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EiceDRIVER 与 CoolMOS CFD2 联手提高制冷效率
接线图
2024年10月20日 19:22 39
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BLDC 驱动器的换向单元分析
如图 1 所示，半桥单元足以研究所有 FET 的开关行为。S1 和 S2 以降压配置切换；S4 持续打开以提供返回电流路径。S1 是有源开关，当 S1 打开时，电感电流上升。S2 是整流器开关 — 当 S1 关闭且电感电流下降时，其体二极管承载电感电流。此操作模式发生在电机周期的三分之一，然后相同的操作移至下一个半桥。MOSFET的开关模式操作会导致高 dv/dt 和 di/dt。
高 dv/dt 的风险
高 dv/dt 的主要风险是 S1 开启时，S2 两端产生的 dv/dt 耦合到其栅极，并出现电压尖峰。如果耦合尖峰高到足以达到 FET 的栅极阈值电压，则桥中的两个 FET 都会在短时间内开启，从而导致分流电阻或电解电容器等元件发生故障。
另一个风险是栅极振荡，它可能在导通时触发。高 di/dt 会导致 FET 封装和布局的源极电感两端出现电压降。该电压对驱动电压形成负反馈，导致 FET 栅极产生谐振，如图 3 所示。
此外，关断时的高 dv/dt 可以通过漏极-栅极电容耦合到栅极，从而引起振荡。
这些问题与 FET 的参数、封装和布局寄生效应有关，如图 2 所示。这些问题必须通过栅极驱动器设计来解决。
dv/dt 的起源和应用效果
dv/dt 发生在反向电容 Crss 的充电期间，如图 2 所示，以电荷 Qgd 表示。因此，Crss 值和充电电流水平是影响 dv/dt 的两个因素。较高的栅极电阻 Rg 值意味着用较低的电流对 Crss 进行充电，从而延长了米勒平台时间并降低了 dv/dt。
MOSFET 体二极管反向恢复期间的电流变化率 dIrec/dt 会在寄生源电感上产生电压，这是对驱动电压的正反馈。它会导致 Crss 充电更快，dv/dt 更高。具有快速恢复行为的二极管会导致更高的 dv/dt。此外，快速恢复行为会增加 S2 上的电压过冲，这是由环路电感引起的。
在关断期间，CoolMOSTM CFD2 等超级结 FET 中的非线性电容Coss和高电压 Vds 下的低 Coss 值会导致 dv/dt 增加。这提供了低开关损耗和快速电压转换，但也需要仔细的布局和栅极驱动器设计技术，将更高的 dv/dt 考虑在内。
Ron=1000 Ω：开启速度较慢，稳定期较长，dv/dt 减小。
Roff=0 Ω：关闭时对 GND 的阻抗较低，电压耦合尖峰较低。
Cgs=0.47nF：降低 Crss/Ciss 比率，降低漏极-栅极或米勒耦合增益。
Cds=0.47nF：导通时控制/线性化 dv/dt，这有利于消除栅极振荡并降低 EMI。
该电路由 2EDL05N06PF EiceDRIVER IC 驱动。它基于英飞凌的 SOI 技术，具有出色的抗负瞬态电压能力 [3]。集成自举二极管的优异性能可满足高功率密度和性价比的要求。
布局建议
图 5 描绘了一种布局，由于高端源极端子和低端漏极端子之间的距离较短，杂散电感最小。底层的低端晶体管相对于顶层的高端晶体管移到了左侧。这导致两个晶体管的热解耦。此外，低端晶体管甚至更靠近各自的栅极电阻。
这种移位还允许低压侧晶体管的漏极端子直接移动到源极端子下方，这样适当数量的通孔就可以提供与高压侧源极端子的紧密连接。因此，环路电感被最小化。当将低压侧晶体管适当地放置在顶层上时，可以避免双面组装。当然，这会导致更高的面积消耗。
一般而言，建议遵循这些布局指南来降低栅极驱动环路中的噪声和共振：
栅极驱动器尽可能靠近栅极。
最小外部栅极至漏极电容。
通过适当选择栅极电阻 Rg 来减慢 dv/dt。
将电源地与栅极驱动器地分开。
Rg 尽可能靠近栅极引脚。
在栅极驱动器和栅极之间使用粗走线。
由于栅极设计简单，栅极电阻与栅极端子物理上接近，再加上杂散电感减少，CoolMOS 晶体管的性能得到改善，开关行为也更出色。图 6 给出了建议的驱动电路设计的导通波形。它显示了干净的栅极信号，没有振荡，漏源电压也在米勒平台区缓慢下降至 0V。
如果布局和驱动电路相同，则可以预期另外两个开关桥会有相同的行为。
如图 1 所示，半桥单元足以研究所有 FET 的开关行为。S1 和 S2 以降压配置切换；S4 持续打开以提供返回电流路径。S1 是有源开关，当 S1 打开时，电感电流上升。S2 是整流器开关 — 当 S1 关闭且电感电流下降时，其体二极管承载电感电流。此操作模式发生在电机周期的三分之一，然后相同的操作移至下一个半桥。MOSFET的开关模式操作会导致高 dv/dt 和 di/dt。
