【導讀】電(dian)源(yuan)是(shi)電(dian)子(zi)設(she)備(bei)的(de)基(ji)礎(chu)
，其(qi)中(zhong)的(de)柵(zha)極(ji)驅(qu)動(dong)器(qi)是(shi)穩(wen)定(ding)提(ti)供(gong)設(she)備(bei)電(dian)源(yuan)的(de)關(guan)鍵(jian)。柵(zha)極(ji)驅(qu)動(dong)器(qi)是(shi)一(yi)種(zhong)功(gong)率(lv)放(fang)大(da)器(qi)

，它(ta)接(jie)受(shou)來(lai)自(zi)控(kong)製(zhi)器(qi)芯(xin)片(pian)的(de)低(di)功(gong)率(lv)輸(shu)入(ru)，並(bing)為(wei)高(gao)功(gong)率(lv)晶(jing)體(ti)管(guan)（例如IGBT或功率MOSFET）的柵極產生高電流驅動輸入。本文將為您介紹柵極驅動電源與DC-DC轉換器的技術概念，以及由Murata推出的隔離柵極驅動電源產品係列的功能特性。

電(dian)源(yuan)是(shi)電(dian)子(zi)設(she)備(bei)的(de)基(ji)礎(chu)

，其(qi)中(zhong)的(de)柵(zha)極(ji)驅(qu)動(dong)器(qi)是(shi)穩(wen)定(ding)提(ti)供(gong)設(she)備(bei)電(dian)源(yuan)的(de)關(guan)鍵(jian)。柵(zha)極(ji)驅(qu)動(dong)器(qi)是(shi)一(yi)種(zhong)功(gong)率(lv)放(fang)大(da)器(qi)
，它(ta)接(jie)受(shou)來(lai)自(zi)控(kong)製(zhi)器(qi)芯(xin)片(pian)的(de)低(di)功(gong)率(lv)輸(shu)入(ru)，並(bing)為(wei)高(gao)功(gong)率(lv)晶(jing)體(ti)管(guan)（例如IGBT或功率MOSFET）的柵極產生高電流驅動輸入。本文將為您介紹柵極驅動電源與DC-DC轉換器的技術概念
，以及由Murata推出的隔離柵極驅動電源產品係列的功能特性。

柵極驅動器是電力轉換電路的基礎

柵極驅動器是一種用於驅動功率半導體開關（如MOSFET、IGBT等）的電路。這些半導體開關用於控製電力轉換器的開關狀態，例如直流至交流逆變器（DC-AC inverter）

、交流至直流轉換器（AC-DC converter）、直流至直流轉換器（DC-DC converter）等。

zhajiqudongqidezhuyaozuoyongshitigongzugoudedianliuhedianya，yikongzhigonglvbandaotikaiguandekaiguansuduhekaiguanshijian
，congerquebaozhuanhuanqidewendingyunxing。zhajiqudongqiyibanbaokuoshuruqudongdianlu、輸出功率級

、隔離電路等部分，能夠隔離控製信號和功率電路，以提高係統的安全性和可靠性。

在柵極驅動器的設計中
，需要考慮輸出功率、功率半導體的特性、電源噪聲等因素。柵極驅動器還可以使用不同的控製方法

，例如電壓控製和電流控製等，以實現不同的應用需求。

柵zha極ji驅qu動dong器qi的de種zhong類lei相xiang當dang多duo樣yang，它ta可ke以yi單dan一yi芯xin片pian或huo作zuo為wei分fen立li模mo塊kuai的de方fang式shi運yun作zuo。本ben質zhi上shang，柵zha極ji驅qu動dong器qi由you電dian平ping轉zhuan換huan器qi和he放fang大da器qi組zu成cheng，柵zha極ji驅qu動dong器qi芯xin片pian用yong作zuo控kong製zhi信xin號hao（數字或模擬控製器）和功率開關（IGBT、MOSFET、SiC MOSFET和GaN HEMT）之間的接口。集成式柵極驅動器解決方案可降低設計複雜性、開發時間
、材料列表（BOM）和電路板空間，同時提高分立式實施的柵極驅動器解決方案的可靠性。

隔離式DC-DC轉換器提高係統安全性

以用於柵極驅動電源的DC-DC應用場景為例
，典型的應用是為全橋電機的“High side高邊”和“Low side低邊”提供驅動電源
，它可以是半橋、全橋
、三相等模式，在高邊的開關發射極是一個高壓
、高頻開關節點，可以是IGBT
，也可能是MOSFET、SiC、GaN，它需要一個+Ve和-Ve的正負雙路輸出電壓，在高邊的驅動及相關電路必須采用隔離設計。

