高隔离度直流/直流转换器提高了电机运行的稳定性和安全性

隔离确保 运行稳定 大功率转换器

在高功率下，逆变器或转换器通常使用“桥用于产生交流电源或为电机、变压器或其他负载提供双向PWM驱动的配置，可以是半桥、全桥、三相或其他配置。桥式电路通常包含IGBT或MOSFET（包括SiC和GaN）作为“高侧”开关，发射极/源极是高压高频的开关节点。因此，栅极驱动的PWM信号和相关的驱动电源轨以发射极/源极为参考。 必须隔离 从地面上。

大功率转换器的其他要求是，驱动电路和相关电源轨不应受到高电压的影响。dV/dt开关节点的耦合电容非常低。在许多情况下，桥式电路需要安全机制与控制电路进行额定隔离，因此驱动电路隔离屏障必须是 坚固耐用并且在设计寿命期间不会因局部放电效应而出现明显的性能退化。

栅极驱动电路的正电源轨电压应足够高，以确保功率开关正常工作。 完全饱和/增强 且不超过其栅极的绝对最大电压。例如，IGBT 和标准 MOSFET 在 15V 驱动电压下即可完全导通，但典型的 SiC MOSFET 可能需要接近 20V 的电压才能完全增强。

对于关断状态，所有器件的栅极电压为 0 V 即可。然而， 负电压通常介于-5V和-10V之间。 可以通过栅极电阻实现快速开关。IGBT导通状态的栅极阈值电压为几伏，通常为5伏，但SiC和GaN的阈值电压可以低至略高于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。当器件关断时，米勒电容会向栅极驱动电路注入电流。在关断期间，集电极电压迅速上升，导致电流峰值流经米勒电容到达栅极，从而在栅极电阻上产生反向正电压。将栅极驱动至负电压可以缓解这种影响。IGBT 和所有类型的 MOSFET 都具有相同的效应。

DC-DC转换器驱动电源的功率需求在于，DC-DC转换仅向驱动电路提供平均直流电流，而峰值电流则由驱动电路附近的电容在每个周期内用于栅极电容的充放电。因此，必须考虑驱动过程中的降额和其他损耗。SiC和GaN的栅极电容（Qg）低于IGBT，但其工作频率可能非常高。

专为闸门驱动应用而设计

高隔离度直流/直流转换器

村田推出了一系列由村田电源解决方案公司开发的高隔离度 DC/DC 转换器，其中包括专为栅极驱动应用设计的 MGJ 系列 DC-DC 转换器，该系列转换器能够满足电机驱动器和逆变器中使用的桥式电路的常见高隔离度要求，旨在为这些“高边沿”栅极驱动电路提供最佳的驱动电压和隔离度。 在每个PWM开关周期内，栅极都会被完全充电和放电，从而产生相等的正负平均电流和峰值电流，而与正负驱动电压无关。如果输出负载的电流不相等（例如通过额外的保护电路），则电压可能无法保持在预期的容差范围内。

栅极驱动电压的绝对值并不十分关键，只要它高于开关增强所需的最小值，适当低于击穿水平，并且功耗在可接受的范围内即可。 因此，如果 DC-DC 的输入是标称恒定的，则提供驱动功率的 DC-DC 转换器可以是非稳压型的，例如 MGJ1 或 MGJ2 系列。 然而，与大多数DC-DC应用不同，IGBT/MOSFET在任何占空比下开关时，负载都保持相对恒定。反之，当器件不开关时，负载接近于零。简单的DC-DC转换器通常需要极小的负载，否则其输出电压会急剧升高，甚至可能达到栅极击穿电压。

这种高电压存储在大容量电容器上，因此当器件开始开关时，可能会出现栅极过电压，直到电压降至正常负载水平。因此，应选择输出电压钳位或最小负载要求极低的DC-DC转换器。

在驱动电路的电压轨达到正确值之前，不应使用 PWM 信号主动驱动 IGBT/MOSFET。 然而，当栅极驱动的DC-DC转换器通电或断电时，即使PWM信号处于非激活状态，也可能出现瞬态情况，导致器件被驱动，进而造成击穿和损坏。因此，DC-DC输出在通电和断电期间应表现良好，且上升沿和下降沿应呈单调变化。

