采用Mini-SPM設(shè)計(jì)高壓側(cè)柵極驅(qū)動(dòng)電路

　引言
　　Mini-SPM系列產(chǎn)品,為低功率 (100W ~ 2.2kW) 電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(dòng)IC (HVIC) 作為柵極驅(qū)動(dòng)電路，使設(shè)計(jì)更簡單緊湊，從而大幅降低整個(gè)系統(tǒng)的成本并提高可靠性，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(dòng)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(dòng)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具有低成本、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極接線端子結(jié)構(gòu)，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、低成本電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(dòng)電路的阻抗元件
　　圖3所示為采用HVIC的柵極驅(qū)動(dòng)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 (R_G)，并可在高壓側(cè)柵極驅(qū)動(dòng)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R_E(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(huì)得到類型A的效果，但本文主要討論類型A。

　　R_E(H)的設(shè)計(jì)和特征
　　基本上，選擇R_E(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(huì)影響高壓側(cè)IGBT的開關(guān)功能。其次，要避免HVIC在極端條件下的誤操作，因?yàn)槿缬胸?fù)壓加在Vs端，會(huì)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(dòng)作會(huì)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(dòng)電路需要達(dá)到兩個(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(dòng)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)。

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　　R_E(H)與內(nèi)部R_G一起充當(dāng)IGBT運(yùn)行時(shí)的柵極電阻。R_E(H)越大，開關(guān)速度便越慢。當(dāng)然，開關(guān)速度的放慢會(huì)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R_E(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R_E(H)的主要效用。
　　如圖5所示，在t1區(qū)域，R_E(H) 的作用只是高壓側(cè)柵極驅(qū)動(dòng)電路的柵極電阻。只要它遠(yuǎn)小于RG，就不會(huì)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R_E(H)充電，在R_E(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(dòng)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(huì)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R_E(H)的變化關(guān)系。當(dāng)R_E(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(duì)地短路，就會(huì)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開始流經(jīng)Rsh、DF和雜散電感 (見圖9(a))。由于IF di/dt 增加，過大電壓的VF會(huì)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R_E(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(duì)地短路時(shí)的實(shí)驗(yàn)波形。當(dāng)IGBT在R_E(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(duì)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)R_E(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 (arm short)。因此，R_E(H)的電壓 (見公式 (2)) 應(yīng)當(dāng)?shù)陀贗GBT的電壓閾值。
                ( 2)
　　對(duì)于Mini-SPM，我們建議其RBS應(yīng)比R_E(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R_E(H)上的壓降。

　　B. RE(H)的額定功率
　　在選擇R_E(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R_E(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(huì)流經(jīng)RG和R_E(H) 。如果VGE大于高壓側(cè)IGBT的電壓閾值，高壓側(cè)IGBT便會(huì)發(fā)生瞬間導(dǎo)通。為了防止這種故障出現(xiàn)，應(yīng)對(duì)RE(H)設(shè)置上限。而對(duì)于Mini-SPM，RE(H)的限制為低于30Ω。在R_E(H)=100Ω時(shí)，IC反向恢復(fù)電流有所不同，這種異常電流是由于高壓側(cè)IGBT的瞬間導(dǎo)通而產(chǎn)生。

　　結(jié)論
　　本文討論了如何使用Mini-SPM設(shè)計(jì)高壓側(cè)柵極驅(qū)動(dòng)電路，并著重討論采用外接?xùn)艠O電阻來優(yōu)化開關(guān)損耗和噪聲之間的權(quán)衡，以及降低HVIC電壓應(yīng)力。本文的討論在一般情況下適用于所有IGBT驅(qū)動(dòng)IC。