利用多相偏壓解決方案的 GMR10Dx 模組，最佳化工業馬達控制的電源控制器

本文探討在開發安全可靠的多相電源控制器時，有哪些設計挑戰和重要的考量事項。本文將以具有浮動輸出的 GMR10Dx 隔離型 DC/DC 轉換器模組，以及 Ganmar Technologies 的高度整合雙寬能隙開關閘極驅動電源模組為例進行說明。這些模組的設計和構造經過最佳化，能讓系統符合可靠性、安全性、EMI 和熱管理層面的要求。

此外也會提供圖解的系統範例，藉此展示三相 AC 輸入如何供電給功率因數校正 (PFC) 級，接著才是脈寬調變 (PWM) 所控制的重型負載，例如工業級馬達。此設計特別著重於驅動 Infineon (前身為 GaN Systems) 的高電壓 GaN 開關，藉此提供實用的電路解決方案。本文探討傳統方法在驅動半橋 (HB) 圖騰柱開關方面的限制，並探討有哪些替代解決方案能用於控制上下層開關。本文也會介紹實用的電路設計，以便確保安全可靠地運作，並將空間需求降到最低。此外，本說明更涵蓋低損耗、高頻寬的電流感測，可進一步簡化設計流程。

如今的設計環境充滿諸多挑戰，包括需要緊湊的硬體、降低功耗以達到有效散熱、用最佳化熱管理提高可靠性，還要成為符合成本效益的解決方案。預算緊繃和開發時程縮短都會讓這些問題更加複雜。為了因應這些難題，本文會介紹標準子系統和其他建構模塊，協助設計團隊運用子系統供應商的專業知識和合規方法。

本文利用 Ganmar Technologies 的電源轉換器和介面模組，針對這些設計挑戰提供最佳解決方案。在此提供的模組能有效開發多相閘極驅動系統，其標準化尺寸更可為主板省下寶貴的空間。

使用 GMR10Dx 設計一般型三相高電壓高功率系統的偏壓電源控制器

本節概述在使用 GMR10Dx DC/DC 轉換器模組搭配 GMR04B00x 模組提供的浮動閘極驅動偏壓打造高電壓、高功率系統的偏壓電源控制器時，有哪些設計考量事項。如圖 1a 所示，系統內可能有受 PWM 控制的重型負載 (例如工業馬達)，同時結合多個開關且需針對不同的功能區塊具備多道偏壓電壓。以下是此設計的一些關鍵假設：

• EMI 考量：系統要求功率因素需接近 1，因此必須使用 PFC。
• 啟動邏輯：PFC 含有處理器，因此偏壓轉換器需使用獨立的啟動邏輯。
• 功率耗散：減少控制器電子元件的功率耗散，對可靠性和簡化散熱系統的要求來說至關重要。
• 使用現成產品：設計盡可能使用現成的元件。

圖 1a 可呈現系統整體配置，可在後續設計討論時當作視覺參考。

圖 1a：工業高負載控制系統的偏壓和啟動。(圖片來源：Ganmar Technologies)

本節參考圖 1a 中的方塊圖，將著重於偏壓電源控制器的設計，以及與整體系統的整合事宜。更會探討每個功能的設計選項，但會排除 PFC 和 PWM 控制器，因為要更具體描述系統介面要求，以利完整探討這些功能。因此，本文不會詳細介紹上述兩種元件。本文雖會探討 SiC 或雙極開關等替代性開關技術，但已假設此系統採用 Infineon 的 GS66516T 等高電壓 GaN 開關。

此外，本文將展示 Ganmar Technologies 高度整合的自供電式浮動閘極驅動器模組，即 GMR04B00x。型號中的「x」代表有提供多種雙閘極驅動器晶片選擇。請參閱 GMR04B00x 規格書，瞭解詳細的規格和選擇。

偏壓電源控制器

偏壓電源控制器可針對低 AC 輸入值提供暫時低壓保護 (UVLO)，並在 AC 輸入值超過最大設定限值時提供非閂鎖關斷 (OVLO)。若 AC 輸入在安全操作值範圍內，GRM10Dx 模組會在一般電壓 (通常為 6 V 和 22 V) 下產生隔離式 DC 輸出。較大的系統可能需使用其他電壓形式。圖 1b 呈現出達到這些電壓的典型配置。低功率 5 V 輸出可用來供電給 GMR04B00x 模組中的雙閘極驅動器晶片，即 Analog Devices 的 ADUM7223。請參閱 GMR04B00x 規格書以瞭解其他可用選項。

