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满足当今电源需求的全系列栅极驱动电源产品


【导读】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。


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。


满足当今电源需求的全系列栅极驱动电源产品


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。


满足当今电源需求的全系列栅极驱动电源产品

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。


满足当今电源需求的全系列栅极驱动电源产品


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


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