集成自舉二極管和快速過(guò)流保護(hù)的600V三相柵極驅(qū)動(dòng)器加速了三相電機(jī)應(yīng)用

三相電機(jī)運(yùn)行需要三相逆變器，其一般組成為：6個(gè)功率晶體管(MOSFETs或IGBTs)、控制晶體管的柵極驅(qū)動(dòng)器(一個(gè)或多個(gè))、實(shí)現(xiàn)控制算法(速度、轉(zhuǎn)矩控制等)的控制邏輯電路(微控制器或微處理器)。

柵極驅(qū)動(dòng)器為數(shù)字控制和功率執(zhí)行器之間的模擬橋梁，其必須可靠、抗噪聲和擾動(dòng)魯棒、精確(保證控制算法和脈寬調(diào)制有效)，且為保證安全運(yùn)行，其在非常規(guī)條件下或在系統(tǒng)某一部分失效期間需具備保護(hù)和安全功能。

引言

STMicroelectronics STDRIVE601為一款針對(duì)N溝道功率MOSFET和IGBT的集成三個(gè)半橋柵極驅(qū)動(dòng)器的單芯片。該芯片采用了ST公司的BCD6s-高壓技術(shù)，該技術(shù)將雙極性、CMOS和DMOS器件與可驅(qū)動(dòng)高側(cè)晶體管且擊穿電壓超過(guò)600V的浮動(dòng)單元集成在了同一芯片上。新一代的BCD6s技術(shù)確保了該器件一流的穩(wěn)健性。

該器件還具備幾項(xiàng)輔助功能和特點(diǎn)，這有助于加速系統(tǒng)設(shè)計(jì)、減少外圍元器件和電路。避免針對(duì)噪音和擾動(dòng)來(lái)使用復(fù)雜瑣碎的保護(hù)電路且可確保整個(gè)應(yīng)用簡(jiǎn)單經(jīng)濟(jì)。

STDRIVE601采用小體積的SO28封裝，可替代三個(gè)半橋驅(qū)動(dòng)器以簡(jiǎn)化PCB板布局。6路輸出均可實(shí)現(xiàn)350mA灌電流和200mA拉電流，且柵極驅(qū)動(dòng)電壓范圍為9-20V。

三個(gè)高側(cè)自舉單元工作電壓高達(dá)600V且可由內(nèi)置自舉二極管供電，可節(jié)省PCB面積并減少元件數(shù)量。低側(cè)和每個(gè)高側(cè)驅(qū)動(dòng)單元的欠壓鎖定(UVLO)功能可防止功率開(kāi)關(guān)工作在低效或危險(xiǎn)狀態(tài)。

由于技術(shù)發(fā)展和設(shè)計(jì)優(yōu)化，STDRIVE601可在負(fù)壓尖峰超過(guò)100V時(shí)保證穩(wěn)健性，并且以業(yè)界領(lǐng)先的85ns響應(yīng)邏輯輸入。高低側(cè)單元的延時(shí)匹配消除了周期畸變且可保證高頻運(yùn)行，互鎖和死區(qū)插入同時(shí)也避免了未知情況下的交叉導(dǎo)通。

智能關(guān)斷電路確保了有效的過(guò)流保護(hù)，高速保護(hù)功能可在檢測(cè)到過(guò)載或短路后的短短360ns內(nèi)關(guān)斷柵極驅(qū)動(dòng)器。設(shè)計(jì)者可通過(guò)改變外部電容的容值來(lái)設(shè)置和調(diào)整保護(hù)關(guān)斷時(shí)間而不會(huì)影響芯片關(guān)斷反應(yīng)時(shí)間，該芯片還提供了一個(gè)低電平有效故障指示引腳。

ST公司還提供了EVALSTDRIVE601評(píng)估板以幫助用戶探索STDRIVE601的功能并迅速啟動(dòng)和運(yùn)行第一個(gè)原型。

負(fù)壓現(xiàn)象

半橋輸出中的負(fù)壓尖峰在功率應(yīng)用中非常常見(jiàn)，特別是空間或機(jī)械限制導(dǎo)致無(wú)法對(duì)PCB布局進(jìn)行優(yōu)化時(shí)。負(fù)壓尖峰會(huì)導(dǎo)致一些不良現(xiàn)象，如自舉電容的過(guò)充電以及器件穩(wěn)健性不足時(shí)輸出側(cè)的誤動(dòng)作。

