| 主功率電路設(shè)計(jì)中的問題及改進(jìn)
解恩，侯紅勝
(西北工業(yè)大學(xué)，陜西西安710072)
摘要：在某項(xiàng)目無刷直流電動機(jī)控制器設(shè)計(jì)完成之后，實(shí)驗(yàn)中頻繁出現(xiàn)短路故障，經(jīng)分析是由于米勒電容充電以及dv／dt導(dǎo)致誤導(dǎo)通。為解決此問題，我們采用門極負(fù)壓關(guān)斷，但常用負(fù)壓充電泵元件數(shù)目較多。因此設(shè)計(jì)了一種簡化負(fù)壓柵極驅(qū)動電路，電路簡單，工作可靠。
關(guān)鍵詞：柵極驅(qū)動；米勒電容；負(fù)壓泵
0引 言
對于控制器中功率電路，若使其工作可靠，關(guān)鍵問題在于功率驅(qū)動設(shè)計(jì)以及功率和驅(qū)動部分PcB布線。合理的布線可以減少功率及驅(qū)動部分的分布參數(shù)(分布電感和分布電容)對于電路安全工作的危害。但這只是一個(gè)優(yōu)化，并不能完全消除分布電感，比如說功率器件內(nèi)部就有分布電感和分布電容，這還不包括布線帶來的分布參數(shù)。本文主要針對MOsFET漏一源極電壓迅速增加時(shí)，由于米勒電容的存在，dv/dt半帶來的導(dǎo)致功率器件誤導(dǎo)通問題。針對此問題，解決方法是以負(fù)壓驅(qū)動關(guān)斷功率管。即使米勒電容傳遞電荷到功率器件的門極，使得門極電壓升高，只要不升高至正值，功率管就不會誤導(dǎo)通。目前對于負(fù)壓驅(qū)動設(shè)計(jì)的電路比較成熟，但電路設(shè)計(jì)比較復(fù)雜，分立元件較多(每一路15個(gè)左右)。本文中設(shè)計(jì)出一種新型負(fù)壓關(guān)斷驅(qū)動電路，每一路元件只有6個(gè)。
1功率及驅(qū)動電路設(shè)計(jì)
控制器基本指標(biāo)：三相輸入電壓115 V、400 Hz；輸出功率2 kw。
一相橋臂功率及驅(qū)動電路設(shè)計(jì)如圖1所示，主功率三相全橋結(jié)構(gòu)。
將三相115 V(Ac)整流后，直流負(fù)載電壓在270 V左右。對于控制器基本輸出功率指標(biāo)，可以算出額定電流為2 O00／270=7．4 A。功率器件選用了 MOsFET功率管IRFP460，該器件耐壓V=500V，持續(xù)工作電流，ID=13 A(100℃)。從參數(shù)上應(yīng)能滿足工作要求。功率驅(qū)動Ic選用上管自舉的IR2110，V=500V，I=2 A。為防止負(fù)過沖可能引起輸出鎖定導(dǎo)致直通故障，在V間加TVs(P6KEl8A)，同時(shí)由于IR2110沒有輸入互鎖，因而在輸入端增加與門防止輸入信號同時(shí)為高而導(dǎo)致直通。電機(jī)為單向旋轉(zhuǎn)，我們?yōu)闇p小開關(guān)損耗將斬波方式選為下斬上不斬，這也能有效防止泵升。
從選型到設(shè)計(jì)都應(yīng)滿足指標(biāo)要求，并有一定余量，并且還有相應(yīng)防護(hù)措施。但是在空載實(shí)驗(yàn)時(shí)，進(jìn)展都非常不順利，短路故障每次都發(fā)生，故障離上電間隔并不確定，有時(shí)一上電就燒，有時(shí)還能能運(yùn)行幾分鐘．
2故障原因分析
