作者：Ganmar Technologies

2024-12-12

本文探討了開發(fā)可靠安全的多相功率控制器所面臨的設計挑戰(zhàn)和主要考慮因素。文中利用具有浮動輸出的 [GMR10Dx]隔離式 DC/DC 轉換器模塊，并搭配 [Ganmar Technologies]的高集成度雙重寬帶隙開關柵極驅動電源模塊進行了說明。這些模塊的設計和結構均經(jīng)過優(yōu)化，能夠滿足系統(tǒng)在可靠性、安全性、EMI 和熱管理方面的要求。

本文提供了一個說明性的系統(tǒng)實例，其中展示了用于功率因數(shù)校正 (PFC) 級供電的三相交流輸入，以及后接的一個重型脈寬調制 (PWM) 控制負載（如工業(yè)級電機）。該設計提供了一種實用的電路解決方案，尤其注重驅動 [Infineon]（前身為 GaN Systems）的高壓 GaN 開關。隨后本文探討了驅動半橋 (HB) 圖騰柱開關的傳統(tǒng)方法的局限性，并探索了控制上下開關的替代解決方案。文中提供了幾個實用的電路設計，以在最大限度減少空間需求的同時確保運行安全、可靠。此外，說明還涉及低損耗、高帶寬電流檢測，以進一步簡化設計過程。

今天的設計環(huán)境面臨眾多挑戰(zhàn)，包括對緊湊型硬件的需求、降低功耗以實現(xiàn)高效冷卻、通過優(yōu)化熱管理提高可靠性，以及高性價比的解決方案。由于預算緊張和開發(fā)周期的縮短，這些挑戰(zhàn)變得更加復雜。為了應對這些挑戰(zhàn)，本文還介紹了標準子系統(tǒng)和構件，可幫助設計團隊充分利用子系統(tǒng)供應商的專業(yè)知識和合規(guī)能力。

本文以 Ganmar Technologies 的電源轉換器和接口模塊為例，為這些設計挑戰(zhàn)提供了最佳解決方案。所提供的模塊可實現(xiàn)多相柵極驅動系統(tǒng)的高效開發(fā)，而其標準化的外形尺寸則可節(jié)省寶貴的主板空間。

使用 GMR10Dx 為通用三相高壓大功率系統(tǒng)設計偏置功率控制器

此小節(jié)概述了使用 GMR10Dx DC/DC 轉換器模塊以及 GMR04B00x 模塊提供的浮柵驅動偏置構建高壓、大功率系統(tǒng)中的偏置功率控制器時應注意的設計考慮因素。如圖 1a 所示，該系統(tǒng)可以包括一個重型 PWM 控制負載，如工業(yè)電機，同時還包含多個開關，并且不同功能塊需要多個偏置電壓。以下是設計的主要假設：

• EMI 考慮因素： 系統(tǒng)需要一個近整功率因數(shù)，因此需要使用 PFC。
• 啟動邏輯： PFC 包括一個處理器，該處理器需要獨立的偏置轉換器啟動邏輯。
• 功率耗散： 降低控制器電子元件的功率耗散對可靠性和簡化冷卻系統(tǒng)要求至關重要。
• 使用現(xiàn)成產(chǎn)品： 設計要最大限度地使用現(xiàn)成的元器件。

圖 1a 提供了整體系統(tǒng)配置，用作后續(xù)設計討論的直觀參考。

圖 1a：工業(yè)高負荷控制系統(tǒng)的偏置和啟動。（圖片來源：Ganmar Technologies）

本節(jié)將參照圖 1a 中的框圖，重點介紹偏置功率控制器的設計及其與整個系統(tǒng)的集成。我們將探討每項功能的設計選擇，但 PFC 和 PWM 控制器除外，因為需要更具體的系統(tǒng)接口要求信息才能全面探討這些功能。因此，本文將不會詳細介紹這兩種元件。文中假定系統(tǒng)采用高壓 GaN 開關，如 Infineon 的[GS66516T]，但也會討論其他替代開關技術（如 SiC 或雙極開關）的考量。

此外，本文還將展示 Ganmar Technologies 高度集成的自供電浮柵驅動器模塊，具體型號是 GMR04B00x。該型號中的“x”表示有多種雙柵極驅動器芯片選擇。有關詳細規(guī)格和選擇，請參閱 GMR04B00x 規(guī)格書。

偏置功率控制器

偏置功率控制器的設計可為低交流輸入值 (UVLO) 提供掉電保護，并在交流輸入超過最大設定限制 (OVLO) 時提供非閉鎖關斷。當交流輸入處于安全工作值范圍內時，GRM10Dx 模塊會產(chǎn)生常用電壓（通常為 6 V 和 22 V）的隔離直流輸出。在更大的系統(tǒng)中，可能需要其他電壓制式。圖 1b 顯示了獲得這些電壓的典型配置。使用低功率 5 V 輸出為 GMR04B00x 模塊中的雙柵極驅動器芯片供電，具體型號是 [Analog Devices]。有關其他可用選擇，請參閱 GMR04B00x 規(guī)格書。

