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

三相電機運行需要三相逆變器，其一般組成為：6個(gè)功率晶體管（MOSFETs或IGBTs）、控制晶體管的柵極驅動(dòng)器（一個(gè)或多個(gè)）、實(shí)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(dòng)器為數字控制和功率執行器之間的模擬橋梁，其必須可靠、抗噪聲和擾動(dòng)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MOSFET和IGBT的集成三個(gè)半橋柵極驅動(dòng)器的單芯片。該芯片采用了ST公司的BCD6s-高壓技術(shù)，該技術(shù)將雙極性、CMOS和DMOS器件與可驅動(dòng)高側晶體管且擊穿電壓超過(guò)600V的浮動(dòng)單元集成在了同一芯片上。新一代的BCD6s技術(shù)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(diǎn)，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(dòng)來(lái)使用復雜瑣碎的保護電路且可確保整個(gè)應用簡(jiǎn)單經(jīng)濟。

STDRIVE601采用小體積的SO28封裝，可替代三個(gè)半橋驅動(dòng)器以簡(jiǎn)化PCB板布局。6路輸出均可實(shí)現350mA灌電流和200mA拉電流，且柵極驅動(dòng)電壓范圍為9-20V。

三個(gè)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(gè)高側驅動(dòng)單元的欠壓鎖定（UVLO）功能可防止功率開(kāi)關(guān)工作在低效或危險狀態(tài)。

由于技術(shù)發(fā)展和設計優(yōu)化，STDRIVE601可在負壓尖峰超過(guò)100V時(shí)保證穩健性，并且以業(yè)界領(lǐng)先的85ns響應邏輯輸入。高低側單元的延時(shí)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(shí)也避免了未知情況下的交叉導通。

智能關(guān)斷電路確保了有效的過(guò)流保護，高速保護功能可在檢測到過(guò)載或短路后的短短360ns內關(guān)斷柵極驅動(dòng)器。設計者可通過(guò)改變外部電容的容值來(lái)設置和調整保護關(guān)斷時(shí)間而不會(huì )影響芯片關(guān)斷反應時(shí)間，該芯片還提供了一個(gè)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(hù)探索STDRIVE601的功能并迅速啟動(dòng)和運行第一個(gè)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(jiàn)，特別是空間或機械限制導致無(wú)法對PCB布局進(jìn)行優(yōu)化時(shí)。負壓尖峰會(huì )導致一些不良現象，如自舉電容的過(guò)充電以及器件穩健性不足時(shí)輸出側的誤動(dòng)作。

在半橋拓撲結構中，特別是驅動(dòng)大感性負載時(shí)，功率半橋的輸出很容易出現負壓，表現為初始的動(dòng)態(tài)尖峰和后續的靜態(tài)負壓（如圖1-b所示）。這個(gè)現象出現在橋臂硬開(kāi)關(guān)切換至低電平輸出且負載電流由橋臂輸出至負載時(shí)。當高側開(kāi)關(guān)關(guān)閉時(shí)，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(shí)，電流開(kāi)始經(jīng)低側續流二極管續流，該二極管正向導通。動(dòng)態(tài)負壓主要是由于與半橋低側電流路徑續流二極管串聯(lián)的PCB板子上寄生電感引起的高dI/dt而造成的尖峰。另外，動(dòng)態(tài)負壓還與低側續流二極管的正向尖峰電壓（其在短暫時(shí)間內由高壓反向狀態(tài)切換到正向導通狀態(tài)）和分流電阻的寄生電感有關(guān)。

靜態(tài)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(dòng)器穩健性

STDRIVE601設計的主要特點(diǎn)是其對噪音、擾動(dòng)和負壓現象出色的穩健性。得益于創(chuàng )新的電平轉換器架構和ST先進(jìn)的制造工藝技術(shù)，該驅動(dòng)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(tài)下正常運行。

在專(zhuān)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(chǎn)生比實(shí)際應用中發(fā)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(shí)引入的雜散電感的影響，選了幾個(gè)電感（0.19 μH, 0.45 μH, 0.82 μH）可與低側IGBT串聯(lián)。

圖2 負壓現象分析電路

圖3為雜散電感為0.82 μH時(shí)的現象：輸出由300V擺動(dòng)至0V，負壓尖峰最小峰值為-127V且保持148ns。經(jīng)過(guò)幾次的切換，沒(méi)有任何損壞或者運轉失常。

圖3 雜散電感為0.82 μH時(shí)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(shí)現，其在LVG輸出打開(kāi)時(shí)經(jīng)由主電源（VCC）給每個(gè)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(gè)正向偏置，不存在實(shí)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(xiàn)。對于給定電流，這一特征在剩余電壓降方面優(yōu)勢突出，且可在電壓降較小時(shí)也可對自舉電容進(jìn)行充電，而傳統二極管對此稍顯乏力。

