作者：Ganmar Technologies

2024-12-12

本文探討了開發(fā)可靠安全的多相功率控制器所面臨的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)和主要考慮因素。文中利用具有浮動(dòng)輸出的 [GMR10Dx]隔離式 DC/DC 轉(zhuǎn)換器模塊，并搭配 [Ganmar Technologies]的高集成度雙重寬帶隙開關(guān)柵極驅(qū)動(dòng)電源模塊進(jìn)行了說明。這些模塊的設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)均經(jīng)過優(yōu)化，能夠滿足系統(tǒng)在可靠性、安全性、EMI 和熱管理方面的要求。

本文提供了一個(gè)說明性的系統(tǒng)實(shí)例，其中展示了用于功率因數(shù)校正 (PFC) 級(jí)供電的三相交流輸入，以及后接的一個(gè)重型脈寬調(diào)制 (PWM) 控制負(fù)載（如工業(yè)級(jí)電機(jī)）。該設(shè)計(jì)提供了一種實(shí)用的電路解決方案，尤其注重驅(qū)動(dòng) [Infineon]（前身為 GaN Systems）的高壓 GaN 開關(guān)。隨后本文探討了驅(qū)動(dòng)半橋 (HB) 圖騰柱開關(guān)的傳統(tǒng)方法的局限性，并探索了控制上下開關(guān)的替代解決方案。文中提供了幾個(gè)實(shí)用的電路設(shè)計(jì)，以在最大限度減少空間需求的同時(shí)確保運(yùn)行安全、可靠。此外，說明還涉及低損耗、高帶寬電流檢測(cè)，以進(jìn)一步簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)過程。

今天的設(shè)計(jì)環(huán)境面臨眾多挑戰(zhàn)，包括對(duì)緊湊型硬件的需求、降低功耗以實(shí)現(xiàn)高效冷卻、通過優(yōu)化熱管理提高可靠性，以及高性價(jià)比的解決方案。由于預(yù)算緊張和開發(fā)周期的縮短，這些挑戰(zhàn)變得更加復(fù)雜。為了應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)，本文還介紹了標(biāo)準(zhǔn)子系統(tǒng)和構(gòu)件，可幫助設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)充分利用子系統(tǒng)供應(yīng)商的專業(yè)知識(shí)和合規(guī)能力。

本文以 Ganmar Technologies 的電源轉(zhuǎn)換器和接口模塊為例，為這些設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)提供了最佳解決方案。所提供的模塊可實(shí)現(xiàn)多相柵極驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的高效開發(fā)，而其標(biāo)準(zhǔn)化的外形尺寸則可節(jié)省寶貴的主板空間。

使用 GMR10Dx 為通用三相高壓大功率系統(tǒng)設(shè)計(jì)偏置功率控制器

此小節(jié)概述了使用 GMR10Dx DC/DC 轉(zhuǎn)換器模塊以及 GMR04B00x 模塊提供的浮柵驅(qū)動(dòng)偏置構(gòu)建高壓、大功率系統(tǒng)中的偏置功率控制器時(shí)應(yīng)注意的設(shè)計(jì)考慮因素。如圖 1a 所示，該系統(tǒng)可以包括一個(gè)重型 PWM 控制負(fù)載，如工業(yè)電機(jī)，同時(shí)還包含多個(gè)開關(guān)，并且不同功能塊需要多個(gè)偏置電壓。以下是設(shè)計(jì)的主要假設(shè)：

• EMI 考慮因素： 系統(tǒng)需要一個(gè)近整功率因數(shù)，因此需要使用 PFC。
• 啟動(dòng)邏輯： PFC 包括一個(gè)處理器，該處理器需要獨(dú)立的偏置轉(zhuǎn)換器啟動(dòng)邏輯。
• 功率耗散： 降低控制器電子元件的功率耗散對(duì)可靠性和簡(jiǎn)化冷卻系統(tǒng)要求至關(guān)重要。
• 使用現(xiàn)成產(chǎn)品： 設(shè)計(jì)要最大限度地使用現(xiàn)成的元器件。

