柵極驅動DCDC電源模塊提高電機驅動的效率與安全性

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

柵極驅動DCDC電源模塊在電機驅動系統中具有關鍵地位

在工業自動化、新能源車輛和可再生能源發電等領域，高效的柵極驅動方案是實現節能與安全運行的核心技術之一。柵極驅動DCDC電源模塊則在電機驅動系統中占關鍵地位，特別對于高功率密度、高效率、穩定性的電機驅動設計。柵極驅動電源模塊為功率半導體器件（如IGBT、MOSFET或SiC/GaN器件）提供隔離且穩定的驅動電壓和電流。柵極驅動DCDC電源模塊需要隔離供電，以實現控制電路和功率電路間的電氣隔離，提高系統抗干擾能力和安全性，并提供穩定的電源輸出，為柵極驅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、負柵極驅動電壓。

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

現代電機驅動中廣泛使用SiC和GaN功率器件，這些器件具有高開關速度和更高的柵極驅動電壓要求（例如+15V/-4V）。柵極驅動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勢得以充分發揮。

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

柵極驅動DCDC模塊也能支持多相電機驅動設計，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器件均需獨立供電。柵極驅動DCDC模塊支持多通道獨立供電方案，簡化系統拓撲。

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

柵極驅動DCDC模塊的技術應用場景相當廣泛

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

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

未來，柵極驅動DCDC電源模塊在電機驅動中不僅承擔了穩定供電的角色，還直接影響功率器件的性能和驅動系統的效率，對現代化電機驅動系統的性能優化至關重要。

多樣化的柵極驅動DCDC電源模塊滿足不同應用需求

Murata推出多款柵極驅動DCDC電源模塊，可用于柵極驅動電源的DC-DC應用場景，常見的典型應用是為全橋電機的“High side”和“Low side”提供驅動電源，其可以是半橋、全橋、三相等，High side開關發射極是一個高壓、高頻開關節點，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的驅動及相關電路必須采用隔離設計。

驅動電源的功率需求是通過DC-DC向單一驅動器電路提供平均直流電流，由近驅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。

根據數據表，大多數器件都可以用0V關閉，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與米勒（Miller）電容效應。負柵極驅動可以克服由源端電感引起的寄生電感；當IGBT關閉時，突然而止的電流會引發一個與柵極電壓相反的電壓尖峰。至于米勒電容效應，則是在關斷期間，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相反的正電壓。

柵極驅動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的一部分，例如根據UL60950，690 VAC系統滿足加強絕緣需要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，持續時間一分鐘。

另一方面，還有功能性的需要，在“high-side”應用中，DC-DC 輸入到輸出需要全 HVDC 鏈路電壓以 PWM 頻率連續切換。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，局部放電現象會降低絕緣性能。

高性能關鍵參數領先競爭對手產品

電容耦合也是另一個須關注的現象，在high side高邊開關的發射極是一個高壓、高頻開關節點，從DC-DC輸入到輸出可以發現全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，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，共模瞬態抗擾度（CMTI）測試便可給出了此故障級別的指示。

Murata的柵極驅動DCDC模塊具有極佳的電容耦合，以MGJ產品系列為例，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。

想要實現雙極電壓有多種不同方法，所有開關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，可使用傳統的雙繞組方法提供+ve和-ve柵極驅動電壓輸出，包括+15V/-15V、+15V/-5V、+15V/-8.7V、+20V/-5V、+18V/-2.5V，并可以通過改變匝數來提供其他特殊輸出。

MGJ3與MGJ6產品系列的總輸出功率3W和6W，其采用專利技術，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產品系列的總輸出功率為1W和2W，其使用內部齊納二極管分壓來提供特定的+ve和-ve柵極驅動電壓，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的門驅動應用產品可用于新能源（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動，其中的關鍵產品包括MGN1、MGJ1/MGJ2、MGJ1 SIP、MGJ2B、MGJ3/MGJ6等系列，提供對于連續隔離耐壓、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鍵參數上表現出色。

結語

柵極驅動DCDC電源模塊在電機驅動系統中扮演至關重要的角色，其高效的電源轉換、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的整體效率。同時，通過提高系統的抗干擾能力和操作安全性，該模塊為工業自動化、新能源汽車和可再生能源等領域的電機驅動方案提供了堅實的技術保障。未來，隨著功率器件技術的持續發展，柵極驅動 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動系統的發展作出更大貢獻。Murata擁有完整的柵極驅動DCDC電源模塊產品線，將可滿足不同的應用需求，歡迎進一步了解相關的產品信息。