驅(qū)動(dòng)集成電路功率級(jí)中瞬態(tài)問(wèn)題的處理

1.驅(qū)動(dòng)IC產(chǎn)品范圍

IR公司為用戶提供多種從單相到三相橋的驅(qū)動(dòng)集成電路。所有類型都使用了高集成的電平轉(zhuǎn)換技術(shù)，簡(jiǎn)化了邏輯電路對(duì)功率MOS管的控制。最新產(chǎn)品已擴(kuò)展到具有驅(qū)動(dòng)1200V功率器件的能力。

作為前沿技術(shù)，要求能在更高速度下開(kāi)關(guān)更大的電流，雜散參數(shù)的不利影響日趨明顯和受到高度重視。本文的目的是找出它們的根源，量化驅(qū)動(dòng)IC對(duì)可能引起問(wèn)題的免疫力，最后，如何獲得最大的安全區(qū)。

2.橋式電路中的雜散元素

圖1描述了一個(gè)驅(qū)動(dòng)IC驅(qū)動(dòng)由兩個(gè)MOSFET組成的典型橋式電路，功率電路中，由器件內(nèi)部的連線、引腳和PCB線組成的無(wú)用電感統(tǒng)一用LS1.2和LD1.2表示。

另外還有柵極驅(qū)動(dòng)電路中的雜散參數(shù)，在布線路板時(shí)也應(yīng)考慮。在此我們將主要討論有最大的電流和di/dt發(fā)生的橋式電路本身。在開(kāi)關(guān)期間，橋式電路中快速變化的電流將會(huì)在雜散電感中產(chǎn)生電壓瞬變。這些瞬變會(huì)耦合到其它電路中引起噪聲問(wèn)題，增加開(kāi)關(guān)損耗，甚至在最壞情況下?lián)p壞IC。

3.VS負(fù)過(guò)沖原因

由于問(wèn)題是由散電感引起的，隨著器件的開(kāi)關(guān)，對(duì)驅(qū)動(dòng)IC來(lái)說(shuō)，最主要的問(wèn)題是VS會(huì)負(fù)過(guò)沖到參考地以下。

相反，正過(guò)沖一般不會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題，IR公司已經(jīng)驗(yàn)證的HVIC工藝具有耐高電壓能力。

當(dāng)橋電路負(fù)載為感性時(shí)，高端器件的關(guān)斷會(huì)引起負(fù)載電流突然轉(zhuǎn)換到低端的續(xù)流二極管，由于二極管開(kāi)通延遲，正向壓降和雜散電感LS1+LD1使VS點(diǎn)負(fù)過(guò)沖到參考地以下，如圖1所示。在死區(qū)時(shí)間內(nèi)，如果負(fù)載電路不能完全恢復(fù)，當(dāng)?shù)投似骷查_(kāi)通時(shí)，會(huì)發(fā)生VS負(fù)過(guò)沖或振蕩。

4.VS負(fù)過(guò)沖對(duì)驅(qū)動(dòng)IC的影響

IR公司的驅(qū)動(dòng)IC保證，相對(duì)于COM，VS至少有5V的負(fù)過(guò)沖能力，如果負(fù)過(guò)沖超過(guò)這個(gè)水平，高端輸出將暫時(shí)鎖定在其電流狀態(tài)，VS保持在絕對(duì)最大極限內(nèi)，IC將不會(huì)損壞。當(dāng)負(fù)過(guò)沖起過(guò)5V后，高端輸出將不響應(yīng)輸入控制信號(hào)。這種模式應(yīng)當(dāng)注意，但在大多應(yīng)用中是可以忽略的，因?yàn)殡S著開(kāi)關(guān)事件的發(fā)生，高端通常不要求很快改變狀態(tài)。

5.如何避免鎖定

附錄1顯示了驅(qū)動(dòng)IC的內(nèi)部典型寄生二極管結(jié)構(gòu)。對(duì)于任何CMOS器件，使這些二極管正向?qū)ɑ蚍聪驌舸┒紩?huì)引起寄生的可控晶閘管(SCR)鎖定，鎖定的最終后果難以預(yù)料，有可能暫時(shí)錯(cuò)誤地工作到完全損壞器件。

