-.z設(shè)計(jì)高壓側(cè)柵極驅(qū)動電路與損耗：Jun-BaeLee、Byoung-ChulCho、Dae-WoongChung和Bum-SeokSuh,飛兆半導(dǎo)體公司SPM和系統(tǒng)工程組發(fā)表時(shí)間：2005-09-07引言Mini-SPM系列產(chǎn)品,為低功率(100W~2.2kW)電機(jī)驅(qū)動電路提供高效率、高可靠性和設(shè)計(jì)簡便的方案。Mini-SPM采用內(nèi)置高壓驅(qū)動IC(HVIC)作為柵極驅(qū)動電路，使設(shè)計(jì)更簡單緊湊，從而大幅降低整個(gè)系統(tǒng)的本錢并提高可靠性，并且更為系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員帶來極佳的高壓側(cè)柵極電路設(shè)計(jì)靈活性。本文著重討論Mini-SPM采用的高壓側(cè)柵極驅(qū)動電路的特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)。設(shè)計(jì)中采用外接?xùn)艠O電阻優(yōu)化開關(guān)損耗和開關(guān)噪聲之間的權(quán)衡，降低可能引起HVIC誤操作的電壓應(yīng)力。本文中的討論在通常情況下適用于所有IGBT驅(qū)動IC種類。飛兆半導(dǎo)體已開發(fā)出Mini-SPM的最新版本，其額定功率為600V×(3~30)A。圖1和圖2所示分別為此種Mini-SPM的外觀和內(nèi)部功能塊圖。由于Mini-SPM具有低本錢、高效率、高可靠性和設(shè)計(jì)簡單的優(yōu)點(diǎn)，因此廣泛應(yīng)用于空調(diào)、洗衣機(jī)、冰箱和其它工業(yè)應(yīng)用中。Mini-SPM最突出的特點(diǎn)之一是給予最終用戶很大的設(shè)計(jì)靈活性，能夠大幅提高系統(tǒng)的整體性能。Mini-SPM采用3個(gè)獨(dú)立N極接線端子構(gòu)造，有助用戶方便、高效地檢測各相的負(fù)載電流，從而實(shí)現(xiàn)高效率、低本錢電機(jī)驅(qū)動算法。高壓側(cè)外接?xùn)艠O電阻能讓設(shè)計(jì)人員調(diào)節(jié)Mini-SPM的開關(guān)速度，此舉有助于優(yōu)化開關(guān)損耗和開關(guān)噪聲，并且降低電壓應(yīng)力(可能在極端條件下引起HVIC閉鎖)。本文著重介紹終端用戶可以通過這類產(chǎn)品具備的一些優(yōu)點(diǎn)，以及在設(shè)計(jì)高壓側(cè)柵極電阻時(shí)應(yīng)考慮的問題。當(dāng)然，除Mini-SPM外，這些討論也適用于一般的逆變器應(yīng)用。采用HVIC柵極驅(qū)動電路的阻抗元件圖3所示為采用HVIC的柵極驅(qū)動電路及其外圍電路。這包括了一個(gè)外部電路，用來給Mini-SPM的內(nèi)置HVIC提供自舉電壓。Mini-SPM具有內(nèi)置柵極電阻(RG)，并可在高壓側(cè)柵極驅(qū)動電路添加額外的阻抗。在HVIC和高壓側(cè)IGBT發(fā)射極之間外接阻抗元件，設(shè)計(jì)人員可以調(diào)節(jié)高壓側(cè)的開關(guān)耗損和開關(guān)噪聲。圖4給出了不同類型的阻抗元件組合。最終用戶可選擇其一來控制IGBT開/關(guān)速度。類型A〔電阻標(biāo)記為RE(H)〕因具有實(shí)用的功能而得到最廣泛應(yīng)用。至于其它類型，也會得到類型A的效果，但本文主要討論類型A。RE(H)的設(shè)計(jì)和特征根本上，選擇RE(H)時(shí)要考慮兩個(gè)因素。首先，最終用戶要考慮開關(guān)損耗與開關(guān)噪聲(即dv/dt)間的權(quán)衡，因?yàn)镽E(H)會影響高壓側(cè)IGBT的開關(guān)功能。其次，要防止HVIC在極端條件下的誤操作，因?yàn)槿缬胸?fù)壓加在Vs端，會導(dǎo)致HVIC閉鎖。A.開關(guān)損耗與開關(guān)噪聲之間的權(quán)衡高速開關(guān)動作會通過系統(tǒng)接地、電機(jī)和輸出電纜之間的耦合寄生電容(Cparasitic)產(chǎn)生噪聲電流(inoise)。

(1)