由于是空載工作，工作電流不到1 A，在對原理圖、PcB布線及損壞部分測試后，我們得出如下判斷：1)功率器件損壞是由于橋臂直通導(dǎo)致；2)輸入端有互鎖，故障與IH2110以前電路無關(guān)；3)空載工作電流小，沒有由于di/dt帶來的負(fù)過沖及功率器件過壓擊穿問題。縱上分析，我們將問題共同指向dv/dt。
接下來，我們用了一個(gè)120Dc(2 A限流)的電源測試。由于功率橋臂上管自舉驅(qū)動，無法使用示波器同時(shí)測試上、下管的柵極驅(qū)動信號(示波器兩路輸入共地)，于是我們同時(shí)測試了下管柵極和上管輸入(s1)對地的波形，如圖2所示。
圖中l(wèi)曲線為上管輸入s1，2曲線為下管柵極信號，圖中可清晰看出當(dāng)上管導(dǎo)通時(shí)，下管由于dv/dt增加，使得柵極電壓上升。
這是由于米勒電容的存在，MOsFET在一定的dv/dt之上，可能導(dǎo)致誤導(dǎo)通。這個(gè)結(jié)果在許多資料中都有敘述，這里簡單說明。
如圖3所示，當(dāng)功率橋臂中上管(或下管)開通時(shí)，使得下管(或上管)uGS迅速增加，由于柵-漏極間電容cCD(米勒電容)的存在，向柵極傳遞電荷，柵源極電壓uGS增加，從而導(dǎo)致誤導(dǎo)通，橋臂短路。這是功率橋電路(特別是中高壓)燒毀主要模式之一。uGS增加的程度由三個(gè)參數(shù)決定：一是柵一漏極間電容和柵源極間電容的比值cGD／cGS；二是uDS的dv/dt上升率；三是與柵極驅(qū)動連接的阻抗。
從圖3中可看出，當(dāng)UDS迅速增加時(shí)，由于米勒電容的存在，電荷經(jīng)米勒電容向柵源電容cGS充電，cGD／cGS比值越小，UGS增加越明顯，米勒電容寄生于功率元件內(nèi)部，無法減小，我們是否可以通過增加cGS來降低UGS的增加呢?答案是這樣并不可取，因?yàn)閏GS的增加，帶來功率管開關(guān)速度的下降，使得功率器件開關(guān)損耗明顯增加。同時(shí)我們從圖3中可看出，當(dāng)功率管關(guān)斷時(shí)，驅(qū)動電阻RD等效并在柵-源端，對uGS起到瀉放電荷的作用，低值的驅(qū)動電阻RD能夠減弱由于米勒效應(yīng)帶來的uGS的增加，但RD．阻值過低會帶來dv/dt過大并附帶一定柵極電壓振蕩。
對于米勒效應(yīng)所引起的橋臂直通問題，目前解決的方案大多選用負(fù)壓關(guān)斷。這樣雖不能消除米勒效應(yīng)，但能使得uGS的不會增加到正值，也就避免了因此帶來的橋臂直通問題。
3負(fù)壓關(guān)斷驅(qū)動解決方案
由于功率驅(qū)動Ic基本采用單極性電源供電，若要產(chǎn)生負(fù)壓驅(qū)動，必須經(jīng)過電路處理。功率驅(qū)動Ic大多廠家提供了負(fù)壓驅(qū)動電路。
圖4為IR公司技術(shù)支持資料提供的負(fù)壓驅(qū)動電路。電路由分立元件構(gòu)成，元件數(shù)目為15個(gè)。但這只是一路(1個(gè)功率元件)負(fù)壓驅(qū)動電路。主電路常用的三相全橋時(shí)，負(fù)壓驅(qū)動電路元件數(shù)目為90個(gè)。即便是H橋，負(fù)壓產(chǎn)生元件數(shù)量為60個(gè)。可見廠家提供的負(fù)壓驅(qū)動電路雖然對米勒效應(yīng)帶來的不利影響提出了解救方案，但電路結(jié)構(gòu)繁贅。本文介紹一種簡單的負(fù)壓關(guān)斷驅(qū)動電路，如圖5所示。