圖 1a 提供了整體系統(tǒng)配置，用作后續(xù)設(shè)計(jì)討論的直觀參考。

圖 1a：工業(yè)高負(fù)荷控制系統(tǒng)的偏置和啟動(dòng)。（圖片來源：Ganmar Technologies）

本節(jié)將參照?qǐng)D 1a 中的框圖，重點(diǎn)介紹偏置功率控制器的設(shè)計(jì)及其與整個(gè)系統(tǒng)的集成。我們將探討每項(xiàng)功能的設(shè)計(jì)選擇，但 PFC 和 PWM 控制器除外，因?yàn)樾枰唧w的系統(tǒng)接口要求信息才能全面探討這些功能。因此，本文將不會(huì)詳細(xì)介紹這兩種元件。文中假定系統(tǒng)采用高壓 GaN 開關(guān)，如 Infineon 的[GS66516T]，但也會(huì)討論其他替代開關(guān)技術(shù)（如 SiC 或雙極開關(guān)）的考量。

此外，本文還將展示 Ganmar Technologies 高度集成的自供電浮柵驅(qū)動(dòng)器模塊，具體型號(hào)是 GMR04B00x。該型號(hào)中的“x”表示有多種雙柵極驅(qū)動(dòng)器芯片選擇。有關(guān)詳細(xì)規(guī)格和選擇，請(qǐng)參閱 GMR04B00x 規(guī)格書。

偏置功率控制器

偏置功率控制器的設(shè)計(jì)可為低交流輸入值 (UVLO) 提供掉電保護(hù)，并在交流輸入超過最大設(shè)定限制 (OVLO) 時(shí)提供非閉鎖關(guān)斷。當(dāng)交流輸入處于安全工作值范圍內(nèi)時(shí)，GRM10Dx 模塊會(huì)產(chǎn)生常用電壓（通常為 6 V 和 22 V）的隔離直流輸出。在更大的系統(tǒng)中，可能需要其他電壓制式。圖 1b 顯示了獲得這些電壓的典型配置。使用低功率 5 V 輸出為 GMR04B00x 模塊中的雙柵極驅(qū)動(dòng)器芯片供電，具體型號(hào)是 [Analog Devices]。有關(guān)其他可用選擇，請(qǐng)參閱 GMR04B00x 規(guī)格書。

圖 1b：源自 GMR10Dx 的典型膠連電路形式。（圖片來源：Ganmar Technologies）

GMR04B00x 模塊從內(nèi)部為其浮動(dòng)端供電，以提供兩個(gè) 12 V 偏置。這個(gè)高壓側(cè) 12 V (12VH) 會(huì)偏置上電源開關(guān)的 VIA 輸出驅(qū)動(dòng)器，相對(duì)于 HBU 節(jié)點(diǎn)，柵極驅(qū)動(dòng)電平為 +5.6 V/-5.6 V。在 V 相和 W 相電路周圍也采用了類似的分路驅(qū)動(dòng)配置。

對(duì)于低壓側(cè)開關(guān)，GMR04B00x 模塊內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生一個(gè)單獨(dú)的 12VL 電壓，任何極性的低壓側(cè)功率返回節(jié)點(diǎn)都可以該電壓為基準(zhǔn)。例如，ADUM7223 的 VIB 輸出被分路器網(wǎng)絡(luò)分成 +5.6 V/-5.6 V 兩路，確保下方 GaN 開關(guān)正常工作。

對(duì)于 SiC 開關(guān)，GMR04B00x 模塊的不同版本可提供 15 V、18 V 或 22 V 電壓，這些電壓可以進(jìn)行出廠設(shè)置，以適應(yīng)各種大功率 SiC 開關(guān)。相對(duì)于 HBU/V/W 上節(jié)點(diǎn)，分路電路輸出提供 ± 浮動(dòng)偏置，用于驅(qū)動(dòng)高壓側(cè)和低壓側(cè)的碳化硅開關(guān)，對(duì)于任何極性的下節(jié)點(diǎn)也是如此。有關(guān)可用選擇，請(qǐng)參閱 GMR04B00x 規(guī)格書。

