集成自舉二極管和600V三相柵極驅(qū)動器加速三相電機應(yīng)用
2020/7/2 10:56:41 點擊：
三相電機運行需要三相逆變器，其一般組成為：6個功率晶體管（MOSFETs或IGBTs）、控制晶體管的柵極驅(qū)動器（一個或多個）、實現(xiàn)控制算法（速度、轉(zhuǎn)矩控制等）的控制邏輯電路（微控制器或微處理器）。
柵極驅(qū)動器為數(shù)字控制和功率執(zhí)行器之間的模擬橋梁，其必須可靠、抗噪聲和擾動魯棒、精確（保證控制算法和脈寬調(diào)制有效），且為保證安全運行，其在非常規(guī)條件下或在系統(tǒng)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的集成三個半橋柵極驅(qū)動器的單芯片。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(qū)動高側(cè)晶體管且擊穿電壓超過600V的浮動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(wěn)健性。
該器件還具備幾項輔助功能和特點，這有助于加速系統(tǒng)設(shè)計、減少外圍元器件和電路。避免針對噪音和擾動來使用復(fù)雜瑣碎的保護電路且可確保整個應(yīng)用簡單經(jīng)濟。
STDRIVE601采用小體積的SO28封裝，可替代三個半橋驅(qū)動器以簡化PCB板布局。6路輸出均可實現(xiàn)350mA灌電流和200mA拉電流，且柵極驅(qū)動電壓范圍為9-20V。
三個高側(cè)自舉單元工作電壓高達600V且可由內(nèi)置自舉二極管供電，可節(jié)省PCB面積并減少元件數(shù)量。低側(cè)和每個高側(cè)驅(qū)動單元的欠壓鎖定（UVLO）功能可防止功率開關(guān)工作在低效或危險狀態(tài)。
由于技術(shù)發(fā)展和設(shè)計優(yōu)化，STDRIVE601可在負壓尖峰超過100V時保證穩(wěn)健性，并且以業(yè)界領(lǐng)先的85ns響應(yīng)邏輯輸入。高低側(cè)單元的延時匹配消除了周期畸變且可保證高頻運行，互鎖和死區(qū)插入同時也避免了未知情況下的交叉導(dǎo)通。
智能關(guān)斷電路確保了有效的過流保護，高速保護功能可在檢測到過載或短路后的短短360ns內(nèi)關(guān)斷柵極驅(qū)動器。設(shè)計者可通過改變外部電容的容值來設(shè)置和調(diào)整保護關(guān)斷時間而不會影響芯片關(guān)斷反應(yīng)時間，該芯片還提供了一個低電平有效故障指示引腳。
ST公司還提供了EVALSTDRIVE601評估板以幫助用戶探索STDRIVE601的功能并迅速啟動和運行第一個原型。
負壓現(xiàn)象
半橋輸出中的負壓尖峰在功率應(yīng)用中非常常見，特別是空間或機械限制導(dǎo)致無法對PCB布局進行優(yōu)化時。負壓尖峰會導(dǎo)致一些不良現(xiàn)象，如自舉電容的過充電以及器件穩(wěn)健性不足時輸出側(cè)的誤動作。
在半橋拓撲結(jié)構(gòu)中，特別是驅(qū)動大感性負載時，功率半橋的輸出很容易出現(xiàn)負壓，表現(xiàn)為初始的動態(tài)尖峰和后續(xù)的靜態(tài)負壓（如圖1-b所示）。這個現(xiàn)象出現(xiàn)在橋臂硬開關(guān)切換至低電平輸出且負載電流由橋臂輸出至負載時。當(dāng)高側(cè)開關(guān)關(guān)閉時，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(dāng)其降低至“地”電平值時，電流開始經(jīng)低側(cè)續(xù)流二極管續(xù)流，該二極管正向?qū)ā討B(tài)負壓主要是由于與半橋低側(cè)電流路徑續(xù)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，動態(tài)負壓還與低側(cè)續(xù)流二極管的正向尖峰電壓（其在短暫時間內(nèi)由高壓反向狀態(tài)切換到正向?qū)顟B(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(xù)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(xiàn)象
