高隔離DC/DC轉換器提升電機運作的穩定性與安全性

在電機應用中，必須采用逆變器或轉換器進行電源轉換，采用高隔離DC/DC轉換器，將有助于提升電機運作的穩定性與安全性，這對高功率、高速電機系統尤為重要。本文將為您介紹IGBT/MOSFET/SiC/GaN柵極驅動DC-DC轉換器的相關技術，以及由Murata（村田制作所）所推出的一系列高隔離DC/DC轉換器的功能特性。

隔離可確保高功率轉換器穩定運作

在高功率下，逆變器或轉換器通常使用“橋式”配置來生成工頻交流電或為電機、變壓器或其他負載提供雙向PWM驅動，可以是半橋、全橋、三相等配置。橋式電路通常包括IGBT或MOSFET（包括SiC和GaN）作為“高邊”開關，其發射極／源極是高壓和高頻下的開關節點。因此，使用發射極／源極作為參考的柵極驅動PWM信號和相關驅動電源軌必須與地電隔離。

高功率轉換器的其他要求是驅動電路和相關電源軌應不受開關節點高“dV/dt”的影響，并且具有非常低的耦合電容。在許多情況下，橋式電路需要與控制電路進行安全機構額定的隔離，因此驅動電路隔離屏障必須堅固耐用，并且在設計壽命期間不會因局部放電效應而表現出明顯的退化。

柵極驅動電路的正電源軌電壓應足夠高，以確保電源開關完全飽和／增強，而不超過其柵極的絕對最大電壓。例如，IGBT和標準MOSFET將在15 V驅動下完全導通，但典型的SiC MOSFET可能需要接近20V的電壓才能完全增強。

對于關閉狀態，柵極上的0 V對于所有器件來說就足夠了。然而，通常在-5V和-10V之間的負電壓可以實現由柵極電阻器控制的快速開關。IGBT的導通狀態柵極閾值為幾伏，其通常為5V，但SiC和GaN可以低至略高于1伏。

負柵極驅動還有助于克服集電極／漏極對柵極“米勒”電容的影響，該電容可在器件關斷時將電流注入柵極驅動電路，在關斷期間，集電極電壓迅速上升，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，將柵極驅動至負電壓可減輕這種影響，IGBT和所有類型的MOSFET都具有相同的效果。

DC-DC轉換器驅動電源的功率需求，其DC-DC轉換僅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，需要考慮降額和驅動中的其他損耗，SiC和GaN的Qg低于IGBT，但頻率可能非常高。

專為柵極驅動應用設計的

高隔離DC/DC轉換器

Murata推出了一系列由Murata Power Solutions開發的高隔離DC/DC轉換器，其中的MGJ系列DC-DC轉換器專為柵極驅動應用而設計，可滿足電機驅動和逆變器中使用的橋式電路中常見的高隔離要求，旨在為這些“高邊”柵極驅動電路提供最佳驅動電壓和隔離。其中柵極在每個PWM開關周期進行完全充電和放電，無論正驅動電壓和負驅動電壓如何，這都對應于相等的正負平均電流和峰值電流。如果輸出負載有不相等的電流（例如通過額外的保護電路），則電壓可能不會保持在預期的容差范圍內。

柵極驅動電壓的絕對值并不是非常關鍵，只要它們高于開關增強所需的最小值、適當低于擊穿水平并且耗散是可接受的即可。因此，如果DC-DC的輸入標稱恒定，則提供驅動電源的DC-DC轉換器可能是非穩壓類型，例如MGJ1或MGJ2系列。然而，與大多數DC-DC應用不同的是，當IGBT/MOSFET在任何占空比下切換時，負載都相當恒定。或者，當器件不切換時，負載接近于零。簡單的DC-DC通常需要最小負載，否則它們的輸出電壓會急劇增加，甚至可能達到柵極擊穿水平。

該高電壓存儲在大容量電容器上，因此當器件開始開關時，它可能會出現柵極過壓，直到該電平在正常負載下下降。因此，應選擇具有鉗位輸出電壓或非常低的最小負載要求的DC-DC。

