驅動(dòng)集成電路功率級中瞬態(tài)問(wèn)題的處理

1.驅動(dòng)IC產(chǎn)品范圍

IR公司為用戶(hù)提供多種從單相到三相橋的驅動(dòng)集成電路。所有類(lèi)型都使用了高集成的電平轉換技術(shù)，簡(jiǎn)化了邏輯電路對功率MOS管的控制。最新產(chǎn)品已擴展到具有驅動(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，量化驅動(dòng)IC對可能引起問(wèn)題的免疫力，最后，如何獲得最大的安全區。

2.橋式電路中的雜散元素

圖1描述了一個(gè)驅動(dòng)IC驅動(dòng)由兩個(gè)MOSFET組成的典型橋式電路，功率電路中，由器件內部的連線(xiàn)、引腳和PCB線(xiàn)組成的無(wú)用電感統一用LS1.2和LD1.2表示。

另外還有柵極驅動(dòng)電路中的雜散參數，在布線(xiàn)路板時(shí)也應考慮。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負過(guò)沖原因

由于問(wèn)題是由散電感引起的，隨著(zhù)器件的開(kāi)關(guān)，對驅動(dòng)IC來(lái)說(shuō)，最主要的問(wèn)題是VS會(huì )負過(guò)沖到參考地以下。

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

當橋電路負載為感性時(shí)，高端器件的關(guān)斷會(huì )引起負載電流突然轉換到低端的續流二極管，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)負過(guò)沖到參考地以下，如圖1所示。在死區時(shí)間內，如果負載電路不能完全恢復，當低端器件硬開(kāi)通時(shí)，會(huì )發(fā)生VS負過(guò)沖或振蕩。

4.VS負過(guò)沖對驅動(dòng)IC的影響

IR公司的驅動(dòng)IC保證，相對于COM，VS至少有5V的負過(guò)沖能力，如果負過(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保持在絕對最大極限內，IC將不會(huì )損壞。當負過(guò)沖起過(guò)5V后，高端輸出將不響應輸入控制信號。這種模式應當注意，但在大多應用中是可以忽略的，因為隨著(zhù)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顯示了驅動(dòng)IC的內部典型寄生二極管結構。對于任何CMOS器件，使這些二極管正向導通或反向擊穿都會(huì )引起寄生的可控晶閘管(SCR)鎖定，鎖定的最終后果難以預料，有可能暫時(shí)錯誤地工作到完全損壞器件。

驅動(dòng)IC 也許會(huì )間接地被最初的過(guò)應力引起的連鎖反應損壞，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用中引起驅動(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負過(guò)沖和鎖定機理的關(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，負過(guò)沖將引起自舉電容過(guò)充電。例如，如果VCC=15V，VS負過(guò)沖超過(guò)10V時(shí)，將使懸浮電源達到25V以上，可能會(huì )擊穿二極管D1，并進(jìn)一步引起鎖定。

現在假設自舉電源用一個(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)現這個(gè)目的。

這種情況下，如果VS負過(guò)沖超過(guò)VBS，即VB低于COM，可能會(huì )因為寄生二極管D2導通而出現鎖定危險。

實(shí)際電路可能會(huì )出現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.監測和證實(shí)

下列信號可以在正常工作時(shí)，和高應力下(如短路或過(guò)流關(guān)斷，di/dt最高)觀(guān)察到。應該在IC管腳根部測量，如圖5。這樣驅動(dòng)回路的寄生參數影響也被測量到。

測量證實(shí)負過(guò)沖的嚴重性。

(1) 高端相對于公共端的偏移;VS-COM;

(2) 懸浮電源;VB-VS

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

為了測量第二個(gè)信號，該信號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。因為容性負載將影響電路性能，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)可以得到很好的結果，同時(shí)又允許觀(guān)測其它地為參考點(diǎn)的信號。然而，當比較差分探頭和常規探頭相對時(shí)間時(shí)，應注意延遲時(shí)間的差異。

高端信號(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)測到。

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

7.一般建議

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

最小化圖1中的雜質(zhì)參數：

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

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(xiàn)長(cháng)度。

減小驅動(dòng)IC雜數電感：

2a、如圖6所示連接VS和COM;

2b、使用 短的直接連線(xiàn)減小門(mén)極電路雜散電感;

2c、驅動(dòng)IC距離功率器件越近越好。