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    集成自舉二極管和快速過流保護的600V三相柵極驅動器加速了三相電機應用


    作者:    時間:2020/6/29 17:55:20  來源:意法半導體公司   
    穩健和服役期長從而低成本的特點促使三相感應或永磁無刷電機備受工業界青睞。隨著高效率、清潔、安靜運行、小體積和輕量化需求的不斷提高,家用電器中簡單經濟的有刷和單相電機正逐漸被三相電機替代。
     
    作者: 意法半導體公司Michele Lauria;Massimiliano Magni
     
     

    三相電機運行需要三相逆變器,其一般組成為:6個功率晶體管(MOSFETsIGBTs)、控制晶體管的柵極驅動器(一個或多個)、實現控制算法(速度、轉矩控制等)的控制邏輯電路(微控制器或微處理器)。
     
    柵極驅動器為數字控制和功率執行器之間的模擬橋梁,其必須可靠、和擾動魯棒、精確(保證控制算法和脈寬調制有效),且為保證安全運行,其在非常規條件下或在系統某一部分失效期間需具備保護和安全功能。
     
    引言
    STMicroelectronics STDRIVE601為一款針對N溝道功率MOSFETIGBT的集成三個半橋柵極驅動器的單芯片。該芯片采用了ST公司的BCD6s-高壓技術,該技術將雙極性、CMOSDMOS器件與可驅動高側晶體管且擊穿電壓超過600V的浮動單元集成在了同一芯片上。新一代的BCD6s技術確保了該器件一流的穩健性。
     
    該器件還具備幾項輔助功能和特點,這有助于加速系統設計、減少外圍元器件和電路。避免針對噪音和擾動來使用復雜瑣碎的保護電路且可確保整個應用簡單經濟。
    STDRIVE601采用小體積的SO28封裝,可替代三個半橋驅動器以簡化PCB板布局。6路輸出均可實現350mA灌電流和200mA拉電流,且柵極驅動電壓范圍為9-20V。
     
    三個高側自舉單元工作電壓高達600V且可由內置自舉二極管供電,可節省PCB面積并減少元件數量。低側和每個高側驅動單元的欠壓鎖定(UVLO)功能可防止功率開關工作在低效或危險狀態。
     
    由于技術發展和設計優化,STDRIVE601可在負壓尖峰超過100V時保證穩健性,并且以業界領先的85ns響應邏輯輸入。高低側單元的延時匹配消除了周期畸變且可保證高頻運行,互鎖和死區插入同時也避免了未知情況下的交叉導通。
     
    智能關斷電路確保了有效的過流保護,高速保護功能可在檢測到過載或短路后的短短360ns內關斷柵極驅動器。設計者可通過改變外部電容的容值來設置和調整保護關斷時間而不會影響芯片關斷反應時間,該芯片還提供了一個低電平有效故障指示引腳。
     
    ST公司還提供了EVALSTDRIVE601評估板以幫助用戶探索STDRIVE601的功能并迅速啟動和運行第一個原型。
     
    負壓現象
    半橋輸出中的負壓尖峰在功率應用中非常常見,特別是空間或機械限制導致無法對PCB布局進行優化時。負壓尖峰會導致一些不良現象,如自舉電容的過充電以及器件穩健性不足時輸出側的誤動作。
     
    在半橋拓撲結構中,特別是驅動大感性負載時,功率半橋的輸出很容易出現負壓,表現為初始的動態尖峰和后續的靜態負壓(如圖1-b所示)。這個現象出現在橋臂硬開關切換至低電平輸出且負載電流由橋臂輸出至負載時。當高側開關關閉時,感性負載元件試圖維持輸出電流恒定。輸出電壓逐漸降低且當其降低至“地”電平值時,電流開始經低側續流二極管續流,該二極管正向導通。動態負壓主要是由于與半橋低側電流路徑續流二極管串聯的PCB板子上寄生電感引起的高dI/dt而造成的尖峰。另外,動態負壓還與低側續流二極管的正向尖峰電壓(其在短暫時間內由高壓反向狀態切換到正向導通狀態)和分流電阻的寄生電感有關。
     
    靜態負壓主要由采樣電阻(如果有)的電壓降和續流二極管的正向電壓降組成(如圖1-a)。
     
     
    圖1 半橋電路的負壓現象
     
    柵極驅動器穩健性
    STDRIVE601設計的主要特點是其對噪音、擾動和負壓現象出色的穩健性。得益于創新的電平轉換器架構和ST先進的制造工藝技術,該驅動器具有出色的抗擊高負壓尖峰能力,并且能夠在非常陡峭的共模暫態下正常運行。
     
    在專用的測試電路(圖2)中測試并確認了該芯片對負壓尖峰的抗擾性,該設計旨在人為地產生比實際應用中發現的尖峰大得多的負壓尖峰。
     
    圖2中RL負載為200 µH、16 Ω,且為了模擬PCB布局較差時引入的雜散電感的影響,選了幾個電感(0.19 µH, 0.45 µH, 0.82 µH)可與低側IGBT串聯。
     