DC-DC隻(zhi)向(xiang)驅(qu)動(dong)器(qi)電(dian)路(lu)提(ti)供(gong)平(ping)均(jun)直(zhi)流(liu)電(dian)流(liu)，由(you)近(jin)驅(qu)動(dong)電(dian)路(lu)的(de)電(dian)容(rong)提(ti)供(gong)峰(feng)值(zhi)電(dian)流(liu)，用(yong)於(yu)每(mei)個(ge)周(zhou)期(qi)對(dui)柵(zha)極(ji)電(dian)容(rong)進(jin)行(xing)充(chong)電(dian)和(he)放(fang)電(dian)
，在(zai)使(shi)用(yong)時(shi)需(xu)要(yao)考(kao)慮(lv)降(jiang)額(e)和(he)驅(qu)動(dong)中(zhong)的(de)其(qi)他(ta)損(sun)耗(hao)
，其(qi)中(zhong)SiC和GaN的Qg低於IGBT
，但頻率可能非常高。

根據數據表，大多數器件都可以用0V關閉，但有時還是得使用負柵極電壓，這是為了克服寄生電感效應與米勒（Miller）電容效應。由於源極寄生電感的存在，當IGBT關(guan)閉(bi)時(shi)，將(jiang)導(dao)致(zhi)電(dian)流(liu)突(tu)然(ran)終(zhong)止(zhi)引(yin)起(qi)的(de)感(gan)應(ying)電(dian)壓(ya)，造(zao)成(cheng)尖(jian)峰(feng)與(yu)柵(zha)極(ji)電(dian)壓(ya)反(fan)向(xiang)

，另(ling)一(yi)方(fang)麵(mian)，在(zai)關(guan)斷(duan)期(qi)間(jian)
，集(ji)電(dian)極(ji)電(dian)壓(ya)將(jiang)迅(xun)速(su)上(shang)升(sheng)
，導(dao)致(zhi)電(dian)流(liu)尖(jian)峰(feng)通(tong)過(guo)米(mi)勒(le)電(dian)容(rong)流(liu)向(xiang)柵(zha)極(ji)，這(zhe)會(hui)導(dao)致(zhi)柵(zha)極(ji)電(dian)阻(zu)上(shang)出(chu)現(xian)相(xiang)反(fan)的(de)正(zheng)電(dian)壓(ya)。

那為什麼DC-DC轉換器又需要進行隔離呢？首先考慮的便是安全因素
，DC-DC可以是安全隔離係統的一部分，例如根據UL60950，690 VAC係統滿足加強絕緣，需要14mm爬電距離和空氣間隙
，並用比工作電壓大得多的單個瞬間電壓來驗證隔離
，如加持一分鍾。此外
，隔離也有功能性的需要，像是在“高邊”應用中
，DC-DC輸入到輸出中將可看到全HVDC鏈路電壓以PWM頻率連續切換，在這種情況下

，隻是一分鍾的單個瞬間電壓測試並不是好的隔離指標
，符合IEC 60270的局部放電測試才是有效的確保方式。

會發生放電是因為小空隙的擊穿電壓（~3kV/mm），遠低於周圍固體絕緣體的擊穿電壓（~300kV/mm），這個“起始電壓”可ke以yi被bei測ce量liang，並bing用yong於yu定ding義yi最zui大da工gong作zuo電dian壓ya以yi確que保bao絕jue緣yuan體ti的de長chang期qi可ke靠kao性xing。局ju部bu放fang電dian短duan期qi不bu會hui造zao成cheng重zhong大da損sun害hai，但dan長chang時shi間jian使shi用yong，局ju部bu放fang電dian現xian象xiang會hui降jiang低di絕jue緣yuan性xing能neng。

高邊開關發射極是一個高壓、高頻開關節點
，從DC-DC輸入到輸出可以看到全HVDC鏈路電壓
，以PWM頻率連續切換，其頻率可能很高
，變化率也很高，像是IGBT可達到約30kV/µs
，MOSFET則約有50kV/µs
，SiC/GaN則約有50+++Kv/µs，DCDC輸入輸出隔離將存在耦合容抗（Cc），該電容兩端有高開關電壓，因此將有脈衝電流流過，這可能會對敏感的輸入引腳造成幹擾
，因此共模瞬態抗擾度（CMTI）測試將可給出此故障級別的指示。

