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了解智能栅极驱动(2)

  【2022.11.18.】

  2 系统挑战和智能栅极驱动特性
  本节介绍了电机栅极驱动器系统中遇到的各种挑战以及TI智能栅极驱动器中实现的不同功能,以帮助解决这些挑战。
  2.1 用于EMC和功率损耗优化的压摆率控制

  2.1.1 系统挑战
  MOSFET VDS压摆率的调整和调谐通常是电机栅极驱动器系统设计中面临的第一个也是最关键的挑战。MOSFET的压摆率直接影响多个性能参数,包括但不限于开关功率耗散、辐射、二极管恢复和电感电压尖峰以及dV/dt寄生导通。
  虽然通常有多种方法来解决这些挑战(这不属于本文的讨论范围),但它们都有一个共同的变量,那就是直接依赖于压摆率。通常情况下,需要考虑的主要权衡因素是,较慢的压摆率可以改善辐射发射、电压尖峰和寄生耦合的性能,但会增加功耗。为这种权衡找到适当的平衡点是每个电机系统设计人员都需要考虑的问题。
  要进一步了解压摆率及其对MOSFET性能的各种影响,你可以在这些论文中找到进一步的阅读材料:
  • MOSFET和IGBT栅极驱动电路的基本原理
  • 通过调整栅极驱动振幅优化MOSFET特性
  • 通过最大限度地减少电感寄生,降低降压转换器的EMI和电压应力

  2.1.2 IDRIVE的实施
  如前所述,精确控制应用于MOSFET栅极的电流可以让用户对MOSFET VDS压摆率进行合理的计算和调整。德州仪器 (TI) 的智能栅极驱动器在许多电机栅极驱动器中集成了可调栅极驱动电流方案,可以轻松控制MOSFET压摆率。可调栅极驱动电流参数被称为IDRIVE。本节介绍了IDRIVE的常用设置和实现方法。
  最常见的实施方法如图2-1所示。在这种方法中,在栅极和电压源之间启用了一个MOSFET前置驱动器开关,以管理指向外部功率MOSFET栅极的电流。

图2-1
  图2-1. 开关IDRIVE方法

  为了在VDS压摆期间控制外部MOSFET栅极的电流,智能栅极驱动器利用了MOSFET的几个特性。如果开关(前驱动MOSFET)可以在饱和区运行(第1.1节),则外部MOSFET的电流被限制在一个固定值。当外部MOSFET穿过米勒区时,栅极到源极的电压趋于平稳并保持相对恒定(第1.3节)。
  利用这两个特性,智能栅极驱动器可以确保正确的电压偏置被施加到前级开关的栅极上,并且开关在米勒充电期间处于饱和区。
  因为外部MOSFET的栅极表现为短路(交流电压施加在电容上),所以拉电流或灌电流被限制在开关的饱和电流内。通过使用多个开关(如图2-2所示),智能栅极驱动器可以在正常工作中交替使用不同的电流水平。

图2-2
  图2-2. 多个IDRIVE设置

实现IDRIVE功能的第二种方法是使用电流源而不是开关。这这种实现发生在需要对器件、电压和温度范围内的外部MOSFET VDS压摆率进行非常精确和一致的控制的应用中。虽然饱和状态下的开关可以被适当地调整为简单的电流源,但在前面描述的因素中仍然存在变化。为了消除这种变化,用一个电流源来代替开关(见图2-3)。这种结构在对电磁干扰敏感的应用中特别重要,并依赖于在特定的压摆率下对系统进行表征。

图2-3
  图2-3. 电流源IDRIVE方法

  与开关方法(图2-2)类似,可以使用多个电流源来提供可调节的栅极驱动水平。

  2.1.3 IDRIVE压摆率控制
  IDRIVE功能可以在任何时候调整VDS的压摆率,而不需要在系统中添加或移除外部元件。这种能力使系统设计人员能够对MOSFET的开关性能进行微调,涉及到效率、辐射性能、二极管恢复电感尖峰和dV/dt开启。
  下图显示了调整TI智能栅极驱动器上的IDRIVE设置对VDS压摆率的影响。MOSFET的VDS从24V回转到0V,随着IDRIVE在七个级别(10mA、20mA、30mA、40mA、50mA、60mA和70mA)的栅极-源极电流中的调整,压摆率下降。

