簡(jiǎn)單的速率控制技術(shù)可降低開通能耗

Wolfgang Frank

摘要：電力電子系統(tǒng)（如馬達(dá)）中的開關(guān)損耗降低受到電磁干擾（ EMI）或開關(guān)電壓斜率等參數(shù)的限制。通常是通過(guò)選擇有效的功率晶體管柵極電阻來(lái)解決這一問(wèn)題。但這在運(yùn)行中是無(wú)法自主進(jìn)行調(diào)整的。本文將介紹一種通過(guò)并聯(lián)常規(guī)柵極驅(qū)動(dòng)芯片來(lái)攻克這一難題的簡(jiǎn)單方法。文中還介紹了與開通能耗改進(jìn)有關(guān)的表征數(shù)據(jù)的評(píng)估。

關(guān)鍵詞：馬達(dá);開關(guān)損耗;EMI;開關(guān)電壓斜率;柵極驅(qū)動(dòng)

0 引言

連接MOS柵極功率晶體管的柵極電阻選型，一般有2個(gè)優(yōu)化目標(biāo)。首先，應(yīng)通過(guò)選擇電阻值較小的柵極電阻，使功率晶體管的開關(guān)速度更快。這將自動(dòng)降低開關(guān)損耗，從而降低總體損耗。其次，柵極電阻還可降低開關(guān)速度，比如dvCE/dt或dic/dt。這可使柵極電路中發(fā)生的由寄生雜散電感或耦合電容引起的振蕩減少。因此，必須通過(guò)折中的辦法在給定版圖中實(shí)現(xiàn)相對(duì)最優(yōu)。然而，只需管理特定的工況點(diǎn)（如臨時(shí)過(guò)載或輕載條件）就已足夠。這些條件會(huì)使開關(guān)速度比應(yīng)用系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)更慢。

電氣驅(qū)動(dòng)在低負(fù)荷條件下運(yùn)行，是輕載條件的典型范例。由于來(lái)自二極管的換向電流很小，所以流入IGBT的正向電流也很小，在對(duì)應(yīng)的IGBT導(dǎo)通速度太快時(shí)，可能造成嚴(yán)重振蕩。如果正向電流能達(dá)到標(biāo)稱電流[1]的25%或以上，則這些振蕩可以被大幅度地減弱甚至消除。

1 推薦的柵極驅(qū)動(dòng)概念

正常的柵極驅(qū)動(dòng)電路如圖1所示。1個(gè)柵極驅(qū)動(dòng)器的開通電流和關(guān)斷電流大小取決于柵極電阻的柵極電流。電流iOUT+給功率晶體管的柵極充電，而電流iOUT一給功率晶體管的柵極放電。

除了更復(fù)雜的柵極驅(qū)動(dòng)電路[1]或IPM[2]之外，提議的柵極驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由圖1中所示的兩種常規(guī)柵極驅(qū)動(dòng)芯片組成。

圖2顯示了推薦的開通電流能力得以改進(jìn)的柵極驅(qū)動(dòng)概念。將型號(hào)為1EDI60112AF的2個(gè)柵極驅(qū)動(dòng)器并聯(lián)。2個(gè)IN+并接被用于常規(guī)PWM輸入信號(hào)。柵極驅(qū)動(dòng)芯片IC2的端子IN-被用于是否選擇芯片IC2-起參與輸出。該信號(hào)可由應(yīng)用控制簡(jiǎn)單生成，也能用與開關(guān)性能有關(guān)的傳感信號(hào)來(lái)控制，比如自溫度或集電極電流。啟用IC2芯片可以給柵極電流i.注入另一個(gè)分量iOUT+2從而一起參與開通過(guò)程。

如圖2所示，只有驅(qū)動(dòng)芯片IC1可以用于關(guān)斷。不然可能出現(xiàn)ICI在輸出電流而IC2在吸收電流的情況，所以IC2的灌電流功能不能同時(shí)使用。這會(huì)導(dǎo)致芯片中或相關(guān)柵極電阻中出現(xiàn)過(guò)度的功率損耗。

