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高隔离@@DC/DC转换器@@提升电机@@运作的@@稳定性与@@安全性@@

judy — Wed, 17 Jan 2024 03:33:48 +0000

在@@电机@@应用中@@@@，必须采用逆变器或@@转换器@@进行电源转换@@，采用高隔离@@@@DC/DC转换器@@，将有助于提升电机@@运作的@@稳定性与@@安全性@@，这对高功率@@、高速电机@@系统尤为重要@@。本文将为您介绍@@IGBT/MOSFET/SiC/GaN栅极驱动@@@@DC-DC转换器@@的@@相关技术@@，以及由@@@@Murata（村田制作所@@）所推出@@的@@@@一系列@@高隔离@@@@DC/DC转换器@@的@@功能特性@@。

隔离可确保高功率转换器@@稳定运作@@
在@@高功率下@@，逆变器或@@转换器@@通常使用@@“桥式@@”配置来生成工频交流电或@@为电机@@@@、变压器或@@其@@他负载提供双向@@PWM驱动@@，可以是半桥@@、全桥@@、三相等配置@@。桥式@@电路通常包括@@@@IGBT或@@MOSFET（包括@@SiC和@@GaN）作为@@“高边@@”开关@@，其@@发射极@@／源极是高压和@@高频下的@@开关@@节点@@。因此@@，使用发射极@@／源极作为@@参考的@@栅极驱动@@@@@@PWM信号和@@相关驱动@@电源轨必须与@@地电隔离@@。

高功率转换器@@的@@其@@他要求@@是驱动@@电路和@@相关电源轨应不受开关@@节点高@@“dV/dt”的@@影响@@，并且具有@@非常低的@@耦合电容@@。在@@许多情况下@@，桥式@@电路需要与@@控制电路进行安全机构额定的@@隔离@@，因此@@驱动@@电路隔离屏障必须坚固耐用@@，并且在@@设计寿命期间不会因局部放电效应而@@表现出明显的@@退化@@。

栅极驱动@@@@电路的@@正电源轨电压@@应足够高@@，以确保电源开关@@完全饱和@@@@／增强@@，而@@不超过其@@栅极的@@绝对最大电压@@@@。例如@@@@，IGBT和@@标准@@MOSFET将在@@@@15 V驱动@@下完全导通@@，但@@典型的@@@@SiC MOSFET可能需要接近@@20V的@@电压@@才能完全增强@@@@。

对于关闭状态@@，栅极上的@@@@0 V对于所有器件来说就足够了@@。然而@@@@，通常在@@@@-5V和@@-10V之间的@@负电压@@可以实现由@@栅极电阻器控制的@@快速开关@@@@。IGBT的@@导通状态栅极阈值为几伏@@@@，其@@通常为@@5V，但@@SiC和@@GaN可以低至略高于@@1伏@@。

负栅极驱动@@@@还有助于克服集电极@@／漏极对栅极@@“米勒@@”电容的@@影响@@@@，该电容可在@@器件关断时将电流注入栅极驱动@@@@电路@@，在@@关断期间@@，集电极电压@@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@@@@，将栅极驱动@@@@至负电压@@可减轻这种影响@@，IGBT和@@所有类型的@@@@MOSFET都具有@@相同的@@效果@@。

DC-DC转换器@@驱动@@电源的@@功率需求@@，其@@DC-DC转换仅向驱动@@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@@，需要考虑降额和@@驱动@@中的@@其@@他损耗@@，SiC和@@GaN的@@Qg低于@@IGBT，但@@频率可能非常高@@。

专为栅极驱动@@@@应用设计的@@高隔离@@@@DC/DC转换器@@
Murata推出@@了一系列@@由@@@@Murata Power Solutions开发的@@高隔离@@@@DC/DC转换器@@，其@@中@@的@@@@MGJ系列@@DC-DC转换器@@专为栅极驱动@@@@应用而@@设计@@，可满足电机@@驱动@@和@@逆变器中使用的@@桥式@@电路中常见的@@高隔离@@要求@@@@，旨在@@为这些@@“高边@@”栅极驱动@@@@电路提供最佳驱动@@电压@@和@@隔离@@。其@@中@@栅极在@@每个@@PWM开关@@周期进行完全充电和@@放电@@，无论正驱动@@电压@@和@@负驱动@@电压@@如@@何@@，这都对应于相等的@@正负平均电流和@@峰值电流@@。如@@果@@输出@@负载有不相等的@@电流@@@@（例如@@@@通过额外的@@保护电路@@），则电压@@可能不会保持在@@预期的@@容差范围内@@。

