柵極驅(qū)動DCDC電源模塊提高電機驅(qū)動的效率與安全性

在現(xiàn)代電機驅(qū)動系統(tǒng)中，高效能與高安全性是設(shè)計的核心目標。而功率半導體器 (如 IGBT、MOSFET、SiC 和 GaN器件) 的性能直接決定系統(tǒng)的效率和穩(wěn)定性。柵極驅(qū)動 DCDC 電源模塊作為連接控制電路與功率電路的關(guān)鍵組件，不僅為柵極驅(qū)動電路提供穩(wěn)定的隔離電源，還能顯著提高功率器件的開關(guān)速度和可靠性。本文將探討柵極驅(qū)動 DCDC 電源模塊將如何通過優(yōu)化電源供給與隔離性能，全面提升電機驅(qū)動系統(tǒng)的效率與安全性，以及 Murata (村田制作所) 推出的柵極驅(qū)動 DCDC 電源模塊的功能特性。

柵極驅(qū)動DCDC電源模塊在電機驅(qū)動系統(tǒng)中具有關(guān)鍵地位

在工業(yè)自動化、新能源車輛和可再生能源發(fā)電等領(lǐng)域，高效的柵極驅(qū)動方案是實現(xiàn)節(jié)能與安全運行的核心技術(shù)之一。柵極驅(qū)動DCDC電源模塊則在電機驅(qū)動系統(tǒng)中占關(guān)鍵地位，特別對于高功率密度、高效率、穩(wěn)定性的電機驅(qū)動設(shè)計。柵極驅(qū)動電源模塊為功率半導體器件（如IGBT、MOSFET或SiC/GaN器件）提供隔離且穩(wěn)定的驅(qū)動電壓和電流。柵極驅(qū)動DCDC電源模塊需要隔離供電，以實現(xiàn)控制電路和功率電路間的電氣隔離，提高系統(tǒng)抗干擾能力和安全性，并提供穩(wěn)定的電源輸出，為柵極驅(qū)動器提供可靠的直流電壓，保證功率器件在不同工作條件下正常工作，且近一步滿足寬范圍電壓需求，支持不同功率器件所需的正、負柵極驅(qū)動電壓。

電機驅(qū)動需要高效、精準控制功率器件的開關(guān)動作。一般電機驅(qū)動系統(tǒng)通常采用PWM控制方式，能否高效驅(qū)動功率器件是關(guān)鍵。柵極驅(qū)動DCDC模塊可用于支持高效能電機驅(qū)動控制，提供低功耗、高效率的柵極驅(qū)動電壓，減少器件開關(guān)損耗，提高驅(qū)動系統(tǒng)整體效率。

現(xiàn)代電機驅(qū)動中廣泛使用SiC和GaN功率器件，這些器件具有高開關(guān)速度和更高的柵極驅(qū)動電壓要求（例如+15V/-4V）。柵極驅(qū)動DCDC模塊可精準提供適配的電壓和電流，確保這些器件的性能優(yōu)勢得以充分發(fā)揮。

在電機驅(qū)動系統(tǒng)中，驅(qū)動電路需與高壓功率電路隔離，以保護低壓控制系統(tǒng)和人員安全。柵極驅(qū)動DCDC模塊通過高隔離電壓（如3-5kV）設(shè)計，防止電氣噪聲或短路對控制系統(tǒng)的干擾。

柵極驅(qū)動DCDC模塊也能支持多相電機驅(qū)動設(shè)計，對于多相電機（如三相永磁同步電機），每個橋臂的高端和低端開關(guān)器件均需獨立供電。柵極驅(qū)動DCDC模塊支持多通道獨立供電方案，簡化系統(tǒng)拓撲。

柵極驅(qū)動DCDC模塊還可增強系統(tǒng)可靠性，通過集成保護功能（如欠壓保護、過溫保護等），提高模塊的穩(wěn)定性和故障耐受能力，有效提升整個電機驅(qū)動系統(tǒng)的可靠性。