柵極驅(qū)動器穩(wěn)健性
STDRIVE601設(shè)計的主要特點是其對噪音、擾動和負壓現(xiàn)象出色的穩(wěn)健性。得益于創(chuàng)新的電平轉(zhuǎn)換器架構(gòu)和ST先進的制造工藝技術(shù)，該驅(qū)動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(shè)計旨在人為地產(chǎn)生比實際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)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布局較差時引入的雜散電感的影響，選了幾個電感（0.19 μH, 0.45 μH, 0.82 μH）可與低側(cè)IGBT串聯(lián)。
圖2 負壓現(xiàn)象分析電路
圖3為雜散電感為0.82 μH時的現(xiàn)象：輸出由300V擺動至0V，負壓尖峰最小峰值為-127V且保持148ns。經(jīng)過幾次的切換，沒有任何損壞或者運轉(zhuǎn)失常。
圖3 雜散電感為0.82 μH時通道1輸出存在-127V負壓尖峰
自舉二極管
STDRIVE601內(nèi)部自舉二極管采用額定600V MOSFETs實現(xiàn)，其在LVG輸出打開時經(jīng)由主電源（VCC）給每個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(tǒng)自舉二極管對比
內(nèi)置自舉電路導(dǎo)通，有一個正向偏置，不存在實際二極管中的偏置電壓。圖4展示了這兩者的區(qū)別，其表示了STDRIVE601自舉二極管和傳統(tǒng)自舉二極管的I-V（電流-電壓）轉(zhuǎn)移曲線。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也可對自舉電容進行充電，而傳統(tǒng)二極管對此稍顯乏力。
過流智能關(guān)斷保護
STDRIVE601內(nèi)置了一個比較器，該比較器通過智能關(guān)斷（SmartSD）電路進行故障保護。
SmartSD電路可在過載或過流時關(guān)斷柵極驅(qū)動器，且故障檢測至實際輸出關(guān)斷之間的延時僅360ns。保護干預(yù)時間與故障后的禁用時間相互獨立，且保護響應(yīng)速度為市場上其他柵極驅(qū)動器的兩倍。這允許設(shè)計者在不增加內(nèi)部保護延遲時間的情況下，將故障事件后輸出的禁用時間增加到非常大的值。禁用時間取決于外部電容COD的容值和可選的連接到OD引腳的上拉電阻的阻值（見圖5）。
用于智能關(guān)斷的比較器具有一個內(nèi)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，進而實現(xiàn)簡單快速的過流保護功能。比較器輸出信號經(jīng)濾波后輸入到SmartSD邏輯單元，其濾波時間為固定時間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(dāng)CIN引腳上脈沖電壓高于VREF時，SmartSD邏輯被觸發(fā)并立即將驅(qū)動器輸出置低（OFF）。同時，故障引腳（FAULT）強制置低來指示該事件（例如輸入到微控制器）且OD開始讓外部電容COD放電以設(shè)置故障事件的輸出禁用時間。一旦輸出禁用時間到期，F(xiàn)AULT引腳將釋放且驅(qū)動器輸出重新跟隨輸入引腳。
總禁用時間由如下兩部分組成：
OD解鎖時間（圖5中t1），即電容COD放電至VSSDl閾值的時間。SmartSD比較器被觸發(fā)時放電立即開始。
OD重啟時間（圖5中t2），即電容COD重新充電至VSSDh閾值的時間。當(dāng)OD上電壓達到VSSDl，故障狀態(tài)清除(CIN < VREF - CINhyst)，OD內(nèi)部MOSFET關(guān)閉，此時COD重新充電。這個時間是禁用時間的主要組成部分。
