使用正確的閘極驅動器電力轉換器，將功率元件控制效率提升至最大

從電源供應器和馬達驅動器，乃至於充電站和其他多種應用、切換式功率半導體 (矽 (Si)、碳化矽 (SiC)、氮化鎵 (GaN) 等材質的 MOSFET)，以及絕緣閘雙極電晶體 (IGBT)，全都是高效率電源系統設計的關鍵。但是，為了使功率元件發揮最大效能，便需要適當的閘極驅動器。

顧名思義，此種元件是用來驅動功率元件閘極，使其可以快速明確地進入或離開導通模式。若要達成此目標，驅動器必須能夠流入／流出足夠電流，儘管仍有內部元件和雜散 (寄生) 電容、電感，以及其他在負載 (閘極) 上的問題。因此，釋放功率元件所有潛力和效率的關鍵，在於提供一個具有合適關鍵特性，且大小適當的閘極驅動器。但是，為了充分利用閘極驅動器，設計人員必須特別注意驅動器直流電源供應器，而此電源供應器則是獨立於功率元件 DC 電軌之外。此電源類似於傳統電源，但存在一些重要差異。它可以是單極電源，但在許多情況下，是一個非對稱的雙極電源，而且有其他功能和結構上的差異。設計人員還必須注意板覆蓋區和薄型的尺寸要求，以及與設計預期的組裝流程和製造流程的相容性。

本文將以 Murata Power Solutions MGJ2 系列 2 W 閘極驅動 DC/DC 轉換器為例，並透過其中的表面黏著式元件 (SMD) DC/DC 電源，來探討閘極驅動器所適用的電源供應器。

首先說明切換元件

若要瞭解閘極驅動器 DC/DC 轉換器的作用和理想特性，就得從切換元件開始探究。MOSFET 若要作為切換元件，閘極-源極路徑是用來控制元件的關閉或開啟狀態 (IGBT 屬類似元件)。當閘極-源極電壓低於閾值電壓 (V_GS < V_TH)，MOSFET 處於截止區，無汲極電流，則 I_D = 0 A，MOSFET 顯示為「開路開關」(圖 1)。

圖 1：在截止模式下，MOSFET 汲極-源極路徑看似一個開路開關。(圖片來源：Quora)

相反的，當閘極源極電壓比閾值電壓大得多時 (V_GS > V_TH)，MOSFET 處於飽和區，最大汲極電流 (I_D = V_DD /R_L) 會流動，且 MOSFET 顯示為低電阻「關閉開關」(圖 2)。理想的 MOSFET，汲極-源極電壓將為零 (V_DS = 0 V)，但實際上，由於內部導通電阻 R_DS(on) 之故 (通常低於 0.1 Ω，可能低至幾十 mΩ)，V_DS 通常約為 0.2 V。

圖 2：在飽和模式下，MOSFET 汲極-源極路徑看似一個低電阻開關。(圖片來源：Quora)

雖然從線路圖來看，施加於閘極的電壓會開啟和關閉 MOSFET，然而這只是片面理解而已。此電壓將電流驅動至 MOSFET，直到累積足夠的電荷後，才會開啟 MOSFET。快速進入完全導通狀態所需電流，可能只有幾 mA 到幾 A，端視切換驅動器的大小 (額定電流) 和類型而定。

閘極驅動器的功能是：快速且明確地將足夠電流驅動至閘極以開啟 MOSFET，並以相反方向將該電流推出以關閉 MOSFET。更為正規的方式是，閘極需要受到一個能夠流出並流入足夠電流的低阻抗電源所驅動，以便快速插入和提取控制電荷。

如果 MOSFET 閘極看似一個單純的電阻式負載，則流出和流入這種電流將相對簡單。但是，MOSFET 具有內部電容和電感寄生元件，而且驅動器和功率元件之間的互連也有寄生元件 (圖 3)。

圖 3：此 MOSFET 模型顯示了影響驅動器效能的寄生電容和電感。(圖片來源：Texas Instruments)

結果便在閾值電壓左右產生閘極驅動訊號振鈴，導致元件在其軌跡上開啟或關閉一次或多次，以完全開啟或關閉；這與機械開關的「開關彈跳」原理有點類似 (圖 4)。

圖 4：由於 MOSFET 負載中寄生元件所產生的驅動器輸出振鈴，可能造成振鈴和錯誤觸發，此原理與機械開關彈跳原理類似。(圖片來源： Learn About Electronics)

