【導讀】在電機應用中,必須采用逆變器或轉(zhuǎn)換器進行電源轉(zhuǎn)換,采用高隔離DC/DC轉(zhuǎn)換器,將有助于提升電機運作的穩(wěn)定性與安全性,這對高功率、高速電機系統(tǒng)尤為重要。本文將為您介紹IGBT/MOSFET/SiC/GaN柵極驅(qū)動DC-DC轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換器的功能特性。
在電機應用中,必須采用逆變器或轉(zhuǎn)換器進行電源轉(zhuǎn)換,采用高隔離DC/DC轉(zhuǎn)換器,將有助于提升電機運作的穩(wěn)定性與安全性,這對高功率、高速電機系統(tǒng)尤為重要。本文將為您介紹IGBT/MOSFET/SiC/GaN柵極驅(qū)動DC-DC轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換器的功能特性。
隔離可確保高功率轉(zhuǎn)換器穩(wěn)定運作
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為電機、變壓器或其他負載提供雙向PWM驅(qū)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(fā)射極/源極是高壓和高頻下的開關節(jié)點。因此,使用發(fā)射極/源極作為參考的柵極驅(qū)動PWM信號和相關驅(qū)動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)動電路和相關電源軌應不受開關節(jié)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(gòu)額定的隔離,因此驅(qū)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(xiàn)出明顯的退化。
柵極驅(qū)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(qū)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(tài),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(xiàn)由柵極電阻器控制的快速開關。IGBT的導通狀態(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。
負柵極驅(qū)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(qū)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(xiàn)相反的正電壓,將柵極驅(qū)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(zhuǎn)換器驅(qū)動電源的功率需求,其DC-DC轉(zhuǎn)換僅向驅(qū)動器電路提供平均直流電流,由近驅(qū)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(qū)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(qū)動應用設計的高隔離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)動應用而設計,可滿足電機驅(qū)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(qū)動電路提供最佳驅(qū)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(qū)動電壓和負驅(qū)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(nèi)。
柵極驅(qū)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?shù)陀趽舸┧讲⑶液纳⑹强山邮艿募纯?。因此,如果DC-DC的輸入標稱恒定,則提供驅(qū)動電源的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?;蛘撸斊骷磺袚Q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(xiàn)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(qū)動電路電壓軌達到正確值之前,不應由PWM信號主動驅(qū)動IGBT/MOSFET。然而,當柵極驅(qū)動DC-DC通電或斷電時,即使PWM信號處于非活動狀態(tài),也可能會出現(xiàn)瞬態(tài)情況,導致器件被驅(qū)動,從而導致?lián)舸┖蛽p壞。因此,DC-DC輸出在加電和斷電時應表現(xiàn)良好,且單調(diào)上升和下降。
絕緣性能測試對高電壓系統(tǒng)至關重要
用于“高邊”IGBT/MOSFET驅(qū)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??斓拈_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(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,導致連接電阻和電感上出現(xiàn)電壓尖峰,可能會擾亂控制器和DC-DC轉(zhuǎn)換器本身的運行,因此需要低耦合電容。
高邊開關發(fā)射極是一個高壓、高頻開關節(jié)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(xù)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(tài)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(zhuǎn)換器供電,高瞬態(tài)電流可能會導致隔離式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(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(jù)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(xù)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(fā)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(xiàn)象會降低絕緣性能。
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)動電路供電。選擇不對稱輸出電壓可實現(xiàn)最佳驅(qū)動電平,從而實現(xiàn)最佳系統(tǒng)效率和EMI。MGJ系列的特點是滿足電機驅(qū)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(qū)動,并可通過關鍵參數(shù)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(tǒng)的雙繞組方法提供+ve和-ve柵極驅(qū)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(shù)來提供其他特殊輸出,而MGJ2工業(yè)級溫度額定值和結(jié)構(gòu)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(nèi)部齊納二極管分壓提供特定的+ve和-ve柵極驅(qū)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(yè)級溫度額定值和結(jié)構(gòu)則可提供較長的使用壽命和可靠性。
結(jié)語
柵極驅(qū)動電源的DC-DC轉(zhuǎn)換器對于電機運作的安全性與穩(wěn)定性至關重要,尤其針對高電壓、高頻率系統(tǒng)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(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)動電路供電,并提供強大的隔離與絕緣性能,以確保系統(tǒng)運作的穩(wěn)定性與安全性,將是您開發(fā)電機驅(qū)動應用的理想解決方案。
(來源:艾睿電子)
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