了解如何在SiC栅极驱动器设计中使用铁氧体磁珠

铁氧体磁珠通常与开关晶体管和高功率电子设备一起使用，以滤除电源线中的噪声，在插入电路时采用磁性材料产生损耗电感。虽然铁氧体磁珠本身的设计可能相对简单（例如，奇异孔、复数孔/匝、环形、螺线管），但其应用设计考虑因素可能很复杂。从PCB上的电源滤波和噪声抑制到多导体布线上的共模扼流圈，铁氧体磁珠为各种应用提供EMC解决方案。

了解基本的铁氧体磁珠参数对于将其集成到特定应用中以抑制EMI非常重要。其中一种应用是在碳化硅（SIC）栅极驱动器的栅极安装铁氧体，以抑制任何振铃和不需要的谐振。本文将探讨在SiC栅极驱动器设计中使用铁氧体磁珠的最佳实践。

铁氧体磁珠：鸟瞰图

铁氧体磁珠通常用于电磁干扰 （EMI） 抑制，通常是小的圆柱形非导电陶瓷部件，包括钴、铁、镍、锌或镁等金属氧化物的组合。当沿着电气路径放置时，已知这些组件通过将噪声能量转换为热能来消除噪声能量。

从本质上讲，铁氧体磁珠充当RF扼流圈，在电路中引入高频电阻，而不会对低频性能产生不利影响。铁氧体的结构可以从接地网格线性放大器中用于高功率RF扼流圈的棒到用于电缆共模抑制的钳位，再到用于安装在PCB上的磁珠和SMT元件。

材料

常见的铁氧体磁芯包括锰锌（MnZn）和镍锌（NiZn）复合材料。MnZn 通常介于 0.1 MHz 至 1.5 MHz 范围内，而 NiZn 铁氧体材料的频率性能最高，频率约为 1 MHz 至 2 GHz，因为它们的电阻率高于 MiZn 铁氧体。

通常，MiZn铁氧体表现出最高的磁导率 - 一种指材料传导磁场的能力的特性 - 因此可以更容易地消除不需要的EM场。然而，频率范围、电阻率、温度稳定性和插入损耗都可能因制造工艺的质量和所用各种材料的比例而异。最终，设计人员需要通过了解特定应用电路中的基本EMI源以及突然出现的无用频率范围来评估铁氧体磁珠的电气可行性。理想情况下，所选的铁氧体磁珠应在所需带宽内表现出最高的电阻，并出现不希望的振荡。

基本参数

数据表和产品说明通常包括基本参数，例如特定频率点（如 25 MHz 或 100 MHz）的阻抗、最大直流电阻、最大额定电流或功率，以及磁珠尺寸（如外径 （OD）、内径 （ID） 和长度 （L）。虽然这些参数可以深入了解铁氧体材料的特性，但它不能提供磁珠工作频率上更详细的阻抗信息。如前所述，为了为特定的噪声抑制应用选择最佳的铁氧体磁珠，这是必要的。

通常，铁氧体磁珠涉及阻抗（Z）、电阻（R）和感抗（X）或磁导率随频率的增加而增加。在特定频率之后，电抗开始降低，而电阻和阻抗都增加。这些趋势可以在所谓的“ZRX”图（图1）上观察到，其中阻抗频率特性更为明显。

 

图1：BKP2125HS600的ZRX曲线（出处：Taiyo Yuden）

了解铁氧体磁珠的频率响应

PCB的典型铁氧体结构包括表面贴装（SMT）和具有单个孔或多个孔的圆柱形磁珠，例如具有两个通孔的双目磁芯或具有六个通孔的多圈铁氧体磁珠。通常，通孔铁氧体磁珠中较小的尺寸和较大的OD-ID比不适合多圈的应用，即使使用更大规格（更细）的导线也是如此。然而，这些较小的尺寸允许发生自共振的频率更高。而且，与任何电感器一样，将产生自谐振频率，从而在特定频率下产生高阻抗。

