鐵氧體磁珠通常與開關(guān)晶體管和高功率電子設(shè)備一起使用，以濾除電源線中的噪聲，在插入電路時(shí)采用磁性材料產(chǎn)生損耗電感。雖然鐵氧體磁珠本身的設(shè)計(jì)可能相對簡單（例如，奇異孔、復(fù)數(shù)孔/匝、環(huán)形、螺線管），但其應(yīng)用設(shè)計(jì)考慮因素可能很復(fù)雜。從PCB上的電源濾波和噪聲抑制到多導(dǎo)體布線上的共模扼流圈，鐵氧體磁珠為各種應(yīng)用提供EMC解決方案。

了解基本的鐵氧體磁珠參數(shù)對于將其集成到特定應(yīng)用中以抑制EMI非常重要。其中一種應(yīng)用是在碳化硅（SIC）柵極驅(qū)動(dòng)器的柵極安裝鐵氧體，以抑制任何振鈴和不需要的諧振。本文將探討在SiC柵極驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)中使用鐵氧體磁珠的最佳實(shí)踐。

鐵氧體磁珠：鳥瞰圖

鐵氧體磁珠通常用于電磁干擾 （EMI） 抑制，通常是小的圓柱形非導(dǎo)電陶瓷部件，包括鈷、鐵、鎳、鋅或鎂等金屬氧化物的組合。當(dāng)沿著電氣路徑放置時(shí)，已知這些組件通過將噪聲能量轉(zhuǎn)換為熱能來消除噪聲能量。

從本質(zhì)上講，鐵氧體磁珠充當(dāng)RF扼流圈，在電路中引入高頻電阻，而不會(huì)對低頻性能產(chǎn)生不利影響。鐵氧體的結(jié)構(gòu)可以從接地網(wǎng)格線性放大器中用于高功率RF扼流圈的棒到用于電纜共模抑制的鉗位，再到用于安裝在PCB上的磁珠和SMT元件。

材料

常見的鐵氧體磁芯包括錳鋅（MnZn）和鎳鋅（NiZn）復(fù)合材料。MnZn 通常介于 0.1 MHz 至 1.5 MHz 范圍內(nèi)，而 NiZn 鐵氧體材料的頻率性能最高，頻率約為 1 MHz 至 2 GHz，因?yàn)樗鼈兊?a target="_blank">電阻率高于 MiZn 鐵氧體。

通常，MiZn鐵氧體表現(xiàn)出最高的磁導(dǎo)率 - 一種指材料傳導(dǎo)磁場的能力的特性 - 因此可以更容易地消除不需要的EM場。然而，頻率范圍、電阻率、溫度穩(wěn)定性和插入損耗都可能因制造工藝的質(zhì)量和所用各種材料的比例而異。最終，設(shè)計(jì)人員需要通過了解特定應(yīng)用電路中的基本EMI源以及突然出現(xiàn)的無用頻率范圍來評(píng)估鐵氧體磁珠的電氣可行性。理想情況下，所選的鐵氧體磁珠應(yīng)在所需帶寬內(nèi)表現(xiàn)出最高的電阻，并出現(xiàn)不希望的振蕩。

基本參數(shù)

數(shù)據(jù)表和產(chǎn)品說明通常包括基本參數(shù)，例如特定頻率點(diǎn)（如 25 MHz 或 100 MHz）的阻抗、最大直流電阻、最大額定電流或功率，以及磁珠尺寸（如外徑 （OD）、內(nèi)徑 （ID） 和長度 （L）。雖然這些參數(shù)可以深入了解鐵氧體材料的特性，但它不能提供磁珠工作頻率上更詳細(xì)的阻抗信息。如前所述，為了為特定的噪聲抑制應(yīng)用選擇最佳的鐵氧體磁珠，這是必要的。

通常，鐵氧體磁珠涉及阻抗（Z）、電阻（R）和感抗（X）或磁導(dǎo)率隨頻率的增加而增加。在特定頻率之后，電抗開始降低，而電阻和阻抗都增加。這些趨勢可以在所謂的“ZRX”圖（圖1）上觀察到，其中阻抗頻率特性更為明顯。

