大功率電機(jī)驅(qū)動(dòng)器應(yīng)用的系統(tǒng)設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

摘要

維持較高額定功率的電機(jī)應(yīng)用引入了低功率應(yīng)用中不需要的設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)。通過(guò)查看功率級(jí)的解剖結(jié)構(gòu)，我們可以開(kāi)發(fā)故障排除指南、外部電路庫(kù)、TI 驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)品特性或布局技術(shù)，以應(yīng)對(duì)更大功率系統(tǒng)的易失性問(wèn)題。

1 大功率電機(jī)應(yīng)用簡(jiǎn)介

大功率電機(jī)應(yīng)用范圍廣泛，從數(shù)百瓦的低壓系統(tǒng)（例如 12V 汽車(chē)電動(dòng)座椅）到數(shù)千瓦系統(tǒng)（例如 60V 和 100A 電動(dòng)工具）。通常，這些系統(tǒng)使用基于分流器的電流檢測(cè)和控制大功率 MOSFET 的非隔離柵極驅(qū)動(dòng)器。雖然這些應(yīng)用可以由電池或轉(zhuǎn)換為直流的網(wǎng)格化交流電源供電，但它們都有一個(gè)共同的目標(biāo)，即穩(wěn)定可靠并針對(duì)由擊穿、短路、過(guò)流、MOSFET 反向恢復(fù)或 PCB 寄生電感行為引起的大電流和高電壓事件提供保護(hù)。

例如，電動(dòng)工具具有用于工業(yè)和家庭用途的高額定功率，例如鉆孔、研磨、切割、拋光、驅(qū)動(dòng)緊固件等。要求包括：

? 外形小巧，因?yàn)楣ぞ咄ǔＪ鞘殖质降?/p>

? 高效率，因?yàn)楣ぞ咄ǔＳ呻姵毓╇?/p>

? 大電流，因?yàn)楣ぞ弑仨毊a(chǎn)生高扭矩才能克服大負(fù)載

? 高可靠性，因?yàn)槿绻ぞ叱霈F(xiàn)故障，安全是首要問(wèn)題

? 良好的熱性能，因?yàn)榇蠊β拭芏认律岵患褧?huì)導(dǎo)致系統(tǒng)過(guò)熱

在設(shè)計(jì)大功率系統(tǒng)時(shí)，這些要求會(huì)相互沖突，需要權(quán)衡。對(duì)于電動(dòng)工具，大電流、效率和熱性能會(huì)隨著電路板尺寸的增大而增加，這與外形小巧和需手持的需求相沖突。

因此，大功率設(shè)計(jì)非常重要。與電磁干擾 (EMI) 的情況一樣，針對(duì)大功率應(yīng)用進(jìn)行設(shè)計(jì)是一個(gè)決策和規(guī)劃過(guò)程，以減輕可能發(fā)生或可能不會(huì)發(fā)生的問(wèn)題。

1.1 設(shè)計(jì)不當(dāng)?shù)拇蠊β孰姍C(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的影響

令人驚訝的是，糟糕的大功率設(shè)計(jì)并不總是會(huì)導(dǎo)致電氣火災(zāi)或冒煙。結(jié)果是產(chǎn)生了一個(gè)頻譜。對(duì)于電氣火災(zāi)，結(jié)果可能在一瞬間發(fā)生，造成災(zāi)難性電路板損壞，因此電機(jī)僅運(yùn)轉(zhuǎn)一次壽命就終結(jié)了。這表明設(shè)計(jì)存在根本性問(wèn)題，或者正常運(yùn)行的某些方面被放大了。因此，可以減少或減輕設(shè)計(jì)的某些方面，控制損壞源并減少其對(duì)系統(tǒng)的負(fù)面影響，從而將損壞概率降至可以忽略不計(jì)的水平。

