设计高压侧栅极驱动电路与损耗

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1、设计高压侧栅极驱动电路与损耗：Jun-BaeLee、Byoung-ChulCho、Dae-WoongChung和Bum-SeokSuh,飞兆半导体公司SPM和系统工程组 发表时间：2005-09-07　　引言　　Mini-SPM系列产品,为低功率(100W~2.2kW)电机驱动电路提供高效率、高可靠性和设计简便的方案。Mini-SPM采用内置高压驱动IC(HVIC)作为栅极驱动电路，使设计更简单紧凑，从而大幅降低整个系统的成本并提高可靠性，并且更为系统设计人员带来极佳的高压侧栅极电路设计灵活性。本文着重讨论Mini-SPM采用的高压侧栅极驱动电路的特点和优点。设计中采用外接栅极电阻

2、优化开关损耗和开关噪声之间的权衡，降低可能引起HVIC误操作的电压应力。本文中的讨论在通常情况下适用于所有IGBT驱动IC种类。　　飞兆半导体已开发出Mini-SPM的最新版本，其额定功率为600V×(3~30)A。图1和图2所示分别为此种Mini-SPM的外观和内部功能块图。由于Mini-SPM具有低成本、高效率、高可靠性和设计简单的优点，因此广泛应用于空调、洗衣机、冰箱和其它工业应用中。　　Mini-SPM最突出的特点之一是给予最终用户很大的设计灵活性，能够大幅提高系统的整体性能。Mini-SPM采用3个独立N极接线端子结构，有助用户方便、高效地检测各相的负载电流，从而实现高效

3、率、低成本电机驱动算法。高压侧外接栅极电阻能让设计人员调节Mini-SPM的开关速度，此举有助于优化开关损耗和开关噪声，并且降低电压应力(可能在极端条件下引起HVIC闭锁)。　　本文着重介绍终端用户可以通过这类产品具备的一些优点，以及在设计高压侧栅极电阻时应考虑的问题。当然，除Mini-SPM外，这些讨论也适用于一般的逆变器应用。　　采用HVIC栅极驱动电路的阻抗元件　　图3所示为采用HVIC的栅极驱动电路及其外围电路。这包括了一个外部电路，用来给Mini-SPM的内置HVIC提供自举电压。Mini-SPM具有内置栅极电阻(RG)，并可在高压侧栅极驱动电路添加额外的阻抗。在HVIC

4、和高压侧IGBT发射极之间外接阻抗元件，设计人员可以调节高压侧的开关耗损和开关噪声。　　图4给出了不同类型的阻抗元件组合。最终用户可选择其一来控制IGBT开/关速度。类型A（电阻标记为RE(H)）因具有实用的功能而得到最广泛应用。至于其它类型，也会得到类型A的效果，但本文主要讨论类型A。　　RE(H)的设计和特征　　基本上，选择RE(H)时要考虑两个因素。首先，最终用户要考虑开关损耗与开关噪声(即dv/dt)间的权衡，因为RE(H)会影响高压侧IGBT的开关功能。其次，要避免HVIC在极端条件下的误操作，因为如有负压加在Vs端，会导致HVIC闭锁。　　A.开关损耗与开关噪声之间的权

5、衡　　高速开关动作会通过系统接地、电机和输出电缆之间的耦合寄生电容(Cparasitic)产生噪声电流(inoise)。   (1)　　一般来说，IGBT导通时的dv/dt(即二极管的关断dv/dt)是EMI噪声的主要致因。　　设计栅极驱动电路需要达到两个不同的目标：降低IGBT开关损耗和EMI噪声。与采用固定栅极驱动电路的一般功率模块不同，Mini-SPM支持外接栅极电阻，能够成功实现这两个目标。　　RE(H)与内部RG一起充当IGBT运行时的栅极电阻。RE(H)越大，开关速度便越慢。当然，开关速度的放慢会在降低噪声的同时增加开关损耗。不过，与内部RG不同，很小的RE(H)便足以

6、降低dv/dt，而且导通时的di/dt也只有微小的增加。这正是RE(H)的主要效用。　　如图5所示，在t1区域，RE(H)的作用只是高压侧栅极驱动电路的栅极电阻。只要它远小于RG，就不会影响导通di/dt，但却可控制dv/dt使其远小于di/dt。在t3区域，HVIC的寄生电容通过RE(H)充电，在RE(H)上产生压降。VGE的降低使导通dv/dt减慢。图6给出了采用这种新型栅极驱动技术来控制导通dv/dt的实验结果。实验中，RE(H)增加到最大值，因为它似乎能在小于1kV/ms的限度内产生足够的dv/dt水平。由于降低导通电流会在IGBT导通开启时产生较高的dv/dt，实验中的导

7、通电流设为1A。尽管RE(H)增加了，di/dt仍保持不变。不过，dv/dt却显著下降。　　图7所示为开关dv/dt的定义。图8表示开关损耗和开关dv/dt随RE(H)的变化关系。当RE(H)增加，开关损耗也稍微增加，而dv/dt则显著下降。　　B.负压VS和VBS过压　　HVIC的闭锁主要由VS上出现负压或VBS出现过压而引起，这种负压和过压是开关电流过量所致。当负载通过小电感对地短路，就会在线路上产生大电流。当高压侧IGBT关闭以切断该短路电流时，二极管电流IF开