圖 1b：衍生自 GMR10Dx 的典型膠合電路形式。(圖片來源：Ganmar Technologies)

GMR04B00x 模組內部會供電給浮動側，以提供兩道 12 V 偏壓。高側 12 V (12VH) 為上層電源開關的 VIA 輸出驅動器提供偏壓，閘極驅動位準為 +5.6 V/-5.6 V (相對於 HBU 節點)。V 相和 W 相電路周圍使用類似的分割式驅動配置。

針對下層開關，GMR04B00x 模組內部會產生另外的 12VL；此值能和任何極性的低側電源回歸節點一同參考。例如，ADUM7223 的 VIB 輸出就會以分離器網路區分為 +5.6 V/-5.6 V，以確保下層的 GaN 開關能正確運作。

對於 SiC 開關，不同版本的 GMR04B00x 模組可提供 15 V、18 V 或 22 V (可由原廠依據不同的高功率 SiC 開關進行設定)。分離電路輸出可提供相對於 HBU/V/W 上層節點的 ±浮動偏壓，以驅動高低側的碳化矽開關，下層任何極性的節點也同樣是如此。請參閱 GMR04B00x 規格書瞭解其他可用選項。

偏壓電源控制器區塊，以及圖 1b 中的 LDO，會一起供電給另有兩個 GRM04B00x 介面模組，這兩個介面與位於 V 和 W 節點的閘極直接連接。此外，22 V 輸出也可透過 LDO 供電給類比控制器、數位區塊以及使用者板件上的 I/O 晶片。若有更高功率需求，使用者可參考應用說明，取得 GMR10Dx 模組並聯指引。

啟動問題

在數位處理器運作前，為其提供穩定的電源非常重要。因此，必須使用不受 PFC 影響的電源來操作偏壓控制器。Ganmar 電源轉換器的電路僅會從 AC 電源消耗最多 18 W，對 AC 輸入的相位關係僅有最小的影響。GMR10DX 模組可支援 100 V_DC 至 320 V_DC 2輸入電壓範圍，可涵蓋離線應用的典型範圍。

在整流器可能產生高達 380 V 電壓的高功率應用中，常使用較高的源極電壓，對此請洽詢 Ganmar 技術支援團隊，瞭解 GMR10Dx 系列的其他選擇。

圖 2 呈現典型的 6 二極體橋式整流器，其適用於此模組的系統啟動。若 AC 輸入超過大約 42 V_RMS (60 Hz 或 400 Hz)，導致採用小型 10 µF 電容的橋接器產生 200 V_DC 輸出，模組會開始產生輸出，且在低負載條件下，延遲時間最長達 70 ms。因為啟動期間沒有其他系統模塊正在耗電，因此此延遲情況可以接受。

在暫態事件期間，若 AC 輸入導致 6 二極體橋式整流器的輸出超過轉換器模組的安全操作範圍，模組就會關斷，直到整流電壓恢復安全位準為止。此外，如果整流電壓降至 100 V 以下，欠壓暫時低壓保護功能就會啟動。

圖 2：從 AC 輸入端直接汲取最多 18 W 以進行啟動和偏壓。(圖片來源：Ganmar Technologies)

輸入濾波

GRM10Dx 等電源切換模組對其輸入電源顯示出「負」阻抗值特性。基於此特性，設計濾波器時必須謹慎，以確保介面的穩定性。雖然許多報告與刊物對輸入濾波器的細部設計已有廣泛的探討，但本文仍對 GRM10Dx 模組的輸入特性稍作概述。

對於 GaN 驅動所產生的典型 15 W 恆定功率負載 (整流器電壓 200 V、效率 0.85)，等效阻抗值的計算公式為 |200²/(15/η)|，結果約為 3.14 kΩ。由於此阻抗比起來源阻抗相對較高，因此能讓必要的濾波器更容易有效繞過。然而，建議在 GRM10Dx 模組附近安裝 10 µF/400 V 的緩衝電容。此模組本身含有 0.47 µF 的電容，可處理來自內部切換事件的瞬間電流峰值。若主 PFC 濾波器可提供充分的緩衝效果，外部電容的等效串聯電阻 (ESR) 額定值則不重要。