所造成的後果如下：輕則發生不引人注意或只會略微使人困擾的不經意打開或關閉燈光，重則可能使電源供應器、馬達驅動器和類似子系統中廣泛使用的脈寬調變 (PWM) 快速切換電路受到損壞。如果橋接器同側的兩個 MOSFET 同時打開，甚至只是瞬間打開而已，在標準型半橋和全橋的拓撲中 (即負載置放上方 MOSFET 和下方 MOSFET 之間) 可能導致短路，甚至永久損壞。這種現象稱為「擊穿」(圖 5)。

圖 5：比起 MOSFET 正常開啟 Q1 與 Q4 (左)，或 Q2 與 Q3 (右)，如果橋接器的 Q1 與 Q2，或者 Q3 與 Q4 都是由於驅動器問題或其他原因而同時開啟，則在電軌和接地之間，會發生不可接受且可能造成損壞的短路情況，此即所謂的「擊穿」現象。(圖片來源：Quora)

閘極驅動細節

為了將電流驅動至閘極上，電軌正電壓應夠高，足以確保電源開關達到完全飽和／增強，但不超過其閘極的絕對最大電壓。雖然此電壓值取決於特定元件的類型和型號，但 IGBT 和標準 MOSFET 通常會在 15 V 驅動器上完全開啟，而典型 SiC MOSFET 則可能需要接近 20 V 的電壓，才能滿足完全開啟的狀態。

閘極驅動負電壓的情況較為複雜。原則上，對於關機狀態來說，閘極上的 0 V 電壓是足夠的。但是，負電壓 (通常介於 -5 和 -10 V 之間) 可允許閘極電阻來控制快速切換。適當的負驅動器可確保閘極發射器的關閉電壓，始終都是真正等於或小於零。

這一點非常重要，因為開關與驅動器參考之間的任何發射器電感 (L) (圖 6 的點「x」)，會在開關關閉時產生相反的閘極發射器電壓。雖然電感可能很小，但即使是極小的 5 nH 電感 (幾毫米的有線連接) 也會以 1000 A/μs 的 di/dt 迴轉率產生 5 V 電壓。

圖 6：由於佈局考慮，即使在開關與驅動器參考之間的「x」點小發射體電感，也會在開關關閉時引發反向閘極發射器電壓，進而導致開啟／關閉的「抖動」。(圖片來源：Murata Power Solutions)

閘極驅動負電壓也有助於克服集極／汲極至閘極的米勒效應電容 C _m 效應，此電容會在元件關閉期間，將電流注入閘極驅動電路中。當元件受到驅動而關閉時，集極-閘極電壓會上升，而數值為 C_m × dV_ce/dt 的電流會流過米勒電容，進入閘極到發射器／源極電容 C_ge 中，並透過閘極電阻到驅動器電路。閘極上產生的電壓 V_ge 足以再次開啟元件，進而造成可能發生的擊穿和損壞 (圖 7)。

圖 7：使用閘極驅動負電壓可以克服因 MOSFET 或 IGBT 中存在米勒效應電容而產生的缺陷。(圖片來源：Murata Power Solutions)

但是，藉由閘極驅動負電壓，可以將此種影響降至最低。因此，有效的驅動器設計需要正電壓和負電壓電軌，才能實現閘極驅動功能。但是，與大多數具有對稱輸出 (例如 +5 V 和 -5 V) 的雙極 DC/DC 轉換器不同的是，閘極驅動器的電軌通常為非對稱，而且其正電壓大於負電壓。

調整轉換器額定功率的大小

關鍵因素繫於閘極驅動器轉換器必須提供多少電流，以及其額定功率的大小。基本的計算方式相當直接易懂。在每個切換循環中，閘極必須通過閘極電阻 R_g 進行充電和放電。元件的規格書提供了閘極電荷 Q_g 值的曲線，其中 Q_g 是在特定閘極電壓下需要注入閘極電極以開啟 (驅動) MOSFET 的電荷量。DC/DC 轉換器必須提供的電源，乃是使用以下公式導出：

其中 Q_g 是使所選閘極電壓 (電壓值 V_s) 在頻率 F 下擺動 (正轉負) 的閘極電荷。此功率會在元件內部閘極電阻 (R _int) 和外部串聯電阻 (R_g) 中耗散。大多數閘極驅動器需要低於 1 至 2 W 的電源供應器。

另一個考慮因素是對閘極進行充電和放電所需的峰值電流 (I_pk)。這是 V_s、R _int 和 R_g 的函數。以下列公式進行計算：

在許多情況下，此峰值電流超過 DC/DC 轉換器可以提供的電流。大多數設計都使用驅動器電軌上的「大容量」電容來提供電流 (而電軌是在循環的低電流部分由轉換器充電)，而不是使用更大、更高價的電源 (在低工作週期中運作)。

進行基本計算，可確定這些大容量電容應該是多少。但是，這些轉換器有低等效串聯電阻 (ESR) 和電感 (ESL) 也是很重要的，如此才能避免影響到其所提供的暫態電流。

