簡單的速率控制技術可降低開通能耗

Wolfgang Frank

摘要：電力電子系統（如馬達）中的開關損耗降低受到電磁干擾（ EMI）或開關電壓斜率等參數的限制。通常是通過選擇有效的功率晶體管柵極電阻來解決這一問題。但這在運行中是無法自主進行調整的。本文將介紹一種通過并聯常規柵極驅動芯片來攻克這一難題的簡單方法。文中還介紹了與開通能耗改進有關的表征數據的評估。

關鍵詞：馬達;開關損耗;EMI;開關電壓斜率;柵極驅動

0 引言

連接MOS柵極功率晶體管的柵極電阻選型，一般有2個優化目標。首先，應通過選擇電阻值較小的柵極電阻，使功率晶體管的開關速度更快。這將自動降低開關損耗，從而降低總體損耗。其次，柵極電阻還可降低開關速度，比如dvCE/dt或dic/dt。這可使柵極電路中發生的由寄生雜散電感或耦合電容引起的振蕩減少。因此，必須通過折中的辦法在給定版圖中實現相對最優。然而，只需管理特定的工況點（如臨時過載或輕載條件）就已足夠。這些條件會使開關速度比應用系統正常運行時更慢。

電氣驅動在低負荷條件下運行，是輕載條件的典型范例。由于來自二極管的換向電流很小，所以流入IGBT的正向電流也很小，在對應的IGBT導通速度太快時，可能造成嚴重振蕩。如果正向電流能達到標稱電流[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 推薦的柵極驅動概念

正常的柵極驅動電路如圖1所示。1個柵極驅動器的開通電流和關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。

除了更復雜的柵極驅動電路[1]或IPM[2]之外，提議的柵極驅動系統由圖1中所示的兩種常規柵極驅動芯片組成。

圖2顯示了推薦的開通電流能力得以改進的柵極驅動概念。將型號為1EDI60112AF的2個柵極驅動器并聯。2個IN+并接被用于常規PWM輸入信號。柵極驅動芯片IC2的端子IN-被用于是否選擇芯片IC2-起參與輸出。該信號可由應用控制簡單生成，也能用與開關性能有關的傳感信號來控制，比如自溫度或集電極電流。啟用IC2芯片可以給柵極電流i.注入另一個分量iOUT+2從而一起參與開通過程。

如圖2所示，只有驅動芯片IC1可以用于關斷。不然可能出現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使用。這會導致芯片中或相關柵極電阻中出現過度的功率損耗。

柵極電流ig（t）的時間控制如圖3所示。如圖3中上圖所示，在低負荷條件下，用于導通和關斷的柵極電流只能由芯片ICI提供。導通性能可以根據個別應用需求或設計準則（比如驅動系統中的最大dvCE/dt）進行調整[3]。參見圖2可知，可以通過對IC2的IN-端施加低電平信號，來實現高負荷運行和低負荷運行之間的切換。它可激活IC2的電流輸出端，從而實現更快速的開通。選擇IC2的OUT+端的附加導通柵極電阻值時，必須能使功率晶體管的導通性能再次滿足應用需求。

2 測量結果評估

圖4所示為開通電流能力得以改進的柵極驅動概念下，不同柵極電阻和集電極電流IC的導通能耗Ecm和dvCE/dt的雙脈沖試驗的結果。柵極電阻從10-47 Ω不等（常規解決方案對應的是實線），集電極電流位于標稱電流的10% - 100%之間。軟件計算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出在集電極電流區間內持續上升。2個柵極驅動器各自的柵極電阻為Rgt=18 Ω和Rg1=47 Ω。應用推薦的柵極驅動技術可以在較小的集電極電流區間內使用柵極電阻Rgt。根據推測，圖4中與Rg=20Ω對應的綠線將獲得與Rg =18Ω類似的結果，但dvCE/dt會小一些。在標稱電流50%（ Ie= 20A）以上，切換到同時使用2顆柵極驅動芯片（就是R0為13 Ω）并行運行的情況。

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

3 結論

由于2個輸出端的柵極電阻可以相互獨立地進行選擇，所以給每個功率晶體管使用2顆柵極驅動器，再加上能夠自主選擇運行的柵極驅動器，可以作為改進功率晶體管性能的簡單方法。只需簡單地使用2顆柵極驅動芯片，即可實現開通電流能力或關斷電流能力的改進。而且，相比使用功能相同的分立式解決方案，使用柵極驅動芯片（如英飛凌的1EDI60112AF）還可減輕設計工作負擔。只需遵循常規設計準則，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的益處。因此，推薦的柵極驅動概念比常規解決方案的表現更勝一籌。

參考文獻：

[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.