モーターアプリケーションでは、電力変換にインバーターまたはコンバーターの使用が不可欠です。高絶縁DC/DCコンバータを採用すると、特に高出力、高速モーター システムにとって重要な、モーター動作の安定性と安全性の向上に貢献できます。本稿では、IGBT/MOSFET/SiC/GaNゲートドライバDC-DCコンバータの関連技術と、村田製作所が発表した高絶縁型DC/DCコンバータシリーズの特長について紹介します。
絶縁により高出力コンバータの安定した動作を保証
高電力レベルでは、インバータまたはコンバータは通常、「ブリッジ」構成を使用してライン周波数AC電力を生成したり、モーター、変圧器、またはその他の負荷に双方向PWMドライブを提供したりします。この構成は、ハーフブリッジ、フルブリッジ、三相などになります。ブリッジ回路には通常、IGBTまたはMOSFET (SiCおよびGaNを含む) が「ハイサイド」スイッチとして含まれており、そのエミッタ/ソースは高電圧および高周波数でのスイッチング ノードです。したがって、ゲート ドライブPWM信号と、エミッタ/ソースを基準とする関連するドライブ電源レールは、グランドから分離する必要があります。
高出力コンバータのその他の要件としては、駆動回路と関連する電源レールがスイッチ ノードの高「dV/dt」の影響を受けないこと、および結合容量が非常に低いことなどが挙げられます。多くの場合、ブリッジ回路は安全機関の定格に従って制御回路から分離する必要があります。したがって、駆動回路の絶縁バリアは堅牢で耐久性があり、設計寿命中に部分放電の影響による著しい劣化が見られないことが必要です。
ゲート駆動回路の正電源レール電圧は、絶対最大ゲート電圧を超えることなく、電源スイッチの完全な飽和/強化を確実にするために十分に高くする必要があります。たとえば、IGBTと標準MOSFETは通常15V駆動で完全にオンになりますが、一般的なSiC MOSFETでは完全にオンにするには20V近くが必要になる場合があります。
オフ状態では、すべてのデバイスに対してゲートの0Vで十分です。ただし、ゲート抵抗によって制御される高速スイッチングには、-5V ～ -10Vの負電圧がよく使用されます。IGBTのオン状態ゲートしきい値は数ボルト、通常は約5Vですが、SiCおよびGaNの場合は1Vをわずかに超える程度まで低くなることがあります。
負のゲート ドライブは、コレクタ/ドレインからゲートへの「ミラー」容量の影響を克服するのにも役立ちます。この容量は、デバイスの電源がオフになっているときにゲート駆動回路に電流を注入します。ターンオフ時には、コレクタ電圧が急激に上昇し、ミラー容量を介して電流スパイクがゲートに流れ込みます。ゲートに負の電圧を印加すると、この影響を軽減するのに役立ちます。これは、IGBTとすべてのタイプのMOSFETの両方に有効です。
ゲート ドライバ回路の電源を駆動するDC-DCコンバータの電力要件には、ドライバ回路に平均DC電流を供給することが含まれます。各サイクルでゲート容量を充電および放電するために使用されるピーク電流は、ドライバ回路の近くの容量によって供給されます。ドライブのディレーティングやその他の損失を考慮する必要があります。SiCとGaNはIGBTよりもゲート電荷 (Qg) が低くなりますが、周波数は大幅に高くなる可能性があります。
ゲートドライブアプリケーション向けに設計された高絶縁DC/DCコンバータ
村田製作所は、ムラタパワーソリューションズが開発した高絶縁型DC/DCコンバータ シリーズを発表しました。MGJシリーズDC/DCコンバータは、ゲート ドライブ アプリケーション向けに特別に設計されています。これらのコンバータは、モーター ドライブやインバータで使用されるブリッジ回路の一般的な高絶縁要件に適しています。これらの「ハイサイド」ゲート駆動回路に最適な駆動電圧と絶縁を提供することを目的としています。ゲートは、正と負の駆動電圧に関係なく、等しい正と負の平均電流とピーク電流に対応して、各PWMスイッチ サイクルで完全に充電および放電されます。出力負荷に不均等な電流がある場合（追加の保護回路などを介して）、電圧が予想される許容範囲内に維持されない可能性があります。