當(dāng)OD未經(jīng)外部上拉時，外部電容COD放電時間常數(shù)取決于COD和內(nèi)部MOSFET的特性（如下方程（1）所示），重啟時間取決于內(nèi)部電流源IOD和電容COD（如下方程（2）所示）
當(dāng)OD經(jīng)外部上拉電阻ROD_ext連接至VCC時，OD放電時間取決于外部網(wǎng)絡(luò)ROD_ext、COD和內(nèi)部MOSFET的電阻RON_OD（如下方程（3）所示），重啟時間取決于流過ROD_ext的電流（如下方程（4）所示）。
下圖為兩種不同的電容連接至OD引腳時智能關(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(nèi)部電流源(IOD)對外部電容進行充電。
其它功能和特點
STDRIVE601具有快速和準(zhǔn)確的傳播延遲。高低側(cè)驅(qū)動器從輸入翻轉(zhuǎn)到輸出開通或關(guān)斷的延時均為85ns，匹配時間低于30ns且其典型值為0ns。
欠壓鎖定（UVLO）機制監(jiān)控驅(qū)動器供電電壓的輸出變化，并在該電壓降低至低于預(yù)設(shè)閾值時將輸出關(guān)斷。該保護可防止驅(qū)動器在電源電壓較低時驅(qū)動功率管（這將導(dǎo)致導(dǎo)通損耗過高甚至損壞功率管）。
UVLO閾值具有滯回特性且內(nèi)置濾波器可防止電源電壓上噪音引入不必要的動作。STDRIVE601的6個驅(qū)動器均由UVLO機制進行保護。
圖7 VCC電源上的UVLO機制
總結(jié)
三相電機由于具備多項優(yōu)勢，正迅速替代簡單的單相和有刷電機。三相驅(qū)動器（如三相600V單芯片柵極驅(qū)動器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(wěn)健性、簡單性和節(jié)省成本的特點，同時可確保系統(tǒng)受保護并提供安全功能。
關(guān)鍵字：三相電機 三相柵極驅(qū)動器 ST
柵極驅(qū)動器為數(shù)字控制和功率執(zhí)行器之間的模擬橋梁，其必須可靠、抗噪聲和擾動魯棒、精確（保證控制算法和脈寬調(diào)制有效），且為保證安全運行，其在非常規(guī)條件下或在系統(tǒng)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的集成三個半橋柵極驅(qū)動器的單芯片。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(qū)動高側(cè)晶體管且擊穿電壓超過600V的浮動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(wěn)健性。
該器件還具備幾項輔助功能和特點，這有助于加速系統(tǒng)設(shè)計、減少外圍元器件和電路。避免針對噪音和擾動來使用復(fù)雜瑣碎的保護電路且可確保整個應(yīng)用簡單經(jīng)濟。
STDRIVE601采用小體積的SO28封裝，可替代三個半橋驅(qū)動器以簡化PCB板布局。6路輸出均可實現(xiàn)350mA灌電流和200mA拉電流，且柵極驅(qū)動電壓范圍為9-20V。
三個高側(cè)自舉單元工作電壓高達600V且可由內(nèi)置自舉二極管供電，可節(jié)省PCB面積并減少元件數(shù)量。低側(cè)和每個高側(cè)驅(qū)動單元的欠壓鎖定（UVLO）功能可防止功率開關(guān)工作在低效或危險狀態(tài)。
由于技術(shù)發(fā)展和設(shè)計優(yōu)化，STDRIVE601可在負壓尖峰超過100V時保證穩(wěn)健性，并且以業(yè)界領(lǐng)先的85ns響應(yīng)邏輯輸入。高低側(cè)單元的延時匹配消除了周期畸變且可保證高頻運行，互鎖和死區(qū)插入同時也避免了未知情況下的交叉導(dǎo)通。