圖5中，驅(qū)動Ic電源同樣選用單極性電源15V，H0和Vs是功率橋上管驅(qū)動Ic輸出信號端；L0和cOM是下管驅(qū)動信號；G和s是MOsFET的柵極和源極。z2的作用是將MOsFET開通電壓限制在9. 1 V，而通常開通電壓為15 v、9. l v是否能保證IRFP460通道完全開通?從資料上可以看出，uGS=5 V時(shí)，可以提供10 A，uGS=7．5 V時(shí)，通道完全打開。其它類型功率管參數(shù)接近。也就是說，9．1 v能保證MOsFET飽和開通。圖5中D2的作用是保證驅(qū)動反壓可以加上。若沒有D2，由于Z2正向?qū)ㄊ沟抿?qū)動反壓加不上。c1的作用是為負(fù)壓關(guān)斷提供電源。Dl的存在使得功率管開通比關(guān)斷慢，削弱橋臂雙極性控制時(shí)由于功率橋上臂關(guān)斷慢，下橋臂又要開通帶來的橋臂直通危險(xiǎn)。
4簡化負(fù)壓關(guān)斷驅(qū)動電路分析
對于本文介紹的簡化負(fù)壓關(guān)斷驅(qū)動電路，先分析開通路徑，其路徑如圖6所示。
當(dāng)輸入為+15 V時(shí)(HO相對于Vs或LO相對于cOM)，由于z2穩(wěn)壓的作用，uGS為9. 1 V，使得功率管開通；c1兩端的電壓為5．9 V。
當(dāng)輸人為零時(shí)，其關(guān)斷路徑如圖7所示，在開通時(shí)充電的c1此時(shí)作為負(fù)壓關(guān)斷的電源(c1的容量遠(yuǎn)大于cGS)，其電壓為5. 9 V，所以uGs為-5．9 V，使得功率管關(guān)斷(大部分功率管0 V時(shí)可靠關(guān)斷)，實(shí)現(xiàn)了負(fù)壓關(guān)斷，和驅(qū)動Ic廠家提供的負(fù)壓關(guān)斷驅(qū)動電路從電壓上相比，在同樣的輸入電壓下，開通電壓從+15 V降為9．1 V，關(guān)斷負(fù)壓從-12 V降為-5．9 V。雖說負(fù)關(guān)斷電壓只有-5. 9 V，但此時(shí)從圖7中可以看出，柵源兩端在關(guān)斷期間，cGS值增加了1μF，而米勒電荷QGD。=110 nc．可算出柵極電壓上升值：
因此負(fù)關(guān)斷電壓-5．9 V是安全的，同時(shí)如果開通電壓9 l v偏低，可將z2改為11V穩(wěn)壓管，這時(shí)負(fù)關(guān)斷電壓為-4 V。
圖8為IR2110輸入PwM波形(1通道，S4信號)，以及下管柵極電壓波形(2通道)。從實(shí)測波形可看出，開通時(shí)柵極電壓約為9 V，關(guān)斷時(shí)柵極電壓為-6 V。
5結(jié)語
本文所設(shè)計(jì)的負(fù)壓關(guān)斷驅(qū)動電路大大簡化了常規(guī)負(fù)壓關(guān)斷驅(qū)動電路，從而使得驅(qū)動電路結(jié)構(gòu)簡單、可靠。我們在原控制板添加相應(yīng)元件后，進(jìn)行壓縮泵負(fù)載連續(xù)實(shí)驗(yàn)(48 h)，未出現(xiàn)控制器故障。從前面分析可看出，負(fù)壓越高，對由于米勒效應(yīng)引起的功率管誤導(dǎo)通抑制越強(qiáng)。本文介紹的電路不足在于開通電壓和負(fù)關(guān)斷電壓相互關(guān)聯(lián)，為保證MOsFET可靠開通，提高開通電壓，負(fù)壓關(guān)斷值會相應(yīng)下降；為可靠消除米勒電荷傳遞引起的誤導(dǎo)通，提高負(fù)壓關(guān)斷電壓，那末開通電壓會有所下降。本文中所設(shè)計(jì)參數(shù)依據(jù)實(shí)際功率元件參數(shù)計(jì)算而來，當(dāng)使用其它功率器件時(shí)，可參考計(jì)算。 |