图2-4
  图2-4. 不同IDRIVE设置的VDS持久性图谱

  下面的数字显示了MOSFET在增强时的额外信号。当VDS发生压摆时,来自智能栅极驱动器的电流和外部MOSFET的米勒区被清楚地显示出来。

图2-5
  图2-5. IDRIVE 30mA设置,图2-6. IDRIVE 60mA设置

  如第1.4节所述,如果有一个接近理想的电流源和一个准确的MOSFET QGD参数,可以对VDS压摆率进行近似计算。在下面的表格中,计算出的VDS压摆率与测量的VDS压摆率进行了比较,适用于几种IDRIVE设置。在这些计算中,假设串联栅极电阻和额外的非理想性的影响是最小的。
公式9

表2-1
  表2-1. IDRIVE压摆率的相关性

  尽管与理想的计算存在一些误差,但这些数值可以让系统设计人员设计出一个近似的压摆率,然后在原型设计中对系统进行微调。MOSFET QGD的精度在计算的准确性方面起着很大作用。

  下面的范围图是针对上表中所示的不同IDRIVE值。

图2-7,图2-8,图2-9,图2-10,图2-11,图2-12,图2-13
  图2-7,图2-8,图2-9,图2-10,图2-11,图2-12,图2-13

  2.1.4 EMI优化实例
  造成电磁干扰(也称为EMI)的主要因素之一是来自功率MOSFET开关的高频噪声。理想情况下,由功率级产生的方波电压波形是干净的地对电源信号,但这种情况很少发生。MOSFET封装和PCB布局中的寄生效应会导致下冲和过冲电压,从而在开关输出上产生振铃。这种寄生振铃可能发生在远大于1MHz的频率上,往往直接发生在敏感的频谱带上。此外,MOSFET开关的基本边沿速率可以转化为高频频谱中的噪声。
  虽然这些寄生现象可以通过布局改进、缓冲器和设计改进来解决,但通常要调整的关键因素是功率MOSFET的开关速度。IDRIVE提供了一种调整电机栅极驱动系统的理想方法,它通过写寄存器或一个电阻设置对MOSFET的压摆率进行简单控制,使系统设计人员能够选择最佳设置,在保持可接受的EMI水平的同时最大限度地减少效率损失。
  表2-2中列出的数据是智能栅极驱动器IDRIVE功能实际应用中的一个例子。表2-2显示了CISP 25 EMI工程扫描的峰值读数,从30到200MHz,智能栅极驱动器在不同的IDRIVE设置下。随着IDRIVE电流设置的减少,扫描的峰值读数也会减少。

表2-2
  表2-2. EMI扫描结果

  在示波器上分析输出波形,可以看出,在较高的IDRIVE设置下,在开关节点上诱发了高频振荡。图2-14显示了高级示波器捕获,其中振荡并不明显,但通过放大到上升沿的末端(图2-15),显示了EMI扫描中的35MHz信号。通过减少IDRIVE,振荡几乎被完全消除(图2-16),这给出了一个IDRIVE架构在现实世界应用中的例子。图2-17至图2-21显示了具有整个30-200MHz频谱的源EMI扫描。

图2-14,图2-15,图2-16
  图2-14,图2-15,图2-16

图2-17,图2-18
  图2-17,图2-18

图2-19,图2-20,图2-21
  图2-19,图2-20,图2-21

  2.1.5 压摆时间控制
  在某些TI智能栅极驱动器上,如DRV8718-Q1和DRV8714-Q1,提供了一个先进的功能,用闭环反馈调节开关节点的压摆时间。虽然前面描述的开环控制方法通常足以控制MOSFET的压摆率,但偶尔系统也需要更严格的控制。
  这是由于面临着关键的MOSFET参数仍然可以由于制造和系统条件的差异而变化。诸如MOSFET栅极电荷等参数会因器件而异,即使在同一个器件上,系统电压和温度的变化也会导致这些参数在运行期间发生变化。
  为了解决这一挑战,需要一个闭环压摆时间控制回路。闭环压摆时间控制的工作方式是监测开关节点的压摆时间,并在驱动器运行期间不断调整IDRIVE电流设置,以实现配置的目标设置。这方面的一个例子见下图。

图2-22
  图2-22. 压摆时间控制环路

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