在其他情況下，電機(jī)會(huì)旋轉(zhuǎn)，當(dāng)命令電機(jī)提供更多電流時(shí)，電機(jī)可能發(fā)生損壞，或停止旋轉(zhuǎn)。運(yùn)行方式的變化對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生的壓力超出它的承受能力。在更困難的情況下，電機(jī)將以相同的電流或速度旋轉(zhuǎn)一百個(gè)小時(shí)，但在測(cè)試結(jié)束前幾分鐘就會(huì)出現(xiàn)故障。這可能意味著特殊用例可能會(huì)導(dǎo)致設(shè)計(jì)失敗，或者隨著時(shí)間的推移，正常運(yùn)行可能會(huì)導(dǎo)致設(shè)計(jì)損壞，直到發(fā)生永久性和可觀察到的故障。

了解設(shè)計(jì)人員可以通過(guò)頻譜中的差異知道需要進(jìn)行什么樣的更改才能修復(fù)或防止損壞。就像損壞頻譜一樣，從更換物料清單上的元件到完全重新設(shè)計(jì)原理圖和布局，更改頻譜也各不相同。

1.2 大功率設(shè)計(jì)流程的示例

此示例涵蓋了一個(gè)假設(shè)，并使用大功率設(shè)計(jì)原理來(lái)改進(jìn)大功率電機(jī)驅(qū)動(dòng)器應(yīng)用。請(qǐng)注意，此示例用于說(shuō)明如何利用該過(guò)程，應(yīng)用手冊(cè)的其余部分解釋了選擇最終實(shí)際使用的過(guò)程所依據(jù)的理論。

考慮以下示例：

? 在使用 DRV835x 以 20A 運(yùn)行的 48V 系統(tǒng)中，系統(tǒng)按預(yù)期工作

? 將電流增加到 30A 的目標(biāo)電流時(shí)，系統(tǒng)會(huì)持續(xù)受損

? 所有電流電平超過(guò) 30A 的系統(tǒng)都會(huì)發(fā)生這種情況

檢查給定內(nèi)容，系統(tǒng)存在根本問(wèn)題。在這種情況下，故障排除的下一步必須是驗(yàn)證柵極驅(qū)動(dòng)電路的功能。

在完成故障排除步驟后，可以發(fā)現(xiàn)：

? 僅在嘗試切換低側(cè)并查看標(biāo)準(zhǔn)后才施加 nFAULT 信號(hào)，低側(cè)發(fā)生 VGS 故障，這意味著在切換輸入低側(cè)柵極信
號(hào)后，柵極電壓沒(méi)有上升到預(yù)期電壓

? 使用 DMM，對(duì)低側(cè)柵極到源極進(jìn)行的阻抗測(cè)試結(jié)果顯示為幾個(gè)歐姆，這表明發(fā)生了短路和損壞

? 損壞主要發(fā)生在單個(gè)相位上，但其他一些相位已受到損壞，具體取決于所測(cè)試的系統(tǒng)

柵極到源極之間的短路似乎表明問(wèn)題出在電壓電感尖峰上，因?yàn)榭赡芤呀?jīng)超過(guò)絕對(duì)最大限值。在較低電流電平下沒(méi)有發(fā)生損壞進(jìn)一步支持了這一觀點(diǎn)。此外，如果損壞主要發(fā)生在單個(gè)相位，這表明可能存在布局未優(yōu)化，并且可能正是這一點(diǎn)導(dǎo)致了問(wèn)題發(fā)生。

目標(biāo)是降低電壓尖峰：

? 通過(guò)降低 IDRIVE 來(lái)限制尖峰，這降低了柵極驅(qū)動(dòng)灌電流和拉電流。

– 這使系統(tǒng)能夠耐受 30A 電流，但由此產(chǎn)生的 VDS 信號(hào)和柵極的上升和下降時(shí)間對(duì)于應(yīng)用來(lái)說(shuō)太長(zhǎng)了。如果上升和下降時(shí)間可以接受，那么問(wèn)題到這里就解決了。

? 通過(guò)在 20A 的低側(cè)柵極和源極電壓上使用示波器探頭，波形顯示低側(cè)源上存在負(fù)電壓尖峰，該尖峰接近但不超過(guò) DRV835x 100-V三相智能柵極驅(qū)動(dòng)器 數(shù)據(jù)表中定義的絕對(duì)最大限值。