智能關(guān)斷電路確保了有效的過流保護，高速保護功能可在檢測到過載或短路后的短短360ns內(nèi)關(guān)斷柵極驅(qū)動器。設(shè)計者可通過改變外部電容的容值來設(shè)置和調(diào)整保護關(guān)斷時間而不會影響芯片關(guān)斷反應(yīng)時間，該芯片還提供了一個低電平有效故障指示引腳。
ST公司還提供了EVALSTDRIVE601評估板以幫助用戶探索STDRIVE601的功能并迅速啟動和運行第一個原型。
負壓現(xiàn)象
半橋輸出中的負壓尖峰在功率應(yīng)用中非常常見，特別是空間或機械限制導(dǎo)致無法對PCB布局進行優(yōu)化時。負壓尖峰會導(dǎo)致一些不良現(xiàn)象，如自舉電容的過充電以及器件穩(wěn)健性不足時輸出側(cè)的誤動作。
在半橋拓撲結(jié)構(gòu)中，特別是驅(qū)動大感性負載時，功率半橋的輸出很容易出現(xiàn)負壓，表現(xiàn)為初始的動態(tài)尖峰和后續(xù)的靜態(tài)負壓（如圖1-b所示）。這個現(xiàn)象出現(xiàn)在橋臂硬開關(guān)切換至低電平輸出且負載電流由橋臂輸出至負載時。當(dāng)高側(cè)開關(guān)關(guān)閉時，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(dāng)其降低至“地”電平值時，電流開始經(jīng)低側(cè)續(xù)流二極管續(xù)流，該二極管正向?qū)ā討B(tài)負壓主要是由于與半橋低側(cè)電流路徑續(xù)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，動態(tài)負壓還與低側(cè)續(xù)流二極管的正向尖峰電壓（其在短暫時間內(nèi)由高壓反向狀態(tài)切換到正向?qū)顟B(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(xù)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(xiàn)象
柵極驅(qū)動器穩(wěn)健性
STDRIVE601設(shè)計的主要特點是其對噪音、擾動和負壓現(xiàn)象出色的穩(wěn)健性。得益于創(chuàng)新的電平轉(zhuǎn)換器架構(gòu)和ST先進的制造工藝技術(shù)，該驅(qū)動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(shè)計旨在人為地產(chǎn)生比實際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)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布局較差時引入的雜散電感的影響，選了幾個電感（0.19 μH, 0.45 μH, 0.82 μH）可與低側(cè)IGBT串聯(lián)。
圖2 負壓現(xiàn)象分析電路
圖3為雜散電感為0.82 μH時的現(xiàn)象：輸出由300V擺動至0V，負壓尖峰最小峰值為-127V且保持148ns。經(jīng)過幾次的切換，沒有任何損壞或者運轉(zhuǎn)失常。
圖3 雜散電感為0.82 μH時通道1輸出存在-127V負壓尖峰
自舉二極管
STDRIVE601內(nèi)部自舉二極管采用額定600V MOSFETs實現(xiàn)，其在LVG輸出打開時經(jīng)由主電源（VCC）給每個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(tǒng)自舉二極管對比
內(nèi)置自舉電路導(dǎo)通，有一個正向偏置，不存在實際二極管中的偏置電壓。圖4展示了這兩者的區(qū)別，其表示了STDRIVE601自舉二極管和傳統(tǒng)自舉二極管的I-V（電流-電壓）轉(zhuǎn)移曲線。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也可對自舉電容進行充電，而傳統(tǒng)二極管對此稍顯乏力。
過流智能關(guān)斷保護
STDRIVE601內(nèi)置了一個比較器，該比較器通過智能關(guān)斷（SmartSD）電路進行故障保護。