柵極電流ig（t）的時(shí)間控制如圖3所示。如圖3中上圖所示，在低負(fù)荷條件下，用于導(dǎo)通和關(guān)斷的柵極電流只能由芯片ICI提供。導(dǎo)通性能可以根據(jù)個(gè)別應(yīng)用需求或設(shè)計(jì)準(zhǔn)則（比如驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的最大dvCE/dt）進(jìn)行調(diào)整[3]。參見圖2可知，可以通過(guò)對(duì)IC2的IN-端施加低電平信號(hào)，來(lái)實(shí)現(xiàn)高負(fù)荷運(yùn)行和低負(fù)荷運(yùn)行之間的切換。它可激活I(lǐng)C2的電流輸出端，從而實(shí)現(xiàn)更快速的開通。選擇IC2的OUT+端的附加導(dǎo)通柵極電阻值時(shí)，必須能使功率晶體管的導(dǎo)通性能再次滿足應(yīng)用需求。

2 測(cè)量結(jié)果評(píng)估

圖4所示為開通電流能力得以改進(jìn)的柵極驅(qū)動(dòng)概念下，不同柵極電阻和集電極電流IC的導(dǎo)通能耗Ecm和dvCE/dt的雙脈沖試驗(yàn)的結(jié)果。柵極電阻從10-47 Ω不等（常規(guī)解決方案對(duì)應(yīng)的是實(shí)線），集電極電流位于標(biāo)稱電流的10% - 100%之間。軟件計(jì)算90%/10%的dvCE/dt值。供試功率晶體管為英飛凌的40 A/1 200V IGBT（ IKW40N120T2）。

壓擺率dvCE/dt出在集電極電流區(qū)間內(nèi)持續(xù)上升。2個(gè)柵極驅(qū)動(dòng)器各自的柵極電阻為Rgt=18 Ω和Rg1=47 Ω。應(yīng)用推薦的柵極驅(qū)動(dòng)技術(shù)可以在較小的集電極電流區(qū)間內(nèi)使用柵極電阻Rgt。根據(jù)推測(cè)，圖4中與Rg=20Ω對(duì)應(yīng)的綠線將獲得與Rg =18Ω類似的結(jié)果，但dvCE/dt會(huì)小一些。在標(biāo)稱電流50%（ Ie= 20A）以上，切換到同時(shí)使用2顆柵極驅(qū)動(dòng)芯片（就是R0為13 Ω）并行運(yùn)行的情況。

開通損耗如圖4中的下圖所示。使用本文推薦的柵極驅(qū)動(dòng)時(shí)，它在標(biāo)稱電流（ Ie =40A）條件下，可從4.8 mJ下降到3.6 mJ。這相當(dāng)于開通損耗Eon被降低了25%左右。

3 結(jié)論

由于2個(gè)輸出端的柵極電阻可以相互獨(dú)立地進(jìn)行選擇，所以給每個(gè)功率晶體管使用2顆柵極驅(qū)動(dòng)器，再加上能夠自主選擇運(yùn)行的柵極驅(qū)動(dòng)器，可以作為改進(jìn)功率晶體管性能的簡(jiǎn)單方法。只需簡(jiǎn)單地使用2顆柵極驅(qū)動(dòng)芯片，即可實(shí)現(xiàn)開通電流能力或關(guān)斷電流能力的改進(jìn)。而且，相比使用功能相同的分立式解決方案，使用柵極驅(qū)動(dòng)芯片（如英飛凌的1EDI60112AF）還可減輕設(shè)計(jì)工作負(fù)擔(dān)。只需遵循常規(guī)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，即可獲得開通能耗E_最多降低25%和開通電流能力獲得改進(jìn)的益處。因此，推薦的柵極驅(qū)動(dòng)概念比常規(guī)解決方案的表現(xiàn)更勝一籌。

參考文獻(xiàn)：

[1] FRANK W.Real-time adjustable gate current controlIC solves dv/ dt problems in electric drives， Proc[C]. PCIM2014.

[2] Mitsubishi： System Benefits of Using Gl SeriesIntelligent Power Modules （IPM）[J].Bodo's PowerMagazine，2017（3）.

[3] Gambica Association ： Motor Insulation VoltageStresses Under PWM Inverter Operation[M].Technicalreport，N01 ，3rd ed. UK， 2006.