鐵氧體磁珠通常與開關晶體管和高功率電子設備一起使用，以濾除電源線中的噪聲，在插入電路時采用磁性材料產生損耗電感。雖然鐵氧體磁珠本身的設計可能相對簡單（例如，奇異孔、復數孔/匝、環形、螺線管），但其應用設計考慮因素可能很復雜。從PCB上的電源濾波和噪聲抑制到多導體布線上的共模扼流圈，鐵氧體磁珠為各種應用提供EMC解決方案。

了解基本的鐵氧體磁珠參數對于將其集成到特定應用中以抑制EMI非常重要。其中一種應用是在碳化硅（SIC）柵極驅動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柵極驅動器設計中使用鐵氧體磁珠的最佳實踐。

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電陶瓷部件，包括鈷、鐵、鎳、鋅或鎂等金屬氧化物的組合。當沿著電氣路徑放置時，已知這些組件通過將噪聲能量轉換為熱能來消除噪聲能量。

從本質上講，鐵氧體磁珠充當RF扼流圈，在電路中引入高頻電阻，而不會對低頻性能產生不利影響。鐵氧體的結構可以從接地網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）復合材料。MnZn 通常介于 0.1 MHz 至 1.5 MHz 范圍內，而 NiZn 鐵氧體材料的頻率性能最高，頻率約為 1 MHz 至 2 GHz，因為它們的電阻率高于 MiZn 鐵氧體。

通常，MiZn鐵氧體表現出最高的磁導率 - 一種指材料傳導磁場的能力的特性 - 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、溫度穩定性和插入損耗都可能因制造工藝的質量和所用各種材料的比例而異。最終，設計人員需要通過了解特定應用電路中的基本EMI源以及突然出現的無用頻率范圍來評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在所需帶寬內表現出最高的電阻，并出現不希望的振蕩。

基本參數

數據表和產品說明通常包括基本參數，例如特定頻率點（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）、內徑 （ID） 和長度 （L）。雖然這些參數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的阻抗信息。如前所述，為了為特定的噪聲抑制應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

PCB的典型鐵氧體結構包括表面貼裝（SMT）和具有單個孔或多個孔的圓柱形磁珠，例如具有兩個通孔的雙目磁芯或具有六個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比不適合多圈的應用，即使使用更大規格（更細）的導線也是如此。然而，這些較小的尺寸允許發生自共振的頻率更高。而且，與任何電感器一樣，將產生自諧振頻率，從而在特定頻率下產生高阻抗。

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的增加而增加——理想情況下增加較高頻率下的阻抗，同時在低頻時保持低阻抗。這種效果也可以通過將鐵氧體磁珠放在一條線上來實現。

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

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以及鐵氧體磁芯中的磁損耗有關。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。該寄生電容充當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LC諧振之前，SMT鐵氧體磁珠的電感特性占主導地位。自諧振后，由于導體電流的磁場被限制在內部導體之間，電容特性變得占主導地位，最終導致阻抗滾降。

選擇鐵氧體磁珠時要考慮的參數

直流額定電流

當在超過額定直流電流額定值的電路中使用時，鐵氧體磁珠的頻率響應可能會發生顯著變化。隨著直流偏置的增加，磁性材料接近飽和，其磁導率降低，導致部分（或全部）信號落入鐵氧體的非線性區域。實際上，這會導致其額定帶寬內的阻抗明顯下降。這種現象會使阻抗下降到其標稱值的10×，從而明顯有可能出現EMI故障，從而無法充分抑制噪聲。

溫度依賴性

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

鐵氧體磁珠在碳化硅柵極驅動器電路中的應用

鐵氧體磁珠為廣泛的應用提供解決方案。其中一種應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負載或抑制快速邏輯門之間長互連上的振鈴。根據帶寬、阻抗和額定電流，可以利用各種鐵氧體磁珠來抑制從開關轉換器到電機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介紹當代設計的一個主要挑戰：在柵極驅動環路上使用鐵氧體磁珠來防止不必要的振鈴。