圖1：BKP2125HS600的ZRX曲線（出處：Taiyo Yuden）

了解鐵氧體磁珠的頻率響應(yīng)

PCB的典型鐵氧體結(jié)構(gòu)包括表面貼裝（SMT）和具有單個(gè)孔或多個(gè)孔的圓柱形磁珠，例如具有兩個(gè)通孔的雙目磁芯或具有六個(gè)通孔的多圈鐵氧體磁珠。通常，通孔鐵氧體磁珠中較小的尺寸和較大的OD-ID比不適合多圈的應(yīng)用，即使使用更大規(guī)格（更細(xì)）的導(dǎo)線也是如此。然而，這些較小的尺寸允許發(fā)生自共振的頻率更高。而且，與任何電感器一樣，將產(chǎn)生自諧振頻率，從而在特定頻率下產(chǎn)生高阻抗。

鐵氧體磁芯的集總元件 R、L 和 C 模型因材料、尺寸和所用匝數(shù)而異。電阻（R）主要是由于磁芯中的渦流，而雜散電容（C）則分布在匝與匝之間以及從匝到磁芯。這種繞組間電容隨著匝數(shù)的增加而增加——理想情況下增加較高頻率下的阻抗，同時(shí)在低頻時(shí)保持低阻抗。這種效果也可以通過將鐵氧體磁珠放在一條線上來實(shí)現(xiàn)。

SMT鐵氧體磁珠通常使用陶瓷加工技術(shù)制造，通常涉及在軟鐵氧體片中使用嵌入電極，形成在鐵氧體結(jié)構(gòu)內(nèi)以環(huán)形或螺線管形狀實(shí)現(xiàn)的電感器。這樣，與通孔鐵氧體磁珠結(jié)構(gòu)相比，可以實(shí)現(xiàn)更高的阻抗。一些頻率響應(yīng)在諧振時(shí)影響更尖銳的阻抗，而更寬帶寬的鐵氧體可以表現(xiàn)出更柔和的曲線。與任何鐵氧體磁珠一樣，了解所需頻帶內(nèi)所需的阻抗非常重要，以便更好地抑制不需要的噪聲信號(hào)。

對于SMT鐵氧體磁珠，集總元件模型將包括R，L和C等效電阻，其中電阻損耗主要與趨膚效應(yīng)以及鐵氧體磁芯中的磁損耗有關(guān)。雜散電容分布在多層線圈的匝間電容、匝芯電容和層間電容內(nèi)。該寄生電容充當(dāng)與電感器平行的集總電容，引起不可避免的自諧振。在低頻或并聯(lián)LC諧振之前，SMT鐵氧體磁珠的電感特性占主導(dǎo)地位。自諧振后，由于導(dǎo)體電流的磁場被限制在內(nèi)部導(dǎo)體之間，電容特性變得占主導(dǎo)地位，最終導(dǎo)致阻抗?jié)L降。

選擇鐵氧體磁珠時(shí)要考慮的參數(shù)

直流額定電流

當(dāng)在超過額定直流電流額定值的電路中使用時(shí)，鐵氧體磁珠的頻率響應(yīng)可能會(huì)發(fā)生顯著變化。隨著直流偏置的增加，磁性材料接近飽和，其磁導(dǎo)率降低，導(dǎo)致部分（或全部）信號(hào)落入鐵氧體的非線性區(qū)域。實(shí)際上，這會(huì)導(dǎo)致其額定帶寬內(nèi)的阻抗明顯下降。這種現(xiàn)象會(huì)使阻抗下降到其標(biāo)稱值的10×，從而明顯有可能出現(xiàn)EMI故障，從而無法充分抑制噪聲。