偏置功率控制器部分，連同圖 1b 中所示的 LDO，一起為直接連接到 V 節(jié)點(diǎn)和 W 節(jié)點(diǎn)處柵極的另外兩個(gè) GRM04B00x 接口模塊供電。此外，22 V 輸出還可通過 LDO 為用戶電路板上的模擬控制器、數(shù)字部分和 I/O 芯片供電。如果需要更高的功率，用戶可查閱[應(yīng)用說明]，了解有關(guān)并聯(lián) GMR10Dx 模塊的指導(dǎo)。

啟動(dòng)問題

在數(shù)字處理器開始工作之前，為其提供穩(wěn)定的電源至關(guān)重要。這就需要使用獨(dú)立于 PFC 的電源驅(qū)動(dòng)偏置控制器。Ganmar 電源轉(zhuǎn)換器電路消耗的交流電源功率最多為 18 W，對(duì)交流輸入相位關(guān)系的影響極小。GMR10DX 模塊支持 100 VDC 至 320 VDC 的輸入電壓范圍，涵蓋離線應(yīng)用的典型范圍。

在大功率應(yīng)用中，整流器可產(chǎn)生高達(dá) 380 V 的電壓，對(duì)于此類應(yīng)用中經(jīng)常遇到的更高源電壓，請(qǐng)咨詢 Ganmar 技術(shù)支持，了解 GMR10Dx 系列中的其他選擇。

圖 2 展示了一個(gè)適于使用該模塊啟動(dòng)系統(tǒng)的典型 6 二極管橋式整流器。一旦交流輸入超過約 42 V RMS （60 或 400 Hz），導(dǎo)致帶一個(gè) 10 μF 小電容器的電橋輸出 200 VDC 電壓，模塊將開始產(chǎn)生輸出，在低負(fù)載條件下最大延遲時(shí)間為 70 ms。這一延遲是可接受的，因?yàn)樵趩?dòng)過程中沒有其他系統(tǒng)模塊耗電。

在瞬態(tài)事件期間，如果交流輸入導(dǎo)致 6 二極管橋式整流器輸出超出轉(zhuǎn)換器模塊的安全工作范圍，則模塊將關(guān)斷，直到整流電壓恢復(fù)到安全水平。此外，如果整流電壓降至 100 V 以下，則欠壓掉電保護(hù)功能就會(huì)啟動(dòng)。

圖 2：直接從交流輸入消耗最大 18 W 功率用于啟動(dòng)和偏置。（圖片來源：Ganmar Technologies）

輸入濾波

像 GRM10Dx 這樣的電源開關(guān)模塊對(duì)其輸入電源具有“負(fù)”阻抗特性。這種特性使得有必要認(rèn)真進(jìn)行濾波器設(shè)計(jì)，以確保接口的穩(wěn)定性。輸入濾波器的詳細(xì)設(shè)計(jì)已在各種報(bào)告和出版物中作了廣泛介紹，因此本文將簡(jiǎn)要概述 GRM10Dx 模塊的輸入特性。

對(duì)于 GaN 驅(qū)動(dòng)的典型 15 W 恒功率負(fù)載，整流器電壓為 200 V，效率為 0.85，等效阻抗按 |2002/(15/η)| 進(jìn)行計(jì)算，其結(jié)果約為 3.14 kΩ。與源阻抗相比，該阻抗相對(duì)較高，這使得所需的濾波器更容易有效地對(duì)其實(shí)現(xiàn)旁路。但是，建議在 GRM10Dx 模塊附近安裝一個(gè) 10 μF/400 V 阻尼電容器。該模塊本身包括一個(gè) 0.47 μF 電容器，用于處理內(nèi)部開關(guān)事件產(chǎn)生的瞬時(shí)峰值電流。只要主 PFC 濾波器能提供足夠的阻尼，外部電容器的等效串聯(lián)電阻 (ESR) 額定值就并不重要。

