【技术干货】栅极驱动DCDC电源模块提高电机驱动的效率与安全性

在工业自动化、新能源车辆和可再生能源发电等领域，高效的栅极驱动方案是实现节能与安全运行的核心技术之一。栅极驱动DCDC电源模块则在电机驱动系统中占关键地位，特别对于高功率密度、高效率、稳定性的电机驱动设计。栅极驱动电源模块为功率半导体器件（如IGBT、MOSFET或SiC/GaN器件）提供隔离且稳定的驱动电压和电流。栅极驱动DCDC电源模块需要隔离供电，以实现控制电路和功率电路间的电气隔离，提高系统抗干扰能力和安全性，并提供稳定的电源输出，为栅极驱动器提供可靠的直流电压，保证功率器件在不同工作条件下正常工作，且近一步满足宽范围电压需求，支持不同功率器件所需的正、负栅极驱动电压。

电机驱动需要高效、精准控制功率器件的开关动作。一般电机驱动系统通常采用PWM控制方式，能否高效驱动功率器件是关键。栅极驱动DCDC模块可用于支持高效能电机驱动控制，提供低功耗、高效率的栅极驱动电压，减少器件开关损耗，提高驱动系统整体效率。

现代电机驱动中广泛使用SiC和GaN功率器件，这些器件具有高开关速度和更高的栅极驱动电压要求（例如+15V/-4V）。栅极驱动DCDC模块可精准提供适配的电压和电流，确保这些器件的性能优势得以充分发挥。

在电机驱动系统中，驱动电路需与高压功率电路隔离，以保护低压控制系统和人员安全。栅极驱动DCDC模块通过高隔离电压（如3-5kV）设计，防止电气噪声或短路对控制系统的干扰。

栅极驱动DCDC模块也能支持多相电机驱动设计，对于多相电机（如三相永磁同步电机），每个桥臂的高端和低端开关器件均需独立供电。栅极驱动DCDC模块支持多通道独立供电方案，简化系统拓扑。

栅极驱动DCDC模块还可增强系统可靠性，通过集成保护功能（如欠压保护、过温保护等），提高模块的稳定性和故障耐受能力，有效提升整个电机驱动系统的可靠性。

栅极驱动DCDC模块的技术应用场景相当广泛，包括工业电机驱动，如伺服电机、变频器和工业自动化设备，也可应用于新能源车辆，如电动车驱动逆变器和充电系统。在风力发电和光伏逆变应用中，栅极驱动DCDC模块也可在高压、高效率场景中，提供功率半导体的稳定栅极驱动。在轨道交通应用中，栅极驱动DCDC模块可为高功率电机驱动中的功率器件隔离供电。

未来的栅极驱动DCDC模块将朝向高效率化的方向发展，需要开发支持更高转换效率的栅极驱动DCDC模块，以适应低损耗、高频率功率器件的需求。在产品的尺寸朝向小型化与集成化发展后，通过模块化设计，将可把栅极驱动和DCDC电源集成在更小的封装中，适应小型电机驱动设计，并支持宽温度范围，拓展模块在极端环境（如汽车、电网设备）下的可靠运行能力。

未来，栅极驱动DCDC电源模块在电机驱动中不仅承担了稳定供电的角色，还直接影响功率器件的性能和驱动系统的效率，对现代化电机驱动系统的性能优化至关重要。

Murata推出多款栅极驱动DCDC电源模块，可用于栅极驱动电源的DC-DC应用场景，常见的典型应用是为全桥电机的“High side”和“Low side”提供驱动电源，其可以是半桥、全桥、三相等，High side开关发射极是一个高压、高频开关节点，可以采用是IGBT，也可以是MOSFET、SiC、GaN，其中需要一个正负双路输出电压 ―― +Ve 和 -Ve，在High side的驱动及相关电路必须采用隔离设计。

驱动电源的功率需求是通过DC-DC向单一驱动器电路提供平均直流电流，由近驱动电路的电容提供峰值电流，用于每个周期对栅极电容进行充电和放电，其需要考虑降额和驱动时的其他损耗，其中，SiC和GaN的Qg低于IGBT，但频率可能非常高。

根据数据表，大多数器件都可以用0V关闭，那么为什么还要使用负栅极电压呢？这是为了克服寄生电感效应与米勒（Miller）电容效应。负栅极驱动可以克服由源端电感引起的寄生电感；当IGBT关闭时，突然而止的电流会引发一个与栅极电压相反的电压尖峰。至于米勒电容效应，则是在关断期间，集电极电压迅速上升，导致电流尖峰通过米勒电容流向栅极，这会导致栅极电阻上出现相反的正电压。

