适用于小功率电机驱动系统的MOSFET逆变模块

作者：时间：2012-01-24来源：网络收藏

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/178012.htm

　　MOSFET逆变器的另一个优点是图4(e)所示的自举电压(阴极输出电压)。从图4(e)可以看出，电机的工作频率为10Hz。图中画出了自举电压和逆变器输出电流。当电流为正时，自举电压VBS维持在V_CC=15V附近，但当电流为负时，V_BS就下降到接近10V。这是由于不同电流方向采用不同的充电机制所造成 (参见图5)。当输出电流为正时，电流要么流经高压侧MOSFET，要么流经低压侧体二极管。在这种情况下，当低压侧体二极管导通时，将对自举电容CBS充电 (参见图5(a))。此时，对CBS的充电电压可由公式(2)表示。

　　V_chg = V_CC+ V_f- (R_BS + R_EH) I_chg - V_Dbs;;;;;; (2)

电流方向不同时，自举电压的充电机制

　　其中，V_Dbs是跨过阴极输出二极管的电压。如果充电电流小，V_chg仅仅提高V_f -V_Dbs；该差值最多为1V，它反映如图1(b)所示的低压侧体二极管上的压降。但当输出电流为负时，充电电压将由公式(3)表示。

　　V_chg= V_CC+ R_ds(on)I_o - (R_BS+ R_EH) I_chg- V_Dbs;;;;; (3)
　　这里，I_o为输出电流。如果电流是负的，充电电压V_chg将随输出电流大幅下降，这是低压侧MOSFET作为主用开关时MOSFET的正向压降所致。这个自举电压是高压侧MOSFET的栅极驱动电源，且仅在电流为正时有意义。当电流为正时，由于MOSFET的Vf小，自举电压变化不大，因而无需大的自举电容。只需用较小的自举电容就可维持所需的自举电压，这个电压仅在电流为正时用来维持HVIC的待机电流。在过调高速电机运行情况下，高压侧MOSFET在输出频率的半个周期内全导通。例如，若采用单脉冲模式 (或6级阶梯波模式) 的PWM进行调制，输出频率为100Hz，则高压侧MOSFET的导通时间可持续5ms。在此期间，不可能一直对自举电容充电，而自举电容的自举电压随HVIC待机电流的变化可按公式(4)计算。
　　ΔV_BS =Δ tI_QBS / C_BS;;; (4)
　　这里，I_QBS为HVIC的待机电流，并忽略了C_BS本身的漏电流。假设最大待机电流为100mA，CBS为1mF，那么，自举电压在5ms内的变化 VBS也只有0.5V。这意味着，采用1mF的陶瓷电容就足以维持这种MOSFET逆变器在整个运行过程中所需的自举电压。
　　除了自举电路问题外，采用HVIC还会引起许多别的问题；尤其当VB电平低于地电平时最为显著。在HVIC中，高压侧栅极单元是用p-n结隔离的，而输入信号要通过额定电压为625V的电平漂移MOSFET传输到高压侧单元。为了降低信号传输期间的功耗，将开关信号转换成置位复位脉冲；该脉冲触发对应电平漂移MOSFET和高压侧单元中的置位复位(SR)闩锁电路。当V_S低于 -5V时，电平漂移MOSFET不能传送触发信号到高压侧逻辑电路。而且，若V_B小于0V，V_B与逻辑地之间的寄生二极管将会导通；这会产生过量的电流，从而破坏HVIC。在实际应用中，当负载电流非常大，或有冲击电涌噪声施加在V_B或V_S端时，V_B可能在很短时间内被拉到0V以下。除了对HVIC本身造成破坏外，还会使HVIC出现误操作或闩锁现象。当HVIC出现闩锁时，其行为将不可预测，而且，即使在恢复正常状态后，也可能被电源端之间的过量电流损坏。这类现象与HVIC的设计规则紧密相关，在设计阶段就应排除这种隐患。当HVIC产生误操作时，误操作导致的非正常关断可能中断正常的控制动作，但不大可能导致整个系统的破坏。然而，如果高压侧SR闩锁电路因电涌噪声而异常开启，高压侧功率MOSFET将处于非控导通状态，且不能在输入信号的脉冲负沿到来时复位。这种行为很可能在逆变器的某一管脚上造成短路，进而破坏功率模块。为了防止这种现象，设计模块的HVIC时，我们针对可能出现的工作和环境条件，将出现误操作的可能性降到最低。同时，当过量的电涌或冲击噪声施加在器件上时，电平漂移单元和SR闩锁电路被设计成具有关断优先的特性。