在半橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，特別是驅(qū)動(dòng)大感性負(fù)載時(shí)，功率半橋的輸出很容易出現(xiàn)負(fù)壓，表現(xiàn)為初始的動(dòng)態(tài)尖峰和后續(xù)的靜態(tài)負(fù)壓(如圖1-b所示)。這個(gè)現(xiàn)象出現(xiàn)在橋臂硬開(kāi)關(guān)切換至低電平輸出且負(fù)載電流由橋臂輸出至負(fù)載時(shí)。當(dāng)高側(cè)開(kāi)關(guān)關(guān)閉時(shí)，感性負(fù)載元件試圖維持輸出電流恒定。輸出電壓逐漸降低且當(dāng)其降低至“地”電平值時(shí)，電流開(kāi)始經(jīng)低側(cè)續(xù)流二極管續(xù)流，該二極管正向?qū)ā?dòng)態(tài)負(fù)壓主要是由于與半橋低側(cè)電流路徑續(xù)流二極管串聯(lián)的PCB板子上寄生電感引起的高dI/dt而造成的尖峰。另外，動(dòng)態(tài)負(fù)壓還與低側(cè)續(xù)流二極管的正向尖峰電壓(其在短暫時(shí)間內(nèi)由高壓反向狀態(tài)切換到正向?qū)顟B(tài))和分流電阻的寄生電感有關(guān)。

靜態(tài)負(fù)壓主要由采樣電阻(如果有)的電壓降和續(xù)流二極管的正向電壓降組成(如圖1-a)。

圖1 半橋電路的負(fù)壓現(xiàn)象

柵極驅(qū)動(dòng)器穩(wěn)健性

STDRIVE601設(shè)計(jì)的主要特點(diǎn)是其對(duì)噪音、擾動(dòng)和負(fù)壓現(xiàn)象出色的穩(wěn)健性。得益于創(chuàng)新的電平轉(zhuǎn)換器架構(gòu)和ST先進(jìn)的制造工藝技術(shù)，該驅(qū)動(dòng)器具有出色的抗擊高負(fù)壓尖峰能力，并且能夠在非常陡峭的共模暫態(tài)下正常運(yùn)行。

在專用的測(cè)試電路(圖2)中測(cè)試并確認(rèn)了該芯片對(duì)負(fù)壓尖峰的抗擾性，該設(shè)計(jì)旨在人為地產(chǎn)生比實(shí)際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)的尖峰大得多的負(fù)壓尖峰。

圖2中RL負(fù)載為200 μH、16 Ω，且為了模擬PCB布局較差時(shí)引入的雜散電感的影響，選了幾個(gè)電感(0.19 μH, 0.45 μH, 0.82 μH)可與低側(cè)IGBT串聯(lián)。

圖2 負(fù)壓現(xiàn)象分析電路

圖3為雜散電感為0.82 μH時(shí)的現(xiàn)象：輸出由300V擺動(dòng)至0V，負(fù)壓尖峰最小峰值為-127V且保持148ns。經(jīng)過(guò)幾次的切換，沒(méi)有任何損壞或者運(yùn)轉(zhuǎn)失常。

圖3 雜散電感為0.82 μH時(shí)通道1輸出存在-127V負(fù)壓尖峰

自舉二極管

STDRIVE601內(nèi)部自舉二極管采用額定600V MOSFETs實(shí)現(xiàn)，其在LVG輸出打開(kāi)時(shí)經(jīng)由主電源(VCC)給每個(gè)通道的自舉電容充電。這避免了使用大且貴的外部高壓二極管。

圖4 STDRIVE601自舉二極管和傳統(tǒng)自舉二極管對(duì)比

內(nèi)置自舉電路導(dǎo)通，有一個(gè)正向偏置，不存在實(shí)際二極管中的偏置電壓。圖4展示了這兩者的區(qū)別，其表示了STDRIVE601自舉二極管和傳統(tǒng)自舉二極管的I-V(電流-電壓)轉(zhuǎn)移曲線。對(duì)于給定電流，這一特征在剩余電壓降方面優(yōu)勢(shì)突出，且可在電壓降較小時(shí)也可對(duì)自舉電容進(jìn)行充電，而傳統(tǒng)二極管對(duì)此稍顯乏力。

過(guò)流智能關(guān)斷保護(hù)

STDRIVE601內(nèi)置了一個(gè)比較器，該比較器通過(guò)智能關(guān)斷(SmartSD)電路進(jìn)行故障保護(hù)。

SmartSD電路可在過(guò)載或過(guò)流時(shí)關(guān)斷柵極驅(qū)動(dòng)器，且故障檢測(cè)至實(shí)際輸出關(guān)斷之間的延時(shí)僅360ns。保護(hù)干預(yù)時(shí)間與故障后的禁用時(shí)間相互獨(dú)立，且保護(hù)響應(yīng)速度為市場(chǎng)上其他柵極驅(qū)動(dòng)器的兩倍。這允許設(shè)計(jì)者在不增加內(nèi)部保護(hù)延遲時(shí)間的情況下，將故障事件后輸出的禁用時(shí)間增加到非常大的值。禁用時(shí)間取決于外部電容COD的容值和可選的連接到OD引腳的上拉電阻的阻值(見(jiàn)圖5)。