栅极驱动@@@@电压@@@@的@@绝对值并不是非常关键@@，只要它们高于开关@@增强@@所需的@@最小值@@、适当@@低于@@击穿水平并且耗散是可接受的@@即可@@。因此@@，如@@果@@DC-DC的@@输入标称恒定@@，则提供驱动@@电源的@@@@DC-DC转换器@@可能是非稳压类型@@，例如@@@@MGJ1或@@MGJ2系列@@。然而@@@@，与@@大多数@@DC-DC应用不同的@@是@@，当@@IGBT/MOSFET在@@任何占空比下切换时@@，负载都相当@@恒定@@。或@@者@@，当@@器件不切换时@@，负载接近于零@@。简单的@@@@DC-DC通常需要最小负载@@，否则它们的@@输出@@电压@@会急剧增加@@，甚至可能达到栅极击穿水平@@。

该高电压@@存储在@@大容量电容器上@@，因此@@当@@器件开始开关@@时@@，它可能会出现栅极过压@@，直到该电平在@@正常负载下下降@@。因此@@，应选择具有@@钳位输出@@电压@@或@@非常低的@@最小负载要求@@的@@@@DC-DC。

在@@驱动@@电路电压@@轨达到正确值之前@@，不应由@@@@PWM信号主动驱动@@@@IGBT/MOSFET。然而@@@@，当@@栅极驱动@@@@@@DC-DC通电或@@断电时@@，即使@@PWM信号处于非活动状态@@，也可能会出现瞬态情况@@，导致器件被驱动@@@@，从@@而@@导致击穿和@@损坏@@。因此@@，DC-DC输出@@在@@加电和@@断电时应表现良好@@，且单调上升和@@下降@@。

绝缘性能测试@@对高电压@@系统至关重要@@
用于@@“高边@@”IGBT/MOSFET驱动@@器的@@隔离式@@@@DC-DC可以看到跨过其@@势垒的@@开关@@@@“DC链路@@”电压@@。该电压@@可以达到千伏@@@@，具有@@10 kV/μs以上的@@非常快的@@开关@@边缘@@。最新的@@@@GaN器件的@@开关@@速度可能达到@@100 kV/μs或@@更高@@，其@@只要@@20pF和@@10 kV/μs，就会产生@@200mA的@@电流@@。该电流找到一条不确定的@@返回路径@@，通过控制器电路返回电桥@@，导致连接电阻和@@电感上出现电压@@尖峰@@，可能会扰乱控制器和@@@@DC-DC转换器@@本身的@@运行@@，因此@@需要低耦合电容@@。

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@@，IGBT可达到约@@30 kV/µs，MOSFET则约有@@50 kV/µs，SiC/GaN则约为@@50+++ kV/µs，DC-DC输入输出@@隔离存在@@耦合电容@@（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@@，采用共模瞬态抗扰度@@（CMTI）测试@@，便可给出此故障级别@@的@@指示@@。

在@@某些情况下@@，隔离式@@DC-DC由@@另一个线性或@@开关@@模式转换器@@供电@@，高瞬态电流可能会导致隔离式@@@@DC-DC输入出现过冲@@。如@@果@@超过隔离@@DC-DC的@@最大输入电压@@@@，可能会造成损坏@@。在@@这种情况下@@，可能需要在@@输入端使用齐纳二极管作为@@保护@@。

为了确保电源转换过程的@@安全@@，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@@，便需要@@14mm爬电距离和@@电气间隙@@，隔离电压@@需要用比工作电压@@大得多的@@单个瞬间电压@@来验证隔离@@，如@@加持一分钟@@。此外@@，依据功能性的@@需要@@，在@@“高边@@”应用中@@，DC-DC输入到输出@@可看到全@@HVDC链路@@电压@@以@@PWM频率连续切换@@。在@@这种情况下@@，仅一分钟的@@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@@才是唯一的@@确保方式@@。

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@@长时间使用时@@，局部放电现象会降低绝缘性能@@。

完整与@@多样的@@@@MGJ系列@@DC-DC转换器@@
由@@Murata推出@@的@@@@MGJ系列@@DC-DC转换器@@非常适合为桥式@@电路中的@@@@@@IGBT和@@MOSFET的@@“高边@@”和@@“低边@@”栅极驱动@@@@电路供电@@。选择不对称输出@@电压@@可实现最佳驱动@@电平@@，从@@而@@实现最佳系统效率和@@@@EMI。MGJ系列@@的@@@@特点是满足电机@@驱动@@和@@逆变器中使用的@@桥式@@电路中常见的@@高隔离@@和@@@@dv/dt要求@@。MGJ系列@@的@@@@推荐应用包括@@新能源@@（如@@风能@@、太阳能@@）上的@@逆变器与@@备用电池@@，也可用于@@高速和@@变速电机@@驱动@@@@，并可通过关键参数来满足应用特定技术要求@@@@。

