高隔離DC/DC轉(zhuǎn)換器提升電機(jī)運(yùn)作的穩(wěn)定性與安全性

在電機(jī)應(yīng)用中，必須采用逆變器或轉(zhuǎn)換器進(jìn)行電源轉(zhuǎn)換，采用高隔離DC/DC轉(zhuǎn)換器，將有助于提升電機(jī)運(yùn)作的穩(wěn)定性與安全性，這對(duì)高功率、高速電機(jī)系統(tǒng)尤為重要。本文將為您介紹IGBT/MOSFET/SiC/GaN柵極驅(qū)動(dòng)DC-DC轉(zhuǎn)換器的相關(guān)技術(shù)，以及由Murata（村田制作所）所推出的一系列高隔離DC/DC轉(zhuǎn)換器的功能特性。

隔離可確保高功率轉(zhuǎn)換器穩(wěn)定運(yùn)作

在高功率下，逆變器或轉(zhuǎn)換器通常使用“橋式”配置來生成工頻交流電或?yàn)殡姍C(jī)、變壓器或其他負(fù)載提供雙向PWM驅(qū)動(dòng)，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(guān)，其發(fā)射極／源極是高壓和高頻下的開關(guān)節(jié)點(diǎn)。因此，使用發(fā)射極／源極作為參考的柵極驅(qū)動(dòng)PWM信號(hào)和相關(guān)驅(qū)動(dòng)電源軌必須與地電隔離。

高功率轉(zhuǎn)換器的其他要求是驅(qū)動(dòng)電路和相關(guān)電源軌應(yīng)不受開關(guān)節(jié)點(diǎn)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(jìn)行安全機(jī)構(gòu)額定的隔離，因此驅(qū)動(dòng)電路隔離屏障必須堅(jiān)固耐用，并且在設(shè)計(jì)壽命期間不會(huì)因局部放電效應(yīng)而表現(xiàn)出明顯的退化。

柵極驅(qū)動(dòng)電路的正電源軌電壓應(yīng)足夠高，以確保電源開關(guān)完全飽和／增強(qiáng)，而不超過其柵極的絕對(duì)最大電壓。例如，IGBT和標(biāo)準(zhǔn)MOSFET將在15 V驅(qū)動(dòng)下完全導(dǎo)通，但典型的SiC MOSFET可能需要接近20V的電壓才能完全增強(qiáng)。

對(duì)于關(guān)閉狀態(tài)，柵極上的0 V對(duì)于所有器件來說就足夠了。然而，通常在-5V和-10V之間的負(fù)電壓可以實(shí)現(xiàn)由柵極電阻器控制的快速開關(guān)。IGBT的導(dǎo)通狀態(tài)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(fù)柵極驅(qū)動(dòng)還有助于克服集電極／漏極對(duì)柵極“米勒”電容的影響，該電容可在器件關(guān)斷時(shí)將電流注入柵極驅(qū)動(dòng)電路，在關(guān)斷期間，集電極電壓迅速上升，導(dǎo)致電流尖峰通過米勒電容流向柵極，這會(huì)導(dǎo)致柵極電阻上出現(xiàn)相反的正電壓，將柵極驅(qū)動(dòng)至負(fù)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(zhuǎn)換器驅(qū)動(dòng)電源的功率需求，其DC-DC轉(zhuǎn)換僅向驅(qū)動(dòng)器電路提供平均直流電流，由近驅(qū)動(dòng)電路的電容提供峰值電流，用于每個(gè)周期對(duì)柵極電容進(jìn)行充電和放電，需要考慮降額和驅(qū)動(dòng)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(qū)動(dòng)應(yīng)用設(shè)計(jì)的

高隔離DC/DC轉(zhuǎn)換器

Murata推出了一系列由Murata Power Solutions開發(fā)的高隔離DC/DC轉(zhuǎn)換器，其中的MGJ系列DC-DC轉(zhuǎn)換器專為柵極驅(qū)動(dòng)應(yīng)用而設(shè)計(jì)，可滿足電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(qū)動(dòng)電路提供最佳驅(qū)動(dòng)電壓和隔離。其中柵極在每個(gè)PWM開關(guān)周期進(jìn)行完全充電和放電，無論正驅(qū)動(dòng)電壓和負(fù)驅(qū)動(dòng)電壓如何，這都對(duì)應(yīng)于相等的正負(fù)平均電流和峰值電流。如果輸出負(fù)載有不相等的電流（例如通過額外的保護(hù)電路），則電壓可能不會(huì)保持在預(yù)期的容差范圍內(nèi)。

柵極驅(qū)動(dòng)電壓的絕對(duì)值并不是非常關(guān)鍵，只要它們高于開關(guān)增強(qiáng)所需的最小值、適當(dāng)?shù)陀趽舸┧讲⑶液纳⑹强山邮艿募纯伞Ｒ虼?，如果DC-DC的輸入標(biāo)稱恒定，則提供驅(qū)動(dòng)電源的DC-DC轉(zhuǎn)換器可能是非穩(wěn)壓類型，例如MGJ1或MGJ2系列。然而，與大多數(shù)DC-DC應(yīng)用不同的是，當(dāng)IGBT/MOSFET在任何占空比下切換時(shí)，負(fù)載都相當(dāng)恒定?；蛘?，當(dāng)器件不切換時(shí)，負(fù)載接近于零。簡(jiǎn)單的DC-DC通常需要最小負(fù)載，否則它們的輸出電壓會(huì)急劇增加，甚至可能達(dá)到柵極擊穿水平。

該高電壓存儲(chǔ)在大容量電容器上，因此當(dāng)器件開始開關(guān)時(shí)，它可能會(huì)出現(xiàn)柵極過壓，直到該電平在正常負(fù)載下下降。因此，應(yīng)選擇具有鉗位輸出電壓或非常低的最小負(fù)載要求的DC-DC。