ゲート駆動電圧の絶対値は、スイッチ強化に必要な最小値を上回り、ブレークダウン レベルを適切に下回り、消費電力が許容範囲内である限り、重要ではありません。したがって、DC-DCの入力が公称一定である場合、駆動電力を供給するDC-DCコンバータは、MGJ1またはMGJ2シリーズなどの非調整型になります。ただし、ほとんどのDC-DCアプリケーションとは異なり、IGBT/MOSFETがどのデューティ サイクルで切り替わっても、負荷は非常に一定です。一方、デバイスがスイッチングしていない場合、負荷はゼロに近くなります。単純なDC-DCコンバータは通常、最小限の負荷を必要とします。そうでない場合、出力電圧が急激に増加し、ゲートブレークダウンレベルに達する可能性があります。
高電圧はバルクコンデンサに蓄えられるため、デバイスがスイッチングを開始すると、通常の負荷でこのレベルが低下するまでゲート過電圧が発生する可能性があります。したがって、クランプされた出力電圧または非常に低い最小負荷要件を備えたDC-DCコンバータを選択する必要があります。
駆動回路の電圧レールが正しい値に達する前に、IGBT/MOSFETをPWM信号でアクティブに駆動しないでください。ただし、PWM信号が非アクティブであっても、ゲート ドライブDC-DCの電源をオンまたはオフにすると過渡状態が発生し、デバイスが駆動されて貫通電流が発生し、損傷が発生する可能性があります。したがって、PWM信号が非アクティブな場合でも、DC-DC出力は電源投入時および電源切断時に単調な上昇および下降で適切に動作するはずです。
絶縁性能試験は高電圧システムにとって極めて重要です
「ハイサイド」IGBT/MOSFETドライバに使用される絶縁型DC-DCコンバータでは、バリア全体で「DCリンク」電圧が発生する可能性があります。この電圧は、10 kV/µsを超える非常に高速なスイッチング エッジでキロボルトに達することがあります。最新のGaNデバイスは、最大100 kV/µs以上のスイッチング速度を実現し、わずか20 pFと10 kV/µsで200 mAの電流を生成します。この電流は不確定な戻り経路を見つけ、コントローラ回路を通ってDCブリッジに戻り、接続抵抗とインダクタンスに電圧スパイクを引き起こし、コントローラとDC-DCコンバータ自体の動作を妨げる可能性があります。したがって、低い結合容量が必要です。
ハイサイド スイッチ エミッタは、高電圧、高周波のスイッチ ノードです。HVDCリンク電圧全体は、DC-DC入力から出力まで確認でき、PWM周波数で連続的に切り替わります。PWM周波数は高くなる可能性があり、変化率も高くなります。IGBTは約30 kV/µs、MOSFETは約50 kV/µs、SiC/GaNは約50+++ kV/µsに達します。DC-DC入出力絶縁には結合容量 (Cc) があり、両端に高いスイッチ電圧がかかります。これによりパルス電流が流れ、敏感な入力ピンに干渉する可能性があります。コモンモード過渡耐性 (CMTI) テストを実施すると、この障害レベルを示すことができます。
特定の状況では、別のリニア コンバータまたはスイッチ モード コンバータによって電力が供給される絶縁型DC-DCコンバータで、絶縁型DC-DCの入力にオーバーシュートを引き起こす可能性のある高い過渡電流が発生する可能性があります。絶縁型DC-DCの最大入力電圧を超えると、損傷する可能性があります。このような場合、保護のために入力にツェナー ダイオードが必要になることがあります。