驅(qū)動(dòng)IC 也許會(huì)間接地被最初的過(guò)應(yīng)力引起的連鎖反應(yīng)損壞，例如，可想到鎖定會(huì)使兩路輸出為高，造成橋臂直通，從而損壞器件，然后損壞IC。這種失敗模式可能是應(yīng)用中引起驅(qū)動(dòng)IC和功率器件損壞的主要原因。

下面理論分析可以幫助解釋VS負(fù)過(guò)沖和鎖定機(jī)理的關(guān)系。

&nbs p; 第一種情況：“理想的自舉”電路中，VCC由一個(gè)零阻抗電源供電，并由一個(gè)理想的二極管給VB供電。如圖2，負(fù)過(guò)沖將引起自舉電容過(guò)充電。例如，如果VCC=15V，VS負(fù)過(guò)沖超過(guò)10V時(shí)，將使懸浮電源達(dá)到25V以上，可能會(huì)擊穿二極管D1，并進(jìn)一步引起鎖定。

現(xiàn)在假設(shè)自舉電源用一個(gè)理想的懸浮電源代替，如圖3，VBS將在所有環(huán)境都是固定的。注意，只有使用低阻抗輔助電源代替才能實(shí)現(xiàn)這個(gè)目的。

這種情況下，如果VS負(fù)過(guò)沖超過(guò)VBS，即VB低于COM，可能會(huì)因?yàn)榧纳O管D2導(dǎo)通而出現(xiàn)鎖定危險(xiǎn)。

實(shí)際電路可能會(huì)出現(xiàn)在這兩種極端情況之間，而VBS有一些增加和有時(shí)VB降到VCC以下，如圖4所示。

6.監(jiān)測(cè)和證實(shí)

下列信號(hào)可以在正常工作時(shí)，和高應(yīng)力下(如短路或過(guò)流關(guān)斷，di/dt最高)觀察到。應(yīng)該在IC管腳根部測(cè)量，如圖5。這樣驅(qū)動(dòng)回路的寄生參數(shù)影響也被測(cè)量到。

測(cè)量證實(shí)負(fù)過(guò)沖的嚴(yán)重性。

(1) 高端相對(duì)于公共端的偏移;VS-COM;

(2) 懸浮電源;VB-VS

多數(shù)橋電路使用上百伏電壓，就是說(shuō)應(yīng)選擇Y軸較遲鈍的示波器以防止輸入放大器飽和，這將使相對(duì)較小的VS負(fù)過(guò)沖很難量化。為了得到最佳分辨率，請(qǐng)閱讀示波器手冊(cè)，選擇最高的可利用的靈敏度。

為了測(cè)量第二個(gè)信號(hào)，該信號(hào)始終附加在變化的橋電壓上，因此要使用變 壓器將示波器懸浮起來(lái)，但是不建議用這種方法。因?yàn)槿菪载?fù)載將影響電路性能，有時(shí)會(huì)掩蓋問(wèn)題根本原因而由于不注意而減小了dv/dt。

高帶寬差分電壓探頭(或隔離的差分輸入示波器)可以得到很好的結(jié)果，同時(shí)又允許觀測(cè)其它地為參考點(diǎn)的信號(hào)。然而，當(dāng)比較差分探頭和常規(guī)探頭相對(duì)時(shí)間時(shí)，應(yīng)注意延遲時(shí)間的差異。

高端信號(hào)(Vb、HO)的共模噪聲可以將探頭正端和探頭地端共同接到VS點(diǎn)測(cè)到。

不要認(rèn)為低端沒(méi)有共模噪音，同樣可以將探頭和地端一起接到COM點(diǎn)測(cè)到。

7.一般建議

下列建議在使用驅(qū)動(dòng)電路是很好的實(shí)踐和證明，無(wú)論觀察到的鎖定安全區(qū)如何。

最小化圖1中的雜質(zhì)參數(shù)：

1a、使用寬線直接連接兩個(gè)器件，不要有環(huán)路和遠(yuǎn)離;