绝缘性能测试对于高压系统至关重要。

高侧开关发射极是一个高压、高频开关节点。从DC-DC输入端到输出端，整个HVDC链路电压可以以PWM频率连续切换，该频率可能非常高且变化率很高。IGBT的PWM频率可达约30 kV/µs，MOSFET约为50 kV/µs，SiC/GaN约为50 kV/µs以上。DC-DC输入端和输出端通过耦合电容（Cc）隔离，该电容两端具有较高的开关电压，可能会对敏感的输入引脚造成干扰。共模瞬态抗扰度（CMTI）测试可用于指示此故障级别。

在某些情况下，隔离式DC-DC转换器由另一个线性转换器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转换器输入端过冲。如果超过隔离式DC-DC转换器的最大输入电压，则可能造成损坏。 在这种情况下，可能需要在输入端使用齐纳二极管进行保护。

为了确保电源转换过程的安全，DC-DC 可以作为安全隔离系统的一部分。 例如，根据UL60950690 VAC系统，需要14mm的爬电距离和电气间隙来加强绝缘。隔离电压需要通过远高于工作电压的瞬时电压测试进行验证，例如持续一分钟。此外，根据功能要求，在“高边沿”应用中，DC-DC输入到输出可能会经历整个HVDC链路电压以PWM频率连续切换。在这种情况下，仅持续一分钟的瞬时电压测试不足以作为有效的隔离指标，只有按照IEC 60270进行局部放电测试才能确保隔离性能。

放电的发生是因为小间隙的击穿电压（约3kV/mm）远低于周围固体绝缘体的击穿电压（约300kV/mm）。这个“起始电压”可以测量，并用于确定最大工作电压，以确保绝缘体的长期可靠性。局部放电在短期内不会造成显著损坏，但长期使用后，局部放电现象会降低绝缘性能。

完整且多样化的MGJ系列DC-DC转换器

村田制作所推出的MGJ系列DC-DC转换器非常适合为桥式电路中IGBT和MOSFET的“高侧”和“低侧”栅极驱动电路供电。选择非对称输出电压可以实现最佳驱动电平，从而获得最佳的系统效率和EMI。 MGJ系列 MGJ系列产品具有满足电机驱动器和逆变器中常用桥式电路高隔离度和dv/dt要求的特点。推荐应用包括风能、太阳能等新能源的逆变器和备用电池，以及高速和变速电机驱动器，并通过关键参数满足特定的技术要求。

MGJ2 SIP MGJ系列总输出功率为2W，采用传统的双绕组方式，提供正负极栅极驱动电压输出，包括+15V/-15V、+15V/-5V、+15V/-8.7V、+20V/-5V和+18V/-2.5V。通过改变匝数，还可以提供其他特殊输出。MGJ2的工业级耐温等级和结构设计，使其拥有更长的使用寿命和更高的可靠性。

总输出功率 MGJ3 和 MGJ6 系列 分别为 3W 和 6W。它们采用专利技术，可灵活配置三种输出电压，例如 20V/-5V（15V+5V，-5V）和 15V/-10V（15V，-5V）。MGJ3 和 MGJ6 的禁用/频率同步引脚简化了 EMC 滤波器的设计，其保护功能包括短路保护和过载保护。

总输出功率 MGJ1 和 MGJ2 SMD 分别为 1W 和 2W。内部齐纳二极管用于分压并提供特定的正负极栅极驱动电压，包括 +15V/-5V（由单个 20V 输出产生）、+15V/-9V（由单个 24V 输出产生）和 +19V/-5V（由单个 24V 输出产生）。更换齐纳二极管可提供其他特殊输出。MGJ1 和 MGJ2 具有工业级温度等级和结构，可提供更长的使用寿命和更高的可靠性。

结论

栅极驱动电源的DC-DC转换器对于电机运行的安全性和稳定性至关重要，尤其是在高压高频系统中，这些转换器更是关键部件。村田制作所推出了一系列针对不同功率、耦合电容和封装规格的DC-DC转换器，其中包括MGJ系列。这些转换器非常适合为桥式电路中IGBT和MOSFET的“高侧”和“低侧”栅极驱动电路供电，并提供强大的隔离和绝缘性能，从而确保系统运行的稳定性和安全性。它们将是开发电机驱动应用的理想解决方案。