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采用Mini-SPM设计高压侧栅极驱动电路

来源:    作者:    发布时间:2015-05-06 07:19:40    浏览量:

 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。

图1为此种Mini-SPM的外观和内部功能块图


  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。

图2为此种Mini-SPM的外观和内部功能块图


  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3所示为采用HVIC的栅极驱动电路及其外围电路


  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。

图4给出了不同类型的阻抗元件组合


  大功率电感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) 工字电感器间的权衡,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衡
  高速开关动作会通过系贴片电感统接地、电机和输出电缆之间的耦合寄生电容 (Cparasitic) 产生噪声电流 (inoise)。

开关损耗与开关噪声之间的权衡(1)
  一般来说,I共模电感器GBT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。

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