– 這便產(chǎn)生了以下假設(shè)：這些尖峰會(huì)隨著電流的增加而變得更糟，最終會(huì)超過(guò)絕對(duì)最大額定值有一些指標(biāo)表明低側(cè)源極和柵極的負(fù)尖峰是問(wèn)題所在，可以采用以下幾種解決方案進(jìn)行處理：

? 將高側(cè)源添加到低側(cè)電容器

? 添加?xùn)艠O至 GND 二極管

? 增加大容量電容

? 分析受到損壞的相位周?chē)牟季植?duì)其進(jìn)行改進(jìn)，特別是 GND 和檢測(cè)電阻路徑評(píng)估哪種解決方案能夠解決問(wèn)題。為避免重新設(shè)計(jì)電路板，最佳做法是查看物料清單的變化或填充先前已取消填充的元件。

? 存在高側(cè)漏極到低側(cè)源極電容器的位置，但未填充，因此添加電容器即可解決問(wèn)題，而無(wú)需重新設(shè)計(jì)，同時(shí)也不會(huì)降低柵極驅(qū)動(dòng)電流。

本應(yīng)用手冊(cè)將此過(guò)程拆分為開(kāi)發(fā)故障排除指南、外部電路庫(kù)、TI 驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)品特性或布局技術(shù)，以應(yīng)對(duì)更大功率系統(tǒng)的易失性。

2 簡(jiǎn)要研究大功率電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

2.1 電機(jī)驅(qū)動(dòng)功率級(jí)剖析及故障排除方法

圖 2-1. 高級(jí)功率級(jí)

在開(kāi)發(fā)故障排除指南、外部電路庫(kù)、TI 驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)品特性或布局技術(shù)之前，必須了解典型的柵極驅(qū)動(dòng)器系統(tǒng)及其子功能。

首先來(lái)看圖 2-1 的右側(cè)部分，可以看到電機(jī)驅(qū)動(dòng)器功率級(jí)（也被稱(chēng)為逆變器、相位或半橋）的一項(xiàng)功能是向電機(jī)輸送電流。分解為幾個(gè)最簡(jiǎn)單的部分，假設(shè)低側(cè) FET 關(guān)閉，電流從 VDRAIN 流經(jīng)高側(cè) FET 并進(jìn)入電機(jī)?；蛘?，如果低側(cè) FET 導(dǎo)通，而高側(cè) FET 關(guān)閉，則電流從電機(jī)流出并通過(guò)低側(cè) FET 到達(dá) GND。在千瓦電機(jī)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用中，會(huì)有高達(dá)數(shù)百安培的電流流經(jīng)這些 FET。

再來(lái)看看圖 2-1 的左側(cè)部分，可以看到功率級(jí)的另一項(xiàng)功能是將數(shù)字邏輯 PWM 輸入信號(hào)（例如 INHx 和 INLx）轉(zhuǎn)換為更高模擬電壓電平的信號(hào)，例如 24V 或 48V。這樣，功率級(jí)的一部分就是為了實(shí)現(xiàn)從數(shù)字電平信號(hào)到模擬電平信號(hào)的電壓轉(zhuǎn)換。此外，通常情況下，從提供的電機(jī)驅(qū)動(dòng)器電源電壓產(chǎn)生電壓軌以轉(zhuǎn)換模擬電壓電平是電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的一項(xiàng)功能。這些模擬電壓可能高于 VDRAIN 或系統(tǒng)中的最高輸入電壓。因此，使用線(xiàn)性穩(wěn)壓器、電荷泵或自舉架構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)這些電壓（例如，VCP 和 VGLS）。

然后來(lái)看圖 2-1 的中間部分，可以看到功率級(jí)的另一個(gè)次要功能是調(diào)節(jié)或控制 FET 柵極上的信號(hào)。MOSFET 可以作為開(kāi)關(guān)、電阻器或電流源（這取決于與漏極和源極電壓相關(guān)的柵極電壓），因此必須控制和監(jiān)控 FET 的所有電壓。保護(hù)、信號(hào)調(diào)節(jié)技術(shù)和專(zhuān)用電路都屬于此功能。