MGJ系列@@中的@@@@MGJ2 SIP的@@总输出@@功率为@@2W，使用传统的@@双绕组方法提供@@+ve和@@-ve栅极驱动@@@@电压@@@@输出@@@@，包括@@+15V/-15V、+15V/-5V、+15V/-8.7V、+20V/-5V、+18V/-2.5V，可以通过改变匝数来提供其@@他特殊输出@@@@，而@@MGJ2工业级温度额定值和@@结构可提供较长的@@使用寿命和@@可靠性@@。

MGJ3与@@MGJ6系列@@的@@@@总输出@@功率则为@@@@3W和@@6W，采用专利技术@@，输出@@三路电压@@可进行灵活配置@@，如@@20V/-5V（15V+5V，-5V）、15V/-10V（15V，-5V-5V），MGJ3与@@MGJ6的@@禁用@@／频率同步引脚简化了@@EMC滤波器设计@@，其@@保护功能包括@@短路保护和@@过载保护@@。

MGJ1与@@MGJ2 SMD的@@总输出@@功率则为@@1W和@@2W，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@@）、+19V/-5V（从@@一个单一@@24V输出@@），通过改变齐纳二极管可以提供其@@他特殊输出@@@@。MGJ1与@@MGJ2工业级温度额定值和@@结构则可提供较长的@@使用寿命和@@可靠性@@。

结语@@
栅极驱动@@@@电源@@的@@@@DC-DC转换器@@对于电机@@运作的@@安全性与@@稳定性至关重要@@，尤其@@针对高电压@@@@、高频率系统更是关键的@@零部件@@。Murata推出@@了一系列@@针对不同功率@@、耦合电容与@@封装规格需求@@，推出@@MGJ系列@@的@@@@DC-DC转换器@@，非常适合为桥式@@电路中的@@@@IGBT和@@MOSFET的@@“高边@@”和@@“低边@@”栅极驱动@@@@电路供电@@，并提供强大的@@隔离与@@绝缘性能@@，以确保系统运作的@@稳定性与@@安全性@@，将是您开发电机@@驱动@@应用的@@理想解决方案@@@@。

本文转载自@@：艾睿电子@@

迈铸半导体@@推出@@基于@@@@MEMS线圈@@的@@超薄发电机@@@@@@解决方案@@@@

judy — Mon, 04 Dec 2023 02:20:41 +0000

随着物联网@@@@（IoT）市场的@@蓬勃发展@@，设备的@@供能及续航正在@@成为新的@@挑战@@，低功耗技术需求越来越多@@。例如@@@@智能手环@@/手表@@作为@@物联网@@市场中的@@火爆可穿戴产品@@，其@@中@@集成的@@各种传感器结合精确的@@算法能够实现人体运动及健康监测@@，然而@@@@功耗问题一直制约着智能手环@@/手表@@的@@发展@@，因此@@不仅需要低功耗蓝牙@@（BLE）通信技术@@，还亟需改进供能方式并实现智能电源管理功能@@。据麦姆斯咨询报道@@，近日@@，上海迈铸半导体@@科技有限公司@@（中文简称@@：迈铸半导体@@；英文简称@@：MCT）推出@@一种基于@@@@MEMS线圈@@的@@指尖陀螺发电机@@@@（超薄发电机@@@@）解决方案@@，其@@中@@的@@@@MEMS线圈@@采用迈铸半导体@@独有的@@@@MEMS-Casting™（微机电铸造@@）技术制作而@@成@@。这种创新的@@超薄发电机@@@@解决方案@@由@@数个@@MEMS线圈@@集成@@PCB板组成@@，总厚度可以薄至@@毫米@@（mm）级别@@。结合磁环组@@，该超薄发电机@@@@解决方案@@可以通过手指拨动输出@@高达百毫瓦@@（mW）级的@@功率输出@@@@，该功率已能满足许多低功耗场景应用需求@@。传统发电机@@的@@制作过程需要在@@电工硅钢片骨架上绕制漆包线@@，如@@图@@@@1所示@@。而@@迈铸半导体@@推出@@的@@@@基于@@@@MEMS线圈@@的@@超薄发电机@@@@@@抛弃了传统发电机@@的@@制作方法@@，将发电机@@的@@线圈@@与@@控制电路集成到一块@@PCB板上@@，从@@而@@可以在@@电子产品中实现机电系统的@@进一步集成与@@融合@@，如@@图@@@@2所示@@。