栅极驱动DCDC模块为何需要隔离呢？首先是考虑安全因素，DC-DC可以是安全隔离系统的一部分，例如根据UL60950，690 VAC系统满足加强绝缘需要14mm爬电距离和空气间隙，此外，还需要支持隔离电压，用比工作电压大的单个瞬间电压来验证隔离，持续时间一分钟。

另一方面，还有功能性的需要，在“high-side”应用中，DC-DC 输入到输出需要全 HVDC 链路电压以 PWM 频率连续切换。在这种情况下，仅一分钟的单个瞬间电压测试并不是好的隔离指标，需要符合 IEC 60270 的局部放电测试，才是最好的确保方式。

局部放电是因为小空隙的击穿电压（~3kV/mm）远低于周围固体绝缘体的击穿电压（~300kV/mm），这个“起始电压”可以用于测量定义最大工作电压，以确保绝缘体的长期可靠性。局部放电在短期间并不会造成重大损害，但长时间使用，局部放电现象会降低绝缘性能。

电容耦合也是另一个须关注的现象，在high side高边开关的发射极是一个高压、高频开关节点，从DC-DC输入到输出可以发现全HVDC链路电压以PWM 频率连续切换，其频率可能很高，变化率也很高，例如IGBT约在30kV/μs，MOSFET则约在50kV/μs，SiC/Gan则约在50+++Kv/μs，其中的DCDC输入输出隔离存在电容耦合（Cc），该电容两端有高开关电压，因此将有脉冲电流流过，这可能会对敏感的输入引脚造成干扰，共模瞬态抗扰度（CMTI）测试便可给出了此故障级别的指示。

Murata的栅极驱动DCDC模块具有极佳的电容耦合，以MGJ产品系列为例，支持1W功率的MGJ1的耦合容抗为3pF，2W的MGJ2为2.8~4pF，3W（MGJ3T）与6W（MGJ6T、MGJ60LP、-SIP、-DIP）时都是15pF。

想要实现双极电压有多种不同方法，所有开关器件都需要不同的栅极电压，不同的制造商指定的电平存在差异。以IGBT为例，正向电压为+15V，负向电压则是-8.7V、-9V、-10V或-15V，Silicon MOS的正向电压为+15V或+12V，负向电压则是-5V或-10V，SIC MOS的正向电压为+20V、+18V或+15V，负向电压为-5V、-4V、-3V或-2.5V，Gan的正向电压为+5V或+6V，负向电压则是-3V。

为面对这种需求变化，Murata的MGJ2 SIP总输出功率为2W，可使用传统的双绕组方法提供+ve和-ve栅极驱动电压输出，包括+15V/-15V、+15V/-5V、+15V/-8.7V、+20V/-5V、+18V/-2.5V，并可以通过改变匝数来提供其他特殊输出。

MGJ3与MGJ6产品系列的总输出功率3W和6W，其采用专利技术，可输出三路电压进行灵活配置，如20V/-5V（15V+5V，-5V）、15V/-10V（15V，-5V-5V）。MGJ1与MGJ2 SMD产品系列的总输出功率为1W和2W，其使用内部齐纳二极管分压来提供特定的+ve和-ve栅极驱动电压，包括+15V/-5V（从单一20V输出）、+15V/-9V（从单一24V输出）、+19V/-5V（从单一24V输出），并可通过改变齐纳二极管提供其他特殊输出。

Murata的门驱动应用产品可用于新能源（风能、太阳能与备用电池）上的逆变器，也可用于高速和变速电机驱动，其中的关键产品包括MGN1、MGJ1/MGJ2、MGJ1 SIP、MGJ2B、MGJ3/MGJ6等系列，提供对于连续隔离耐压、隔离电容、安全认证、CMTI、工作温度和功率等方面的各种支持。与竞争对手相比，村田的解决方案在这些关键参数上表现出色。

栅极驱动DCDC电源模块在电机驱动系统中扮演至关重要的角色，其高效的电源转换、精准的电压输出以及可靠的电气隔离，直接影响功率半导体器件的性能和系统的整体效率。同时，通过提高系统的抗干扰能力和操作安全性，该模块为工业自动化、新能源汽车和可再生能源等领域的电机驱动方案提供了坚实的技术保障。未来，随着功率器件技术的持续发展，栅极驱动 DCDC 模块将向更高效率、更高功率密度和更强集成化的方向演进，为推动高性能电机驱动系统的发展作出更大贡献。Murata拥有完整的栅极驱动DCDC电源模块产品线，将可满足不同的应用需求，欢迎进一步了解相关的产品信息。