铁氧体磁芯的集总元件 R、L 和 C 模型因材料、尺寸和所用匝数而异。电阻（R）主要是由于磁芯中的涡流，而杂散电容（C）则分布在匝与匝之间以及从匝到磁芯。这种绕组间电容随着匝数的增加而增加——理想情况下增加较高频率下的阻抗，同时在低频时保持低阻抗。这种效果也可以通过将铁氧体磁珠放在一条线上来实现。

SMT铁氧体磁珠通常使用陶瓷加工技术制造，通常涉及在软铁氧体片中使用嵌入电极，形成在铁氧体结构内以环形或螺线管形状实现的电感器。这样，与通孔铁氧体磁珠结构相比，可以实现更高的阻抗。一些频率响应在谐振时影响更尖锐的阻抗，而更宽带宽的铁氧体可以表现出更柔和的曲线。与任何铁氧体磁珠一样，了解所需频带内所需的阻抗非常重要，以便更好地抑制不需要的噪声信号。

对于SMT铁氧体磁珠，集总元件模型将包括R，L和C等效电阻，其中电阻损耗主要与趋肤效应以及铁氧体磁芯中的磁损耗有关。杂散电容分布在多层线圈的匝间电容、匝芯电容和层间电容内。该寄生电容充当与电感器平行的集总电容，引起不可避免的自谐振。在低频或并联LC谐振之前，SMT铁氧体磁珠的电感特性占主导地位。自谐振后，由于导体电流的磁场被限制在内部导体之间，电容特性变得占主导地位，最终导致阻抗滚降。

选择铁氧体磁珠时要考虑的参数

直流额定电流

当在超过额定直流电流额定值的电路中使用时，铁氧体磁珠的频率响应可能会发生显着变化。随着直流偏置的增加，磁性材料接近饱和，其磁导率降低，导致部分（或全部）信号落入铁氧体的非线性区域。实际上，这会导致其额定带宽内的阻抗明显下降。这种现象会使阻抗下降到其标称值的10×，从而明显有可能出现EMI故障，从而无法充分抑制噪声。

温度依赖性

铁氧体材料的磁导率也随温度而变化。如前所述，铁氧体磁芯将射频能量转化为热量，最终将铁氧体材料加热到一定程度。然而，超过一定温度后，磁珠的磁性特性会发生变化，导致磁导率下降，进而导致热失控和零件故障。

铁氧体磁珠在碳化硅栅极驱动器电路中的应用

铁氧体磁珠为广泛的应用提供解决方案。其中一种应用是将电源层与电源噪声隔离开来，将 SMT 铁氧体磁珠放置在稳压器模块 （VRM） 附近。这些元件还可用于防止高频振荡器噪声到达负载或抑制快速逻辑门之间长互连上的振铃。根据带宽、阻抗和额定电流，可以利用各种铁氧体磁珠来抑制从开关转换器到电机等一系列元件上的噪声/振铃/高频振荡。然而，本文的第二部分重点介绍当代设计的一个主要挑战：在栅极驱动环路上使用铁氧体磁珠来防止不必要的振铃。

常用电源开关

栅极驱动电路用于高速开关和电力电子应用，以便在控制逻辑信号和输出功率之间提供电压隔离，并通过提供足够的开关电压为所选晶体管提供独立控制。通常使用宽带隙（WBG）半导体材料，因为它们可以支持这些应用所需的高电压和电流额定值。一些常见的晶体管衬底包括硅 （Si）、氮化镓 （GaN） 和 SiC。通常使用Si MOSFET和绝缘栅双极晶体管（IGBT），因为它们提供宽带隙和高电场击穿电压，并为高速开关提供足够的电子迁移率。最近，SiC MOSFET已被用于高功率应用，因为它们在功率处理和开关速度方面具有最佳性能。

