เพิ่มประสิทธิภาพการควบคุมอุปกรณ์ไฟฟ้าให้สูงสุดด้วยตัวแปลงพลังงาน Gate-Driver ที่เหมาะสม

ตั้งแต่อุปกรณ์จ่ายไฟและมอเตอร์ไดรฟ์ ไปจนถึงสถานีชาร์จและการใช้งานอื่นๆ อีกนับไม่ถ้วน อุปกรณ์กึ่งตัวนำกำลังไฟฟ้าแบบสวิตชิ่ง เช่น ซิลิกอน (Si) ซิลิกอนคาร์ไบด์ (SiC) และแกลเลียมไนไตรด์ (GaN) MOSFET รวมถึงทรานซิสเตอร์สองขั้วแบบฉนวนเกต (IGBT) กุญแจสู่การออกแบบระบบไฟฟ้าอย่างมีประสิทธิภาพ อย่างไรก็ตาม เพื่อให้ได้ประสิทธิภาพสูงสุดจากอุปกรณ์จ่ายไฟ จำเป็นต้องมีไดรเวอร์เกตที่เหมาะสม

ตามชื่อของมัน หน้าที่ของส่วนประกอบนี้คือการขับเคลื่อนเกตอุปกรณ์ไฟฟ้า ดังนั้นใส่หรือดึงออกจากโหมดการนำไฟฟ้าอย่างรวดเร็วและคมชัด การทำเช่นนี้ต้องการให้ผู้ขับขี่มีความสามารถในการจ่ายกระแสไฟให้เพียงพอทั้งๆ ที่อุปกรณ์ภายในและความจุที่เบี่ยงเบน (ค่าแฝง) การเหนี่ยวนำ และปัญหาอื่น ๆ ที่โหลด (เกต) ด้วยเหตุนี้ การจัดหาไดรเวอร์เกตที่มีขนาดเหมาะสมพร้อมด้วยคุณลักษณะของคีย์ที่เหมาะสมจึงมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการตระหนักถึงศักยภาพและประสิทธิภาพของอุปกรณ์จ่ายไฟอย่างเต็มที่ อย่างไรก็ตาม เพื่อให้ได้รับประโยชน์สูงสุดจากไดรเวอร์เกต นักออกแบบจะต้องให้ความสนใจเป็นพิเศษกับแหล่งจ่ายไฟ DC ของไดรเวอร์ ซึ่งไม่ขึ้นอยู่กับราง DC ของอุปกรณ์จ่ายไฟ อุปทานนี้คล้ายกับอุปทานทั่วไป แต่มีความแตกต่างที่สำคัญบางประการ อาจเป็นแหล่งจ่ายไฟแบบขั้วเดียว แต่ในหลายกรณี แหล่งจ่ายไฟแบบไบโพลาร์แบบไม่สมมาตร ร่วมกับความแตกต่างด้านการทำงานและโครงสร้างอื่นๆ นักออกแบบยังต้องใส่ใจกับฟอร์มแฟกเตอร์ในแง่ของรอยเท้าของบอร์ดและข้อกำหนดที่ไม่ซับซ้อน และความเข้ากันได้กับส่วนประกอบและกระบวนการผลิตที่ออกแบบไว้

บทความนี้จะเน้นที่แหล่งจ่ายไฟสำหรับไดรเวอร์เกต โดยใช้อุปกรณ์ Surface Mount (SMD) DC/DC ในมูราตะ พาวเวอร์ โซลูชั่นส์MGJ2 ซีรีส์ ของตัวแปลง DC/DC แบบเกตไดรฟ์ขนาด 2 วัตต์เป็นตัวอย่าง

เริ่มด้วยการเปลี่ยนอุปกรณ์

ความเข้าใจในบทบาทและคุณลักษณะที่ต้องการของตัวแปลง DC/DC ของไดรเวอร์เกตเริ่มต้นด้วยอุปกรณ์สวิตชิ่ง สำหรับ MOSFET ที่เป็นอุปกรณ์สวิตช์ เกตแหล่งที่มาพาธใช้เพื่อควบคุมสถานะปิดหรือเปิดของอุปกรณ์ (IGBTs จะคล้ายกัน) เมื่อแรงดันเกตแหล่งน้อยกว่าแรงดันธรณีประตู (V_GS < V_TH) MOSFET อยู่ในบริเวณจุดตัด ไม่มีกระแสไหลออก I_D = 0 แอมแปร์ (A) และ MOSFET ปรากฏเป็น “สวิตช์เปิด” (รูปที่ 1)

