主功率電路設(shè)計(jì)中的問(wèn)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(wú)刷直流電動(dòng)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(wèn)題，我們采用門(mén)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(jiǎn)化負(fù)壓柵極驅(qū)動(dòng)電路，電路簡(jiǎn)單，工作可靠。
關(guān)鍵詞：柵極驅(qū)動(dòng)；米勒電容；負(fù)壓泵
0引 言
對(duì)于控制器中功率電路，若使其工作可靠，關(guān)鍵問(wèn)題在于功率驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)以及功率和驅(qū)動(dòng)部分PcB布線。合理的布線可以減少功率及驅(qū)動(dòng)部分的分布參數(shù)(分布電感和分布電容)對(duì)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(shuō)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(lái)的分布參數(shù)。本文主要針對(duì)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(lái)的導(dǎo)致功率器件誤導(dǎo)通問(wèn)題。針對(duì)此問(wèn)題，解決方法是以負(fù)壓驅(qū)動(dòng)關(guān)斷功率管。即使米勒電容傳遞電荷到功率器件的門(mén)極，使得門(mén)極電壓升高，只要不升高至正值，功率管就不會(huì)誤導(dǎo)通。目前對(duì)于負(fù)壓驅(qū)動(dòng)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(dòng)電路，每一路元件只有6個(gè)。
1功率及驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(duì)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(dòng)Ic選用上管自舉的IR2110，V=500V，I=2 A。為防止負(fù)過(guò)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(méi)有輸入互鎖，因而在輸入端增加與門(mén)防止輸入信號(hào)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(kāi)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(duì)原理圖、PcB布線及損壞部分測(cè)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(wú)關(guān)；3)空載工作電流小，沒(méi)有由于di/dt帶來(lái)的負(fù)過(guò)沖及功率器件過(guò)壓擊穿問(wèn)題�？v上分析，我們將問(wèn)題共同指向dv/dt。
接下來(lái)，我們用了一個(gè)120Dc(2 A限流)的電源測(cè)試。由于功率橋臂上管自舉驅(qū)動(dòng)，無(wú)法使用示波器同時(shí)測(cè)試上、下管的柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)(示波器兩路輸入共地)，于是我們同時(shí)測(cè)試了下管柵極和上管輸入(s1)對(duì)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(hào)，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(jiǎn)單說(shuō)明。
如圖3所示，當(dāng)功率橋臂中上管(或下管)開(kāi)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(dòng)連接的阻抗。
從圖3中可看出，當(dāng)U DS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c GS充電，c GD／c GS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(wú)法減小，我們是否可以通過(guò)增加cGS來(lái)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(lái)功率管開(kāi)關(guān)速度的下 |