在驅動電路電壓軌達到正確值之前，不應由PWM信號主動驅動IGBT/MOSFET。然而，當柵極驅動DC-DC通電或斷電時，即使PWM信號處于非活動狀態，也可能會出現瞬態情況，導致器件被驅動，從而導致擊穿和損壞。因此，DC-DC輸出在加電和斷電時應表現良好，且單調上升和下降。

絕緣性能測試對高電壓系統至關重要

用于“高邊”IGBT/MOSFET驅動器的隔離式DC-DC可以看到跨過其勢壘的開關“DC鏈路”電壓。該電壓可以達到千伏，具有10 kV/μs以上的非常快的開關邊緣。最新的GaN器件的開關速度可能達到100 kV/μs或更高，其只要20pF和10 kV/μs，就會產生200mA的電流。該電流找到一條不確定的返回路徑，通過控制器電路返回電橋，導致連接電阻和電感上出現電壓尖峰，可能會擾亂控制器和DC-DC轉換器本身的運行，因此需要低耦合電容。

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，IGBT可達到約30 kV/μs，MOSFET則約有50 kV/μs，SiC/GaN則約為50+++ kV/μs，DC-DC輸入輸出隔離存在耦合電容（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，采用共模瞬態抗擾度（CMTI）測試，便可給出此故障級別的指示。

在某些情況下，隔離式DC-DC由另一個線性或開關模式轉換器供電，高瞬態電流可能會導致隔離式DC-DC輸入出現過沖。如果超過隔離DC-DC的最大輸入電壓，可能會造成損壞。在這種情況下，可能需要在輸入端使用齊納二極管作為保護。

為了確保電源轉換過程的安全，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，便需要14mm爬電距離和電氣間隙，隔離電壓需要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，依據功能性的需要，在“高邊”應用中，DC-DC輸入到輸出可看到全HVDC鏈路電壓以PWM頻率連續切換。在這種情況下，僅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唯一的確保方式。

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，但長時間使用時，局部放電現象會降低絕緣性能。

完整與多樣的MGJ系列DC-DC轉換器

由Murata推出的MGJ系列DC-DC轉換器非常適合為橋式電路中的IGBT和MOSFET的“高邊”和“低邊”柵極驅動電路供電。選擇不對稱輸出電壓可實現最佳驅動電平，從而實現最佳系統效率和EMI。MGJ系列的特點是滿足電機驅動和逆變器中使用的橋式電路中常見的高隔離和dv/dt要求。MGJ系列的推薦應用包括新能源（如風能、太陽能）上的逆變器與備用電池，也可用于高速和變速電機驅動，并可通過關鍵參數來滿足應用特定技術要求。

MGJ 系列中的 MGJ2 SIP 的總輸出功率為 2W，使用傳統的雙繞組方法提供 +ve 和 -ve 柵極驅動電壓輸出，包括 +15V/-15V、+15V/-5V、+15V/-8.7V、+20V/-5V、+18V/-2.5V，可以通過改變匝數來提供其他特殊輸出，而 MGJ2 工業級溫度額定值和結構可提供較長的使用壽命和可靠性。

MGJ3 與 MGJ6 系列的總輸出功率則為 3W 和 6W，采用專利技術，輸出三路電壓可進行靈活配置，如20V/-5V（15V+5V，-5V）、15V/-10V（15V，-5V-5V），MGJ3 與 MGJ6 的禁用／頻率同步引腳簡化了EMC濾波器設計，其保護功能包括短路保護和過載保護。

MGJ1 與 MGJ2 SMD 的總輸出功率則為 1W 和 2W，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）、+19V/-5V（從一個單一 24V 輸出），通過改變齊納二極管可以提供其他特殊輸出。MGJ1 與 MGJ2 工業級溫度額定值和結構則可提供較長的使用壽命和可靠性。

結語

柵極驅動電源的DC-DC轉換器對于電機運作的安全性與穩定性至關重要，尤其針對高電壓、高頻率系統更是關鍵的零部件。Murata推出了一系列針對不同功率、耦合電容與封裝規格需求，推出MGJ系列的DC-DC轉換器，非常適合為橋式電路中的IGBT和MOSFET的“高邊”和“低邊”柵極驅動電路供電，并提供強大的隔離與絕緣性能，以確保系統運作的穩定性與安全性，將是您開發電機驅動應用的理想解決方案。

審核編輯：劉清