簡介

直流電機的使用在汽車和工業(yè)市場中變得越來越普遍。選擇柵極驅(qū)動器并非易事，因為每種終端設(shè)備通常都具有獨特要求。電機驅(qū)動器系統(tǒng)有許多要求，包括電磁干擾 (EMI) 性能、熱性能、聲學(xué)噪聲性能和系統(tǒng)故障響應(yīng)。

為了滿足客戶系統(tǒng)的各種要求，TI 的電機驅(qū)動器產(chǎn)品系列提供了豐富的器件特性來滿足各種需求。本文檔旨在概述 TI 產(chǎn)品系列中各種電機驅(qū)動器柵極驅(qū)動器的一些可用特性，重點介紹用于 MOSFET 開關(guān)控制和優(yōu)化的特性。相關(guān)特性包括 VDS 壓擺率控制、死區(qū)時間控制、減少寄生 dV/dt 導(dǎo)通、前置和后置米勒 MOSFET 開關(guān)優(yōu)化、占空比補償以及在故障關(guān)斷期間減少電壓瞬態(tài)尖峰。表 1 概述了每個可用特性在哪些器件上提供。

壓擺率控制

壓擺率控制是在設(shè)計電機系統(tǒng)時需要考慮的關(guān)鍵因素之一。要確定所需的 MOSFET 壓擺率，需要在 EMI 性能和效率之間進行權(quán)衡。一般而言，壓擺率控制有兩種方法：開環(huán)壓擺率控制和閉環(huán)壓擺率控制。MOSFET 壓擺率控制的實現(xiàn)方式是調(diào)整柵極電流來控制 MOSFET 的導(dǎo)通和關(guān)斷時間。對于開環(huán)壓擺率控制，設(shè)計人員需要為所需的壓擺率選擇柵極電流。為了實現(xiàn)閉環(huán)壓擺率控制，柵極驅(qū)動器器件會通過一些硬件或軟件配置自動調(diào)節(jié)柵極電流，以實現(xiàn)所需的壓擺率。

VDS 壓擺率控制

電機磁場和開關(guān)電流產(chǎn)生的電氣噪聲會產(chǎn)生 EMI，這可能會由于輻射或傳導(dǎo)發(fā)射而干擾附近電子器件的運行。EMI 會受到電機設(shè)計、功率和電機轉(zhuǎn)速的影響。電機驅(qū)動器系統(tǒng)中還有其他 EMI 源，但在本文中，我們重點介紹了電機設(shè)計中 MOSFET 開關(guān)期間產(chǎn)生的 EMI。

MOSFET Miller 區(qū)域期間的壓擺率控制對于在電機設(shè)計中平衡 EMI 和熱性能至關(guān)重要，如下面圖 1 所示。降低 VDS 壓擺率有助于降低 EMI，方法是抑制由開關(guān)節(jié)點電壓快速上升或下降引起的高頻開關(guān)噪聲。盡管降低 VDS 壓擺率可以提高 EMI，但 MOSFET 開關(guān)產(chǎn)生的功率損耗會增大。這是因為器件在具有高 VDS 電壓和高 IDS 電流的區(qū)域中運行的時間更長，因此在米勒范圍內(nèi)的開關(guān)速度較慢期間會產(chǎn)生更大的功率損耗。對于設(shè)計工程師而言，選擇能夠平衡 EMI 性能與目標(biāo)應(yīng)用熱性能的壓擺率非常重要。