รูปที่ 1: ในโหมด cut-off เส้นทาง MOSFET drain-source จะดูเหมือนสวิตช์เปิด (แหล่งที่มาภาพ: Quora)

ในทางกลับกัน เมื่อแรงดันเกต-ซอร์สมากกว่าแรงดันธรณีประตู (V_GS > V_TH) MOSFET อยู่ในขอบเขตความอิ่มตัวของกระแสไฟไหลสูงสุด (I_D = V_DD /R_L) และ MOSFET จะปรากฏเป็น "สวิตช์ปิด" ที่มีความต้านทานต่ำ (รูปที่ 2) สำหรับ MOSFET ในอุดมคติ แรงดันแหล่งจ่ายจะเป็นศูนย์ (V_DS = 0 โวลต์) แต่ในทางปฏิบัติ V_DS โดยทั่วไปจะอยู่ที่ประมาณ 0.2 โวลต์เนื่องจากความต้านทานภายใน R_DS(on) ซึ่งโดยทั่วไปแล้วจะต่ำกว่า 0.1 โอห์ม (Ω) และอาจต่ำถึงหลายสิบมิลลิโอห์ม

รูปที่ 2: ในโหมดอิ่มตัว เส้นทางแหล่งระบายของ MOSFET ดูเหมือนสวิตช์ความต้านทานต่ำ (แหล่งที่มาภาพ: Quora)

ในขณะที่ไดอะแกรมแผนผังทำให้ดูเหมือนว่าแรงดันไฟฟ้าที่ใช้กับเกตจะเปิดและปิด MOSFET นั่นเป็นเพียงส่วนหนึ่งของเรื่องราวเท่านั้น แรงดันไฟนี้จะขับกระแสไฟเข้าสู่ MOSFET จนกว่าจะมีประจุสะสมเพียงพอที่จะเปิดเครื่อง ขึ้นอยู่กับขนาด (พิกัดกระแส) และประเภทของสวิตชิ่งไดรฟ์ ปริมาณกระแสไฟที่จำเป็นในการเข้าสู่สถานะเต็มอย่างรวดเร็วอาจเป็นเพียงไม่กี่มิลลิแอมป์ (mA) ถึงหลายแอมแปร์ (A)

หน้าที่ของตัวขับเกตคือการขับกระแสไฟที่เพียงพอเข้าสู่เกตอย่างรวดเร็วและคมชัดเพื่อเปิด MOSFET และดึงกระแสนั้นออกในลักษณะย้อนกลับเพื่อปิด MOSFET อย่างเป็นทางการมากขึ้น เกตจะต้องถูกขับเคลื่อนจากแหล่งอิมพีแดนซ์ต่ำที่สามารถจัดหาและจมกระแสไฟที่เพียงพอ เพื่อให้การแทรกและการดึงประจุควบคุมออกอย่างรวดเร็ว

หากเกต MOSFET ดูเหมือนโหลดที่มีความต้านทานอย่างหมดจด การจัดหาและการจมกระแสนี้จะค่อนข้างง่าย อย่างไรก็ตาม MOSFET มีองค์ประกอบกาฝากแบบ capacitive และอุปนัยภายใน และยังมีค่าแฝงจากการเชื่อมต่อระหว่างไดรเวอร์และอุปกรณ์จ่ายไฟ (รูปที่ 3)

รูปที่ 3: MOSFET โมเดลนี้แสดงความจุและการเหนี่ยวนำของค่าแฝงซึ่งส่งผลต่อประสิทธิภาพของไดรเวอร์ (แหล่งที่มารูปภาพ: Texas Instruments)

ผลที่ได้คือเสียงสัญญาณเกตไดรฟ์รอบ ๆ แรงดันธรณีประตู ทำให้อุปกรณ์เปิดและปิดอย่างน้อยหนึ่งครั้งบนวิถีของมันเพื่อเปิดหรือปิดอย่างเต็มที่ ซึ่งค่อนข้างจะคล้ายกับ “สวิตช์เด้ง” ของสวิตช์เชิงกล (รูปที่ 4)

รูปที่ 4: เสียงกริ่งของเอาต์พุตของไดรเวอร์เนื่องจากค่าแฝงในโหลด MOSFET อาจทำให้เกิดเสียงกริ่งและทริกเกอร์ที่ผิดพลาด คล้ายกับการเด้งของสวิตช์ทางกล (ที่มาของภาพ: เรียนรู้เกี่ยวกับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์)

