简略的速率操控技能可下降注册能耗

　　Wolfgang Frank （英飞凌）

　　摘 要：电力电子体系（如马达）中的开关损耗下降遭到电磁搅扰（EMI）或开关电压斜率等参数的约束。通常是经过挑选有用的功率晶体管栅极电阻来处理这一问题。但这在运转中是无法自主进行调整的。

　　本文将介绍一种经过并联惯例栅极驱动芯片来霸占这一难题的简略办法。文中还介绍了与注册能耗改善有关的表征数据的评价。

　　关键词：马达；开关损耗；EMI；开关电压斜率；栅极驱动

　　0 导言

　　衔接MOS栅极功率晶体管的栅极电阻选型，一般有2个优化方针。首要，应经过挑选电阻值较小的栅极电阻，使功率晶体管的开关速度更快。这将主动下降开关损耗，然后下降整体损耗。其次，栅极电阻还可下降开关速度，比方dv_CE /dt或di_C /dt。这可使栅极电路中产生的由寄生杂散电感或耦合电容引起的振动削减。因而，有必要经过折中的办法在给定版图中完成相对最优。但是，只需办理特定的工况点（如暂时过载或轻载条件）就已满意。这些条件会使开关速度比运用体系正常运转时更慢。

　　电气驱动在低负荷条件下运转，是轻载条件的典型典范。因为来自二极管的换向电流很小，所以流入IGBT的正向电流也很小，在对应的IGBT导通速度太快时，或许形成严峻振动。假如正向电流能到达标称电流 ^[1] 的25%或以上，则这些振动能够被大幅度地削弱乃至消除。

　　1 引荐的栅极驱动概念

　　正常的栅极驱动电路如图1所示。1个栅极驱动器的注册电流和关断电流巨细取决于栅极电阻的栅极电流。电流i _OUT+ 给功率晶体管的栅极充电，而电流i _OUT-给功率晶体管的栅极放电。

　　除了更杂乱的栅极驱动电路 ^[1] 或IPM ^[2] 之外，提议的栅极驱动体系由图1中所示的两种惯例栅极驱动芯片组成。

　　图2显现了引荐的注册电流才能得以改善的栅极驱动概念。将型号为1EDI60I12AF的2个栅极驱动器并联。2个IN+并接被用于惯例PWM输入信号。栅极驱动芯片IC2的端子IN-被用于是否挑选芯片IC2一同参加输出。该信号可由运用操控简略生成，也能用与开关功用有关的传感信号来操控，比方自温度或集电极电流。启用IC2芯片能够给栅极电流i _g 注入另一个重量i _OUT+2 然后一同参加开经进程。

　　如图2所示，只要驱动芯片IC1能够用于关断。否则或许呈现IC1在输出电流而IC2在吸收电流的状况，所以IC2的灌电流功用不能一起运用。这会导致芯片中或相关栅极电阻中呈现过度的功率损耗。

　　栅极电流 i _{g ( t )} 的时刻操控如图3所示。如图3中上图所示，在低负荷条件下，用于导通和关断的栅极电流只能由芯片IC1供给。导通功用能够依据单个运用需求或规划原则（比方驱动体系中的最大 dv_CE /dt）进行调整 ^[3] 。参见图2可知，能够经过对IC2的IN- 端施加低电平信号，来完成高负荷运转和低负荷运转之间的切换。它可激活IC2的电流输出端，然后完成更快速的注册。挑选IC2的OUT+端的附加导通栅极电阻值时，有必要能使功率晶体管的导通功用再次满意运用需求。

　　2 丈量成果评价

　　图4所示为注册电流才能得以改善的栅极驱动概念下，不同栅极电阻和集电极电流IC的导通能耗 E _on和dv_CE /dt的双脉冲实验的成果。栅极电阻从10~47 Ω不等（惯例处理方案对应的是实线），集电极电流坐落标称电流的10%～100%之间。软件核算90%/10%的dv_CE /dt值。供试功率晶体管为英飞凌的40 A/1 200V IGBT（IKW40N120T2）。

　　压摆率 dv_CE /dt在集电极电流区间内持续上升。2个栅极驱动器各自的栅极电阻为 R _g1 = Ω 18 和R _g2 = Ω 47 。运用引荐的栅极驱动技能能够在较小的集电极电流区间内运用栅极电阻 R g1 。依据估测，图4中与 R _g = Ω 20 对应的绿线将取得与 R g = Ω 18 相似的成果，但 dv_CE /dt会小一些。在标称电流50%（ I _C = 20A ）以上，切换到一起运用2颗栅极驱动芯片（便是R _g 为13 Ω）并行运转的状况。

　　注册损耗如图4中的下图所示。运用本文引荐的栅极驱动时，它在标称电流（I _C = 40A）条件下，可从4.8 mJ 下降到3.6 mJ。这相当于注册损耗E _on 被下降了25%左右。

　　3 定论

　　因为2个输出端的栅极电阻能够彼此独登时进行挑选，所以给每个功率晶体管运用2颗栅极驱动器，再加上能够自主挑选运转的栅极驱动器，能够作为改善功率晶体管功用的简略办法。只需简略地运用2颗栅极驱动芯片，即可完成注册电流才能或关断电流才能的改善。并且，比较运用功用相同的分立式处理方案，运用栅极驱动芯片（如英飞凌的1EDI60I12AF）还可减轻规划作业担负。只需遵从惯例规划原则，即可取得注册能耗 E _on最多下降25%和注册电流才能取得改善的好处。因而，引荐的栅极驱动概念比惯例处理方案的体现更胜一筹。

　　参考文献：

　　[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 G1 SeriesIntelligent Power Modules (IPM)[J].Bodo´s PowerMagazine,2017(3).

　　[3] Gambica Association：Motor Insulation VoltageStresses Under PWM Inverter Operation[M].Technicalreport,No1,3 rd ed. UK, 2006.

　　（注：本文来源于科技期刊《电子产品世界》2020年第06期第xx页，欢迎您写论文时引证，并注明出处。）