开关单元
MOSFET 的寄生元件、封装、布局和驱动器
高 dv/dt 的风险
高 dv/dt 的主要风险是 S1 开启时，S2 两端产生的 dv/dt 耦合到其栅极，并出现电压尖峰。如果耦合尖峰高到足以达到 FET 的栅极阈值电压，则桥中的两个 FET 都会在短时间内开启，从而导致分流电阻或电解电容器等元件发生故障。
另一个风险是栅极振荡，它可能在导通时触发。高 di/dt 会导致 FET 封装和布局的源极电感两端出现电压降。该电压对驱动电压形成负反馈，导致 FET 栅极产生谐振，如图 3 所示。
此外，关断时的高 dv/dt 可以通过漏极-栅极电容耦合到栅极，从而引起振荡。
这些问题与 FET 的参数、封装和布局寄生效应有关，如图 2 所示。这些问题必须通过栅极驱动器设计来解决。
MOSFET 导通时产生强烈振荡
dv/dt 的起源和应用效果
dv/dt 发生在反向电容 Crss 的充电期间，如图 2 所示，以电荷 Qgd 表示。因此，Crss 值和充电电流水平是影响 dv/dt 的两个因素。较高的栅极电阻 Rg 值意味着用较低的电流对 Crss 进行充电，从而延长了米勒平台时间并降低了 dv/dt。
MOSFET 体二极管反向恢复期间的电流变化率 dIrec/dt 会在寄生源电感上产生电压，这是对驱动电压的正反馈。它会导致 Crss 充电更快，dv/dt 更高。具有快速恢复行为的二极管会导致更高的 dv/dt。此外，快速恢复行为会增加 S2 上的电压过冲，这是由环路电感引起的。
在关断期间，CoolMOSTM CFD2 等超级结 FET 中的非线性电容Coss和高电压 Vds 下的低 Coss 值会导致 dv/dt 增加。这提供了低开关损耗和快速电压转换，但也需要仔细的布局和栅极驱动器设计技术，将更高的 dv/dt 考虑在内。
CoolMOSTM CFD2 建议的门电路设计
图 4 显示了使用 CoolMOSTM IPD65R420CFD 的建议原理图。最值得注意的是，在每个桥的开关节点上添加电容 Cds=0.47nF，以限制和线性化 dv/dt。这是防止击穿和共振问题的最可靠方法。在电机驱动应用中，典型的开关频率较低，因此添加的电容 Cds 对开关损耗的影响很小。选择其他驱动参数时要考虑：Ron=1000 Ω：开启速度较慢，稳定期较长，dv/dt 减小。
Roff=0 Ω：关闭时对 GND 的阻抗较低，电压耦合尖峰较低。
Cgs=0.47nF：降低 Crss/Ciss 比率，降低漏极-栅极或米勒耦合增益。
Cds=0.47nF：导通时控制/线性化 dv/dt，这有利于消除栅极振荡并降低 EMI。
使用 EiceDRIVER 2EDL 系列的 CoolMOSTM CFD2 建议门电路原理图
该电路由 2EDL05N06PF EiceDRIVER IC 驱动。它基于英飞凌的 SOI 技术，具有出色的抗负瞬态电压能力 [3]。集成自举二极管的优异性能可满足高功率密度和性价比的要求。
布局建议
通过双面组装最小化杂散电感的布局示例
图 5 描绘了一种布局，由于高端源极端子和低端漏极端子之间的距离较短，杂散电感最小。底层的低端晶体管相对于顶层的高端晶体管移到了左侧。这导致两个晶体管的热解耦。此外，低端晶体管甚至更靠近各自的栅极电阻。
这种移位还允许低压侧晶体管的漏极端子直接移动到源极端子下方，这样适当数量的通孔就可以提供与高压侧源极端子的紧密连接。因此，环路电感被最小化。当将低压侧晶体管适当地放置在顶层上时，可以避免双面组装。当然，这会导致更高的面积消耗。
一般而言，建议遵循这些布局指南来降低栅极驱动环路中的噪声和共振：
栅极驱动器尽可能靠近栅极。
最小外部栅极至漏极电容。
通过适当选择栅极电阻 Rg 来减慢 dv/dt。
将电源地与栅极驱动器地分开。
Rg 尽可能靠近栅极引脚。
在栅极驱动器和栅极之间使用粗走线。
由于栅极设计简单，栅极电阻与栅极端子物理上接近，再加上杂散电感减少，CoolMOS 晶体管的性能得到改善，开关行为也更出色。图 6 给出了建议的驱动电路设计的导通波形。它显示了干净的栅极信号，没有振荡，漏源电压也在米勒平台区缓慢下降至 0V。
直流母线电压 VDC = 320 V 和负载电流 IL = 2.5 A 时的导通波形。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 s/div]
如果布局和驱动电路相同，则可以预期另外两个开关桥会有相同的行为。
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