TI 的許多電機驅(qū)動器都提供可調(diào)壓擺率控制，允許用戶根據(jù) EMI 和熱因素調(diào)整 MOSFET 開關(guān)速度。壓擺率控制有兩種類型 - 開環(huán)壓擺率控制和閉環(huán)壓擺率控制。對于開環(huán)控制方法，設(shè)計人員可以通過 SPI 配置充電/放電柵極電流以控制壓擺率。在 MOSFET 米勒區(qū)域期間，柵極電流控制裝置是用于調(diào)整 MOSFET 的 VDS 上升和下降時間的關(guān)鍵元件。對于使用閉環(huán)方法控制壓擺率的驅(qū)動器，工程師可以在柵極驅(qū)動器寄存器中配置目標(biāo)壓擺率，并且驅(qū)動器會根據(jù)需要自動調(diào)整柵極電流，從而通過監(jiān)測 VDS 電壓壓擺率來實現(xiàn)目標(biāo)壓擺率。對于沒有開環(huán)或閉環(huán)壓擺率控制的驅(qū)動器，必須通過添加?xùn)艠O電阻器等外部元件來調(diào)節(jié) MOSFET 壓擺率，從而減慢柵極電流。可配置的開環(huán)和閉環(huán)壓擺率控制在開發(fā)階段具有易用性優(yōu)勢，因為可配置的開環(huán)和閉環(huán)壓擺率控制允許通過 SPI 進行簡單調(diào)整，從而無需更改硬件即可使用不同的 MOSFET 調(diào)整壓擺率。這樣就能夠在測試期間快速調(diào)整 MOSFET 的壓擺率，從而找到理想設(shè)置?？膳渲玫膲簲[率控制還通過移除電阻器和二極管組件來減小設(shè)計尺寸并降低設(shè)計成本，如圖 2 所示?？膳渲玫膲簲[率控制最多可為每個 MOSFET 節(jié)省三個電阻器（RSOURCE、RSINK、RPD）和一個二極管 (DSINK)。

MOSFET 開關(guān)優(yōu)化

關(guān)斷預(yù)放電電流

MOSFET 柵極關(guān)斷預(yù)放電功能可讓用戶對強大的預(yù)放電柵極電流進行編程，以將柵極電壓快速放電到米勒區(qū)域。圖 3 中展示了一個示例，其中對柵極施加了強大的柵極預(yù)放電電流以快速將柵極電壓放電至米勒區(qū)域，此時驅(qū)動器會通過 EMI 臨界區(qū)域切換到較慢的放電電流。

由于米勒區(qū)域之前沒有 VDS 壓擺 (VSHx)，因此可以在該區(qū)域中使用高預(yù)放電電流，從而減少 EMI 問題。這可以在開環(huán)或閉環(huán)配置中完成。在開環(huán)中，用戶選擇所需的預(yù)放電柵極電流，并根據(jù)電流到達特定 MOSFET 的米勒區(qū)域所需的時間來選擇施加?xùn)艠O電流所需的時間。在閉環(huán)模式下，用戶通過 SPI 對預(yù)放電時間進行編程，并且柵極驅(qū)動器會施加強大的預(yù)放電柵極電流，以根據(jù)編程的預(yù)放電時間將柵極放電到米勒區(qū)域。

使用關(guān)斷預(yù)放電電流的優(yōu)點包括：

1. MOSFET 開關(guān)損耗減少
2. 以更大占空比運行
3. 可減少占空比抖動

在 MOSFET 關(guān)斷期間，在較高的 Rdson 區(qū)域內(nèi)縮短運行持續(xù)時間，因此可以減少 MOSFET 開關(guān)損耗。此外，可以實現(xiàn)更高占空比運行，并且可以由于縮短整體 MOSFET 關(guān)斷時間而減少占空比抖動，從而通過縮短開關(guān)時間以提供更精確的占空比控制。

導(dǎo)通預(yù)充電電流

導(dǎo)通預(yù)充電電流和關(guān)斷預(yù)放電電流類似。對于導(dǎo)通預(yù)充電電流，用戶能夠?qū)姶蟮念A(yù)充電柵極電流進行編程，以快速為柵極電壓充電，直至達到米勒區(qū)域。由于米勒區(qū)域之前不存在 VDS 壓擺，因此可以使用高預(yù)充電電流。目前，TI 的一些驅(qū)動器提供閉環(huán)配置來導(dǎo)通預(yù)充電電流。用戶配置目標(biāo)預(yù)充電時間，并且驅(qū)動器在 MOSFET 導(dǎo)通期間使用更強的柵極驅(qū)動電流以實現(xiàn)配置的預(yù)充電時間，直到驅(qū)動器檢測到已達到米勒區(qū)域。