電力変換プロセスの安全性を確保するために、DC-DCは、14mmの沿面距離とクリアランスを必要とするUL60950に準拠した690 VACシステムの強化絶縁を満たすなど、安全絶縁システムの一部にすることができます。絶縁電圧は、動作電圧よりもはるかに高い単一の瞬間電圧（たとえば1分間印加）で検証する必要があります。さらに、機能上のニーズに基づいて、「ハイサイド」アプリケーションでは、DC-DC入力から出力まで、HVDCリンク電圧全体がPWM周波数で継続的に切り替わります。このような場合、1分間の単一瞬間電圧テストは適切な絶縁指標ではない可能性があり、IEC 60270に準拠したローカル放電テストに準拠することが、絶縁を保証する唯一の信頼できる方法です。
放電の発生は、小さなギャップの破壊電圧（約3kV/mm）によるもので、周囲の固体絶縁体の破壊電圧（約300kV/mm）よりもはるかに低くなります。この「開始電圧」を測定して最大動作電圧を定義し、絶縁体の長期信頼性を確保するために使用することができます。局所的な放電は短期的には大きな損傷を引き起こしませんが、長時間の暴露により時間の経過とともに絶縁性能が低下する可能性があります。
完全かつ多用途なMGJシリーズのDC-DCコンバータ
村田製作所が発表したMGJシリーズDC-DCコンバータは、ブリッジ回路のIGBTおよびMOSFETの「ハイサイド」および「ローサイド」ゲート駆動回路に電力を供給するのに最適です。非対称出力電圧を選択すると、最適な駆動レベルが可能になり、システム効率とEMIが向上します。MGJシリーズは、モーター ドライブやインバーターで使用されるブリッジ回路における高絶縁とdv/dtの共通要件を満たすように設計されています。MGJシリーズの推奨用途には、風力や太陽光発電などの再生可能エネルギー源のインバータ、バックアップ バッテリー、高速および可変速モーター ドライブなどがあり、さまざまな用途の特定の技術要件に合わせてカスタマイズできます。
MGJシリーズの中で、MGJ2 SIPは合計2Wの出力電力を提供します。従来のデュアル巻線アプローチを採用し、+veおよび -veゲート駆動電圧出力を提供します。使用可能な構成には、+15V/-15V、+15V/-5V、+15V/-8.7V、+20V/-5V、+18V/-2.5Vが含まれます。巻き線の回転を調整することで、追加のカスタム出力を実現できます。MGJ2の産業グレードの温度定格と構造により、長い耐用年数と信頼性が保証されます。
MGJ3シリーズとMGJ6シリーズは、それぞれ総出力が3Wと6Wで、特許技術を採用しています。20V/-5V (15V+5V、-5V)、15V/-10V (15V、-5V-5V) などの3つの出力電圧を柔軟に構成できます。MGJ3およびMGJ6は、無効化/周波数同期ピンによりEMCフィルタ設計を簡素化します。保護機能には、短絡保護と過負荷保護が含まれます。
MGJ1およびMGJ2 SMDシリーズの総出力はそれぞれ1Wと2Wです。内部ツェナー ダイオード分割器を使用して、+15V/-5V (単一の20V出力から)、+15V/-9V (単一の24V出力から)、+19V/-5V (単一の24V出力から) などの特定の +veおよび -veゲート ドライブ電圧を提供します。ツェナーダイオードを変更することで、他のカスタム出力も実現できます。MGJ1およびMGJ2の産業グレードの温度定格と構造により、長い耐用年数と信頼性が保証されます。
結論
ゲートドライブ電源用のDC-DCコンバータは、特に高電圧、高周波システムにおけるモーターの動作の安全性と安定性にとって非常に重要です。村田製作所は、さまざまな電力レベル、カップリングコンデンサの要件、パッケージ仕様に合わせてカスタマイズされたMGJシリーズのDC-DCコンバータを導入しました。これらのコンバータは、ブリッジ回路内のIGBTおよびMOSFETの「ハイサイド」および「ローサイド」ゲート駆動回路に電力を供給するのに適しています。堅牢な分離および絶縁性能を提供し、システム動作の安定性と安全性を確保します。MGJシリーズは、モーター駆動アプリケーションの開発に最適なソリューションを提供します。