圖 1b：源自 GMR10Dx 的典型膠連電路形式。（圖片來源：Ganmar Technologies）

GMR04B00x 模塊從內部為其浮動端供電，以提供兩個 12 V 偏置。這個高壓側 12 V (12VH) 會偏置上電源開關的 VIA 輸出驅動器，相對于 HBU 節(jié)點，柵極驅動電平為 +5.6 V/-5.6 V。在 V 相和 W 相電路周圍也采用了類似的分路驅動配置。

對于低壓側開關，GMR04B00x 模塊內部會產(chǎn)生一個單獨的 12VL 電壓，任何極性的低壓側功率返回節(jié)點都可以該電壓為基準。例如，ADUM7223 的 VIB 輸出被分路器網(wǎng)絡分成 +5.6 V/-5.6 V 兩路，確保下方 GaN 開關正常工作。

對于 SiC 開關，GMR04B00x 模塊的不同版本可提供 15 V、18 V 或 22 V 電壓，這些電壓可以進行出廠設置，以適應各種大功率 SiC 開關。相對于 HBU/V/W 上節(jié)點，分路電路輸出提供 ± 浮動偏置，用于驅動高壓側和低壓側的碳化硅開關，對于任何極性的下節(jié)點也是如此。有關可用選擇，請參閱 GMR04B00x 規(guī)格書。

偏置功率控制器部分，連同圖 1b 中所示的 LDO，一起為直接連接到 V 節(jié)點和 W 節(jié)點處柵極的另外兩個 GRM04B00x 接口模塊供電。此外，22 V 輸出還可通過 LDO 為用戶電路板上的模擬控制器、數(shù)字部分和 I/O 芯片供電。如果需要更高的功率，用戶可查閱[應用說明]，了解有關并聯(lián) GMR10Dx 模塊的指導。

啟動問題

在數(shù)字處理器開始工作之前，為其提供穩(wěn)定的電源至關重要。這就需要使用獨立于 PFC 的電源驅動偏置控制器。Ganmar 電源轉換器電路消耗的交流電源功率最多為 18 W，對交流輸入相位關系的影響極小。GMR10DX 模塊支持 100 VDC 至 320 VDC 的輸入電壓范圍，涵蓋離線應用的典型范圍。

在大功率應用中，整流器可產(chǎn)生高達 380 V 的電壓，對于此類應用中經(jīng)常遇到的更高源電壓，請咨詢 Ganmar 技術支持，了解 GMR10Dx 系列中的其他選擇。

圖 2 展示了一個適于使用該模塊啟動系統(tǒng)的典型 6 二極管橋式整流器。一旦交流輸入超過約 42 V RMS （60 或 400 Hz），導致帶一個 10 μF 小電容器的電橋輸出 200 VDC 電壓，模塊將開始產(chǎn)生輸出，在低負載條件下最大延遲時間為 70 ms。這一延遲是可接受的，因為在啟動過程中沒有其他系統(tǒng)模塊耗電。

在瞬態(tài)事件期間，如果交流輸入導致 6 二極管橋式整流器輸出超出轉換器模塊的安全工作范圍，則模塊將關斷，直到整流電壓恢復到安全水平。此外，如果整流電壓降至 100 V 以下，則欠壓掉電保護功能就會啟動。

圖 2：直接從交流輸入消耗最大 18 W 功率用于啟動和偏置。（圖片來源：Ganmar Technologies）

輸入濾波

像 GRM10Dx 這樣的電源開關模塊對其輸入電源具有“負”阻抗特性。這種特性使得有必要認真進行濾波器設計，以確保接口的穩(wěn)定性。輸入濾波器的詳細設計已在各種報告和出版物中作了廣泛介紹，因此本文將簡要概述 GRM10Dx 模塊的輸入特性。

對于 GaN 驅動的典型 15 W 恒功率負載，整流器電壓為 200 V，效率為 0.85，等效阻抗按 |2002/(15/η)| 進行計算，其結果約為 3.14 kΩ。與源阻抗相比，該阻抗相對較高，這使得所需的濾波器更容易有效地對其實現(xiàn)旁路。但是，建議在 GRM10Dx 模塊附近安裝一個 10 μF/400 V 阻尼電容器。該模塊本身包括一個 0.47 μF 電容器，用于處理內部開關事件產(chǎn)生的瞬時峰值電流。只要主 PFC 濾波器能提供足夠的阻尼，外部電容器的等效串聯(lián)電阻 (ESR) 額定值就并不重要。