其他閘極驅動器轉換器的注意事項

閘極驅動器 DC/DC 轉換器有其他獨特問題。其中包括：

•穩壓：當元件未在切換時，DC/DC 轉換器上的負載接近於零。但是，大多數傳統轉換器始終需要最小負載，否則其輸出電壓可能會顯著增加，甚至達到會使閘極故障的程度。

事實上，此高電壓是儲存在大容量電容上，導致元件在開始開關時，可能會發現閘極有過電壓情形，且會持續到轉換器位準降至正常負載以下為止。因此應使用具有箝位輸出電壓或極低最小負載要求的 DC/DC 轉換器。

•啟動和關閉：在驅動電路電壓軌達到其指定值之前，PWM 控制訊號絕對不得主動驅動 IGBT 和 MOSFET。但是，當閘極驅動轉換器通電或斷電時，可能會出現暫態狀況，即元件可能受到驅動 (即使 PWM 訊號未作用)，進而造成擊穿和損壞情形。因此，在單調上升和下降的通電和斷電過程中，DC/DC 轉換器輸出應有正常表現 (圖 8)。

圖 8：DC/DC 轉換器輸出在通電和斷電過程中表現良好，且沒有暫態電壓，這一點非常重要。(圖片來源：Murata Power Solutions)

•隔離和耦合電容：在高功率下，電源逆變器或電力轉換器通常會使用橋接配置來生成線頻率交流電，或向馬達、變壓器或其他負載提供雙向 PWM 驅動。為了確保使用者安全並符合法規要求，閘極驅動 PWM 訊號和與高側開關相關的驅動電軌，全都需要與接地進行電流隔離，使兩者之間沒有任何阻抗路徑。此外，隔離屏障必須堅固耐用，並且不會在設計壽命期間，因重複的部分放電效應導致效能顯著下降。

此外，隔離屏障上電容式耦合會造成問題，這種問題類似於完全絕緣 AC 線路變壓器中一次與二次繞組間的漏電流。如此便會產生一些要求，即驅動電路和相關的電軌應能耐受開關節點的高 dV/dt 值，並且具有極低的耦合電容。

發生此問題背後的機制是由於切換邊緣的速度非常快所導致，通常是 10 kV/μs，甚至最新的 GaN 元件可高達 100 kV/μs。這快速迴轉的 dV/dt，會使暫態電流通過 DC/DC 轉換器隔離屏障的電容。

由於電流 I = C x (dV/dt)，即使屏障電容量僅有 20 pF 且有 10 kV/μ s 的切換邊緣，也會產生 200 mA 的電流。此電流發現了一條可通過控制器電路返回橋接器的不確定返回路線，造成電壓尖波跨越連接電阻和電感，結果可能會中斷控制器操作，甚至會中斷 DC/DC 轉換器的操作。因此，低耦合電容是非常理想的選擇。

DC/DC 轉換器的基本隔離和相關絕緣，還有另一個考量層面。隔離屏障的設計可持續承受額定電壓，但由於電壓已切換，因此屏障可能會隨著時間而更快地劣化。這是因為在屏障材料中發生了電化學和部分放電這兩種效應，此種情形僅會因固定直流電壓才會發生。

因此，DC/DC 轉換器必須具有堅固耐用的絕緣，以及較大的沿面距離和最小間隙距離。如果轉換器屏障也是構成安全隔離系統的一部分，則相關機關的監管要求適用於所需的隔離等級 (基本型、補充型、強化型)、操作電壓、污染程度、過電壓類別和海拔高度。

基於這些原因，只有具備適當設計與材料的閘極驅動 DC/DC 轉換器，才能在各種基本型與強化型保護等級方面獲得或等待獲得 UL60950-1 認可 (通常相當於 EN 62477-1:2012 保護等級)；而屬於更嚴格的醫療標準 ANSI/AAMI ES60601-1，且具有 1 個患者保護措施 (MOPP) 和 2 個操作人員保護措施 (MOOP) 等要求，也已獲得認可或在等待認可當中。

•共模暫態耐受性：CMTI 是一個在更高切換頻率下的重要閘極驅動器參數。在這類頻率下，閘極驅動器在兩個不同的接地參考之間具有差動電壓，隔離閘極驅動器的情況也是如此。CMTI 的定義是：兩個隔離電路之間所施用的共模電壓最大容許上升率或下降率 (標示單位是 kV/µs 或 V/ns)。

