高隔离DC/DC转换器提升电机运作的稳定性与安全性

高隔离DC/DC转换器提升电机运作的稳定性与安全性
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。