Ganmar Technologies 還提供了一個傳統(tǒng)的交流輸入橋式整流器模塊，該模塊配有保險絲和 EMI 濾波器，以便于與 GRM10Dx 模塊集成。這可簡化連接交流電源的過程。有關集成該模塊的詳細信息，請咨詢 Ganmar 技術支持。

驅動器偏置

圖 3：三相連接。（圖片來源：Ganmar Technologies）

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

圖 3 和圖 4 顯示了 [GMR10D000] 模塊的原理圖和照片，該模塊是一個隔離式 DC/DC 轉換器，能夠提供兩個 15 W 輸出。VOUT1 通常提供 3 W、6.5 V 輸出，而 VOUT2 則提供 12 W、22 V 輸出。兩個輸出都可在 10 ms 內達到穩(wěn)定狀態(tài)。本節(jié)會解釋如何將圖 1 中所示的功能與 GMR10Dx 器件關聯(lián)，以實現(xiàn)所需的功能和性能。

圖 5：模塊驅動側功能示意圖（顯示的是 GMR10D005）。（圖片來源：Ganmar Technologies）

圖 5 顯示了多個 GMR10Dx 模塊的模塊互連，連接在一起實現(xiàn)了偏置功率控制器的功能。本節(jié)詳細說明了采用 HS-U 塊情況下的 GMR04B008 應用方式。通過連接與各自節(jié)點對應的參考回路引腳，可以輕松復制其他兩個模塊。

圖 6：GMR04B00x 內部原理圖，帶浮柵電源和直接驅動。（圖片來源：Ganmar Technologies）

圖 6 展示了 22 V 電源與通常參考的“接地”GNDS 節(jié)點的關系。

功率級接口要求

如圖 6 所示，在 GaN 系統(tǒng)中通常建議使用負偏置電壓來關閉 GaN 功率器件，在電流超過 30 A 的硬開關拓撲結構中尤為如此。圖 7 提供了展示這種方法的示意圖（Infineon 網(wǎng)絡研討會提供）。

圖 7：VEE 對關斷動態(tài)的影響。（圖片來源：Infineon）

實現(xiàn)和導通/關斷特性 - 用于 Infineon 器件的模塊分路器的實現(xiàn)確保了有效的導通和關斷電壓，同時還最大限度減少了關斷轉換損耗。分路驅動波形和 Infineon 的 [GS66xx] 設計有助于提高效率，而獨特的變壓器設計則可降低 GS66xx 關斷過程中的振鈴峰值。

導通/關斷

要實現(xiàn)完全導通，需要 5.6 V 柵極驅動，并盡量減少敏感開關節(jié)點和印制線之間的寄生電感和電容耦合。遵守 GaN 供應商關于正確放置和電路布線的指南至關重要。

在關斷期間，柵源電壓 (V GS ) 應明顯低于閾值電壓 (V TH )，在此處所討論的電路中，參考電壓水平約為 0 V。本文假定使用的是 Analog Devices 的 ADUM7223 柵極驅動器 IC。值得注意的是，該驅動器的輸出欠壓鎖定 (UVLO) 電壓為 5 V，因此適用于氮化鎵器件所需的 5.6 V 柵極驅動。該 GaN 的驅動器功率耗散可使用驅動器規(guī)格書中的數(shù)據(jù)計算得出：

假設開關頻率為 250 kHz，并采用以下數(shù)值，則可計算出 PD 值：

該驅動器配置的耗散功率為 100 mW，完全處于 GMR10Dx 和 GMR04B00x 模塊的能力范圍內。GMR10Dx 模塊能夠提供大幅超過該驅動器需求的功率，從而確保為其工作提供穩(wěn)定的電力供應。

驅動器的 HV GaN 設置

GMR10Dx 模塊為半橋 (HB) 配置中的上下 GaN 驅動器提供必要的偏置電壓。圖 8 展示了分路器與 GaN 驅動器的連接。

要防止不穩(wěn)定的開關行為和 GaN 器件的潛在損壞，正確參考偏置回路至關重要。用戶應遵守特定 GaN 規(guī)格書和應用說明中提供的指南和建議，以確保器件能夠正確且安全地工作。更多指南可參閱 GMR04Bx 雙直接驅動器集成模塊規(guī)格書的應用簡介。

圖 8：圖騰柱排列和經(jīng)典半橋配置，分路驅動直接連接到 GaN 開關。（圖片來源：Ganmar Technologies）

GMR04B00x 模塊可為上 GaN 開關柵極驅動器提供必要的浮動偏置電壓，從而無需額外的電路（如用于產(chǎn)生所需偏置電壓的飛跨自舉電容器）。

借助 GMR04B00x 模塊，浮柵驅動電壓可直接連接到上下 GaN 開關的柵極，從而提供穩(wěn)定的 ±5.6 V 柵極驅動。這種方法簡化了設計，因為控制器無需通過開關下部器件來為上部柵極驅動器產(chǎn)生偏置。

