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了解智能栅极驱动(4)

  【2022.11.23.】

  2.4 传输延迟的优化
  本节介绍了在传输延迟优化中遇到的一些常见挑战,以及TI智能栅极驱动器中为解决这些挑战而实现的不同功能。

  2.4.1 系统挑战
  电机栅极驱动器系统设计中的另一个常见挑战是管理传输延迟及其对系统开关性能的影响。传输延迟有两个影响整体开关性能的关键参数。第一个是输入到输出的整体延迟,第二个是开启到关断的不匹配。这两个参数将直接影响最小和最大占空比、频率范围和占空比步长分辨率。良好的开关性能对于实现电机在速度和扭矩控制方面的最佳性能非常重要。
  虽然大多数栅极驱动器会指定其延迟和失配参数,但它们只是整个输入到输出系统的一个部分。另一个关键部分是MOSFET开关延迟本身。在高压摆率下,与驱动器相比,MOSFET对传输延迟和失配的影响往往是最小的,但在慢压摆率下,如在EMC敏感系统中经常发现的那样,MOSFET可能是一个主要的贡献者。
  进一步看一下典型的MOSFET数据表,我们可以开始了解MOSFET参数是如何影响整体传输延迟的。 CSD18532Q5B的跨电压电容参数如下图2-31所示。

图2-31
  图2-31. CSD18532Q5B电容曲线图
  
  了解这些参数如何随电压变化是很重要的,因为它可以用来确定MOSFET的QGD和QGS。通常情况下,QGD和QGS将被指定为MOSFET的电气特性,但这通常是在给定的VDS下指定的,可能无法代表实际的系统条件。

图2-32
  图2-32. MOSFET开启响应

  参照下面的公式,我们可以确定一个更准确的QGD值,作为Crss和VDS的函数。如图2-32所示,在QGD充电过程中,VDS是动态变化的,因此要在VDS上进行积分。然后我们可以找到一个更准确的QGS作为Ciss和VDS的函数。如图2-32所示,由于VDS在QGS充电过程中是相对静态的,因此要乘以这个值:

图2-33
  图2-33. 电荷计算

  根据QGD和QGS,我们可以确定MOSFET对传输延迟和压摆时间的贡献

图2-34
  图2-34. 时序计算

  再次使用CSD18532Q5B MOSFET的例子,我们可以计算出近似的QGD和QGS。 假设电源为12V,QGD大约为1.2 nC,QGS大约为6.9nC。进一步假设压摆时间为1us,我们可以计算出ISOURCE为1.2mA。由此,我们可以计算出近似的传输延迟为5.75us。综上所述,我们可以看到QGS >> QGD,这对大多数MOSFET来说通常是正确的。我们还可以得出结论,在较慢的压摆率下,传输延迟时间成为影响开关性能的一个重要因素。如果使用20kHz的PWM信号,大于5us的传输延迟已经超过了整个周期的10%。

  2.4.2 传输延迟的减少
  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,通过使用动态电流控制方案来减少MOSFET充电和放电的传输延迟。
  该方案减少了传输延迟,以支持更广泛的PWM占空比范围,也减少了MOSFET的热耗散,因为它在米勒充电区之后移动到了剩余充电区。这在图2-35和图2-36中显示。动态电流控制有几个区域,包括用于减少传输延迟(tDON/OFF)的预充电电流(IPRE_CHR),用于控制压摆率的驱动电流(IDRVP/N),以及用于剩余充电的后充电电流(IPST_CHR)。

图2-35
  图2-35. 动态预充电方案

图2-36
  图2-36. 动态充电后方案

  为了实现稳健的动态电流控制,智能栅极驱动器使用自适应方案来学习和预测开关节点何时会进入压摆区域,并预先调整栅极驱动电流。需要一个预测方案,因为使用比较器的直接反馈的典型延迟可能会影响压摆区域本身。
  在这个自适应方案中,控制器在编程的传输延迟的一定比例内调制电流,然后监测开关节点在哪个点上压摆。如图2-37所示,根据开关节点的早期或晚期压摆,预充电电流被向上或向下调整。每个PWM周期,预充电电流(IPRE-CHR)都会根据开关节点(VSH)的压摆时间进行更新,直到达到所需的传输延迟(tDON)。

图2-37
  图2-37. 传输延时自适应调整

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