降低电源开关导通能量损耗及电机变频驱动负压应力之法
日期：2015-10-28
作者︰Arnold Lee，主任应用工程师，飞兆半导体
寄生电感是电机变频应用中的一个重要影响因素。通过减少寄生电感值可降低导通期间的功率损耗。此外，由于限制了驱动电压中的负压尖峰 (VS)（见图 1），因此，高侧驱动的可靠性得以改善。
在电机变频应用中，低侧电源开关或 IGBT 通过电流检测连接至栅极驱动器，因此须弄懂电源 IGBT 发射极与栅极驱之间的寄生电感元件。整个寄生电感由发射极邦定线、PCB 走线及电流感测电阻组成，如图 1 所示。低侧导通期间发生较高的电流转换 (dic/dt) ，此额外寄生电感引起能量损耗 (Eon) 以及较大的负压尖峰。负压尖峰为栅极驱动器控制电压。负压尖峰连接至高侧 IGBT 发射极，如图 1 所示。负压尖峰实质上为浮地，参考半桥配置中的上桥 IGBT。导通的功率越大，则这些值（Eon，负压尖峰）也越大。大功率电机变频应用更易受到寄生电感引起的功率损耗及电压尖峰的影响。
图 1： IGBT 发射极与栅极之间的寄生电感
IGBT 发射极与栅极之间的寄生电感在导通期间产生栅极驱动电压降（图 2，瞬态区时间周期 t1、t2 及 t3）。在此期间，IGBT 栅极-发射极电压 VGE 降为 (VDD – Vdrop) ，如下列等式所示。
Eq. Vdrop = （IGBT 导通时上升的 dic/dt) × ( 寄生电感值 L)
其中，从图 2 得出 Vdrop = VL1 + VL2
图2： 功率 IGBT 导通时序图、电流路径与栅极-发射极电压降
如图 2 所示，栅极-发射极电压在 t1 期间因寄生电感产生电压降而增大。在寄生电感两端电压增大使得能量损耗 (Eon) 增加，如图 3 和图 4 所示。在系统中，栅极电阻用于控制栅极时序间隔。导通期间，dic/dt 斜率与IGBT 集电极电流呈比例变化。同样，栅极-发射极电压降随集电极电流上升而增大。为了防止因电感值及电压尖峰导致 Eon 能量损耗增大，建议采用低电感值感测电阻器。
图 3 和图 4 对采用两种感测电阻器且配置两颗如图 1 所示的 1200V IGBT（可以是半桥结构的功率模块或离散式 IGBT）的电路范例进行了比较。其中一个感测电阻器的寄生电感 (L=50nH) 比另一个 (6nH) 大。这导致高达 33％ 的额外能量损耗，分别为 4500 uJ 至 6000 uJ。
图 3：基于感测电阻器中存在的寄生电感量，导通能量 EON 随集电极电流上升而增大。
图4： 感测电阻器寄生电感导通开关波形比较
除能量损耗外，寄生电感值增大，可能导致电机变频应用中高侧驱动器 (HVIC) 应力增大或损坏。就 HVIC 解决方案而言，对容许的负压尖峰有限制。此限制被称为“负压脉冲安全工作区 (VS-NPSOA)”，如图 5 所示。
图 5：负压脉冲安全工作区 (VS-NPSOA) 示例
当高侧 IGBT 关断时，低侧续流二极管电流发生 dic/dt 电流转换，因此，感测电阻器的寄生电感产生负压尖峰。图 6 显示较大的 50 nH 电感如何增大负压尖峰。结果产生 -41.3V 的负压尖峰。相较于 6 nH 的寄生电感，其从 -31.1V 增大至 -41.3V，或增加了 33％。
图 6 ： 基于感测电阻器寄生电感值的负压尖峰波形比较。
结论是，建议采用低电感值感测电阻器，以便在感性负载应用中实现更佳效率及稳定运行。采用寄生电感值较小的感测电阻器可降低高达 33％ 的能量损耗，同时确保栅极驱动电压源安全工作区高效运行。
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