過(guò)流智能關(guān)斷保護

STDRIVE601內置了一個(gè)比較器，該比較器通過(guò)智能關(guān)斷（SmartSD）電路進(jìn)行故障保護。

SmartSD電路可在過(guò)載或過(guò)流時(shí)關(guān)斷柵極驅動(dòng)器，且故障檢測至實(shí)際輸出關(guān)斷之間的延時(shí)僅360ns。保護干預時(shí)間與故障后的禁用時(shí)間相互獨立，且保護響應速度為市場(chǎng)上其他柵極驅動(dòng)器的兩倍。這允許設計者在不增加內部保護延遲時(shí)間的情況下，將故障事件后輸出的禁用時(shí)間增加到非常大的值。禁用時(shí)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(jiàn)圖5）。

用于智能關(guān)斷的比較器具有一個(gè)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(jìn)而實(shí)現簡(jiǎn)單快速的過(guò)流保護功能。比較器輸出信號經(jīng)濾波后輸入到SmartSD邏輯單元，其濾波時(shí)間為固定時(shí)間tFCIN（約300ns）。

VREF閾值典型值為460 mV，比較器輸入（CIN）滯環(huán)電壓約為70 mV。當CIN引腳上脈沖電壓高于VREF時(shí)，SmartSD邏輯被觸發(fā)并立即將驅動(dòng)器輸出置低（OFF）。同時(shí)，故障引腳（FAULT）強制置低來(lái)指示該事件（例如輸入到微控制器）且OD開(kāi)始讓外部電容COD放電以設置故障事件的輸出禁用時(shí)間。一旦輸出禁用時(shí)間到期，FAULT引腳將釋放且驅動(dòng)器輸出重新跟隨輸入引腳。

總禁用時(shí)間由如下兩部分組成：

●   OD解鎖時(shí)間（圖5中t1），即電容COD放電至VSSDl閾值的時(shí)間。SmartSD比較器被觸發(fā)時(shí)放電立即開(kāi)始。

●   OD重啟時(shí)間（圖5中t2），即電容COD重新充電至VSSDh閾值的時(shí)間。當OD上電壓達到VSSDl，故障狀態(tài)清除(CIN < VREF - CINhyst)，OD內部MOSFET關(guān)閉，此時(shí)COD重新充電。這個(gè)時(shí)間是禁用時(shí)間的主要組成部分。

當OD未經(jīng)外部上拉時(shí)，外部電容COD放電時(shí)間常數取決于COD和內部MOSFET的特性（如下方程（1）所示），重啟時(shí)間取決于內部電流源IOD和電容COD（如下方程（2）所示）

t1 ≌ RONOD · COD · ln	(1)
t2 ≌  · ln	(2)

其中V_OD為OD浮動(dòng)電壓。

當OD經(jīng)外部上拉電阻ROD_ext連接至VCC時(shí)，OD放電時(shí)間取決于外部網(wǎng)絡(luò )ROD_ext、C_OD和內部MOSFET的電阻R_{ON_OD}（如下方程（3）所示），重啟時(shí)間取決于流過(guò)ROD_ext的電流（如下方程（4）所示）。

t1 ≌ COD · ·ln	(3)
t2 ≌ COD · ROD_ext · ln	(4)

其中V_ON=V_CC，V_OD=V_CC。

圖5 智能關(guān)斷時(shí)序圖

下圖為兩種不同的電容連接至OD引腳時(shí)智能關(guān)斷功能運行示例。CIN引腳上的觸發(fā)脈沖寬度為500ns、峰峰值為1V，且內部電流源(IOD)對外部電容進(jìn)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(diǎn)

STDRIVE601具有快速和準確的傳播延遲。高低側驅動(dòng)器從輸入翻轉到輸出開(kāi)通或關(guān)斷的延時(shí)均為85ns，匹配時(shí)間低于30ns且其典型值為0ns。

欠壓鎖定（UVLO）機制監控驅動(dòng)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(shí)將輸出關(guān)斷。該保護可防止驅動(dòng)器在電源電壓較低時(shí)驅動(dòng)功率管（這將導致導通損耗過(guò)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(dòng)作。STDRIVE601的6個(gè)驅動(dòng)器均由UVLO機制進(jìn)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(yōu)勢，正迅速替代簡(jiǎn)單的單相和有刷電機。三相驅動(dòng)器（如三相600V單芯片柵極驅動(dòng)器STDRIVE601）的易用性、可用性和經(jīng)濟性是這一發(fā)展的主要原因所在。STDRIVE601具有穩健性、簡(jiǎn)單性和節省成本的特點(diǎn)，同時(shí)可確保系統受保護并提供安全功能。