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EiceDRIVER 搭配 CoolMOS CFD2 可实现优异冷藏效率
 

【作者: Wolfgang Frank】2018年10月25日 星期四

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有些家电全年无休 24 小时运作,对於效率的要求极高,因此使用 MOSFET 的效果会比 IGBT 更理想。但是,运用超接面原理的现代化 MOSFET 技术,却难以控制各种马达驱动器应用。本文说明闸极驱动器电路有效设计的基本考量,以及结合运用 EiceDRIVER IC 及 CoolMOS CFD2 所带来的效益。


BLDC 驱动器的整流电池分析

图 1 所示的半桥式电池,可供研究所有 FET 的切换行为。S1 及 S2在降压组态切换,S4则永久开启提供回路电流路径。S1为主动式开关。电感器电流在S1开启时上升。S2为整流器开关,其本体二极体在S1关闭时输送电感器电流,且电感器电流下降。这种运作模式在 1/3 的马达周期之中产生,然後相同的运作流程会移往下一个半桥。MOSFET 的切换模式运作会造成高 dv/dt 及 di/dt。


图1 : 切换电池
图1 : 切换电池

图2 : MOSFET、封装、配置及驱动器的寄生元件
图2 : MOSFET、封装、配置及驱动器的寄生元件

高 dv/dt 的主要风险在於击穿。S1开启并在S2产生 dv/dt,与其闸极耦合且出现电压突波。如果耦合突波够高,足以达到 FET 的闸极??值电压,则桥接的两个 FET 都会短暂开启,导致分流电阻器或电解电容器等元件故障。


另一项风险在於,开启时可能引发闸极振荡。高 di/dt 会在 FET 封装及配置的源极电感造成压降。这种电压会形成负回??至驱动电压,造成 FET 闸极谐振(如图3所示)。


此外,高 dv/dt 关闭时,可能透过汲极闸极电容耦合至闸极,而造成振荡。以上疑虑与 FET 叁数、封装及配置寄生有关,如图2所示。这些问题必须透过闸极驱动器设计加以解决。



图3 : MOSFET 关闭时的强力振荡
图3 : MOSFET 关闭时的强力振荡

dv/dt 来源及应用效应

dv/dt 在逆向电容Crss的充电期间产生(如图 2 所示的电荷 Qgd)。因此,Crss值及充电电流位准是影响dv/dt的两项因素。闸极电阻Rg值较高,表示是以较低电流为Crss 充电 (会延长米勒平坦区时间,并降低 dv/dt)。


MOSFET本体二极体逆复原期间的电流变化率dIrec/dt会在寄生源极电感产生电压,也就是送往驱动电压的正回??。这样会加快Crss 的充电速度,并提高 dv/dt。具备阶跃复原行为的二极体,会产生较高的dv/dt。此外,上述跃阶性质会在S2增加电压过冲现象,而这是由??路电感所造成。


在关闭期间,超接面 FET(例如 CoolMOS CFD2)的非线性电容 Coss 和高电压 Vds 下的低 Coss 值会提高 dv/dt。如此可降低切换损耗并加快电压转移,不过考量到 dv/dt 较高的情形,也需要谨慎的配置和适当的闸极驱动器设计技巧。


CoolMOS CFD2 的闸极电路设计提案

图 4 为 CoolMOS IPD65R420CFD 使用提案示意图。主要是在各个桥接开关节点新增电容器 Cds=0.47nF,藉以限制并线性化 dv/dt。这是预防击穿及谐振问题最可靠的方法。在马达驱动器应用中,切换频率多半偏低,因此新增的电容器 Cds 只会对切换损耗造成些微影响。选择其他驱动叁数的考量如下:


- Ron=1000 ? 减缓开启速度、延长平坦区,减少 dv/dt。


- Roff=0 ? 关闭时降低对 GND 的阻抗,减少电压耦合突波。


- Cgs=0.47nF 降低 Crss/Ciss 比率、减少汲极闸极或米勒耦合增益。


- Cds=0.47nF 在开启时控制/线性化 dv/dt,优点在於可移除闸极振荡与减少 EMI。


图4 : CoolMOS CFD2(采用 EiceDRIVER 2EDL 系列)的闸极电路示意图
图4 : CoolMOS CFD2(采用 EiceDRIVER 2EDL 系列)的闸极电路示意图

电路由 2EDL05N06PF EiceDRIVER IC 运作。此系统采用英飞凌SOI 技术,提供卓越的耐用度,可有效承受负瞬时电压 [3]。整合靴带式二极体的优异属性,可满足高功率密度和成本效益比的需求。


配置建议

图 5 显示了杂散电感最小化的配置,其高侧源极端子与低侧汲极端子之间的距离较短。相对於顶层的高侧电晶体,底层的低侧电晶体偏移至左侧,导致两个电晶体热解耦。此外,低侧电晶体甚至更靠近相应的闸极电阻。



图5 : 采用双侧组装的最小化杂散电感配置范例
图5 : 采用双侧组装的最小化杂散电感配置范例

这项偏移也让低侧电晶体的汲极端子直接移到源极端子下方,使适当数量的通路就近连接至高侧源极端子,进而将??路电感最小化。将低侧电晶体适当置於顶层,可避免双侧组装,不过必然会增加整体区域。


一般来说,若要在闸极驱动??路降低杂讯和谐振,建议使用以下配置准则:


- 让闸极驱动器尽可能靠近闸极。


- 将闸极到汲极的外部电容减到最小。


- 适当地选择闸极电阻 Rg.以减缓 dv/dt。


- 隔离电源接地与闸极驱动器接地。


- Rg 尽可能靠近闸极脚位。


- 在闸极驱动器与闸极之间使用较厚走线。


闸极端子邻近闸极电阻的配置方式,加上较低的杂散电感,可提升 CoolMOS 电晶体的效能,实现出色的切换行为。图 6 显示驱动电路设计提案的开启波形。图中可见没有振荡的乾净闸极讯号,而汲极-源极电压也在米勒平坦区期间缓慢降低至 0V。



图6 : 开启波形:直流连结电压 VDC = 320 V 及负载电流 IL = 2.5 A. VDS(红色,50 V/div)、IL(绿色,1 A/div)、VGS(蓝色,10 V/div)、PWM(黄色,5 V/div)、时间尺度 1 μs/div]
图6 : 开启波形:直流连结电压 VDC = 320 V 及负载电流 IL = 2.5 A. VDS(红色,50 V/div)、IL(绿色,1 A/div)、VGS(蓝色,10 V/div)、PWM(黄色,5 V/div)、时间尺度 1 μs/div]

假设配置及驱动电路不变,可预期其他两种切换桥接出现相同行为。


结论

CoolMOS CFD2 可有效提升马达驱动应用的效率。采用EiceDRIVER 2EDL系列的闸极驱动器电路提案,可确保切换不会产生振荡。由此可见,CoolMOS CFD2在驱动器系统中能够有效、可靠的运作。此外,2EDL系列采用英飞凌SOI技术,可为马达驱动器应用提供 dv/dt 方面的高耐用度以及绝隹的 CoolMOS CFD2控制能力。


(本文作者Wolfgang Frank任职於英飞凌科技)


叁考文献

[1] R. Mente, F. Di Domenico, M.A. Kutschak, A. Steiner: CoolMOS? CFD2 first 650 V rated super junction mosfet with fast body diode suitable for resonant topologies, Application Note, Infineon Technologies, February 2011.


[2] W. Choi, D. Son, M. Hallenberger S. Young: Driving and Layout Requirements for Fast Switching MOSFETs, Fairchild Semiconductor Power Seminar 2010-2011, Fairchild, 2011.


[3] J. Song, W. Frank: Robustness of level shifter gate driver ICs concerning negative gate voltages; Proceedings of PCIM 2015, Nuremberg, Germany, 2015.


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