柵極驅(qū)動DCDC模塊的技術(shù)應(yīng)用場景相當廣泛

柵極驅(qū)動DCDC模塊的技術(shù)應(yīng)用場景相當廣泛，包括工業(yè)電機驅(qū)動，如伺服電機、變頻器和工業(yè)自動化設(shè)備，也可應(yīng)用于新能源車輛，如電動車驅(qū)動逆變器和充電系統(tǒng)。在風力發(fā)電和光伏逆變應(yīng)用中，柵極驅(qū)動DCDC模塊也可在高壓、高效率場景中，提供功率半導體的穩(wěn)定柵極驅(qū)動。在軌道交通應(yīng)用中，柵極驅(qū)動DCDC模塊可為高功率電機驅(qū)動中的功率器件隔離供電。

未來的柵極驅(qū)動DCDC模塊將朝向高效率化的方向發(fā)展，需要開發(fā)支持更高轉(zhuǎn)換效率的柵極驅(qū)動DCDC模塊，以適應(yīng)低損耗、高頻率功率器件的需求。在產(chǎn)品的尺寸朝向小型化與集成化發(fā)展后，通過模塊化設(shè)計，將可把柵極驅(qū)動和DCDC電源集成在更小的封裝中，適應(yīng)小型電機驅(qū)動設(shè)計，并支持寬溫度范圍，拓展模塊在極端環(huán)境（如汽車、電網(wǎng)設(shè)備）下的可靠運行能力。

未來，柵極驅(qū)動DCDC電源模塊在電機驅(qū)動中不僅承擔了穩(wěn)定供電的角色，還直接影響功率器件的性能和驅(qū)動系統(tǒng)的效率，對現(xiàn)代化電機驅(qū)動系統(tǒng)的性能優(yōu)化至關(guān)重要。

多樣化的柵極驅(qū)動DCDC電源模塊滿足不同應(yīng)用需求

Murata推出多款柵極驅(qū)動DCDC電源模塊，可用于柵極驅(qū)動電源的DC-DC應(yīng)用場景，常見的典型應(yīng)用是為全橋電機的“High side”和“Low side”提供驅(qū)動電源，其可以是半橋、全橋、三相等，High side開關(guān)發(fā)射極是一個高壓、高頻開關(guān)節(jié)點，可以采用是IGBT，也可以是MOSFET、SiC、GaN，其中需要一個正負雙路輸出電壓 ―― +Ve 和 -Ve，在High side的驅(qū)動及相關(guān)電路必須采用隔離設(shè)計。

驅(qū)動電源的功率需求是通過DC-DC向單一驅(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，其需要考慮降額和驅(qū)動時的其他損耗，其中，SiC和GaN的Qg低于IGBT，但頻率可能非常高。

根據(jù)數(shù)據(jù)表，大多數(shù)器件都可以用0V關(guān)閉，那么為什么還要使用負柵極電壓呢？這是為了克服寄生電感效應(yīng)與米勒（Miller）電容效應(yīng)。負柵極驅(qū)動可以克服由源端電感引起的寄生電感；當IGBT關(guān)閉時，突然而止的電流會引發(fā)一個與柵極電壓相反的電壓尖峰。至于米勒電容效應(yīng)，則是在關(guān)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。

柵極驅(qū)動DCDC模塊為何需要隔離呢？首先是考慮安全因素，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)滿足加強絕緣需要14mm爬電距離和空氣間隙，此外，還需要支持隔離電壓，用比工作電壓大的單個瞬間電壓來驗證隔離，持續(xù)時間一分鐘。

另一方面，還有功能性的需要，在“high-side”應(yīng)用中，DC-DC 輸入到輸出需要全 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，需要符合 IEC 60270 的局部放電測試，才是最好的確保方式。

局部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”可以用于測量定義最大工作電壓，以確保絕緣體的長期可靠性。局部放電在短期間并不會造成重大損害，但長時間使用，局部放電現(xiàn)象會降低絕緣性能。