Ganmar Technologies 還提供了一個(gè)傳統(tǒng)的交流輸入橋式整流器模塊，該模塊配有保險(xiǎn)絲和 EMI 濾波器，以便于與 GRM10Dx 模塊集成。這可簡(jiǎn)化連接交流電源的過程。有關(guān)集成該模塊的詳細(xì)信息，請(qǐng)咨詢 Ganmar 技術(shù)支持。

驅(qū)動(dòng)器偏置

圖 3：三相連接。（圖片來源：Ganmar Technologies）

圖 4：GMR10D000 模塊。（圖片來源：Ganmar Technologies）

圖 3 和圖 4 顯示了 [GMR10D000] 模塊的原理圖和照片，該模塊是一個(gè)隔離式 DC/DC 轉(zhuǎn)換器，能夠提供兩個(gè) 15 W 輸出。VOUT1 通常提供 3 W、6.5 V 輸出，而 VOUT2 則提供 12 W、22 V 輸出。兩個(gè)輸出都可在 10 ms 內(nèi)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。本節(jié)會(huì)解釋如何將圖 1 中所示的功能與 GMR10Dx 器件關(guān)聯(lián)，以實(shí)現(xiàn)所需的功能和性能。

圖 5：模塊驅(qū)動(dòng)側(cè)功能示意圖（顯示的是 GMR10D005）。（圖片來源：Ganmar Technologies）

圖 5 顯示了多個(gè) GMR10Dx 模塊的模塊互連，連接在一起實(shí)現(xiàn)了偏置功率控制器的功能。本節(jié)詳細(xì)說明了采用 HS-U 塊情況下的 GMR04B008 應(yīng)用方式。通過連接與各自節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的參考回路引腳，可以輕松復(fù)制其他兩個(gè)模塊。

圖 6：GMR04B00x 內(nèi)部原理圖，帶浮柵電源和直接驅(qū)動(dòng)。（圖片來源：Ganmar Technologies）

圖 6 展示了 22 V 電源與通常參考的“接地”GNDS 節(jié)點(diǎn)的關(guān)系。

功率級(jí)接口要求

如圖 6 所示，在 GaN 系統(tǒng)中通常建議使用負(fù)偏置電壓來關(guān)閉 GaN 功率器件，在電流超過 30 A 的硬開關(guān)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中尤為如此。圖 7 提供了展示這種方法的示意圖（Infineon 網(wǎng)絡(luò)研討會(huì)提供）。

圖 7：VEE 對(duì)關(guān)斷動(dòng)態(tài)的影響。（圖片來源：Infineon）

實(shí)現(xiàn)和導(dǎo)通/關(guān)斷特性 - 用于 Infineon 器件的模塊分路器的實(shí)現(xiàn)確保了有效的導(dǎo)通和關(guān)斷電壓，同時(shí)還最大限度減少了關(guān)斷轉(zhuǎn)換損耗。分路驅(qū)動(dòng)波形和 Infineon 的 [GS66xx] 設(shè)計(jì)有助于提高效率，而獨(dú)特的變壓器設(shè)計(jì)則可降低 GS66xx 關(guān)斷過程中的振鈴峰值。

導(dǎo)通/關(guān)斷

要實(shí)現(xiàn)完全導(dǎo)通，需要 5.6 V 柵極驅(qū)動(dòng)，并盡量減少敏感開關(guān)節(jié)點(diǎn)和印制線之間的寄生電感和電容耦合。遵守 GaN 供應(yīng)商關(guān)于正確放置和電路布線的指南至關(guān)重要。