ผลที่ตามมามีตั้งแต่ไม่มีใครสังเกตเห็นหรือเพียงแค่น่ารำคาญในการใช้งานทั่วไป เช่น การเปิดหรือปิดไฟ ไปจนถึงความเสียหายที่อาจเกิดขึ้นในวงจรสวิตชิ่งแบบเร็วที่ใช้กันอย่างแพร่หลายของพัลส์ไวด์มอดูเลต (PWM) ของอุปกรณ์จ่ายไฟ มอเตอร์ไดรฟ์ และ ระบบย่อยที่คล้ายกัน มันสามารถทำให้เกิดไฟฟ้าลัดวงจรและแม้กระทั่งความเสียหายถาวร ในโทโพโลยีแบบครึ่งสะพานและฟูลบริดจ์มาตรฐานที่โหลดวางระหว่างคู่ MOSFET บนและล่าง หาก MOSFET ทั้งสองที่ด้านเดียวกันของบริดจ์ถูกเปิดพร้อมกันแม้ในทันที ปรากฏการณ์นี้เรียกว่า “shoot-through”” (ภาพที่ 5)

รูปที่ 5: ตรงกันข้ามกับการเปิดใช้ MOSFET ปกติของ Q1 และ Q4 (ซ้าย) หรือ Q2 และ Q3 (ขวา) หาก Q1 และ Q2 หรือ Q3 และ Q4 ของบริดจ์เปิดพร้อมกันเนื่องจากปัญหาไดรเวอร์หรือสาเหตุอื่นๆ ภาวะไฟฟ้าลัดวงจรที่ยอมรับไม่ได้และอาจสร้างความเสียหายได้ที่เรียกว่ายิงทะลุจะเกิดขึ้นระหว่างรางไฟฟ้ากับพื้น (ที่มาของภาพ: Quora)

รายละเอียดเกตไดรฟ์

ในการขับกระแสไฟเข้าเกต แรงดันไฟฟ้าของรางบวกควรสูงพอที่จะทำให้สวิตช์เปิด/ปิดได้เต็ม/สมบูรณ์ แต่ต้องไม่เกินแรงดันไฟฟ้าสูงสุดสัมบูรณ์สำหรับเกต แม้ว่าค่าแรงดันไฟฟ้านี้เป็นฟังก์ชันของประเภทและรุ่นของอุปกรณ์เฉพาะ แต่โดยทั่วไปแล้ว IGBT และ MOSFET มาตรฐานจะเปิดใช้งานโดยสมบูรณ์ด้วยไดรฟ์ 15 โวลต์ ในขณะที่ SiC MOSFETS ทั่วไปอาจต้องใช้แรงดันไฟฟ้าเกือบ 20 โวลต์เพื่อให้มีสถานะสมบูรณ์

สถานการณ์แรงดันเกตไดรฟ์ติดลบนั้นซับซ้อนกว่าเล็กน้อย โดยหลักการแล้วสำหรับนอกสถานะ 0 โวลต์บนเกตก็เพียงพอแล้ว อย่างไรก็ตาม แรงดันลบ โดยทั่วไประหว่าง -5 ถึง -10 โวลต์ ช่วยให้การสลับอย่างรวดเร็วควบคุมโดยตัวต้านทานเกต ไดรฟ์เชิงลบที่เหมาะสมช่วยให้แน่ใจว่าแรงดันไฟฟ้าปิดของเกต อิมิตเตอร์นั้นเป็นศูนย์หรือน้อยกว่าจริงเสมอ

นี่เป็นสิ่งสำคัญเนื่องจากการเหนี่ยวนำอีซีแอล (L) (ที่จุด 'x' ในรูปที่ 6) ระหว่างสวิตช์และการอ้างอิงไดรเวอร์ ทำให้เกิดแรงดันเกต-อิมิตเตอร์ตรงข้ามเมื่อปิดสวิตช์ แม้ว่าการเหนี่ยวนำอาจมีขนาดเล็ก แม้แต่การเหนี่ยวนำขนาดเล็กมากของ 5 nanohenries (nH) (การเชื่อมต่อแบบมีสายไม่กี่มิลลิเมตร) ก็จะผลิต 5 โวลต์ที่อัตราการฆ่า di/dt ที่ 1000 A ต่อไมโครวินาที (A/μs)

รูปที่ 6: แม้แต่การเหนี่ยวนำอีซีแอลขนาดเล็กที่จุด 'x' ระหว่างสวิตช์และการอ้างอิงไดรเวอร์เนื่องจากการพิจารณาเลย์เอาต์สามารถเหนี่ยวนำแรงดันเกต-อิมิตเตอร์ที่เป็นปฏิปักษ์เมื่อปิดสวิตช์ ทำให้เกิดการ “กระตุก” เปิด/ปิด (ที่มาของรูปภาพ: Murata Power Solutions)

