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適用于小功率電機驅動的MOSFET逆變模塊設計

鉅大鋰電  |  點擊量:0  |  2019年12月31日  

摘要


本文介紹新型的MOSFET逆變模塊,用于驅動風扇和水泵中的小型直流無刷電機。這種功率模塊集成了6個MOSFET和相應的高壓柵極驅動電路(HVIC)。通過使用專門設計的MOSFET和HVIC,該模塊能提供最小的功耗和最佳的電磁兼容(EMC)特性。本文將探討這種逆變模塊在電機驅動應用中所涉及的封裝設計、MOSFET和HVIC,并著重討論其中的功率損耗、電磁干擾和噪聲問題。


電氣設計


對于小型電機驅動系統,MOSFET在功耗、成本和性能方面較其它功率開關管更具優勢。MOSFET的正向特征電阻為歐姆級(見圖1(a));其導通損耗與漏極電流的平方成正比,當漏極電流低于1A時,其導通損耗低于額定功率相同的IGBT的導通損耗,這是因為IGBT在通態時存在閾值電壓,該電壓隨逆變輸出功率的下降而顯著增加。大多數空調使用的風扇電機功率在50W以下;在這個功率級別上,基于MOSFET的逆變器的效率高于IGBT。


至于其反向特性(參見圖1(a)),MOSFET中固有的體二極管可充當IGBT逆變器中的快速恢復二極管(FRD);即可以通過電子擴散過程實現快速而平滑的恢復特性,同時節省了引線框內芯片的占用空間。由于MOSFET比一般FRD尺寸大,其反向壓降小,而且在柵極為高時,該壓降甚至會更小,這是因為MOSFET溝道本身就允許雙向電流。MOSFET的另一個優勢是其耐用強度。它比IGBT的耐用強度高;與額定功率相同的其它器件相比,具有更寬的安全運行區(SOA)。本文所介紹逆變模塊中的MOSFET在典型的運行條件(Vcc=15V,Vdc="300V",Tc="25"℃)下,都能承受80ms的短路電流(見圖2)。而且,在出現電涌時,基于MOSFET逆變器的抵御能力優于額定電壓相同的IGBT方案,這已被開關器件的雪崩額定電壓值所證實。因此,在220V下可采用額定電壓為500V的MOSFET,而在相同條件下采用IGBT,其額定電壓則需要達到600V。但是,傳統的MOSFET開關速度極高。MOSFET通常用于快速開關轉換器,如AC/DC或DC/DC電源,這些應用場合要求柵極電荷Qg盡可能少,以降低開關損耗。不過,在電機驅動應用中,這種快速特性沒有用處,尤其是高的dV/dt值還會引起電磁干擾。穩定性與最佳性能不易兼顧。


通常,增加柵極阻抗會降低MOSFET的開關速度。在如圖3(a)所示的半橋電路中,如果高壓側MOSFET的柵極阻抗(在HVIC中實現)大,將會存在一定的短路電流;這個電流是上面那個MOSFET導通時的密勒電容Cgd感應產生的,不嚴重時一般不會察覺。但是,正如圖3(b)所示,這種異常行為會增加逆變開關的損耗(導通損耗),并最終減弱系統的額定功率和穩定性。在這樣的瞬態過程中,要降低開關速度,同時又不失穩定性,上方那個MOSFET的Vgs應小于閾值電壓Vth。換句話說,最好通過調節HVIC的關斷阻抗來保證系統的穩定性,防止因電壓變化而感應短路電流。但這會增加MOSFET的關斷dV/dt值。


除了穩定性外,在確定柵極電阻時,還應考慮空載時間和延遲時間之類的運行要求。電壓源逆變器的空載時間會降低輸出電壓的質量,進而降低電機的轉速性能。而且,這個問題會隨開關頻率的增大而進一步惡化。消費電子應用中的開關頻率一般在16kHz以上,這是為了防止可聽見音頻帶(人耳可聽到的頻帶)噪聲;系統開發人員一般都希望將系統的空載時間設計為1ms。1ms的理論極限(控制器可設置的最小值)可由公式(1)計算。


Tdead=max(Toff,LS-Td(on),HS,Toff,HS-Td(on),LS)(1)


這里,Td(on)為導通時的傳送延遲(從輸入信號脈沖的50%起到電流達到穩定所需的時間);Toff為關斷時的傳送延遲(從輸出信號脈沖的50%起到整流換向完畢所需的時間)。下標HS和LS分別表示高壓側和低壓側MOSFET。要滿足空載時間要求,可延長Td(on),即增加導通柵極電阻。但這種方法不適用于通過檢測直流通道電流來測量三相電流的系統,因為這種系統的一個關鍵要求是導通延遲要小。當輸出脈沖寬度小于功率器件的導通延遲時,不能用電流檢測技術來測量逆變器的輸出電流。增大導通延遲會增加電流檢測的不確定性,尤其是在調制指數小的低速運行情況下。因此,增加導通延遲雖能縮短空載時間,但卻會減弱電機的低速性能。


上述問題不能通過調節某一時刻的柵極電阻來解決。為了獲得最佳的性能(最佳空載時間、最佳延遲時間),同時又保持穩定性(防止dV/dt感應出短路電流),必須針對電機定制MOSFET。除調節柵極電阻外,還需要優選MOSFET的Qg和Vth。在本文介紹的逆變模塊中,MOSFET的Qg比值(即Qgd/Qgs)被設置為2.0左右,以防止在最壞的情況下出現短路電流。根據這個電荷值確定出適合的柵極電阻范圍。功率MOSFET的延遲時間是Vth的對數函數。因此,Vth的變化范圍對確定最壞情況的延遲時間和空載時間有很大作用。在滿足這些要求的同時,輸出電壓變化(dV/dt)應當小,以降低電磁干擾。圖1(a)和(b)所示的開關特性是滿足如下條件時測試的結果:dV/dt=2kV/ms,空載時間=1.0ms,導通延遲時間=2.5ms(延遲時間是在最壞的運行情況下,并考慮柵極電阻和其它器件參數的離差后,從輸入信號脈沖中心到建立電流穩定所需的時間)。我們已通過適當選擇柵極導通電阻和閾值電壓達到了這些條件。


除了這些可預先確定的特性外,用戶還可控制模塊的開關速度。象其它SPM系列一樣,本文介紹的這種模塊在高壓側MOSFET上提供開放源極輸入端,允許用戶加入自己的阻抗單元來控制高壓側MOSFET的開關速度,從而在開關損耗與電磁干擾之間作出最佳平衡。


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