在關(guān)斷期間，柵源電壓 (V GS ) 應(yīng)明顯低于閾值電壓 (V TH )，在此處所討論的電路中，參考電壓水平約為 0 V。本文假定使用的是 Analog Devices 的 ADUM7223 柵極驅(qū)動(dòng)器 IC。值得注意的是，該驅(qū)動(dòng)器的輸出欠壓鎖定 (UVLO) 電壓為 5 V，因此適用于氮化鎵器件所需的 5.6 V 柵極驅(qū)動(dòng)。該 GaN 的驅(qū)動(dòng)器功率耗散可使用驅(qū)動(dòng)器規(guī)格書中的數(shù)據(jù)計(jì)算得出：

假設(shè)開關(guān)頻率為 250 kHz，并采用以下數(shù)值，則可計(jì)算出 PD 值：

該驅(qū)動(dòng)器配置的耗散功率為 100 mW，完全處于 GMR10Dx 和 GMR04B00x 模塊的能力范圍內(nèi)。GMR10Dx 模塊能夠提供大幅超過該驅(qū)動(dòng)器需求的功率，從而確保為其工作提供穩(wěn)定的電力供應(yīng)。

驅(qū)動(dòng)器的 HV GaN 設(shè)置

GMR10Dx 模塊為半橋 (HB) 配置中的上下 GaN 驅(qū)動(dòng)器提供必要的偏置電壓。圖 8 展示了分路器與 GaN 驅(qū)動(dòng)器的連接。

要防止不穩(wěn)定的開關(guān)行為和 GaN 器件的潛在損壞，正確參考偏置回路至關(guān)重要。用戶應(yīng)遵守特定 GaN 規(guī)格書和應(yīng)用說明中提供的指南和建議，以確保器件能夠正確且安全地工作。更多指南可參閱 GMR04Bx 雙直接驅(qū)動(dòng)器集成模塊規(guī)格書的應(yīng)用簡(jiǎn)介。

圖 8：圖騰柱排列和經(jīng)典半橋配置，分路驅(qū)動(dòng)直接連接到 GaN 開關(guān)。（圖片來源：Ganmar Technologies）

GMR04B00x 模塊可為上 GaN 開關(guān)柵極驅(qū)動(dòng)器提供必要的浮動(dòng)偏置電壓，從而無需額外的電路（如用于產(chǎn)生所需偏置電壓的飛跨自舉電容器）。

借助 GMR04B00x 模塊，浮柵驅(qū)動(dòng)電壓可直接連接到上下 GaN 開關(guān)的柵極，從而提供穩(wěn)定的 ±5.6 V 柵極驅(qū)動(dòng)。這種方法簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)，因?yàn)榭刂破鳠o需通過開關(guān)下部器件來為上部柵極驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)生偏置。

使用 GMR04B00x 模塊可使上下 GaN 開關(guān)達(dá)到所需的柵極驅(qū)動(dòng)電壓，因此無需增加替代偏置方法所需的額外元器件，也避免了采用替代偏置方法帶來的復(fù)雜性。

圖 9 中所示的傳統(tǒng)自舉方案有幾個(gè)缺點(diǎn)，其中包括需要二極管和非極性電容器等額外元器件，這些元器件的值可能需要根據(jù) GaN 或其他器件的具體要求進(jìn)行調(diào)整。啟動(dòng)問題和缺乏強(qiáng)勁偏置是采用這種方法要考慮的重要問題。此外，傳統(tǒng)的自舉方案還與雙極 HB 節(jié)點(diǎn)不兼容。

圖 9：傳統(tǒng)浮柵驅(qū)動(dòng)器偏置方案。（圖片來源：Ganmar Technologies）

相比之下，GMR10Dx 和 GMR04B00x 模塊及其相關(guān)擴(kuò)展布局緊湊，節(jié)省空間的優(yōu)勢(shì)非常明顯。因此，對(duì)于需要高效偏置和正確參考的應(yīng)用，這些模塊就是實(shí)用的解決方案。

電流檢測(cè)

圖 10 和圖 11 顯示了使用分流電阻器與 GMR10Dx 和 GMR04B00x 模塊進(jìn)行電流檢測(cè)集成的方法。分流電阻器常用于測(cè)量和監(jiān)視流經(jīng)電路的電流。將這些電阻器巧妙地放置在電流路徑中，就可以測(cè)量它們兩端的壓降，從而計(jì)算出電流。