用于智能關(guān)斷的比較器具有一個(gè)內(nèi)部參考電壓VREF且其連接到反相輸入端，同相輸入端連接至引腳CIN。比較器的CIN引腳可連接至外部分流電阻，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單快速的過(guò)流保護(hù)功能。比較器輸出信號(hào)經(jīng)濾波后輸入到SmartSD邏輯單元，其濾波時(shí)間為固定時(shí)間tFCIN(約300ns)。

VREF閾值典型值為460 mV，比較器輸入(CIN)滯環(huán)電壓約為70 mV。當(dāng)CIN引腳上脈沖電壓高于VREF時(shí)，SmartSD邏輯被觸發(fā)并立即將驅(qū)動(dòng)器輸出置低(OFF)。同時(shí)，故障引腳(FAULT)強(qiáng)制置低來(lái)指示該事件(例如輸入到微控制器)且OD開(kāi)始讓外部電容COD放電以設(shè)置故障事件的輸出禁用時(shí)間。一旦輸出禁用時(shí)間到期，F(xiàn)AULT引腳將釋放且驅(qū)動(dòng)器輸出重新跟隨輸入引腳。

總禁用時(shí)間由如下兩部分組成：

· OD解鎖時(shí)間(圖5中t1)，即電容COD放電至VSSDl閾值的時(shí)間。SmartSD比較器被觸發(fā)時(shí)放電立即開(kāi)始。

· OD重啟時(shí)間(圖5中t2)，即電容COD重新充電至VSSDh閾值的時(shí)間。當(dāng)OD上電壓達(dá)到VSSDl，故障狀態(tài)清除(CIN < VREF - CINhyst)，OD內(nèi)部MOSFET關(guān)閉，此時(shí)COD重新充電。這個(gè)時(shí)間是禁用時(shí)間的主要組成部分。

當(dāng)OD未經(jīng)外部上拉時(shí)，外部電容COD放電時(shí)間常數(shù)取決于COD和內(nèi)部MOSFET的特性(如下方程(1)所示)，重啟時(shí)間取決于內(nèi)部電流源IOD和電容COD(如下方程(2)所示)

其中VOD為OD浮動(dòng)電壓。

當(dāng)OD經(jīng)外部上拉電阻ROD_ext連接至VCC時(shí)，OD放電時(shí)間取決于外部網(wǎng)絡(luò)ROD_ext、COD和內(nèi)部MOSFET的電阻RON_OD(如下方程(3)所示)，重啟時(shí)間取決于流過(guò)ROD_ext的電流(如下方程(4)所示)。

其中

圖5 智能關(guān)斷時(shí)序圖

下圖為兩種不同的電容連接至OD引腳時(shí)智能關(guān)斷功能運(yùn)行示例。CIN引腳上的觸發(fā)脈沖寬度為500ns、峰峰值為1V，且內(nèi)部電流源(IOD)對(duì)外部電容進(jìn)行充電。

總禁用時(shí)間由如下兩部分組成：

圖6 左圖中COD = 2.2 μF，右圖中COD = 330 nF

其它功能和特點(diǎn)

STDRIVE601具有快速和準(zhǔn)確的傳播延遲。高低側(cè)驅(qū)動(dòng)器從輸入翻轉(zhuǎn)到輸出開(kāi)通或關(guān)斷的延時(shí)均為85ns，匹配時(shí)間低于30ns且其典型值為0ns。

欠壓鎖定(UVLO)機(jī)制監(jiān)控驅(qū)動(dòng)器供電電壓的輸出變化，并在該電壓降低至低于預(yù)設(shè)閾值時(shí)將輸出關(guān)斷。該保護(hù)可防止驅(qū)動(dòng)器在電源電壓較低時(shí)驅(qū)動(dòng)功率管(這將導(dǎo)致導(dǎo)通損耗過(guò)高甚至損壞功率管)。

UVLO閾值具有滯回特性且內(nèi)置濾波器可防止電源電壓上噪音引入不必要的動(dòng)作。STDRIVE601的6個(gè)驅(qū)動(dòng)器均由UVLO機(jī)制進(jìn)行保護(hù)。

圖7 VCC電源上的UVLO機(jī)制

總結(jié)

三相電機(jī)由于具備多項(xiàng)優(yōu)勢(shì)，正迅速替代簡(jiǎn)單的單相和有刷電機(jī)。三相驅(qū)動(dòng)器(如三相600V單芯片柵極驅(qū)動(dòng)器STDRIVE601)的易用性、可用性和經(jīng)濟(jì)性是這一發(fā)展的主要原因所在。STDRIVE601具有穩(wěn)健性、簡(jiǎn)單性和節(jié)省成本的特點(diǎn)，同時(shí)可確保系統(tǒng)受保護(hù)并提供安全功能。