常用電源開關

柵極驅動電路用于高速開關和電力電子應用，以便在控制邏輯信號和輸出功率之間提供電壓隔離，并通過提供足夠的開關電壓為所選晶體管提供獨立控制。通常使用寬帶隙（WBG）半導體材料，因為它們可以支持這些應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），因為它們提供寬帶隙和高電場擊穿電壓，并為高速開關提供足夠的電子遷移率。最近，SiC MOSFET已被用于高功率應用，因為它們在功率處理和開關速度方面具有最佳性能。

SiC 柵極驅動器實現注意事項的簡要概述

在柵極驅動實現方面，SiC MOSFET有幾個與傳統硅晶體管不同的考慮因素，特別是在更快的開關速度方面。表1列出了在設計中選擇SiC MOSFET柵極驅動器并將其集成到設計中時需要考慮的一些基本參數。一般而言，良好的柵極驅動器拓撲允許在指定的標稱柵源電壓（VGS-op）上具有±5%的容差，而通過嚴格的反饋控制可以實現±2%的容差，最終避免了允許在連續柵極驅動電壓之上產生振鈴和過沖的最大額定電壓。SiC MOSFET 中的高 dV/dt（電壓隨時間變化的速率）需要較低的外部柵極電阻 （RG） 和高共模瞬態抗擾度 （CMTI） 的組合，以避免因過多電流流過晶體管而導致閂鎖故障。所選柵極驅動器的驅動能力至關重要，因為它決定了可以泵入 SiC MOSFET 以使其導通的電流范圍，以及用于關閉 MOSFET 的電流。換句話說，這優化了開關速度。為了確保整個系統的穩健性能，還需要額外的保護電路。

如圖2所示，為了正確實現柵極驅動器電路，有幾種潛在的解決方案，包括：

將柵極驅動器放置在盡可能靠近 MOSFET 的位置

優化開關速度以注意 dV/dt

通過對稱的PCB布局將柵極環路電感降至最低

在柵極和源極之間放置一個小電容器

使電源走線遠離柵極環路

將鐵氧體磁珠與柵極串聯放置

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 MOSFET 和低側 MOSFET（例如 H 橋、三相橋）的配置中，當低側晶體管出現寄生振蕩時，高側 MOSFET 可能會故障導通，從而導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——開關瞬態期間漏源電壓的快速變化會感應低側 MOSFET 中的電流從漏極流經柵極至漏極電容流向柵極電路。當高邊晶體管上升期間柵源電壓高于閾值電壓時，低端MOSFET將意外導通。1 這對于高功率器件來說尤其麻煩，因為這些寄生諧振可以耦合到一個正反饋環路，從而有可能維持或放大振蕩。

增加柵極電阻（RG）通常足以抑制這些諧振;然而，這伴隨著減慢開關速度的代價。由于這些電路的寄生振蕩通常在50 MHz至200 MHz范圍內，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，最大驅動電流不超過2 A至3 A通常足以抑制SiC柵極驅動器的振鈴，而不會對開關性能產生負面影響。當與小RG串聯使用時，寄生振蕩會下降，同時將開關損耗降至最低。

為 SiC 柵極驅動器選擇合適的鐵氧體磁珠

了解發生不需要的高頻噪聲的帶寬內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（ZRX曲線）以及它在匝數、磁珠數、尺寸、布局、額定電流或溫度方面的變化，在設計過程中可以有所啟發。

通常，鐵氧體磁珠僅在其規定的額定電流范圍內發揮最佳功能，如果鐵氧體磁珠的驅動超出其最大額定值，則低頻性能和開關性能可能會下降。而且，與大多數電子電路一樣，溫度波動/極端情況會對性能產生不利影響，因此在指定的額定溫度內工作是可預測性能的關鍵。

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

最終，了解鐵氧體磁珠的設計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