Ganmar Technologies 也提供傳統型 AC 輸入橋式整流器模組 (配有保險絲與 EMI 濾波器)，可輕鬆與 GRM10Dx 模組進行整合。因此可簡化與 AC 電源連接的過程。有關整合此模組的細節，請向 Ganmar 技術支援團隊諮詢。

驅動器偏壓

圖 3：三相連接。(圖片來源：Ganmar Technologies)

圖 4：GMR10D000 模組。(圖片來源：Ganmar Technologies)

圖 3 和圖 4 顯示 GMR10D000 模組的線路圖和照片，這款 DC/DC 轉換器可提供 15 W 功率並具有雙輸出。V_OUT1 通常可提供 6.5 V (3 W)，V_OUT2 則可提供 22 V (12 W)。這兩道輸出可在 10 ms 內達到穩態。本節將說明如何將圖 1 所示的功能連接至 GMR10Dx 裝置，以達到所需的功能及效能。

圖 5：模組驅動端功能線路圖 (搭配 GMR10D005 說明)。(圖片來源：Ganmar Technologies)

圖 5 展示多個 GMR10Dx 模組同時互連，以實現偏壓電源控制器的功能。本節詳細解說 GMR04B008 在 HS-U 模塊環境中的使用情況。其他兩個模組只要連接對應其個別節點的參考回歸，就能輕易複製。

圖 6：GMR04B00x 的內部線路圖及浮動閘極電源和直接驅動器。(圖片來源：Ganmar Technologies)

圖 6 呈現可用的 22 V 電源，以及經常參考的「接地」GNDS 節點。

功率級介面的要求

如圖 6 所示，在 GaN 系統中通常會建議施加負偏壓來關閉 GaN 功率裝置，特別是在電流超過 30 A 的硬切換拓撲中。圖 7 以圖解方式 (圖片來源：Infineon Webinar) 展示此作法。

圖 7：V_EE 對關斷動態的影響。(圖片來源：Infineon)

實作與開啟／關閉特性 - 此模組可針對 Infineon 裝置實作分離器，藉此確保有效地開啟與關閉電壓，並將斷態過渡的損耗降至最低。分割式驅動波形和 Infineon 的 GS66xx 設計有助於提高效率，此外更採用獨特的變壓器設計，可在 GS66xx 關閉期間降低振鈴峰值。

開啟／關閉

若要完全開啟，就需要 5.6 V 閘極驅動，並在敏感的切換節點和走線之間達到最小的寄生電感和電容式耦合。遵循 GaN 廠商的準則，正確放置和佈設電路至關重要。

關閉期間，閘極源極電壓 (V_GS) 應遠低於臨界電壓 (V_TH)，且此處所述電路的參考位準約為 0 V。本文假設使用 Analog Devices 的 ADUM7223 閘極驅動器 IC。需注意的是，驅動器的輸出欠壓鎖定 (UVLO) 為 5 V，因此適用於 GaN 裝置所需的 5.6 V 閘極驅動。此 GaN 的驅動器功率耗散量可利用驅動器的規格書來計算：

假設切換頻率為 250 kHz 並且使用以下數值，可計算出 A P_D：

此驅動器配置會達到 100 mW 耗散功率，這完全在 GMR10Dx 和 GMR04B00x 模組的能力範圍內。GMR10Dx 模組能提供的功率遠超過驅動器所需，可確保為運作穩定供電。

驅動器的高電壓 GaN 設置

GMR10Dx 模組能為半橋 (HB) 配置中的上下層 GaN 驅動器提供必要的偏壓電壓。圖 8 展示了從分離器到 GaN 驅動器的連接。

適當參考偏壓回歸，對於避免不穩定的切換行為和潛在的 GaN 裝置損害非常重要。使用者應遵守特定 GaN 規格書和應用說明中的準則與建議，以確保正確安全的運作。GMR04Bx 雙直接驅動器整合式模組規格書的應用簡介，也有提供額外指引。

圖 8：圖騰柱排列與經典半橋配置，搭配分離式驅動直連 (直接連接至 GaN 開關)。(圖片來源：Ganmar Technologies)

