电子博客LOGO 电子博客
首页 关于
广告1

了解智能栅极驱动(3)

  【2022.11.21.】

  2.2 通过TDRIVE状态机实现稳健的MOSFET开关操作
  本节介绍了在确保稳健开关操作方面遇到的一些常见挑战,以及在TI智能栅极驱动器中实现的解决这些挑战的不同功能。

  2.2.1 MOSFET握手
  在开关MOSFET系统中,避免交叉导通或直通条件至关重要,以防止损坏功率MOSFET或系统电源。交叉导通(如图2-23所示)发生在高端和低端MOSFET同时启用时。在电源和地之间引入一个低阻抗路径。该路径允许大电流流动,可能会损坏外部MOSFET或电源。

图2-23
  图2-23. 交叉导通实例

  交叉导通,或称直通,最常发生在从低端切换到高端(或高端切换到低端)。从收到输入信号到外部MOSFET关断会出现延迟,这与MOSFET的内部传输延迟和压摆率有关。如果相反的MOSFET在这个延迟期结束前被开启,就会发生交叉导通。防止这一问题的一个简单方法是在启用相反的MOSFET之前增加一段延迟时间(如图2-24所示)。这段时间称为死区时间。由于二极管的传导损耗,死区时间的增加会降低电机驱动器的效率。

图2-24
  图2-24. 死区时间示例

  TI智能栅极驱动器通过监测MOSFET的VGS电压并配合智能TDRIVE状态机,可为开关MOSFET系统提供优化的死区时间。VGS监测器确保半桥中的相反MOSFET在开启之前被禁用。
  除了交叉导通保护(直通)外,这种方法还可以通过减少二极管的导通时间来提供系统性能优势。MOSFET内部体二极管的传导损耗通常比标准MOSFET的传导损耗更差,并降低了整个系统的效率。
  TDRIVE状态机在从低端切换到高端(或高端切换到低端)外部MOSFET时加入了内部握手功能。握手是为了防止外部MOSFET进入交叉导通阶段,也称为直通。
  内部握手使用外部MOSFET的VGS监视器(图2-25)来确定何时一个MOSFET被禁用,另一个可以被开启。这种握手方式让系统在没有交叉导通风险的情况下插入一个优化的死区时间。

图2-25
  图2-25. VGS监视器实例

  2.2.2 MOSFET栅极故障检测
  TDRIVE状态机让智能栅极驱动器检测外部MOSFET栅极上的故障情况,例如卡在低电平或高电平状态。栅极故障可能是由功率MOSFET栅极氧化物的缺陷或故障或栅极驱动器本身的引脚故障引起的。通过监测电压和管理通向外部功率MOSFET的电流,智能栅极驱动器可以检测并报告MOSFET栅极上发生的异常事件(部分短路、短路)。
  TDRIVE栅极驱动定时器确保在异常情况下,如MOSFET栅极短路或意外开启MOSFET VGS钳位,通过智能栅极驱动器和MOSFET栅极的高峰值电流被限制在一个固定的时间内。图2-26显示了这个概念,概述如下:
  1. 智能栅极驱动器接收到开启MOSFET栅极的命令;
  2. 然后一个强电流源被施加到外部MOSFET栅极,栅极电压开始上升;
  3. 如果栅极电压在tDRIVE周期后仍未上升(表明MOSFET栅极出现短路或过流情况),智能栅极驱动器发出栅极驱动故障信号,栅极驱动被禁用以保护外部MOSFET和栅极驱动器;
  4. 如果没有发生栅极驱动故障,智能栅极驱动器会在TDRIVE期后启用一个小电流源,以保持正确的栅极电压并减少内部电流消耗。

图2-26
  图2-26. TDRIVE示例

  2.2.3 dV/dt 开启预防
  除了交叉导通和栅极故障保护功能外,内部TDRIVE状态机还提供了一种防止dV/dt开启的机制。dV/dt开启是一个系统问题,在快速压摆高端MOSFET时可能发生。当开关节点从低电平快速转换到高电平时(图2-27),它可以通过寄生的栅极-漏极电容(CGD)耦合到低端MOSFET的栅极。耦合可以提高低端MOSFET的栅极到源极的电压,如果该电压超过MOSFET的阈值电压(Vth),就会开启MOSFET。如果低端MOSFET开启,而高端MOSFET也处于开启状态,就会发生交叉导通,即直通。

图2-27
  图2-27. dV/dt示例

  TDRIVE状态机的作用是防止dV/dt导通,这可能导致外部半桥的交叉导通。通过在高端VDS压摆期间在低端MOSFET上启用强下拉,智能栅极驱动器可以为寄生电荷提供一个低阻抗路径(图2-28),该路径通过低端MOSFET栅极到漏极电容(CGD)的寄生电容耦合起来。
  这一阻抗路径可防止低端MOSFET的栅极至源极电压上升,这有可能使MOSFET在本应关断的情况下开启。TDRIVE状态机在开关周期后禁用强下拉,并转为弱下拉,以减少在外部低端MOSFET的栅极到漏极短路的情况下损坏智能栅极驱动器或系统的机会。通过限制高电流的时间,智能栅极驱动器可以防止对自身的损害,并限制对系统的进一步损害。

图2-28
  图2-28. TDRIVE下拉

  2.3 减少系统BOM
  除了系统的灵活性外,智能栅极驱动器还能通过集成电机栅极驱动系统的关键部件来减少系统BOM和所需的电路板面积。一个典型的智能栅极驱动器框图如图2-29所示。

图2-29
  图2-29. 智能栅极驱动器框图

  需要注意的第一个关键点是用于外部MOSFET的开启和关断控制的可调栅极驱动电流源。这些都是可调的,以便提供典型的压摆率控制补偿,如图2-30所示,该补偿将由外部元件完成。通常情况下,RSOURCE和RSINK电阻手动调整栅极驱动器和MOSFET栅极之间的阻抗。二极管使上升和下降的VDS压摆率可以单独调整。在智能栅极驱动器中,可调栅极驱动器集成了这一功能。
  此外,内部下拉电阻取代典型的外部电阻来实现这一功能。RPULLDOWN电阻可确保即使在栅极驱动器不工作时,MOSFET也能保持关断。

图2-30
  图2-30. 典型的栅极驱动器压摆率外部元件

  最后,为每个栅极驱动器输出提供集成的VDS和VGS比较器。这些比较器管理外部MOSFET的过流检测,并检测潜在的栅极驱动故障。这些比较器及其各种设置可以直接通过智能栅极驱动器的SPI或硬线设置进行配置。

  相关文档
  了解智能栅极驱动PDF版【点击下载

  下一篇:
  自由能源的终极秘密(13)
  推荐阅读:
  具备压摆率控制的栅极驱动器
  栅极驱动器的关键作用
  栅极驱动器的新趋势
  铁氧体磁珠在栅极驱动中的应用
广告2
©2022至今 电子博客版权所有