使用柵極導(dǎo)通預(yù)充電電流的優(yōu)點與柵極關(guān)斷預(yù)放電特性的優(yōu)點相似：

1. 更短的 MOSFET 導(dǎo)通時間，從而降低 MOSFET 開關(guān)損耗
2. 以更大占空比運行
3. 可減少占空比抖動

MOSFET 導(dǎo)通時間越短，MOSFET 開關(guān)損耗就越小，而通過體二極管導(dǎo)通花費的時間更少、功率損耗也會更低。此外，可以實現(xiàn)更高的占空比運行，并且可以由于縮短整體 MOSFET 導(dǎo)通時間而減少占空比抖動，從而通過縮短開關(guān)時間提供更精確的占空比控制。

導(dǎo)通后充電電流

柵極導(dǎo)通后充電電流是一個特性，用于在米勒區(qū)域完成后全面增強 MOSFET 柵極電壓。這是通過施加強大的后充電柵極電流來實現(xiàn)的，該電流會在 VDS 電壓完成壓擺后快速將柵極電壓充電至 12V。由于米勒區(qū)域完成后不存在 VDS 壓擺，因此可以使用高后充電電流。此特性提供開環(huán)和閉環(huán)配置供選擇。在開環(huán)配置中，用戶選擇所需的后充電柵極電流，一旦在 MOSFET 導(dǎo)通期間 IDRIVE 控制時間到期，驅(qū)動器就會切換到所選的電流。在閉環(huán)中，驅(qū)動器在 MOSFET 導(dǎo)通期間，在驅(qū)動器檢測到 VDS 壓擺完成后，使用更強的柵極驅(qū)動電流。

導(dǎo)通后充電電流的優(yōu)點包括：

1. 減少 MOSFET 導(dǎo)通期間的功率損耗。

通過在 VDS 壓擺完成后快速將 MOSFET VGS 電壓提高至約12V，可以更快地降低 MOSFET Rdson，并且由于用于高 RDSON 運行的時間更少，從而降低功率損耗。

保護/故障/行為響應(yīng)

導(dǎo)通 dV/dt 保護

dV/dt 導(dǎo)通是 MOSFET 快速壓擺時會出現(xiàn)的系統(tǒng)問題。當(dāng)開關(guān)節(jié)點（高側(cè)和低側(cè) MOSFET 之間的連接點）快速壓擺時（圖 XX），電壓可通過該 MOSFET 的寄生柵漏電容 (C_GD) 耦合到非開關(guān) MOSFET 的柵極。耦合會導(dǎo)致 MOSFET 的柵源電壓升高（本應(yīng)保持關(guān)斷狀態(tài)）。如果柵極電壓超過 MOSFET 閾值電壓 (Vth)，則關(guān)斷的 MOSFET 可能會短暫導(dǎo)通，而另一個 MOSFET 會導(dǎo)通，這會導(dǎo)致跨導(dǎo)或擊穿。擊穿可能會導(dǎo)致 MOSFET 過熱，并可能造成損壞。通過在相反方向的 MOSFET 導(dǎo)通期間在關(guān)斷的 MOSFET 上啟用強下拉功能，柵極驅(qū)動器可以為耦合到柵極中的寄生電荷提供低阻抗路徑。這種強大的柵極下拉路徑有助于減少關(guān)斷 MOSFET 的柵源極電壓的任何上升，從而有助于防止 MOSFET 開關(guān)期間因 dV/dt 耦合而導(dǎo)致的寄生導(dǎo)通。

導(dǎo)通 dV/dt 保護的優(yōu)勢：

1. 可以通過強力下拉相反方向的 MOSFET 柵極來幫助減少 MOSFET 導(dǎo)通期間的 dV/dt 耦合，從而可能無需添加外部 Cgs 電容，具體取決于設(shè)計。（可能消除該需求）