在采用 GMR 模塊的情況下，電流檢測(cè)分流電阻器與負(fù)載或高帶寬隔離電流檢測(cè)模塊是串聯(lián)連接的。這種設(shè)置可確保準(zhǔn)確的電流檢測(cè)和監(jiān)視。GMR 模塊提供必要的浮動(dòng)或接地參考偏置電壓和電源，以便為電流檢測(cè)系統(tǒng)提供支持，從而確保測(cè)量可靠、精確。

在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中加入電流檢測(cè)功能不僅使用戶能夠收集有關(guān)電流水平的寶貴信息，而且還能監(jiān)測(cè)電路或系統(tǒng)性能。這在需要實(shí)現(xiàn)精確電流控制或保護(hù)的應(yīng)用中尤為有用，如電機(jī)控制、電力電子或可再生能源系統(tǒng)。

圖 10：傳統(tǒng)分流電阻器電流檢測(cè)。（圖片來源：Ganmar Technologies）

圖 11：GMRCS000 無損電流檢測(cè)。（圖片來源：Ganmar Technologies）

Ganmar Technologies 提供的 GMRCSN000 和 GMRCSP000 模塊是緊湊型隔離式無損電流傳感器解決方案。這些模塊提供高帶寬隔離式電流檢測(cè)功能，無需在電流路徑中增加分流電阻器。這樣可消除功率損耗，簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)。

GMRCSN000 和 GMRCSP000 模塊可檢測(cè)流經(jīng)電路的電流，并提供兩種輸出極性：0 至 +Vsense 和 -Vsense 至 0。上述輸出適合與嵌入式控制器的 ADC（模數(shù)轉(zhuǎn)換器）直接連接，并且適用于無橋 PFC 應(yīng)用中使用的模擬控制器。

利用 GMRCSN000 或 GMRCSP000 模塊可簡(jiǎn)化電流檢測(cè)的實(shí)現(xiàn)過程，節(jié)省寶貴的電路板空間，并確保實(shí)現(xiàn)精確的隔離式電流測(cè)量。有關(guān)這些模塊及其適用零件編號(hào)的更多信息，請(qǐng)聯(lián)系 Ganmar Technologies 的技術(shù)支持，以獲得具體的幫助和集成指導(dǎo)。

結(jié)語

本文詳細(xì)介紹了通過將 GMR10Dx 和 GMR04B00x 模塊與高電壓、大功率 GaN 開關(guān)結(jié)合使用，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)啟動(dòng)和偏置的綜合設(shè)計(jì)方法。重點(diǎn)介紹的是 Infineon 的 GaN 開關(guān)，這些開關(guān)通常用于三相電機(jī)、三相逆變器和三級(jí)電動(dòng)汽車充電器等應(yīng)用。

與傳統(tǒng)方法相比，這種設(shè)計(jì)方法具有多種優(yōu)勢(shì)，其中包括更高的可靠性、緊湊性和效率。GMR10Dx 和 GMR04B00x 模塊為系統(tǒng)啟動(dòng)和偏置提供了一個(gè)通用且強(qiáng)大的解決方案，可直接連接到這些開關(guān)的柵極。

此外，本文還介紹了 GMRCSN000 和 GMRCSP000 模塊，這兩個(gè)模塊提供了一種緊湊、無損且具有靈活輸出功能的電流檢測(cè)解決方案。不僅可簡(jiǎn)化電流檢測(cè)的實(shí)現(xiàn)過程，而且提供了精確的隔離式電流測(cè)量能力。

利用本文介紹的設(shè)計(jì)方法和解決方案，設(shè)計(jì)人員能夠顯著提高使用 GaN 開關(guān)的系統(tǒng)的性能和可靠性。此外，他們還可以從 Ganmar Technologies 提供的專業(yè)知識(shí)和支持中受益。

審核編輯 黃宇