แรงดันเกตไดรฟ์ติดลบยังช่วยเอาชนะผลกระทบของตัวเก็บประจุ/drain-to-gate Miller-effect capacitance C_m ซึ่งฉีดกระแสไฟเข้าในวงจรขับเกตระหว่างปิดเครื่อง เมื่ออุปกรณ์ถูกขับออก แรงดันประตูสะสมจะเพิ่มขึ้นและกระแสมีค่า C_m × dV_ce/dt ไหลผ่านความจุของ Miller เข้าสู่เกตไปยังตัวปล่อย/ความจุของแหล่งกำเนิด C_ge และผ่านตัวต้านทานเกตไปยังวงจรขับ แรงดันไฟที่ได้ V_ge ที่ประตูก็เพียงพอแล้วที่จะเปิดเครื่องอีกครั้ง ซึ่งทำให้เกิดการยิงทะลุและความเสียหายได้ (ภาพที่ 7)

รูปที่ 7: การใช้แรงดันเกตไดรฟ์เชิงลบสามารถเอาชนะข้อบกพร่องที่เกิดขึ้นเนื่องจากการมีอยู่ของความจุของเอฟเฟกต์มิลเลอร์ภายใน MOSFET หรือ IGBT (ที่มาของรูปภาพ: Murata Power Solutions)

อย่างไรก็ตาม การขับเกตเป็นลบ ผลกระทบนี้จะลดลง ด้วยเหตุนี้ การออกแบบไดรเวอร์ที่มีประสิทธิภาพจึงต้องการรางแรงดันบวกและลบสำหรับฟังก์ชัน gate-drive อย่างไรก็ตาม ไม่เหมือนกับตัวแปลง DC/DC แบบไบโพลาร์ส่วนใหญ่ที่มีเอาต์พุตสมมาตร (เช่น +5 V และ -5 V) รางจ่ายไฟสำหรับไดรเวอร์เกตมักจะไม่สมมาตรโดยมีแรงดันบวกที่มากกว่าแรงดันลบ

การปรับขนาดพิกัดกำลังของคอนเวอร์เตอร์

ปัจจัยที่สำคัญคือต้องให้ตัวแปลงเกตไดรเวอร์ในปัจจุบันมากน้อยเพียงใดและด้วยเหตุนี้จึงมีอัตรากำลัง การคำนวณพื้นฐานค่อนข้างตรงไปตรงมา ในแต่ละรอบการสลับ ประตูจะต้องถูกชาร์จและปล่อยผ่านตัวต้านทานเกต R_g แผ่นข้อมูลของอุปกรณ์แสดงเส้นโค้งสำหรับค่าเกต Q_g โดยที่ Q_g คือ ปริมาณประจุที่ต้องฉีดเข้าไปในขั้วไฟฟ้าเกตเพื่อเปิด (ขับ)MOSFET ให้ทำงานที่แรงดันเกตเฉพาะ กำลังไฟฟ้าที่ต้องจัดหาโดยตัวแปลง DC/DC นั้นได้มาโดยใช้สูตร:

เมื่อ Q_g คือ ค่าเกตสำหรับการสวิงแรงดันเกตที่เลือก (บวกถึงลบ) ของค่า V_s และที่ความถี่ F กำลังนี้กระจายไปในความต้านทานเกตภายใน (R_int) ของอุปกรณ์และความต้านทานอนุกรมภายนอก R_g ไดรเวอร์เกตส่วนใหญ่ต้องการแหล่งจ่ายไฟที่ต่ำกว่าหนึ่งถึงสองวัตต์

การพิจารณาอีกประการหนึ่งคือกระแสสูงสุด (I_pk ) จำเป็นต้องชาร์จและปล่อยประตู นี่คือหน้าที่ของ V_s , R_int , และ R_g คำนวณโดยใช้สูตร:

ในหลายกรณี กระแสสูงสุดนี้มีมากกว่าที่ตัวแปลง DC/DC สามารถให้ได้ แทนที่จะไปที่แหล่งจ่ายที่ใหญ่กว่าและมีราคาแพงกว่า (ที่ทำงานในรอบการทำงานต่ำ) การออกแบบส่วนใหญ่แทนที่จะจ่ายกระแสโดยใช้ตัวเก็บประจุ "จำนวนมาก" บนรางจ่ายไฟของคนขับ ซึ่งจะถูกชาร์จโดยตัวแปลงระหว่างส่วนที่มีกระแสไฟต่ำของ วงจร