SiC 栅极驱动器实现注意事项的简要概述

在栅极驱动实现方面，SiC MOSFET有几个与传统硅晶体管不同的考虑因素，特别是在更快的开关速度方面。表1列出了在设计中选择SiC MOSFET栅极驱动器并将其集成到设计中时需要考虑的一些基本参数。一般而言，良好的栅极驱动器拓扑允许在指定的标称栅源电压（VGS-op）上具有±5%的容差，而通过严格的反馈控制可以实现±2%的容差，最终避免了允许在连续栅极驱动电压之上产生振铃和过冲的最大额定电压。SiC MOSFET 中的高 dV/dt（电压随时间变化的速率）需要较低的外部栅极电阻 （RG） 和高共模瞬态抗扰度 （CMTI） 的组合，以避免因过多电流流过晶体管而导致闩锁故障。所选栅极驱动器的驱动能力至关重要，因为它决定了可以泵入 SiC MOSFET 以使其导通的电流范围，以及用于关闭 MOSFET 的电流。换句话说，这优化了开关速度。为了确保整个系统的稳健性能，还需要额外的保护电路。

如图2所示，为了正确实现栅极驱动器电路，有几种潜在的解决方案，包括：

将栅极驱动器放置在尽可能靠近 MOSFET 的位置

优化开关速度以注意 dV/dt

通过对称的PCB布局将栅极环路电感降至最低

在栅极和源极之间放置一个小电容器

使电源走线远离栅极环路

将铁氧体磁珠与栅极串联放置

图2：在栅极支腿处放置铁氧体磁珠可减少栅极上的电压尖峰和振铃

寄生振荡和铁氧体的选择

在具有高侧 MOSFET 和低侧 MOSFET（例如 H 桥、三相桥）的配置中，当低侧晶体管出现寄生振荡时，高侧 MOSFET 可能会故障导通，从而导致栅极上的过压瞬变和潜在的硬件故障。由于 dV/dt 较高，SiC MOSFET 特别容易受到这些振荡条件的影响——开关瞬态期间漏源电压的快速变化会感应低侧 MOSFET 中的电流从漏极流经栅极至漏极电容流向栅极电路。当高边晶体管上升期间栅源电压高于阈值电压时，低端MOSFET将意外导通。1 这对于高功率器件来说尤其麻烦，因为这些寄生谐振可以耦合到一个正反馈环路，从而有可能维持或放大振荡。

增加栅极电阻（RG）通常足以抑制这些谐振;然而，这伴随着减慢开关速度的代价。由于这些电路的寄生振荡通常在50 MHz至200 MHz范围内，因此在频率为30 MHz至40 MHz的频率下使用阻抗为25 Ω至100 Ω的铁氧体磁珠，最大驱动电流不超过2 A至3 A通常足以抑制SiC栅极驱动器的振铃，而不会对开关性能产生负面影响。当与小RG串联使用时，寄生振荡会下降，同时将开关损耗降至最低。

为 SiC 栅极驱动器选择合适的铁氧体磁珠

了解发生不需要的高频噪声的带宽内的高阻抗对于在不影响器件低频性能的情况下充分抑制噪声尤为重要。此外，了解铁氧体磁珠的频率响应（ZRX曲线）以及它在匝数、磁珠数、尺寸、布局、额定电流或温度方面的变化，在设计过程中可以有所启发。

通常，铁氧体磁珠仅在其规定的额定电流范围内发挥最佳功能，如果铁氧体磁珠的驱动超出其最大额定值，则低频性能和开关性能可能会下降。而且，与大多数电子电路一样，温度波动/极端情况会对性能产生不利影响，因此在指定的额定温度内工作是可预测性能的关键。

在某些应用中，可以使用多个铁氧体磁珠;然而，这通常是不必要的，而且是一个过于繁琐的过程，特别是在SiC栅极驱动器的栅极腿中安装铁氧体磁珠时。特别是对于此应用，SMT NiZn磁珠通常因其在VHF频段的性能而得到利用，而不会增加可能使EMI恶化的额外布线和寄生效应。

最终，了解铁氧体磁珠的设计考虑因素可以揭开将铁氧体磁珠集成到电路中的过程的神秘面纱。

审核编辑：郭婷