電壓源型驅(qū)動(dòng)dv/dt的表現(xiàn)

損耗太大，開(kāi)關(guān)dvdt過(guò)快，EMC過(guò)不了……這些都是設(shè)計(jì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)時(shí)常遇見(jiàn)的問(wèn)題，而且它們還此消彼長(zhǎng)。工程師們一般是根據(jù)實(shí)際應(yīng)用情況做著取舍。如果有辦法在輕載時(shí)以忽略不計(jì)的開(kāi)通損耗增加來(lái)減小開(kāi)關(guān)速度，而在重載時(shí)通過(guò)不降低開(kāi)關(guān)速度來(lái)降低開(kāi)通損耗，那就可以達(dá)到更理想的驅(qū)動(dòng)效果。

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電流源型驅(qū)動(dòng)概念

英飛凌電流源型驅(qū)動(dòng)芯片，一種非常適合電機(jī)驅(qū)動(dòng)方案的產(chǎn)品，將同時(shí)實(shí)現(xiàn)高效率和低EMI成為可能。它是基于英飛凌無(wú)核變壓器技術(shù)平臺(tái)的隔離式驅(qū)動(dòng)芯片，能精準(zhǔn)地實(shí)時(shí)控制開(kāi)通時(shí)的dv/dt。下面我們來(lái)仔細(xì)看看它到底有什么與眾不同之處。

對(duì)于門極壓控器件IGBT而言，集成驅(qū)動(dòng)芯片的使用很常見(jiàn)。傳統(tǒng)的電壓源型驅(qū)動(dòng)芯片是通過(guò)調(diào)節(jié)門極電阻，以電壓不變的方式對(duì)功率器件門極電荷進(jìn)行充電。而電流源型的驅(qū)動(dòng)芯片則是通過(guò)內(nèi)部的恒流源（電流值可調(diào)）對(duì)門極充電，使得在不同負(fù)載條件下開(kāi)通過(guò)程dv/dt和di/dt變得更平穩(wěn)。圖1是電壓源型驅(qū)動(dòng)的一個(gè)典型開(kāi)通過(guò)程，可以分成三個(gè)部分來(lái)看：

1. 驅(qū)動(dòng)對(duì)Cge充電，此時(shí)Vce為母線電壓

2. 米勒平臺(tái)時(shí)Vge恒定，驅(qū)動(dòng)對(duì)Cgc進(jìn)行充電，Vce下降

3. 米勒區(qū)結(jié)束，驅(qū)動(dòng)同時(shí)對(duì)Cgc和Cge充電，Vce進(jìn)一步減小進(jìn)入飽和區(qū)

圖1：典型的電壓型驅(qū)動(dòng)開(kāi)通過(guò)程

在第二階段，門極的米勒平臺(tái)電壓大小和負(fù)載電流是相關(guān)的，這是由器件的轉(zhuǎn)移特性決定的。電流越大米勒電壓也高，充電電流就小，dVce/dt自然慢了，和大電流本身一起導(dǎo)致了開(kāi)通損耗增加。反過(guò)來(lái)，小電流時(shí)米勒電壓低，充電電流大，dVce/dt快，容易產(chǎn)生EMI問(wèn)題。從電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的角度來(lái)看，選擇合適的電阻來(lái)限制過(guò)快的dv/dt是最簡(jiǎn)單有效的方法，即使會(huì)增加重載時(shí)的損耗。

而電流源型驅(qū)動(dòng)能做的正是在第二階段，基于門極電流恒流不受負(fù)載電流控制，來(lái)實(shí)現(xiàn)相對(duì)穩(wěn)定的dVce/dt。而且因?yàn)榇撕懔髦悼稍陂_(kāi)關(guān)中調(diào)整，這讓進(jìn)一步優(yōu)化開(kāi)通損耗成為可能。電流源型驅(qū)動(dòng)芯片的驅(qū)動(dòng)門極電壓電流如圖2所示，綠色是門極電壓，藍(lán)色是門極電流。135ns是固定的預(yù)充電階段，充值電流要根據(jù)后級(jí)不同的功率器件進(jìn)行計(jì)算設(shè)置，準(zhǔn)則是盡可能減小開(kāi)通延時(shí)，但此階段IGBT不能開(kāi)始開(kāi)通。在不到25ns的系統(tǒng)延時(shí)后，門極進(jìn)入恒流輸出模式，直到完成米勒階段，恒流的大小一般根據(jù)需要的dv/dt進(jìn)行設(shè)置，有11個(gè)百分比檔位選擇。如圖3和表1所示。

圖2：電流源型驅(qū)動(dòng)芯片的驅(qū)動(dòng)門極電壓電流

圖3：11級(jí)門極開(kāi)通電流

表1：11級(jí)門極開(kāi)通電流百分比

對(duì)比結(jié)果

最后來(lái)一起看一下測(cè)試結(jié)果，我們以FF1200R12IE5模塊作為測(cè)試對(duì)象，選配英飛凌的電流型驅(qū)動(dòng)芯片1EDS20I12SV，同樣的IGBT模塊也用了普通電壓源型的驅(qū)動(dòng)作為對(duì)比，圖4是兩者PCB的外觀。圖5是電流源型驅(qū)動(dòng)芯片在不同輸出電流下，使用各級(jí)控制所展現(xiàn)出的dv/dt。可以看出即使用同一個(gè)等級(jí)不作切換，dv/dt的表現(xiàn)依然比較平穩(wěn)。而不像用單一的門極電阻驅(qū)動(dòng)時(shí)，dv/dt變化很大，如圖6所示。

圖4：電流源型驅(qū)動(dòng)板（左圖）

電壓源型驅(qū)動(dòng)板（右圖）

圖5：電流源型驅(qū)動(dòng)dv/dt表現(xiàn)

圖6：電壓源型驅(qū)動(dòng)dv/dt表現(xiàn)

而且電流源型的驅(qū)動(dòng)在負(fù)載電流變大的情況下，開(kāi)通損耗的上升速度也較慢，如圖7、8是兩種驅(qū)動(dòng)器開(kāi)通損耗隨電流的變化趨勢(shì)?？梢钥闯?，在小電流時(shí)兩者的損耗差不多，都很小。而當(dāng)電流變大后，電壓源型的驅(qū)動(dòng)開(kāi)通損耗的增加速度遠(yuǎn)超電流源型驅(qū)動(dòng)。比如在1200A時(shí)，用第5級(jí)門極電流和用2.2ohm的門極電阻，前者開(kāi)通損耗至約為后者的41%。

圖7：電流源型驅(qū)動(dòng)開(kāi)通損耗

圖8：電壓源型驅(qū)動(dòng)開(kāi)通損耗

結(jié)論

電流源型驅(qū)動(dòng)抗外界dv/dt能力更強(qiáng)，在系統(tǒng)雜散參數(shù)大的情況下更不容易受干擾。由于是恒流控制，在各種負(fù)載電流下，dv/dt表現(xiàn)得更平穩(wěn)。而且在兼顧EMC的同時(shí)開(kāi)通損耗得到了非常好的優(yōu)化。這款芯片的恒流控制在不同溫度下都很穩(wěn)定，這樣又避免了傳統(tǒng)IGBT在高溫時(shí)損耗增加得過(guò)快而影響效率。
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