การคำนวณพื้นฐานกำหนดขนาดของตัวเก็บประจุขนาดใหญ่เหล่านี้ อย่างไรก็ตาม สิ่งสำคัญคือต้องมีความต้านทานอนุกรมเทียบเท่าต่ำ (ESR) และการเหนี่ยวนำ (ESL) เพื่อไม่ให้ขัดขวางกระแสชั่วขณะที่กำลังส่ง

ข้อควรพิจารณาอื่น ๆ เกี่ยวกับตัวแปลงเกต-ไดรเวอร์

ตัวแปลง DC/DC ของ Gate-driver มีปัญหาเฉพาะอื่น ๆ ในหมู่พวกเขาคือ:

• ระเบียบข้อบังคับ: โหลดบนตัวแปลง DC/DC นั้นใกล้เคียงกับศูนย์เมื่อไม่ได้เปลี่ยนอุปกรณ์ อย่างไรก็ตาม คอนเวอร์เตอร์ทั่วไปส่วนใหญ่ต้องการโหลดขั้นต่ำตลอดเวลา มิฉะนั้น แรงดันไฟเอาท์พุตจะเพิ่มขึ้นอย่างมาก อาจถึงระดับการพังทลายของเกต

สิ่งที่เกิดขึ้นคือแรงดันไฟฟ้าสูงนี้ถูกเก็บไว้ในตัวเก็บประจุขนาดใหญ่ เช่นเมื่ออุปกรณ์เริ่มสวิตช์ อาจเห็นแรงดันเกินของเกตจนกว่าระดับคอนเวอร์เตอร์จะลดลงภายใต้โหลดปกติ ดังนั้น จึงควรใช้คอนเวอร์เตอร์ DC/DC ที่มีแรงดันเอาต์พุตแบบหนีบหรือความต้องการโหลดขั้นต่ำที่ต่ำมาก

• การเริ่มต้นและการปิดระบบ: เป็นสิ่งสำคัญที่ IGBT และ MOSFET จะต้องไม่ถูกขับเคลื่อนโดยสัญญาณควบคุม PWM จนกว่ารางแรงดันไฟฟ้าของวงจรขับจะอยู่ที่ค่าที่กำหนดไว้ อย่างไรก็ตาม เนื่องจากตัวแปลงเกตไดรฟ์ถูกขับเคลื่อนขึ้นหรือลง อาจเกิดสภาวะชั่วคราวซึ่งอุปกรณ์สามารถขับเคลื่อนได้ แม้จะไม่ได้ใช้งานสัญญาณ PWM ก็ตาม ซึ่งนำไปสู่การยิงทะลุและความเสียหาย ดังนั้น เอาต์พุตคอนเวอร์เตอร์ DC/DC ควรได้รับการปฏิบัติอย่างดีเมื่อเปิดเครื่องขึ้นและลงด้วยการขึ้นและลงแบบโมโนโทนิก (ภาพที่ 8)

รูปที่ 8: จำเป็นอย่างยิ่งที่เอาต์พุตคอนเวอร์เตอร์ DC/DC จะต้องทำงานได้ดีในระหว่างการเปิดเครื่องและปิดเครื่อง และไม่มีแรงดันไฟฟ้าชั่วขณะ (ที่มาของรูปภาพ: Murata Power Solutions)

• การแยกและความจุคัปปลิ้ง: ที่กำลังไฟสูง อินเวอร์เตอร์หรือตัวแปลงกำลังมักจะใช้การกำหนดค่าบริดจ์เพื่อสร้าง AC ความถี่สาย หรือเพื่อจัดหาไดรฟ์ PWM แบบสองทิศทางให้กับมอเตอร์ หม้อแปลง หรือโหลดอื่น ๆ เพื่อความปลอดภัยของผู้ใช้และเพื่อให้เป็นไปตามข้อบังคับ สัญญาณ PWM ของ gate-drive และรางขับเคลื่อนที่เกี่ยวข้องของสวิตช์ด้านสูงจำเป็นต้องมีการแยกด้วยไฟฟ้าจากกราวด์โดยไม่มีเส้นทางโอห์มมิกระหว่างกัน นอกจากนี้ อุปสรรคการแยกต้องแข็งแรงและไม่แสดงการเสื่อมสภาพอย่างมีนัยสำคัญเนื่องจากผลกระทบจากการคายประจุบางส่วนซ้ำ ๆ ตลอดอายุการออกแบบ

นอกจากนี้ยังมีปัญหาเนื่องจากการคัปปลิ้งแบบคาปาซิทีฟข้ามอุปสรรคการแยก ซึ่งคล้ายกับกระแสไฟรั่วระหว่างขดลวดปฐมภูมิและทุติยภูมิของหม้อแปลงไฟฟ้ากระแสสลับที่มีฉนวนหุ้มอย่างเต็มที่ สิ่งนี้นำไปสู่ข้อกำหนดว่าวงจรขับเคลื่อนและรางจ่ายไฟที่เกี่ยวข้องควรมีความคุ้มกันต่อ dV/dt สูงของโหนดสวิตช์และมีความจุของคัปปลิ้งต่ำมาก