可配置的死區(qū)時間

如討論 dV/dt 保護時所述，在開關(guān) MOSFET 系統(tǒng)時，應(yīng)避免跨導(dǎo)或“擊穿”條件，從而防止損壞功率 MOSFET 或系統(tǒng)電源。當(dāng)高側(cè) MOSFET 和低側(cè) MOSFET 同時導(dǎo)通時，就會發(fā)生直通。電源和接地引入了一條低阻抗路徑，允許大電流，可能損壞外部 MOSFET 或電源以及其他元件。

當(dāng)從一個 FET 導(dǎo)通切換到另一個 FET 導(dǎo)通時，最容易發(fā)生擊穿現(xiàn)象。必須在命令一個 FET 關(guān)斷和命令另一個 FET 導(dǎo)通之間留出足夠的時間，以確保器件為第一個 FET 提供足夠的時間以達到完全關(guān)斷，從而避免兩個 MOSFET 同時導(dǎo)通。關(guān)斷一個 MOSFET 與導(dǎo)通另一個 MOSFET 之間的這個延遲稱為死區(qū)時間。由于二極管的傳導(dǎo)損耗，較長的死區(qū)時間會降低電機驅(qū)動器的效率，但死區(qū)時間過短會導(dǎo)致兩個 MOSFET 同時導(dǎo)通。

根據(jù)器件的不同，可配置死區(qū)時間要么使用閉環(huán)控制，要么使用開環(huán)控制。

在閉環(huán)可配置死區(qū)時間中，驅(qū)動器可以通過監(jiān)測 MOSFET VGS 電壓來更大限度地提高效率，從而為開關(guān) MOSFET 系統(tǒng)提供優(yōu)化的死區(qū)時間。VGS 監(jiān)視器確保在啟用命令 MOSFET 之前，驅(qū)動器將半橋中相反方向的 MOSFET 禁用。

除了直通（擊穿）保護之外，該方法還通過降低二極管的傳導(dǎo)周期來提供系統(tǒng)性能優(yōu)勢。MOSFET 內(nèi)部體二極管的導(dǎo)通損耗通常比標(biāo)準(zhǔn) MOSFET 導(dǎo)通損耗更糟糕，并降低了整體系統(tǒng)效率。當(dāng)從低側(cè)向高側(cè)（或從高側(cè)到低側(cè)）外部 MOSFET 切換時，驅(qū)動器具有內(nèi)部握手功能。握手功能旨在防止外部 MOSFET 進入跨導(dǎo)階段。內(nèi)部握手利用外部 MOSFET 的 VGS 監(jiān)視器來確定何時禁用一個 MOSFET 以及何時啟用另一個。通過這種握手，能夠向系統(tǒng)插入一個優(yōu)化的死區(qū)時間，而不會產(chǎn)生跨導(dǎo)的風(fēng)險。

在開環(huán)控制中，用戶選擇所需的死區(qū)時間，驅(qū)動器監(jiān)視輸入命令關(guān)閉和相反輸入命令開啟之間的時間，并在設(shè)定的死區(qū)時間內(nèi)強制輸出為低電平。在閉環(huán)控制中，用戶選擇所需的死區(qū)時間，驅(qū)動器監(jiān)測 VGS 電壓以確定 FET 何時關(guān)斷，然后插入死區(qū)時間

故障軟關(guān)斷

故障軟關(guān)斷可在發(fā)生導(dǎo)致關(guān)斷事件（例如過流或擊穿情況）的故障時，通過在 MOSFET 關(guān)斷期間減慢 VDS 壓擺來保護驅(qū)動器。減慢轉(zhuǎn)換速度可以降低電感尖峰和瞬變，從而在過流事件期間提高設(shè)計穩(wěn)健性。當(dāng)系統(tǒng)中積聚高電流時，快速關(guān)斷會導(dǎo)致嚴(yán)重的電感尖峰，從而可能損壞驅(qū)動器。在正常開關(guān)操作期間，MOSFET 可以相對較快地關(guān)斷（圖 7）。但是，如果 MOSFET 發(fā)生故障可能會導(dǎo)致過流故障，那么如果電流路徑被快速切斷并通過 MOSFET 體二極管重新路由，流經(jīng)電路板上寄生電感的大電流會導(dǎo)致較大的尖峰。為了幫助用戶克服這一挑戰(zhàn)，驅(qū)動器通過將柵極電流降低至軟放電電流來減慢 MOSFET 的關(guān)斷速度，從而減慢故障響應(yīng)期間的相電壓轉(zhuǎn)換速度。

