简单的速率控制技术可降低开通能耗

　　Wolfgang Frank （英飞凌）

　　摘 要：电力电子系统（如马达）中的开关损耗降低受到电磁干扰（EMI）或开关电压斜率等参数的限制。通常是通过选择有效的功率晶体管栅极电阻来解决这一问题。但这在运行中是无法自主进行调整的。

　　本文将介绍一种通过并联常规栅极驱动芯片来攻克这一难题的简单方法。文中还介绍了与开通能耗改进有关的表征数据的评估。

　　关键词：马达；开关损耗；EMI；开关电压斜率；栅极驱动

　　0 引言

　　连接MOS栅极功率晶体管的栅极电阻选型，一般有2个优化目标。首先，应通过选择电阻值较小的栅极电阻，使功率晶体管的开关速度更快。这将自动降低开关损耗，从而降低总体损耗。其次，栅极电阻还可降低开关速度，比如dv_CE /dt或di_C /dt。这可使栅极电路中发生的由寄生杂散电感或耦合电容引起的振荡减少。因此，必须通过折中的办法在给定版图中实现相对最优。然而，只需管理特定的工况点（如临时过载或轻载条件）就已足够。这些条件会使开关速度比应用系统正常运行时更慢。

　　电气驱动在低负荷条件下运行，是轻载条件的典型范例。由于来自二极管的换向电流很小，所以流入IGBT的正向电流也很小，在对应的IGBT导通速度太快时，可能造成严重振荡。如果正向电流能达到标称电流 ^[1] 的25%或以上，则这些振荡可以被大幅度地减弱甚至消除。

　　1 推荐的栅极驱动概念

　　正常的栅极驱动电路如图1所示。1个栅极驱动器的开通电流和关断电流大小取决于栅极电阻的栅极电流。电流i _OUT+ 给功率晶体管的栅极充电，而电流i _OUT-给功率晶体管的栅极放电。

　　除了更复杂的栅极驱动电路 ^[1] 或IPM ^[2] 之外，提议的栅极驱动系统由图1中所示的两种常规栅极驱动芯片组成。

　　图2显示了推荐的开通电流能力得以改进的栅极驱动概念。将型号为1EDI60I12AF的2个栅极驱动器并联。2个IN+并接被用于常规PWM输入信号。栅极驱动芯片IC2的端子IN-被用于是否选择芯片IC2一起参与输出。该信号可由应用控制简单生成，也能用与开关性能有关的传感信号来控制，比如自温度或集电极电流。启用IC2芯片可以给栅极电流i _g 注入另一个分量i _OUT+2 从而一起参与开通过程。

　　如图2所示，只有驱动芯片IC1可以用于关断。不然可能出现IC1在输出电流而IC2在吸收电流的情况，所以IC2的灌电流功能不能同时使用。这会导致芯片中或相关栅极电阻中出现过度的功率损耗。

　　栅极电流 i _{g ( t )} 的时间控制如图3所示。如图3中上图所示，在低负荷条件下，用于导通和关断的栅极电流只能由芯片IC1提供。导通性能可以根据个别应用需求或设计准则（比如驱动系统中的最大 dv_CE /dt）进行调整 ^[3] 。参见图2可知，可以通过对IC2的IN- 端施加低电平信号，来实现高负荷运行和低负荷运行之间的切换。它可激活IC2的电流输出端，从而实现更快速的开通。选择IC2的OUT+端的附加导通栅极电阻值时，必须能使功率晶体管的导通性能再次满足应用需求。

　　2 测量结果评估

　　图4所示为开通电流能力得以改进的栅极驱动概念下，不同栅极电阻和集电极电流IC的导通能耗 E _on和dv_CE /dt的双脉冲试验的结果。栅极电阻从10~47 Ω不等（常规解决方案对应的是实线），集电极电流位于标称电流的10%～100%之间。软件计算90%/10%的dv_CE /dt值。供试功率晶体管为英飞凌的40 A/1 200V IGBT（IKW40N120T2）。

　　压摆率 dv_CE /dt在集电极电流区间内持续上升。2个栅极驱动器各自的栅极电阻为 R _g1 = Ω 18 和R _g2 = Ω 47 。应用推荐的栅极驱动技术可以在较小的集电极电流区间内使用栅极电阻 R g1 。根据推测，图4中与 R _g = Ω 20 对应的绿线将获得与 R g = Ω 18 类似的结果，但 dv_CE /dt会小一些。在标称电流50%（ I _C = 20A ）以上，切换到同时使用2颗栅极驱动芯片（就是R _g 为13 Ω）并行运行的情况。

　　开通损耗如图4中的下图所示。使用本文推荐的栅极驱动时，它在标称电流（I _C = 40A）条件下，可从4.8 mJ 下降到3.6 mJ。这相当于开通损耗E _on 被降低了25%左右。

　　3 结论

　　由于2个输出端的栅极电阻可以相互独立地进行选择，所以给每个功率晶体管使用2颗栅极驱动器，再加上能够自主选择运行的栅极驱动器，可以作为改进功率晶体管性能的简单方法。只需简单地使用2颗栅极驱动芯片，即可实现开通电流能力或关断电流能力的改进。而且，相比使用功能相同的分立式解决方案，使用栅极驱动芯片（如英飞凌的1EDI60I12AF）还可减轻设计工作负担。只需遵循常规设计准则，即可获得开通能耗 E _on最多降低25%和开通电流能力获得改进的益处。因此，推荐的栅极驱动概念比常规解决方案的表现更胜一筹。

　　参考文献：

　　[1] FRANK W.Real-time adjustable gate current controlIC solves dv/ dt problems in electric drives, Proc[C]. PCIM2014.

　　[2] Mitsubishi：System Benefits of Using G1 SeriesIntelligent Power Modules (IPM)[J].Bodo´s PowerMagazine,2017(3).

　　[3] Gambica Association：Motor Insulation VoltageStresses Under PWM Inverter Operation[M].Technicalreport,No1,3 rd ed. UK, 2006.

　　（注：本文来源于科技期刊《电子产品世界》2020年第06期第xx页，欢迎您写论文时引用，并注明出处。）