กลไกของปัญหานี้เกิดจากการเปลี่ยนขอบเร็วมาก โดยทั่วไป 10 กิโลโวลต์ต่อไมโครวินาที (kV/μs) และสูงถึง 100 kV/μs สำหรับอุปกรณ์ GaN ล่าสุด dV/dt ที่แกว่งเร็วนี้ทำให้กระแสไฟไหลผ่านความจุของแผงกั้นการแยกของตัวแปลง DC/DC

เนื่องจากกระแส I = C x (dV/dt) แม้ความจุของสิ่งกีดขวางขนาดเล็กเพียง 20 picofarads (pF) ที่มีการสลับ 10 kV/μs จะส่งผลให้กระแสไฟไหล 200 mA กระแสนี้พบเส้นทางกลับที่ไม่แน่นอนผ่านวงจรควบคุมกลับไปที่บริดจ์ ทำให้เกิดแรงดันไฟฟ้าพุ่งขึ้นข้ามความต้านทานในการเชื่อมต่อและการเหนี่ยวนำ ซึ่งอาจขัดขวางการทำงานของคอนโทรลเลอร์และตัวแปลง DC/DC ได้ ความจุของคัปปลิ้งต่ำจึงเป็นที่ต้องการอย่างมาก

มีอีกแง่มุมหนึ่งในการแยกพื้นฐานและฉนวนที่เกี่ยวข้องของตัวแปลง DC/DC ตัวกั้นการแยกตัวได้รับการออกแบบมาให้ทนต่อแรงดันไฟฟ้าที่กำหนดได้อย่างต่อเนื่อง แต่เนื่องจากแรงดันไฟฟ้าถูกเปลี่ยน อุปสรรคจึงสามารถลดลงได้รวดเร็วยิ่งขึ้นเมื่อเวลาผ่านไป เนื่องจากผลกระทบทางไฟฟ้าเคมีและการปล่อยประจุบางส่วนในวัสดุกั้นที่จะเกิดขึ้นจากแรงดันไฟตรงคงที่เพียงอย่างเดียว

ดังนั้น คอนเวอร์เตอร์ DC/DC จึงต้องมีฉนวนที่ทนทานและระยะคืบหน้าและระยะห่างขั้นต่ำที่พอเหมาะ หากแผงกั้นตัวแปลงเป็นส่วนหนึ่งของระบบการแยกความปลอดภัยด้วย ข้อบังคับหน่วยงานที่เกี่ยวข้องจะมีผลบังคับใช้กับระดับการแยกที่ต้องการ (พื้นฐาน เสริม เสริมแรง) แรงดันใช้งาน ระดับมลพิษ หมวดหมู่แรงดันไฟเกิน และระดับความสูง

ด้วยเหตุผลเหล่านี้ เฉพาะคอนเวอร์เตอร์ DC/DC แบบ gate-drive ที่มีการออกแบบและวัสดุที่เหมาะสมเท่านั้นที่ได้รับการยอมรับหรืออยู่ระหว่างรอการจดจำกับ UL60950-1 สำหรับระดับการป้องกันขั้นพื้นฐานและเสริมระดับต่าง ๆ (และโดยทั่วไปจะเทียบเท่ากับมาตรฐานใน EN 62477-1:2012) ) การรับรู้ที่เข้มงวดยิ่งขึ้นยังอยู่ในสถานที่หรืออยู่ระหว่างดำเนินการตามมาตรฐานทางการแพทย์ ANSI/AAMI ES60601-1 โดยมีข้อกำหนด 1 × วิธีการคุ้มครองผู้ป่วย (MOPP) และ 2 × วิธีคุ้มครองผู้ปฏิบัติงาน (MOOP)

•ภูมิคุ้มกันชั่วคราวโหมดทั่วไป: CMTI เป็นพารามิเตอร์ตัวขับเกตที่สำคัญที่ความถี่สวิตชิ่งที่สูงขึ้น โดยที่ไดรเวอร์เกตมีแรงดันไฟต่างกันระหว่างการอ้างอิงกราวด์สองจุดแยกกัน เช่นเดียวกับกรณีของไดรเวอร์เกตแยก CMTI ถูกกำหนดให้เป็นอัตราที่เพิ่มขึ้นหรือลดลงที่ยอมรับได้ของแรงดันไฟฟ้าโหมดทั่วไปที่ใช้ระหว่างวงจรแยกสองวงจร และระบุเป็น kV/µs หรือโวลต์ต่อนาโนวินาที (V/ns)

