电流尖峰通过米勒电容流向栅极@@，这会导致栅极电阻上出现相反的@@正电压@@。
那为什么@@DC-DC转换器@@又需要@@进行隔离呢@@？首先考虑的@@便是安全因素@@，DC-DC可以@@是@@安全隔离系统的@@一部分@@，例如@@@@根据@@UL60950，690 VAC系统满足加强绝缘@@，需要@@14mm爬电距离和@@空气间隙@@，并用比工作电压大得多的@@单个瞬间电压来验证隔离@@，如@@加持一分钟@@。此外@@，隔离也有功能性的@@需要@@@@，像是@@在@@@@“高边@@”应用中@@，DC-DC输入到输出@@中将可看到全@@HVDC链路电压@@以@@@@PWM频率连续切换@@，在@@这种情况下@@，只是一分钟的@@单个瞬间电压测试并不是好的@@隔离指标@@，符合@@IEC 60270的@@局部放电测试才是有效的@@确保方式@@。
会发生放电是因为小空隙的@@击穿电压@@（~3kV/mm），远低于@@周围固体绝缘体的@@击穿电压@@（~300kV/mm），这个@@“起始电压@@”可以@@被测量@@，并用于定义最大工作电压以@@确保绝缘体的@@长期可靠性@@。局部放电短期不会造成重大损害@@，但长时间使用@@，局部放电现象会降低绝缘性能@@。
高边@@开关发射极是一个高压@@、高频开关节点@@，从@@DC-DC输入到输出@@可以@@看到全@@HVDC链路电压@@，以@@PWM频率连续切换@@，其频率可能很高@@，变化率也很高@@，像是@@IGBT可达到约@@30kV/µs，MOSFET则约有@@50kV/µs，SiC/GaN则约有@@50+++Kv/µs，DCDC输入输出@@隔离将存在@@耦合容抗@@（Cc），该电容两端有高开关电压@@，因此将有脉冲电流流过@@，这可能会对敏感的@@输入引脚造成干扰@@，因此共模瞬态抗扰度@@（CMTI）测试将可给出此故障级别的@@指示@@。
可实现双极电压的@@@@DC-DC转换器@@
Murata推出了多款用于栅极驱动电源的@@@@DC-DC转换器@@系列@@@@，这是专为栅极驱动电路而设计@@，通常用于替代能源@@、运动与@@控制@@、移动性和@@医疗保健解决方案@@。这些产品隔离电容很低@@，只有@@3pF，可用于@@IGBT/SiC和@@MOS栅极驱动器@@的@@优化双极输出@@电压@@，DC Link电压具有可达@@3KV的@@耐受能力@@，且拥有特有的@@局部放电性能@@，在@@1.6kV时的@@@@dv/dt抗扰度可达@@80kV/µS，全系列@@包括@@支持@@@@@@IGBT、SiC、MOS、GaN的@@多款产品线@@。
各种开关器件需要@@不同的@@栅极电压@@，不同的@@制造商指定的@@电平也存在@@差异@@，Murata实现双极电压的@@不同方法@@，是采用像是@@@@MGJ2 SIP DC-DC转换器@@，其总输出@@功率为@@2W，使用传统的@@双绕组方法来提供@@+ve和@@-ve栅极驱动电压@@输出@@@@，包括@@支持@@@@+15V/-15V、+15V/-5V、+15V/-8.7V、+20V/-5V与@@+18V/-2.5V，并可以@@通过改变匝数来提供其他专用输出@@@@。
另外像是@@@@MGJ3与@@MGJ6 DC-DC转换器@@，可提供@@3W和@@6W的@@总输出@@功率@@，采用专利技术@@@@，可输出@@三路电压进行灵活配置@@，像是@@20V/-5V（15V+5V，-5V）与@@15V/-10V（15V，-5V-5V）。MGJ1与@@MGJ2 SMD的@@总输出@@功率@@则为@@1W和@@2W，其使用内部齐纳二极管分压提供特定的@@@@+ve和@@-ve栅极驱动电压@@，包括@@+15V/-5V（从@@一个单一@@20V输出@@）、+15V/-9V（从@@一个单一@@24V输出@@）与@@+19V/-5V（从@@一个单一@@24V输出@@），通过改变齐纳二极管还可以@@提供其他专用输出@@@@。
支持@@GaN器件的@@@@DC-DC转换器@@
GaN器件已经成为当@@前高功率应用的@@理想产品@@，Murata也针对@@GaN栅极驱动应用@@，推出经过优化的@@新型@@DC-DC转换器@@，Murata利用专有的@@@@PCB电气和@@机械设计拓扑@@，推出了一系列@@新的@@紧凑型@@DC-DC转换器@@，这些转换器@@与@@日益普及的@@宽带隙技术@@保持一致@@。全新@@MGN1系列@@1W输出@@DC-DC转换器@@，旨在@@提供@@GaN器件栅极驱动器@@所需的@@电压@@。
这些器件提供薄型@@、占地面积小的@@表面贴装解决方案@@，可以@@轻松集成到空间@@受限的@@系统中@@。它们还具有轻量的@@优势@@，这开辟了更大的@@部署机会@@，提供的@@输出@@电压为@@+8V、+12V和@@+6/-3V。
MGN1系列@@DC-DC转换器@@的@@关键属性之一是其隔离电容很低@@，只有@@2.5pF（典型值@@）。如@@此一来@@，隔离势垒上的@@瞬态耦合大幅减少@@，从@@而防止信号失真@@。此外@@，这意味着可以@@减缓系统@@EMI问题@@。这些单元的@@@@>200kV/µs CMTI使其非常适合基于@@GaN系统的@@更高开关速度@@，进一步确保栅极驱动器@@信号完整性@@。得益于其局部放电性能@@，可在@@高压条件下保持可靠运行@@。
Murata的@@MGN1系列@@中的@@@@DC-DC转换器@@支持@@@@1.1kV的@@连续隔离势垒耐受电压@@，并针对@@650VDC基本绝缘和@@@@240VAC增强绝缘@@，以@@符合@@@@UL62368标准@@。这些转换器@@具有@@6.5mm的@@爬电距离和@@间隙数据@@，并可在@@@@-40℃至@@+105℃的@@工作温度范围内运作@@，使其能够安装在@@非常有挑战性的@@环境中@@。此外@@，还结合了反极性和@@短路保护机制@@。
这款新型@@DC-DC转换器@@可用于@@多种基于@@GaN的@@应用@@，其中@@包括@@电动汽车的@@快速充电基础设施@@、电池存储转换器@@@@、智能电网@@实施@@、太阳能逆变器@@、固态开关断路器@@、ICT和@@数据中心@@、风力涡轮机和@@电机驱动器等@@@@。
结语@@
在@@各种电力转换过程中@@，栅极驱动器@@扮演着重要的@@角色@@，而通过栅极驱动电源并支持@@双极电压输出@@的@@隔离式@@@@DC-DC转换器@@，更是为各种电器设备@@提供稳定电源的@@理想选择@@。Murata推出了一系列@@的@@隔离式@@@@DC-DC转换器@@，提供支持@@@@IGBT、MOSFET、SiC MOSFET和@@GaN等@@不同技术@@的@@产品系列@@@@，能够满足各种应用的@@不同功率需求@@，产品系列@@相当@@完整@@，将是您进行产品开发时的@@@@上佳搭档@@。
文章来源@@：Arrow Solution微信公众号@@