    圖2 負壓現象分析電路
     
    圖3為雜散電感為0.82 µH時的現象:輸出由300V擺動至0V,負壓尖峰最小峰值為-127V且保持148ns。經過幾次的切換,沒有任何損壞或者運轉失常。
     
    3 雜散電感為0.82 µH時通道1輸出存在-127V負壓尖峰
     
    自舉二極管
    STDRIVE601內部自舉二極管采用額定600V MOSFETs實現,其在LVG輸出打開時經由主電源(VCC)給每個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自舉二極管和傳統自舉二極管對比
     
    內置自舉電路導通,有一個正向偏置,不存在實際二極管中的偏置電壓。圖4展示了這兩者的區別,其表示了STDRIVE601自舉二極管和傳統自舉二極管的I-V(電流-電壓)轉移曲線。對于給定電流,這一特征在剩余電壓降方面優勢突出,且可在電壓降較小時也可對自舉電容進行充電,而傳統二極管對此稍顯乏力。
     
    過流智能關斷保護
    STDRIVE601內置了一個比較器,該比較器通過智能關斷(SmartSD)電路進行故障保護。
     
    SmartSD電路可在過載或過流時關斷柵極驅動器,且故障檢測至實際輸出關斷之間的延時僅360ns。保護干預時間與故障后的禁用時間相互獨立,且保護響應速度為市場上其他柵極驅動器的兩倍。這允許設計者在不增加內部保護延遲時間的情況下,將故障事件后輸出的禁用時間增加到非常大的值。禁用時間取決于外部電容COD的容值和可選的連接到OD引腳的上拉電阻的阻值(見圖5)。
    用于智能關斷的比較器具有一個內部參考電壓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,進而實現簡單快速的過流保護功能。比較器輸出信號經濾波后輸入到SmartSD邏輯單元,其濾波時間為固定時間tFCIN(約300ns)。
     
    VREF閾值典型值為460 mV,比較器輸入(CIN)滯環電壓約為70 mV。當CIN引腳上脈沖電壓高于VREF時,SmartSD邏輯被觸發并立即將驅動器輸出置低(OFF)。同時,故障引腳(FAULT)強制置低來指示該事件(例如輸入到微控制器)且OD開始讓外部電容COD放電以設置故障事件的輸出禁用時間。一旦輸出禁用時間到期,FAULT引腳將釋放且驅動器輸出重新跟隨輸入引腳。
     
     
     
     
    總禁用時間由如下兩部分組成
    · OD解鎖時間(圖5中t1),即電容COD放電至VSSDl閾值的時間。SmartSD比較器被觸發時放電立即開始。
    · OD重啟時間(圖5中t2),即電容COD重新充電至VSSDh閾值的時間。當OD上電壓達到VSSDl,故障狀態清除(CIN < VREF - CINhyst),OD內部MOSFET關閉,此時COD重新充電。這個時間是禁用時間的主要組成部分。
     
    當OD未經外部上拉時,外部電容COD放電時間常數取決于COD和內部MOSFET的特性(如下方程(1)所示),重啟時間取決于內部電流源IOD和電容COD(如下方程(2)所示)
    (1)
    (2)
     
     
    當OD經外部上拉電阻ROD_ext連接至VCC時,OD放電時間取決于外部網絡ROD_ext、COD和內部MOSFET的電阻RON_OD(如下方程(3)所示),重啟時間取決于流過ROD_ext的電流(如下方程(4)所示)。
    (3)
     
     
    圖5 智能關斷時序圖
     
    下圖為兩種不同的電容連接至OD引腳時智能關斷功能運行示例。CIN引腳上的觸發脈沖寬度為500ns、峰峰值為1V,且內部電流源(IOD)對外部電容進行充電。
     
     
     
    (a)
     
    (b)
    圖6 左圖中COD = 2.2 µF,右圖中COD = 330 nF
     
    其它功能和特點
    STDRIVE601具有快速和準確的傳播延遲。高低側驅動器從輸入翻轉到輸出開通或關斷的延時均為85ns,匹配時間低于30ns且其典型值為0ns。
     
    欠壓鎖定(UVLO)機制監控驅動器供電電壓的輸出變化,并在該電壓降低至低于預設閾值時將輸出關斷。該保護可防止驅動器在電源電壓較低時驅動功率管(這將導致導通損耗過高甚至損壞功率管)。
    UVLO閾值具有滯回特性且內置濾波器可防止電源電壓上噪音引入不必要的動作。STDRIVE601的6個驅動器均由UVLO機制進行保護。
     
    圖7 VCC電源上的UVLO機制
     
    總結
    三相電機由于具備多項優勢,正迅速替代簡單的單相和有刷電機。三相驅動器(如三相600V單芯片柵極驅動器STDRIVE601)的易用性、可用性和經濟性是這一發展的主要原因所在。STDRIVE601具有穩健性、簡單性和節省成本的特點,同時可確保系統受保護并提供安全功能。
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