實現(xiàn)該軟關(guān)斷電流的方式因器件而有所不同。當(dāng)驅(qū)動器檢測到故障時，某些器件會將電流降低一定數(shù)量的階躍，使其低于正常運行期間選擇的柵極電流電平。其他驅(qū)動器讓用戶可以選擇所需的較低柵極驅(qū)動電平。還有一些器件可在到達米勒區(qū)域之前，在關(guān)斷事件期間實現(xiàn)預(yù)放電電流。用戶可以對放電電流進行編程，以將柵極放電到米勒區(qū)域，然后切換到整個 Vds 壓擺區(qū)域的軟放電電流。關(guān)斷期間具有預(yù)放電功能的器件有助于驅(qū)動器在使軟放電電流完全關(guān)斷 MOSFET 之前，盡快地進入米勒區(qū)域。這種預(yù)放電可縮短故障響應(yīng)期間的總 MOSFET 關(guān)斷時間，并縮短系統(tǒng)中存在高電流的時間，同時在關(guān)鍵 VDS 壓擺區(qū)域期間仍會減慢速度。

占空比補償

占空比補償?shù)哪繕?biāo)是主動管理傳播延遲及其對開關(guān)性能的影響，使輸出相電壓占空比等于命令的輸入占空比。良好的開關(guān)性能對于實現(xiàn)電機在速度和扭矩控制方面的卓越性能非常重要。占空比補償有助于補償從輸入到輸出的延遲以及導(dǎo)通和關(guān)斷行為期間的不匹配。這兩個參數(shù)會直接影響最小和最大占空比、頻率范圍以及占空比步進分辨率。

雖然大多數(shù)柵極驅(qū)動器會規(guī)定自身的延遲和失配參數(shù)，但它們只是整個輸入到輸出延遲的一部分。另一個關(guān)鍵部分是 MOSFET 開關(guān)延遲。在高壓擺率下，與驅(qū)動器延遲相比，MOSFET 對傳播延遲和失配的貢獻通常很小。相比之下，在 EMC 敏感系統(tǒng)中常見的慢速壓擺率下，MOSFET 壓擺率可能是主要影響因素。占空比補償監(jiān)控輸出相位導(dǎo)通時間，并調(diào)整輸出相位以匹配輸入命令導(dǎo)通時間，從而調(diào)整電機電流方向的變化。這樣的優(yōu)勢包括更精確的占空比控制，以及可對輸出占空比進行調(diào)節(jié)，從而與命令的輸入占空比非常接近。

結(jié)語

TI 提供各種有刷和無刷電機柵極驅(qū)動器，適用于各種工業(yè)和汽車應(yīng)用。設(shè)計人員可以選擇 TI BDC 或 BLDC 柵極驅(qū)動器，混合產(chǎn)品系列的多種特性來滿足應(yīng)用需求，包括有利于以下方面的特性：在 EMI 性能和熱性能之間進行調(diào)優(yōu)（通過控制開關(guān)壓擺率）、在 MOSFET 開關(guān)期間進行額外的預(yù)先和后期米勒范圍性能優(yōu)化、通過可配置或自動死區(qū)時間插入實現(xiàn)擊穿保護，以及 dV/dt 柵極導(dǎo)通預(yù)防，還有在故障事件期間進行軟關(guān)斷以降低過流故障電壓尖峰（尤其是在過流故障事件中）。這些特性有助于克服 EMI、效率、聲學(xué)、MOSFET 保護等方面的挑戰(zhàn)。要了解有關(guān) TI 電機驅(qū)動器產(chǎn)品的更多信息，請訪問 TI 電機驅(qū)動器