SmartSD電路可在過載或過流時關(guān)斷柵極驅(qū)動器，且故障檢測至實際輸出關(guān)斷之間的延時僅360ns。保護干預(yù)時間與故障后的禁用時間相互獨立，且保護響應(yīng)速度為市場上其他柵極驅(qū)動器的兩倍。這允許設(shè)計者在不增加內(nèi)部保護延遲時間的情況下，將故障事件后輸出的禁用時間增加到非常大的值。禁用時間取決于外部電容COD的容值和可選的連接到OD引腳的上拉電阻的阻值（見圖5）。
用于智能關(guān)斷的比較器具有一個內(nèi)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，進而實現(xiàn)簡單快速的過流保護功能。比較器輸出信號經(jīng)濾波后輸入到SmartSD邏輯單元，其濾波時間為固定時間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(dāng)CIN引腳上脈沖電壓高于VREF時，SmartSD邏輯被觸發(fā)并立即將驅(qū)動器輸出置低（OFF）。同時，故障引腳（FAULT）強制置低來指示該事件（例如輸入到微控制器）且OD開始讓外部電容COD放電以設(shè)置故障事件的輸出禁用時間。一旦輸出禁用時間到期，F(xiàn)AULT引腳將釋放且驅(qū)動器輸出重新跟隨輸入引腳。
總禁用時間由如下兩部分組成：
OD解鎖時間（圖5中t1），即電容COD放電至VSSDl閾值的時間。SmartSD比較器被觸發(fā)時放電立即開始。
OD重啟時間（圖5中t2），即電容COD重新充電至VSSDh閾值的時間。當(dāng)OD上電壓達到VSSDl，故障狀態(tài)清除(CIN < VREF - CINhyst)，OD內(nèi)部MOSFET關(guān)閉，此時COD重新充電。這個時間是禁用時間的主要組成部分。
當(dāng)OD未經(jīng)外部上拉時，外部電容COD放電時間常數(shù)取決于COD和內(nèi)部MOSFET的特性（如下方程（1）所示），重啟時間取決于內(nèi)部電流源IOD和電容COD（如下方程（2）所示）
當(dāng)OD經(jīng)外部上拉電阻ROD_ext連接至VCC時，OD放電時間取決于外部網(wǎng)絡(luò)ROD_ext、COD和內(nèi)部MOSFET的電阻RON_OD（如下方程（3）所示），重啟時間取決于流過ROD_ext的電流（如下方程（4）所示）。
下圖為兩種不同的電容連接至OD引腳時智能關(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(nèi)部電流源(IOD)對外部電容進行充電。
其它功能和特點
STDRIVE601具有快速和準(zhǔn)確的傳播延遲。高低側(cè)驅(qū)動器從輸入翻轉(zhuǎn)到輸出開通或關(guān)斷的延時均為85ns，匹配時間低于30ns且其典型值為0ns。
欠壓鎖定（UVLO）機制監(jiān)控驅(qū)動器供電電壓的輸出變化，并在該電壓降低至低于預(yù)設(shè)閾值時將輸出關(guān)斷。該保護可防止驅(qū)動器在電源電壓較低時驅(qū)動功率管（這將導(dǎo)致導(dǎo)通損耗過高甚至損壞功率管）。
UVLO閾值具有滯回特性且內(nèi)置濾波器可防止電源電壓上噪音引入不必要的動作。STDRIVE601的6個驅(qū)動器均由UVLO機制進行保護。
圖7 VCC電源上的UVLO機制
總結(jié)
三相電機由于具備多項優(yōu)勢，正迅速替代簡單的單相和有刷電機。三相驅(qū)動器（如三相600V單芯片柵極驅(qū)動器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(wěn)健性、簡單性和節(jié)省成本的特點，同時可確保系統(tǒng)受保護并提供安全功能。
關(guān)鍵字：三相電機 三相柵極驅(qū)動器 ST
- 上一篇：技術(shù)文章分享--電機驅(qū)動與運動控制領(lǐng)域的五大技術(shù)創(chuàng)新 2020/7/2
- 下一篇：霍爾芯片的制造工藝分析 2020/7/1