溫度依賴性

鐵氧體材料的磁導(dǎo)率也隨溫度而變化。如前所述，鐵氧體磁芯將射頻能量轉(zhuǎn)化為熱量，最終將鐵氧體材料加熱到一定程度。然而，超過一定溫度后，磁珠的磁性特性會(huì)發(fā)生變化，導(dǎo)致磁導(dǎo)率下降，進(jìn)而導(dǎo)致熱失控和零件故障。

鐵氧體磁珠在碳化硅柵極驅(qū)動(dòng)器電路中的應(yīng)用

鐵氧體磁珠為廣泛的應(yīng)用提供解決方案。其中一種應(yīng)用是將電源層與電源噪聲隔離開來，將 SMT 鐵氧體磁珠放置在穩(wěn)壓器模塊 （VRM） 附近。這些元件還可用于防止高頻振蕩器噪聲到達(dá)負(fù)載或抑制快速邏輯門之間長互連上的振鈴。根據(jù)帶寬、阻抗和額定電流，可以利用各種鐵氧體磁珠來抑制從開關(guān)轉(zhuǎn)換器到電機(jī)等一系列元件上的噪聲/振鈴/高頻振蕩。然而，本文的第二部分重點(diǎn)介紹當(dāng)代設(shè)計(jì)的一個(gè)主要挑戰(zhàn)：在柵極驅(qū)動(dòng)環(huán)路上使用鐵氧體磁珠來防止不必要的振鈴。

常用電源開關(guān)

柵極驅(qū)動(dòng)電路用于高速開關(guān)和電力電子應(yīng)用，以便在控制邏輯信號(hào)和輸出功率之間提供電壓隔離，并通過提供足夠的開關(guān)電壓為所選晶體管提供獨(dú)立控制。通常使用寬帶隙（WBG）半導(dǎo)體材料，因?yàn)樗鼈兛梢灾С诌@些應(yīng)用所需的高電壓和電流額定值。一些常見的晶體管襯底包括硅 （Si）、氮化鎵 （GaN） 和 SiC。通常使用Si MOSFET和絕緣柵雙極晶體管（IGBT），因?yàn)樗鼈兲峁拵逗透唠妶鰮舸╇妷海楦咚匍_關(guān)提供足夠的電子遷移率。最近，SiC MOSFET已被用于高功率應(yīng)用，因?yàn)樗鼈冊诠β侍幚砗烷_關(guān)速度方面具有最佳性能。

SiC 柵極驅(qū)動(dòng)器實(shí)現(xiàn)注意事項(xiàng)的簡要概述

在柵極驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)方面，SiC MOSFET有幾個(gè)與傳統(tǒng)硅晶體管不同的考慮因素，特別是在更快的開關(guān)速度方面。表1列出了在設(shè)計(jì)中選擇SiC MOSFET柵極驅(qū)動(dòng)器并將其集成到設(shè)計(jì)中時(shí)需要考慮的一些基本參數(shù)。一般而言，良好的柵極驅(qū)動(dòng)器拓?fù)湓试S在指定的標(biāo)稱柵源電壓（VGS-op）上具有±5%的容差，而通過嚴(yán)格的反饋控制可以實(shí)現(xiàn)±2%的容差，最終避免了允許在連續(xù)柵極驅(qū)動(dòng)電壓之上產(chǎn)生振鈴和過沖的最大額定電壓。SiC MOSFET 中的高 dV/dt（電壓隨時(shí)間變化的速率）需要較低的外部柵極電阻 （RG） 和高共模瞬態(tài)抗擾度 （CMTI） 的組合，以避免因過多電流流過晶體管而導(dǎo)致閂鎖故障。所選柵極驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)能力至關(guān)重要，因?yàn)樗鼪Q定了可以泵入 SiC MOSFET 以使其導(dǎo)通的電流范圍，以及用于關(guān)閉 MOSFET 的電流。換句話說，這優(yōu)化了開關(guān)速度。為了確保整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)健性能，還需要額外的保護(hù)電路。