1b、避免互相連接，這會(huì)增加很大電感;

1c、降低器件安裝高度，以減小管腳電感影響;

1d、兩個(gè)功率器件并排放置，減小線長(zhǎng)度。

減小驅(qū)動(dòng)IC雜數(shù)電感：

2a、如圖6所示連接VS和COM;

2b、使用 短的直接連線減小門(mén)極電路雜散電感;

2c、驅(qū)動(dòng)IC距離功率器件越近越好。[!--empirenews.page--]

改善耦合

3a、提高自舉電容(Cb)值，至少使用一個(gè)低ESR電容，減小由于VS負(fù)

過(guò)沖而產(chǎn)生的過(guò)充電。

3b、在VCC和COM間使用第二個(gè)低ESR電容，這個(gè)電容為低端輸出緩沖

電路和自舉電路再充電推供電源，

建議該值至少是Cb的十倍。

3c、盡量將去耦電容靠近相應(yīng)的管腳，如圖7。

3d、如果需要在自舉 二極管中串聯(lián)電阻，要確保VB不會(huì)降到COM以下，

特別是在啟動(dòng)時(shí)和極端頻率和占空比下。

適當(dāng)?shù)睦蒙鲜鐾扑]方法，可以從根本最小化VS負(fù)過(guò)沖的影響，如果負(fù)過(guò)沖水平仍然很高，就應(yīng)考慮減小dv/dt了。

也許可以用外部吸收電路或增加?xùn)艠O驅(qū)動(dòng)電阻來(lái)折衰效率和開(kāi)關(guān)速率。如果系統(tǒng)不能允許，應(yīng)適當(dāng)考慮快速反并聯(lián)嵌位二極管，HEXFRED是理想的選擇。

8.提升VS負(fù)過(guò)沖免疫力

在最壞條件下，如果主要信號(hào)在確定的極限值內(nèi)，就不再需要采取措施。然而，在噪聲非常大的環(huán)境中，采用上面措施，VS負(fù)過(guò)沖仍然超過(guò)，就需要進(jìn)一步提高驅(qū)動(dòng)IC的容錯(cuò)能力。我們推薦兩種不同方法來(lái)改善負(fù)過(guò)沖免疫力。

方法A：

在VS腳到橋電路中點(diǎn)串聯(lián)電阻，限制當(dāng)負(fù)過(guò)沖時(shí)流入VS腳的電流。當(dāng)電阻為或更低時(shí)是可以的。

既然自舉電容充電經(jīng)過(guò)此電阻，如圖8，如果此電阻值過(guò)大，可能在啟動(dòng)時(shí)引起直通發(fā)生。如果有柵極電阻，柵極電阻應(yīng)減小，以保證高端和低端柵極電阻相等。

方法B：

另外一個(gè)方法是：在COM和低端器件源極或發(fā)射極加入一個(gè)電阻，如圖9，而自舉電容充電不經(jīng)過(guò)此電阻，這種方法較靈活，可選擇較大的電阻并提供很好的保護(hù)。

這個(gè)電阻可限制流入600V二極管D2的電流(圖3)，同樣，驅(qū)動(dòng)的對(duì)稱性要求高低端柵極電阻相等，所以低端柵極電阻應(yīng)適應(yīng)減小以滿足要求。

注意：

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當(dāng)使用的驅(qū)動(dòng)IC沒(méi)有分開(kāi)的邏輯地時(shí)，例如有些IC的輸入和輸出共享一個(gè)地COM，上述討論的兩種方法都可以應(yīng)用，然而應(yīng)注意并確保輸入邏輯在允許電平內(nèi)。

9.附錄1 : IR2110寄生二極管結(jié)構(gòu)

圖10是IR2110的寄生二極管結(jié)構(gòu)圖，這基本體現(xiàn)了絕對(duì)最大額定值表。IR2110有獨(dú)立邏輯地和輸出地，在某些驅(qū)動(dòng)IC中，由于管腳的限制，這兩個(gè)地合并為一個(gè)。