การมี CMTI สูงหมายความว่าทั้งสองด้านของการจัดเรียงแบบแยก - ด้านส่งและด้านรับ - เกินข้อกำหนดของแผ่นข้อมูลเมื่อ "กระทบ" ฉนวนกั้นด้วยสัญญาณที่มีอัตราการเพิ่มขึ้น (บวก) หรือลดลง (เชิงลบ) สูงมาก แผ่นข้อมูลตัวแปลง DC/DC ควรมีค่าข้อมูลจำเพาะสำหรับพารามิเตอร์นี้ และนักออกแบบจำเป็นต้องจับคู่กับความถี่ในการทำงานและแรงดันไฟฟ้าของวงจร

ตรงตามข้อกำหนดตัวแปลง DC/DC ของไดรเวอร์เกท

เมื่อตระหนักถึงความต้องการที่ท้าทายและมักขัดแย้งกันมากมายในตัวแปลง DC/DC แบบ gate-drive Murata ได้ขยายชุดตัวแปลง DC/DC แบบรูทะลุ MGJ2 ให้รวมหน่วย SMD DC/DC คอนเวอร์เตอร์เหล่านี้เหมาะอย่างยิ่งสำหรับการจ่ายไฟให้กับวงจรเกทไดรฟ์ด้านสูงและด้านต่ำของ IGBT และ MOSFET ในการใช้งานที่จำกัดพื้นที่และน้ำหนัก เนื่องจากประสิทธิภาพ ฟอร์มแฟกเตอร์ขนาดกะทัดรัด และโปรไฟล์ต่ำ (ยาวประมาณ 20 มม.) × กว้าง 15 มม. × สูง 4 มม.) และเข้ากันได้กับกระบวนการผลิต SMD (รูปที่ 9)

รูปที่ 9: ยูนิตทั้งหมดในคอนเวอร์เตอร์ DC/DC ซีรีส์ Murata MGJ2 มีลักษณะภายนอกและขนาดเท่ากัน แต่มีจำหน่ายด้วยพิกัดแรงดันไฟฟ้าอินพุตที่หลากหลายและการจับคู่แรงดันเอาต์พุตแบบไบโพลาร์ (ที่มาของรูปภาพ: Murata Power Solutions)

สมาชิกของตระกูลคอนเวอร์เตอร์ 2 วัตต์นี้ทำงานจากอินพุตเล็กน้อยที่ 5, 12 และ 15 โวลต์ และมีตัวเลือกแรงดันเอาต์พุตที่ไม่สมมาตร (+15 โวลต์/-5 โวลต์ +15 โวลต์/-9 โวลต์ และ + เอาต์พุต 20 โวลต์/-5 โวลต์) เพื่อรองรับระดับไดรฟ์ที่เหมาะสมที่สุดพร้อมประสิทธิภาพของระบบสูงสุดและการรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้า (EMI) น้อยที่สุด บรรจุภัณฑ์แบบยึดบนพื้นผิวช่วยลดการผสานทางกายภาพกับตัวขับเกตและช่วยให้จัดวางได้ใกล้ขึ้น ซึ่งช่วยลดความซับซ้อนในการเดินสายในขณะที่ลดการรับ EMI หรือสัญญาณรบกวนคลื่นความถี่วิทยุ (RFI)

MGJ2series ได้รับการกำหนดไว้สำหรับการแยกสูงและความต้องการ dV/dt ที่จำเป็นสำหรับวงจรบริดจ์ที่ใช้ในมอเตอร์ไดรฟ์และอินเวอร์เตอร์ และระดับอุณหภูมิและโครงสร้างระดับอุตสาหกรรมทำให้มีอายุการใช้งานยาวนานและเชื่อถือได้ คุณสมบัติที่สำคัญอื่น ๆ ได้แก่:

• ฉนวนเสริมแรงเพื่อการรับรู้ UL62368 (รอดำเนินการ)
• ANSI/AAMI ES60601-1 การรับรู้ (รอดำเนินการ)
• 5.7 kV DC แรงดันทดสอบการแยก (ต่อการทดสอบ "hi pot")
• ความจุการแยกต่ำมาก
• ใช้งานได้สูงสุด +105 °C (พร้อมการลดพิกัด)
• ป้องกันการลัดวงจร
• ภูมิคุ้มกันชั่วคราวแบบโหมดทั่วไปที่มีลักษณะเฉพาะ (CMTI) >200 kV/µs
• แรงดันไฟฟ้าที่ทนต่อสิ่งกีดขวางอย่างต่อเนื่อง 2.5 kV
• ประสิทธิภาพการปลดปล่อยบางส่วนที่มีลักษณะเฉพาะ