如圖2所示，為了正確實(shí)現(xiàn)柵極驅(qū)動(dòng)器電路，有幾種潛在的解決方案，包括：

將柵極驅(qū)動(dòng)器放置在盡可能靠近 MOSFET 的位置

優(yōu)化開關(guān)速度以注意 dV/dt

通過對稱的PCB布局將柵極環(huán)路電感降至最低

在柵極和源極之間放置一個(gè)小電容器

使電源走線遠(yuǎn)離柵極環(huán)路

將鐵氧體磁珠與柵極串聯(lián)放置

圖2：在柵極支腿處放置鐵氧體磁珠可減少柵極上的電壓尖峰和振鈴

寄生振蕩和鐵氧體的選擇

在具有高側(cè) MOSFET 和低側(cè) MOSFET（例如 H 橋、三相橋）的配置中，當(dāng)?shù)蛡?cè)晶體管出現(xiàn)寄生振蕩時(shí)，高側(cè) MOSFET 可能會(huì)故障導(dǎo)通，從而導(dǎo)致柵極上的過壓瞬變和潛在的硬件故障。由于 dV/dt 較高，SiC MOSFET 特別容易受到這些振蕩條件的影響——開關(guān)瞬態(tài)期間漏源電壓的快速變化會(huì)感應(yīng)低側(cè) MOSFET 中的電流從漏極流經(jīng)柵極至漏極電容流向柵極電路。當(dāng)高邊晶體管上升期間柵源電壓高于閾值電壓時(shí)，低端MOSFET將意外導(dǎo)通。1 這對于高功率器件來說尤其麻煩，因?yàn)檫@些寄生諧振可以耦合到一個(gè)正反饋環(huán)路，從而有可能維持或放大振蕩。

增加?xùn)艠O電阻（RG）通常足以抑制這些諧振;然而，這伴隨著減慢開關(guān)速度的代價(jià)。由于這些電路的寄生振蕩通常在50 MHz至200 MHz范圍內(nèi)，因此在頻率為30 MHz至40 MHz的頻率下使用阻抗為25 Ω至100 Ω的鐵氧體磁珠，最大驅(qū)動(dòng)電流不超過2 A至3 A通常足以抑制SiC柵極驅(qū)動(dòng)器的振鈴，而不會(huì)對開關(guān)性能產(chǎn)生負(fù)面影響。當(dāng)與小RG串聯(lián)使用時(shí)，寄生振蕩會(huì)下降，同時(shí)將開關(guān)損耗降至最低。

為 SiC 柵極驅(qū)動(dòng)器選擇合適的鐵氧體磁珠

了解發(fā)生不需要的高頻噪聲的帶寬內(nèi)的高阻抗對于在不影響器件低頻性能的情況下充分抑制噪聲尤為重要。此外，了解鐵氧體磁珠的頻率響應(yīng)（ZRX曲線）以及它在匝數(shù)、磁珠數(shù)、尺寸、布局、額定電流或溫度方面的變化，在設(shè)計(jì)過程中可以有所啟發(fā)。

通常，鐵氧體磁珠僅在其規(guī)定的額定電流范圍內(nèi)發(fā)揮最佳功能，如果鐵氧體磁珠的驅(qū)動(dòng)超出其最大額定值，則低頻性能和開關(guān)性能可能會(huì)下降。而且，與大多數(shù)電子電路一樣，溫度波動(dòng)/極端情況會(huì)對性能產(chǎn)生不利影響，因此在指定的額定溫度內(nèi)工作是可預(yù)測性能的關(guān)鍵。

在某些應(yīng)用中，可以使用多個(gè)鐵氧體磁珠;然而，這通常是不必要的，而且是一個(gè)過于繁瑣的過程，特別是在SiC柵極驅(qū)動(dòng)器的柵極腿中安裝鐵氧體磁珠時(shí)。特別是對于此應(yīng)用，SMT NiZn磁珠通常因其在VHF頻段的性能而得到利用，而不會(huì)增加可能使EMI惡化的額外布線和寄生效應(yīng)。

最終，了解鐵氧體磁珠的設(shè)計(jì)考慮因素可以揭開將鐵氧體磁珠集成到電路中的過程的神秘面紗。

審核編輯：郭婷