具有較高的 CMTI，表示若以非常高的上升 (正) 或下降 (負) 迴轉率訊號「撞擊」絕緣屏障，隔離配置的兩端 (即傳輸端和接收端) 會超出規格書上的規格值。DC/DC 轉換器規格書應有此參數的規格值，而設計人員需要將此數值與自己的電路工作頻率和電壓的詳細數據相匹配。

符合閘極驅動器 DC/DC 轉換器要求

Murata 體認到閘極驅動 DC/DC 轉換器有許多深具挑戰性，卻經常是衝突性的需求，因此便將自家的 MGJ2 系列通孔式 DC/DC 轉換器擴充，以納入 SMD DC/DC 單元。Murata 的轉換器憑藉其效能、小巧的尺寸和薄型的外觀 (大約 20 mm 長× 15 mm 寬 × 4 mm 高)，以及與 SMD 製程的相容性 (圖 9)，非常適合用於空間和重量受限的應用中，為 IGBT 和 MOSFET 的高側和低側閘極驅動電路供電。

圖 9：Murata MGJ2 系列 DC/DC 轉換器的所有單元，都具有相同的外觀和尺寸，但有多種輸入電壓額定值和雙極輸出電壓配對可用。(圖片來源：Murata Power Solutions)

此 2 W 轉換器系列的產品項目使用標稱輸入電壓 5、12 和 15 V 進行操作，並提供多種非對稱輸出電壓 (+15 V/-5 V、+15 V/-9 V 和 +20 V/-5 V 輸出)，以最高的系統效率和最低的電磁干擾 (EMI) 來達成最佳驅動等級。表面黏著式封裝可簡化與閘極驅動器的實體整合，並實現更緊密的佈局，因而降低接線複雜性，同時將 EMI 或射頻干擾 (RFI) 的拾取減至最少。

MGJ2 系列專為馬達驅動器和逆變器使用的橋接電路所需之高隔離和 dV/dt 要求設計，而工業級溫度額定值和結構，則可提供長久的使用壽命和可靠性。其他的關鍵特性包括：

• 符合 UL62368 的強化絕緣 (審核中)
• ANSI/AAMI ES60601-1 認證 (審核中)
• 5.7 kV DC 隔離測試電壓 (根據「耐壓」測試)
• 極低的隔離電容量
• 工作溫度高達 +105°C (降額情形下)
• 短路防護
• 特性化共模暫態耐受性 (CMTI) >200 kV/µs
• 持續的屏障可耐電壓為 2.5 kV
• 特性化部分放電效能

以下兩個單元顯示 MGJ2 系列可用的效能範圍：

•MGJ2D152005MPC-R7 具備標稱的 15 V 輸入 (13.5 至 16.5 V)，並可提供高度非對稱的 +20 V 與 -5.0 V 輸出，而電流最高也可達 80 mA。關鍵規格如下所示：兩個輸出的負載穩壓分別為 9% 和 8% (最大值)；漣波與雜訊低於 20/45 mV (典型值／最大值)；效率為 71/76% (最小值／典型值)；僅 3 pF 的隔離電容；以及平均故障時間 (MTTF) 約 1100 kHrs (使用 MIL-HDBK-217 FN2 制訂) 和 43,500 kHrs (根據 Telecordia SR-332 計算模型而得)。

•MGJ2D121509MPC-R7 以標稱 12 V 輸入 (10.8 V 至 13.2 V) 操作，且可提供 +15 V 和 -9.0 V 的非對稱輸出，而電流最高也可達 80 mA。其他關鍵規格如下所示：+15 V 輸出的負載穩壓為 8%/13% (典型值／最大值) 和 -9.0 V 輸出的負載穩壓為 7%/12% (典型值／最大值)；漣波與雜訊低於 20/45 mV (典型值／最大值)；效率為 72/77% (典型值／最大值)；隔離電容為 3 pF；以及平均故障時間 (MTTF) 約 1550 kHrs (使用 MIL-HDBK-217 FN2 制訂) 和約 47,800 kHrs (根據 Telecordia 模型而得)。

除了詳細說明靜態和動態效能的預期清單和圖形外，此系列的品項通用規格書還引用了這些轉換器所符合的許多產業標準和法規要求，以及用於確定前述因素相關測試條件的全面詳細資料。這可提供更高的信心，並加快嚴格合規要求之應用的產品認證速度。

結論

為電源切換設計選擇合適的 MOSFET 或 IGBT 元件是設計過程的一環。此外，還有可控制切換元件的相關閘極驅動器，以快速且明確地在開與關的狀態之間進行切換。因此驅動器需要合適的 DC/DC 轉換器來提供操作電源。如圖所示，Murata 的 2 W 表面黏著式 DC/DC 轉換器 MGJ2 系列，可提供所需的電氣效能，並且滿足了此功能所需的許多複雜的安全和法規要求。