使用 GMR04B00x 模塊可使上下 GaN 開關達到所需的柵極驅動電壓，因此無需增加替代偏置方法所需的額外元器件，也避免了采用替代偏置方法帶來的復雜性。

圖 9 中所示的傳統(tǒng)自舉方案有幾個缺點，其中包括需要二極管和非極性電容器等額外元器件，這些元器件的值可能需要根據(jù) GaN 或其他器件的具體要求進行調整。啟動問題和缺乏強勁偏置是采用這種方法要考慮的重要問題。此外，傳統(tǒng)的自舉方案還與雙極 HB 節(jié)點不兼容。

圖 9：傳統(tǒng)浮柵驅動器偏置方案。（圖片來源：Ganmar Technologies）

相比之下，GMR10Dx 和 GMR04B00x 模塊及其相關擴展布局緊湊，節(jié)省空間的優(yōu)勢非常明顯。因此，對于需要高效偏置和正確參考的應用，這些模塊就是實用的解決方案。

電流檢測

圖 10 和圖 11 顯示了使用分流電阻器與 GMR10Dx 和 GMR04B00x 模塊進行電流檢測集成的方法。分流電阻器常用于測量和監(jiān)視流經(jīng)電路的電流。將這些電阻器巧妙地放置在電流路徑中，就可以測量它們兩端的壓降，從而計算出電流。

在采用 GMR 模塊的情況下，電流檢測分流電阻器與負載或高帶寬隔離電流檢測模塊是串聯(lián)連接的。這種設置可確保準確的電流檢測和監(jiān)視。GMR 模塊提供必要的浮動或接地參考偏置電壓和電源，以便為電流檢測系統(tǒng)提供支持，從而確保測量可靠、精確。

在系統(tǒng)設計中加入電流檢測功能不僅使用戶能夠收集有關電流水平的寶貴信息，而且還能監(jiān)測電路或系統(tǒng)性能。這在需要實現(xiàn)精確電流控制或保護的應用中尤為有用，如電機控制、電力電子或可再生能源系統(tǒng)。

圖 10：傳統(tǒng)分流電阻器電流檢測。（圖片來源：Ganmar Technologies）

圖 11：GMRCS000 無損電流檢測。（圖片來源：Ganmar Technologies）

Ganmar Technologies 提供的 GMRCSN000 和 GMRCSP000 模塊是緊湊型隔離式無損電流傳感器解決方案。這些模塊提供高帶寬隔離式電流檢測功能，無需在電流路徑中增加分流電阻器。這樣可消除功率損耗，簡化設計。

GMRCSN000 和 GMRCSP000 模塊可檢測流經(jīng)電路的電流，并提供兩種輸出極性：0 至 +Vsense 和 -Vsense 至 0。上述輸出適合與嵌入式控制器的 ADC（模數(shù)轉換器）直接連接，并且適用于無橋 PFC 應用中使用的模擬控制器。

利用 GMRCSN000 或 GMRCSP000 模塊可簡化電流檢測的實現(xiàn)過程，節(jié)省寶貴的電路板空間，并確保實現(xiàn)精確的隔離式電流測量。有關這些模塊及其適用零件編號的更多信息，請聯(lián)系 Ganmar Technologies 的技術支持，以獲得具體的幫助和集成指導。

結語

本文詳細介紹了通過將 GMR10Dx 和 GMR04B00x 模塊與高電壓、大功率 GaN 開關結合使用，實現(xiàn)系統(tǒng)啟動和偏置的綜合設計方法。重點介紹的是 Infineon 的 GaN 開關，這些開關通常用于三相電機、三相逆變器和三級電動汽車充電器等應用。

與傳統(tǒng)方法相比，這種設計方法具有多種優(yōu)勢，其中包括更高的可靠性、緊湊性和效率。GMR10Dx 和 GMR04B00x 模塊為系統(tǒng)啟動和偏置提供了一個通用且強大的解決方案，可直接連接到這些開關的柵極。

此外，本文還介紹了 GMRCSN000 和 GMRCSP000 模塊，這兩個模塊提供了一種緊湊、無損且具有靈活輸出功能的電流檢測解決方案。不僅可簡化電流檢測的實現(xiàn)過程，而且提供了精確的隔離式電流測量能力。

利用本文介紹的設計方法和解決方案，設計人員能夠顯著提高使用 GaN 開關的系統(tǒng)的性能和可靠性。此外，他們還可以從 Ganmar Technologies 提供的專業(yè)知識和支持中受益。

審核編輯 黃宇