GMR04B00x 模組為上層 GaN 開關閘極驅動器提供必要的浮動偏壓，因此無需利用飛馳自舉式電容等額外電路來產生所需的偏壓。

使用 GMR04B00x 模組時，浮動閘極驅動電壓可直接連接至上下層 GaN 開關的閘極，提供穩定的 ±5.6 V 閘極驅動表現。此作法能簡化設計，因為控制器無需切換下層裝置，就可產生上層閘極驅動器的偏壓。

使用 GMR04B00x 模組就能讓上下層 GaN 開關達到所需的閘極驅動電壓，不像其他替代性偏壓方法則需經歷複雜過程並採用額外的元件。

圖 9 中的傳統自舉方案有幾個缺點，包括需使用額外的元件，如二極體和無極性電容等，且元件值可能需依據 GaN 或其他裝置的特定要求進行調整。啟動問題和缺乏剛性偏壓是這種作法的重大隱憂。此外，傳統自舉方案與雙極半橋節點並不相容。

圖 9：傳統浮動閘極驅動器的偏壓機制。(圖片來源：Ganmar Technologies)

相較之下，GMR10Dx 和 GMR04B00x 模組採用緊湊佈局並具有相關擴充元件，可突顯節省空間方面的優勢。因此若應用需要有效偏壓並達到正確參考，這些模組是實用的解決方案。

電流感測

圖 10 和圖 11 展示如何使用分流電阻搭配 GMR10Dx 及 GMR04B00x 模組進行電流感測的整合。分流電阻通常用於測量和監測流經電路的電流。將這些電阻策略性地放在電流路徑中，就能測量電阻間的壓降，並以此計算出電流。

在 GMR 模組環境中，電流感測分流電阻會與負載或高頻寬隔離式電流感測模組相互串聯。此設置能確保準確地感測和監測電流。GMR 模組提供必要的浮動或接地參考偏壓電壓和電力，可支援電流感測系統，確保量測結果精準可靠。

在系統設計中納入電流感測能力，使用者就可收集寶貴的電流位準資訊，並可監測電路或系統的效能。這在需要精準電流控制或保護的應用中特別有用，例如馬達控制、電力電子元件或再生能源系統。

圖 10：傳統分流電阻的電流感測。(圖片來源：Ganmar Technologies)

圖 11：GMRCS000 非耗散電流感測。(圖片來源：Ganmar Technologies)

Ganmar Technologies 的 GMRCSN000 和 GMRCSP000 模組可提供緊湊的隔離式、非耗散電流感測器解決方案。這些模組提供高頻寬隔離式電流感測能力，無需在電流路徑中使用額外的分流電阻。如此就可消除功率損耗並簡化設計。

GMRCSN000 和 GMRCSP000 模組能偵測流經電路的電流，並提供兩種輸出極性：0 至 +Vsense 和 -Vsense 至 0。這些輸出範圍適用於直接介接嵌入式控制器的類比數位轉換器 (ADC)，或適用於無橋式 PFC 應用中的類比控制器。

使用 GMRCSN000 或 GMRCSP000 模組，就可簡化電流感測的實作、節省寶貴的電路板空間，並確保達到準確且隔離的電流量測效果。想深入瞭解這些模組及其適用的零件編號，請聯絡 Ganmar Technologies 技術支援團隊取得詳細的協助與整合指引。

結論

本文利用 GMR10Dx 和 GMR04B00x 模組搭配高電壓、高功率 GaN 開關，詳述一套可用於系統啟動與偏壓的完善設計作法。本文以 Infineon 推出的 GaN 開關為主軸，這些開關常用於三相馬達、三相逆變器和 Level 3 電動車充電器等應用。

此設計比傳統方法多了幾項優勢，包括更可靠、更緊湊且更有效率。GMR10Dx 和 GMR04B00x 模組提供多功能且穩健的系統啟動和偏壓解決方案，更可直接連接這些開關的閘極。

此外，本文也介紹 GMRCSN000 和 GMRCSP000 模組，說明此緊湊的非耗散式電流感測解決方案，且具有彈性的輸出能力。這些模組能簡化電流感測的實作，更可達到準確且隔離的電流量測效果。

利用本文介紹的設計作法和解決方案，設計人員就能在採用 GaN 開關的系統中，顯著增進效能和可靠性，更可透過 Ganmar Technologies 提供的專業知識及支援取得優勢。