在驅(qū)動(dòng)電路電壓軌達(dá)到正確值之前，不應(yīng)由PWM信號(hào)主動(dòng)驅(qū)動(dòng)IGBT/MOSFET。然而，當(dāng)柵極驅(qū)動(dòng)DC-DC通電或斷電時(shí)，即使PWM信號(hào)處于非活動(dòng)狀態(tài)，也可能會(huì)出現(xiàn)瞬態(tài)情況，導(dǎo)致器件被驅(qū)動(dòng)，從而導(dǎo)致?lián)舸┖蛽p壞。因此，DC-DC輸出在加電和斷電時(shí)應(yīng)表現(xiàn)良好，且單調(diào)上升和下降。

絕緣性能測(cè)試對(duì)高電壓系統(tǒng)至關(guān)重要

用于“高邊”IGBT/MOSFET驅(qū)動(dòng)器的隔離式DC-DC可以看到跨過其勢(shì)壘的開關(guān)“DC鏈路”電壓。該電壓可以達(dá)到千伏，具有10 kV/μs以上的非?？斓拈_關(guān)邊緣。最新的GaN器件的開關(guān)速度可能達(dá)到100 kV/μs或更高，其只要20pF和10 kV/μs，就會(huì)產(chǎn)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(dǎo)致連接電阻和電感上出現(xiàn)電壓尖峰，可能會(huì)擾亂控制器和DC-DC轉(zhuǎn)換器本身的運(yùn)行，因此需要低耦合電容。

高邊開關(guān)發(fā)射極是一個(gè)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，IGBT可達(dá)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(guān)電壓，因此將有脈沖電流流過，這可能會(huì)對(duì)敏感的輸入引腳造成干擾，采用共模瞬態(tài)抗擾度（CMTI）測(cè)試，便可給出此故障級(jí)別的指示。

在某些情況下，隔離式DC-DC由另一個(gè)線性或開關(guān)模式轉(zhuǎn)換器供電，高瞬態(tài)電流可能會(huì)導(dǎo)致隔離式DC-DC輸入出現(xiàn)過沖。如果超過隔離DC-DC的最大輸入電壓，可能會(huì)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(hù)。

為了確保電源轉(zhuǎn)換過程的安全，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，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(gè)瞬間電壓來驗(yàn)證隔離，如加持一分鐘。此外，依據(jù)功能性的需要，在“高邊”應(yīng)用中，DC-DC輸入到輸出可看到全HVDC鏈路電壓以PWM頻率連續(xù)切換。在這種情況下，僅一分鐘的單個(gè)瞬間電壓測(cè)試并不是好的隔離指標(biāo)，符合IEC 60270的局部放電測(cè)試才是唯一的確保方式。

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(gè)“起始電壓”可以被測(cè)量，并用于定義最大工作電壓以確保絕緣體的長(zhǎng)期可靠性。局部放電短期不會(huì)造成重大損害，但長(zhǎng)時(shí)間使用時(shí)，局部放電現(xiàn)象會(huì)降低絕緣性能。

完整與多樣的MGJ系列DC-DC轉(zhuǎn)換器

由Murata推出的MGJ系列DC-DC轉(zhuǎn)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(qū)動(dòng)電路供電。選擇不對(duì)稱輸出電壓可實(shí)現(xiàn)最佳驅(qū)動(dòng)電平，從而實(shí)現(xiàn)最佳系統(tǒng)效率和EMI。MGJ系列的特點(diǎn)是滿足電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(yīng)用包括新能源（如風(fēng)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(jī)驅(qū)動(dòng)，并可通過關(guān)鍵參數(shù)來滿足應(yīng)用特定技術(shù)要求。

MGJ 系列中的 MGJ2 SIP 的總輸出功率為 2W，使用傳統(tǒng)的雙繞組方法提供 +ve 和 -ve 柵極驅(qū)動(dòng)電壓輸出，包括 +15V/-15V、+15V/-5V、+15V/-8.7V、+20V/-5V、+18V/-2.5V，可以通過改變?cè)褦?shù)來提供其他特殊輸出，而 MGJ2 工業(yè)級(jí)溫度額定值和結(jié)構(gòu)可提供較長(zhǎng)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(shù)，輸出三路電壓可進(jìn)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(jiǎn)化了EMC濾波器設(shè)計(jì)，其保護(hù)功能包括短路保護(hù)和過載保護(hù)。

MGJ1 與 MGJ2 SMD 的總輸出功率則為 1W 和 2W，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(dòng)電壓，包括 +15V/-5V（從一個(gè)單一 20V 輸出）、+15V/-9V（從一個(gè)單一 24V 輸出）、+19V/-5V（從一個(gè)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(yè)級(jí)溫度額定值和結(jié)構(gòu)則可提供較長(zhǎng)的使用壽命和可靠性。

結(jié)語

柵極驅(qū)動(dòng)電源的DC-DC轉(zhuǎn)換器對(duì)于電機(jī)運(yùn)作的安全性與穩(wěn)定性至關(guān)重要，尤其針對(duì)高電壓、高頻率系統(tǒng)更是關(guān)鍵的零部件。Murata推出了一系列針對(duì)不同功率、耦合電容與封裝規(guī)格需求，推出MGJ系列的DC-DC轉(zhuǎn)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(qū)動(dòng)電路供電，并提供強(qiáng)大的隔離與絕緣性能，以確保系統(tǒng)運(yùn)作的穩(wěn)定性與安全性，將是您開發(fā)電機(jī)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用的理想解決方案。

審核編輯：劉清