高性能關(guān)鍵參數(shù)領(lǐng)先競爭對手產(chǎn)品

電容耦合也是另一個須關(guān)注的現(xiàn)象，在high side高邊開關(guān)的發(fā)射極是一個高壓、高頻開關(guān)節(jié)點，從DC-DC輸入到輸出可以發(fā)現(xiàn)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，例如IGBT約在30kV/μs，MOSFET則約在50kV/μs，SiC/Gan則約在50+++Kv/μs，其中的DCDC輸入輸出隔離存在電容耦合（Cc），該電容兩端有高開關(guān)電壓，因此將有脈沖電流流過，這可能會對敏感的輸入引腳造成干擾，共模瞬態(tài)抗擾度（CMTI）測試便可給出了此故障級別的指示。

Murata的柵極驅(qū)動DCDC模塊具有極佳的電容耦合，以MGJ產(chǎn)品系列為例，支持1W功率的MGJ1的耦合容抗為3pF，2W的MGJ2為2.8~4pF，3W（MGJ3T）與6W（MGJ6T、MGJ60LP、-SIP、-DIP）時都是15pF。

想要實現(xiàn)雙極電壓有多種不同方法，所有開關(guān)器件都需要不同的柵極電壓，不同的制造商指定的電平存在差異。以IGBT為例，正向電壓為+15V，負向電壓則是-8.7V、-9V、-10V或-15V，Silicon MOS的正向電壓為+15V或+12V，負向電壓則是-5V或-10V，SIC MOS的正向電壓為+20V、+18V或+15V，負向電壓為-5V、-4V、-3V或-2.5V，Gan的正向電壓為+5V或+6V，負向電壓則是-3V。

為面對這種需求變化，Murata的MGJ2 SIP總輸出功率為2W，可使用傳統(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，并可以通過改變匝數(shù)來提供其他特殊輸出。

MGJ3與MGJ6產(chǎn)品系列的總輸出功率3W和6W，其采用專利技術(shù)，可輸出三路電壓進行靈活配置，如20V/-5V（15V+5V，-5V）、15V/-10V（15V，-5V-5V）。MGJ1與MGJ2 SMD產(chǎn)品系列的總輸出功率為1W和2W，其使用內(nèi)部齊納二極管分壓來提供特定的+ve和-ve柵極驅(qū)動電壓，包括+15V/-5V（從單一20V輸出）、+15V/-9V（從單一24V輸出）、+19V/-5V（從單一24V輸出），并可通過改變齊納二極管提供其他特殊輸出。

Murata的門驅(qū)動應(yīng)用產(chǎn)品可用于新能源（風能、太陽能與備用電池）上的逆變器，也可用于高速和變速電機驅(qū)動，其中的關(guān)鍵產(chǎn)品包括MGN1、MGJ1/MGJ2、MGJ1 SIP、MGJ2B、MGJ3/MGJ6等系列，提供對于連續(xù)隔離耐壓、隔離電容、安全認證、CMTI、工作溫度和功率等方面的各種支持。與競爭對手相比，村田的解決方案在這些關(guān)鍵參數(shù)上表現(xiàn)出色。

結(jié)語

柵極驅(qū)動DCDC電源模塊在電機驅(qū)動系統(tǒng)中扮演至關(guān)重要的角色，其高效的電源轉(zhuǎn)換、精準的電壓輸出以及可靠的電氣隔離，直接影響功率半導體器件的性能和系統(tǒng)的整體效率。同時，通過提高系統(tǒng)的抗干擾能力和操作安全性，該模塊為工業(yè)自動化、新能源汽車和可再生能源等領(lǐng)域的電機驅(qū)動方案提供了堅實的技術(shù)保障。未來，隨著功率器件技術(shù)的持續(xù)發(fā)展，柵極驅(qū)動 DCDC 模塊將向更高效率、更高功率密度和更強集成化的方向演進，為推動高性能電機驅(qū)動系統(tǒng)的發(fā)展作出更大貢獻。Murata擁有完整的柵極驅(qū)動DCDC電源模塊產(chǎn)品線，將可滿足不同的應(yīng)用需求，歡迎進一步了解相關(guān)的產(chǎn)品信息。