สองหน่วยแสดงช่วงของประสิทธิภาพที่มีอยู่ในซีรีส์ MGJ2:

•MGJ2D152005MPC-R7 รับอินพุต 15 โวลต์เล็กน้อย (13.5 ถึง 16.5 โวลต์) และให้เอาต์พุตที่ไม่สมมาตรสูงที่ +20 โวลต์และ -5.0 โวลต์ที่สูงถึง 80 mA ต่ออัน ข้อมูลจำเพาะที่สำคัญ ได้แก่ การควบคุมโหลด 9% และ 8% (สูงสุด) สำหรับเอาต์พุตทั้งสอง (ตามลำดับ) การกระเพื่อมและสัญญาณรบกวนที่ต่ำกว่า 20/45 mV (ทั่วไป/สูงสุด) ประสิทธิภาพ 71/76% (ขั้นต่ำ/ทั่วไป) ความจุการแยกของ เพียง 3 pF และระยะเวลาเฉลี่ยในการล้มเหลว (MTTF) ประมาณ 1100 กิโลชั่วโมง (kHrs) (กำหนดโดยใช้ MIL-HDBK-217 FN2) และ 43,500 kHrs (ต่อรุ่นการคำนวณ Telecordia SR-332)

•MGJ2D121509MPC-R7 ทำงานจากอินพุต 12 โวลต์เล็กน้อย (10.8 โวลต์ถึง 13.2 โวลต์) และให้เอาต์พุตแบบไม่สมมาตรที่ +15 โวลต์และ -9.0 โวลต์ รวมถึงที่สูงถึง 80 mA ข้อมูลจำเพาะที่สำคัญอื่น ๆ ได้แก่ การควบคุมโหลด 8%/13% (ทั่วไป/สูงสุด) สำหรับเอาต์พุต +15 โวลต์ และการควบคุมโหลด 7%/12% (ทั่วไป/สูงสุด) สำหรับเอาต์พุต -9.0 โวลต์ การกระเพื่อมและสัญญาณรบกวนที่ต่ำกว่า 20/45 mV (ทั่วไป/สูงสุด), ประสิทธิภาพ 72/77% (ขั้นต่ำ/ทั่วไป), ความจุการแยก 3 pF และ MTTF ประมาณ 1550 kHrs (โดยใช้ MIL-HDBK-217 FN2) และ 47,800 kHrs (รุ่น Telecordia)

นอกเหนือจากรายการและกราฟที่คาดหวังซึ่งมีรายละเอียดเกี่ยวกับประสิทธิภาพแบบคงที่และแบบไดนามิกแล้ว แผ่นข้อมูลทั่วไปสำหรับสมาชิกของซีรีส์นี้ระบุถึงมาตรฐานอุตสาหกรรมและข้อบังคับต่างๆ ที่ตัวแปลงเหล่านี้ปฏิบัติตาม พร้อมด้วยรายละเอียดที่ครอบคลุมของเงื่อนไขการทดสอบที่เกี่ยวข้องซึ่งใช้ในการพิจารณาเหล่านี้ ปัจจัย สิ่งนี้ให้ความมั่นใจในระดับที่สูงขึ้นและความเร็วในการรับรองผลิตภัณฑ์ในการใช้งานที่มีข้อกำหนดความสอดคล้องที่เข้มงวด

สรุป

การเลือกอุปกรณ์ MOSFET หรือ IGBT ที่เหมาะสมสำหรับการออกแบบพลังงานสลับเป็นขั้นตอนเดียวในกระบวนการออกแบบ นอกจากนี้ยังมีไดรเวอร์เกทที่เกี่ยวข้องซึ่งควบคุมอุปกรณ์สวิตชิ่ง สลับไปมาระหว่างสถานะเปิดและปิดอย่างรวดเร็วและคมชัด ในทางกลับกัน คนขับต้องการตัวแปลง DC/DC ที่เหมาะสมเพื่อจ่ายพลังงานในการทำงาน ดังที่แสดงไว้ ตัวแปลง DC/DC ขนาด 2 วัตต์ MGJ2 ของ Murata ซีรีส์ MGJ2 ให้ประสิทธิภาพทางไฟฟ้าที่จำเป็น และยังตรงตามข้อกำหนดด้านความปลอดภัยและข้อบังคับที่ซับซ้อนจำนวนมากที่จำเป็นในฟังก์ชันนี้