600V三相柵極驅(qū)動器加速三相電機的應(yīng)用

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)?。動態(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6 左圖中COD ＝ 2．2 μF，右圖中COD ＝ 330 nF

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。