一般來說，IGBT導(dǎo)通時(shí)的dv/dt(即二極管的關(guān)斷dv/dt)是EMI噪聲的主要致因。設(shè)計(jì)柵極驅(qū)動電路需要到達(dá)兩個(gè)不同的目標(biāo)：降低IGBT開關(guān)損耗和EMI噪聲。與采用固定柵極驅(qū)動電路的一般功率模塊不同，Mini-SPM支持外接?xùn)艠O電阻，能夠成功實(shí)現(xiàn)這兩個(gè)目標(biāo)。RE(H)與內(nèi)部RG一起充當(dāng)IGBT運(yùn)行時(shí)的柵極電阻。RE(H)越大，開關(guān)速度便越慢。當(dāng)然，開關(guān)速度的放慢會在降低噪聲的同時(shí)增加開關(guān)損耗。不過，與內(nèi)部RG不同，很小的RE(H)便足以降低dv/dt，而且導(dǎo)通時(shí)的di/dt也只有微小的增加。這正是RE(H)的主要效用。如圖5所示，在t1區(qū)域，RE(H)的作用只是高壓側(cè)柵極驅(qū)動電路的柵極電阻。只要它遠(yuǎn)小于RG，就不會影響導(dǎo)通di/dt，但卻可控制dv/dt使其遠(yuǎn)小于di/dt。在t3區(qū)域，HVIC的寄生電容通過RE(H)充電，在RE(H)上產(chǎn)生壓降。VGE的降低使導(dǎo)通dv/dt減慢。圖6給出了采用這種新型柵極驅(qū)動技術(shù)來控制導(dǎo)通dv/dt的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。實(shí)驗(yàn)中，RE(H)增加到最大值，因?yàn)樗坪跄茉谛∮?kV/ms的限度內(nèi)產(chǎn)生足夠的dv/dt水平。由于降低導(dǎo)通電流會在IGBT導(dǎo)通開啟時(shí)產(chǎn)生較高的dv/dt，實(shí)驗(yàn)中的導(dǎo)通電流設(shè)為1A。盡管RE(H)增加了，di/dt仍保持不變。不過，dv/dt卻顯著下降。圖7所示為開關(guān)dv/dt的定義。圖8表示開關(guān)損耗和開關(guān)dv/dt隨RE(H)的變化關(guān)系。當(dāng)RE(H)增加，開關(guān)損耗也稍微增加，而dv/dt則顯著下降。B.負(fù)壓VS和VBS過壓HVIC的閉鎖主要由VS上出現(xiàn)負(fù)壓或VBS出現(xiàn)過壓而引起，這種負(fù)壓和過壓是開關(guān)電流過量所致。當(dāng)負(fù)載通過小電感對地短路，就會在線路上產(chǎn)生大電流。當(dāng)高壓側(cè)IGBT關(guān)閉以切斷該短路電流時(shí)，二極管電流IF開場流經(jīng)Rsh、DF和雜散電感(見圖9(a))。由于IFdi/dt增加，過大電壓的VF會出現(xiàn)。過大的VF使VS變?yōu)樨?fù)壓，同時(shí)使VBS出現(xiàn)尖峰，這就可能導(dǎo)致HVIC出現(xiàn)誤操作，進(jìn)而損壞HVIC和IGBT。不過，采用RE(H)就可通過降低電壓應(yīng)力，從而防止HVIC閉鎖。圖9(b)~(d)給出了負(fù)載通過一根20cm長電纜對地短路時(shí)的實(shí)驗(yàn)波形。當(dāng)IGBT在RE(H)=0時(shí)關(guān)斷，施加在VS上的電壓為-60V，施加在VBS上的尖峰脈沖為34V，寬度為200毫微秒。這些沖擊都超過了HVIC的技術(shù)指標(biāo)，因而危及其穩(wěn)定性。當(dāng)RE(H)越大，對HVIC的電壓應(yīng)力的沖擊越小。設(shè)計(jì)考慮A.RBS的選擇圖10所示為自舉電容在充電初始階段中電流的路徑。當(dāng)RE(H)的壓降大于高壓側(cè)IGBT的電壓閾值時(shí)，高壓側(cè)IGBT將被置為“導(dǎo)通〞狀態(tài)，并導(dǎo)致開關(guān)臂短路(armshort)。因此，RE(H)的電壓(見公式(2))應(yīng)當(dāng)?shù)陀贗GBT的電壓閾值。 

(2)

對于Mini-SPM，我們建議其RBS應(yīng)比RE(H)大兩倍，這樣，即使在最壞的情況下(如IGBT電壓閾值小和VCC高的情況)，也能限制RE(H)上的壓降。B.RE(H)的額定功率在選擇RE(H)的額定功率時(shí)，要充分考慮高壓側(cè)IGBT柵極的充電和放電情況。建議采用的RE(H)額定功率為0.5W。C.RE(H)的上限當(dāng)?shù)蛪簜?cè)IGBT導(dǎo)通時(shí)，高壓側(cè)IGBT集電極和發(fā)射極之間的dv/dt將增加。由于dv/dt的這種變化，CCG感應(yīng)出的電流ICG會流經(jīng)RG和RE(H)。如果VGE大于高壓側(cè)IGBT的電壓閾值，高壓側(cè)IGBT便會發(fā)生瞬間導(dǎo)通。為了防止這種故障出現(xiàn)，應(yīng)對RE(H)設(shè)置上限。而對于Mini-SPM，RE(H)的限制為低于30Ω。在RE(