可實現雙極電壓的DC-DC轉換器

Murata推出了多款用於柵極驅動電源的DC-DC轉換器係列，這是專為柵極驅動電路而設計，通常用於替代能源
、運動與控製
、移動性和醫療保健解決方案。這些產品隔離電容很低
，隻有3pF，可用於IGBT/SiC和MOS柵極驅動器的優化雙極輸出電壓，DC Link電壓具有可達3KV的耐受能力，且擁有特有的局部放電性能，在1.6kV時的dv/dt抗擾度可達80kV/µS
，全係列包括支持IGBT、SiC、MOS、GaN的多款產品線。

各種開關器件需要不同的柵極電壓
，不同的製造商指定的電平也存在差異，Murata實現雙極電壓的不同方法，是采用像是MGJ2 SIP DC-DC轉換器，其總輸出功率為2W，使用傳統的雙繞組方法來提供+ve和-ve柵極驅動電壓輸出，包括支持+15V/-15V、+15V/-5V
、+15V/-8.7V、+20V/-5V與+18V/-2.5V，並可以通過改變匝數來提供其他專用輸出。

另外像是MGJ3與MGJ6 DC-DC轉換器，可提供3W和6W的總輸出功率，采用專利技術
，可輸出三路電壓進行靈活配置，像是20V/-5V（15V+5V，-5V）與15V/-10V（15V，-5V-5V）。MGJ1與MGJ2 SMD的總輸出功率則為1W和2W，其使用內部齊納二極管分壓提供特定的+ve和-ve柵極驅動電壓，包括+15V/-5V（從一個單一20V輸出）、+15V/-9V（從一個單一24V輸出）與+19V/-5V（從一個單一24V輸出），通過改變齊納二極管還可以提供其他專用輸出。

支持GaN器件的DC-DC轉換器

GaN器件已經成為當前高功率應用的理想產品
，Murata也針對GaN柵極驅動應用
，推出經過優化的新型DC-DC轉換器，Murata利用專有的PCB電氣和機械設計拓撲
，推出了一係列新的緊湊型DC-DC轉換器
，這些轉換器與日益普及的寬帶隙技術保持一致。全新MGN1係列1W輸出DC-DC轉換器，旨在提供GaN器件柵極驅動器所需的電壓。

這些器件提供薄型、占(zhan)地(di)麵(mian)積(ji)小(xiao)的(de)表(biao)麵(mian)貼(tie)裝(zhuang)解(jie)決(jue)方(fang)案(an)，可(ke)以(yi)輕(qing)鬆(song)集(ji)成(cheng)到(dao)空(kong)間(jian)受(shou)限(xian)的(de)係(xi)統(tong)中(zhong)。它(ta)們(men)還(hai)具(ju)有(you)輕(qing)量(liang)的(de)優(you)勢(shi)，這(zhe)開(kai)辟(pi)了(le)更(geng)大(da)的(de)部(bu)署(shu)機(ji)會(hui)，提(ti)供(gong)的(de)輸(shu)出(chu)電(dian)壓(ya)為(wei)+8V、+12V和+6/-3V。

MGN1係列DC-DC轉換器的關鍵屬性之一是其隔離電容很低，隻有2.5pF（典型值）。如此一來，隔離勢壘上的瞬態耦合大幅減少，從而防止信號失真。此外
，這意味著可以減緩係統EMI問題。這些單元的>200kV/µs CMTI使其非常適合基於GaN係統的更高開關速度
，進一步確保柵極驅動器信號完整性。得益於其局部放電性能，可在高壓條件下保持可靠運行。

Murata的MGN1係列中的DC-DC轉換器支持1.1kV的連續隔離勢壘耐受電壓，並針對650VDC基本絕緣和240VAC增強絕緣
，以符合UL62368標準。這些轉換器具有6.5mm的爬電距離和間隙數據，並可在-40℃至+105℃的工作溫度範圍內運作，使其能夠安裝在非常有挑戰性的環境中。此外，還結合了反極性和短路保護機製。

這款新型DC-DC轉換器可用於多種基於GaN的應用，其中包括電動汽車的快速充電基礎設施、電池存儲轉換器
、智能電網實施

、太陽能逆變器、固態開關斷路器、ICT和數據中心

、風力渦輪機和電機驅動器等。

結語

在各種電力轉換過程中
，柵極驅動器扮演著重要的角色
，而通過柵極驅動電源並支持雙極電壓輸出的隔離式DC-DC轉換器，更是為各種電器設備提供穩定電源的理想選擇。Murata推出了一係列的隔離式DC-DC轉換器
，提供支持IGBT、MOSFET
、SiC MOSFET和GaN等不同技術的產品係列，能夠滿足各種應用的不同功率需求，產品係列相當完整，將是您進行產品開發時的上佳搭檔。

文章來源：Arrow Solution微信公眾號

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