图@@1 ：传统发电机@@的@@定子@@/转子需要绕制漆包线@@。

图@@2：迈铸半导体@@展示的@@基于@@@@MEMS线圈@@的@@超薄发电机@@@@@@，其@@中@@MEMS线圈@@在@@@@PCB板上@@呈放射状排布@@，结合磁环组@@形成完整的@@发电机@@结构@@。

目前@@，基于@@MEMS线圈@@的@@超薄发电机@@@@@@解决方案@@@@主要用于@@低功耗设备供电@@，通过手指转动可以实现高达近@@100 mW的@@发电功率@@。具体的@@发电功率@@与@@转速有关@@，理论上发电功率与@@转速的@@平方成正比@@。此次@@，迈铸半导体@@推出@@的@@@@超薄发电机@@@@解决方案@@包括@@单相和@@三相两种结构形式@@，其@@中@@单相发电机@@方案采用了@@24颗@@MEMS线圈@@，而@@三相发电机@@方案采用了@@21颗@@MEMS线圈@@。标准的@@超薄发电机@@@@如@@图@@@@@@3所示@@，外径为@@46 mm，厚度约为@@5 mm（可以薄至@@3 mm）。此外@@，迈铸半导体@@还可根据客户的@@需求@@，配置不同数量的@@@@MEMS线圈@@以实现超薄发电机@@@@的@@定制化@@。

图@@3：基于@@MEMS线圈@@的@@单相发电机@@方案和@@三相发电机@@方案@@

当@@用手指拨动基于@@@@MEMS线圈@@的@@超薄发电机@@@@@@时@@，可以感受到单相发电机@@反馈给手指有更强的@@颗@@粒感@@，并且有振动效果@@；而@@三相发电机@@的@@反馈效果则更平滑@@，有类似于旋转指尖陀螺的@@感觉@@。受益于较薄的@@厚度@@，这种基于@@@@MEMS线圈@@的@@发电机@@可应用于@@多种低功耗便携式@@/可穿戴设备@@，例如@@@@智能手环@@/手表@@、无电池遥控器等@@。迈铸半导体@@也展示了一些新的@@应用潜力@@，例如@@@@超薄发电机@@@@与@@电子墨水屏结合而@@成的@@智能手机外壳@@@@。该手机壳无需充电@@，通过手指转动发电机@@既可实现在@@手机壳的@@电子墨水屏上显示不同的@@图@@案或@@者@@文字@@，彻底解决充电问题@@（目前@@还不能给手机充电@@）。

图@@4：超薄发电机@@@@与@@电子墨水屏结合而@@成的@@智能手机外壳@@

基于@@MEMS线圈@@的@@超薄发电机@@@@@@结合匹配的@@电路可以实现免电池@@、电池延长及应急供电等应用方案@@。图@@5展示了基于@@单相发电机@@的@@免电池方案的@@电路原理图@@@@@@。单相发电机@@发电后经倍压整流对电容充电@@，然后电容的@@电压@@上升并使得电压@@检测芯片启动工作@@，并且通过升压电路提高电压@@后稳定输出@@电能@@，其@@中@@MOS管可以保证电容电压@@下降后还可以持续给升压电路供电@@。图@@6展示了基于@@三相发电机@@的@@电池延长方案的@@电路原理图@@@@@@。上述匹配的@@电路可以与@@发电机@@的@@@@MEMS线圈@@一起集成到@@PCB板上@@，从@@而@@可以大大地减少电路的@@空间占比@@。

发电机@@型号@@：MGS-24-4605

图@@5: 基于@@单相发电机@@的@@免电池方案的@@电路原理图@@@@，该方案可取代电池以解决设备更换电池的@@烦恼@@。

发电机@@型号@@：MGT-21-4605

图@@6: 基于@@三相发电机@@的@@电池延长方案的@@电路原理图@@@@，该方案可作为@@电池的@@补充以延长设备的@@续航时间@@。 MEMS线圈@@作为@@迈铸半导体@@基于@@独有的@@@@MEMS-Casting™技术制造的@@芯片式线圈@@@@，开创了一种全新的@@线圈@@品类@@。迈铸半导体@@此次@@推出@@的@@@@超薄发电机@@@@是基于@@@@MEMS线圈@@的@@一种创新式的@@扩展应用解决方案@@@@。麦姆斯咨询从@@迈铸半导体@@获悉@@，该公司后续还将推出@@更多基于@@@@MEMS线圈@@的@@应用解决方案@@@@，希望为各行各业的@@创新应用提供一些新的@@思路并实现量产落地@@。如@@果@@您对基于@@@@MEMS线圈@@的@@超薄发电机@@@@@@解决方案@@@@感兴趣@@，可以和@@迈铸半导体@@联系并申请样品进行测试@@工作@@，期待与@@各位志同道合之士携手合作@@。