綜上所述，電機(jī)驅(qū)動(dòng)功率級(jí)的三個(gè)功能是：

? 向電機(jī)輸送電流

? 從數(shù)字電壓電平到電機(jī)電壓電平的電壓轉(zhuǎn)換

? 柵極信號(hào)調(diào)節(jié)或保護(hù)

2.2 大功率系統(tǒng)故障排除

故障排除過(guò)程的第一步是了解損壞發(fā)生的位置。檢查功率級(jí)的功能，以評(píng)估在發(fā)生損壞后是否有任何功能不再按預(yù)期工作。

對(duì)于向電機(jī)輸送電流的情況，請(qǐng)使用數(shù)字萬(wàn)用表 (DMM) 并在 FET 的漏極和源極之間或 VDRAIN 和 SHx 之間執(zhí)行阻抗檢查，如圖 2-1 所示。當(dāng)未通電時(shí)，漏極到源極路徑預(yù)計(jì)為高阻抗（即 kΩ），因此低阻抗表明 FET 和電流傳輸路徑已損壞。對(duì)于更麻煩的故障排除，在轉(zhuǎn)換過(guò)程中使用示波器探測(cè) FET 的柵極電壓、漏極電壓和源極電壓，以檢查穩(wěn)定性和信號(hào)上的振鈴量。

在進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)換時(shí)，使用 DMM 并在柵極信號(hào)和柵極電壓電源（例如 VGLS、VCP 或 GND）之間執(zhí)行阻抗檢查，如圖 2-1 所示。這些路徑應(yīng)為具有容性負(fù)載的高阻抗。低阻抗表示發(fā)生損壞（即幾個(gè)歐姆）。若要進(jìn)行更深入的故障排除，請(qǐng)?jiān)谶\(yùn)行期間使用示波器電壓探頭檢查電源電壓的穩(wěn)定性。

對(duì)于調(diào)節(jié)或保護(hù)柵極信號(hào)的情況，請(qǐng)使用 DMM 或 LRC 表并對(duì)路徑中的元件進(jìn)行阻抗檢查，以確保無(wú)源器件沒(méi)有損壞。一種簡(jiǎn)單的做法是，僅將讀取值與原理圖中列出的預(yù)期值進(jìn)行比較，從而檢查有無(wú)損壞。

需要注意的是，大多數(shù)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器將這些功能集成到一個(gè)器件或單個(gè)芯片上。因此，這些集成柵極驅(qū)動(dòng)器中的大多數(shù)都能夠監(jiān)控和檢查這些功能，并通過(guò)某種 FAULT、WARNING、LOCK GPIO 信號(hào)或可讀寄存器通知設(shè)計(jì)人員。如果 nFAULT 信號(hào)被置位，那么了解 nFAULT 信號(hào)被置位的原因以及觸發(fā)哪個(gè)故障至關(guān)重要。每個(gè)故障的標(biāo)準(zhǔn)通常在數(shù)據(jù)表中提供。更重要的是，如果可以重置 nFAULT 信號(hào)，則可以使用示波器電壓探頭監(jiān)測(cè)該信號(hào)，并將其用作下降沿觸發(fā)器以捕獲其他信號(hào)，例如 FET 柵極、源極或漏極電壓。

總之，步驟如下：

? 使用 DMM 檢查 FET 所有端子之間的阻抗

? 使用示波器探測(cè)柵極、漏極和源極電壓以檢查穩(wěn)定性和振鈴

? 使用 DMM 檢查柵極和柵極電源電壓之間的阻抗

? 使用示波器探測(cè)柵極電源電壓以確保穩(wěn)定性

? 使用 DMM 或 LCR 確認(rèn)功率級(jí)中的無(wú)源器件值

? 了解任何 FAULT 信號(hào)被置位的原因

幸好，大功率設(shè)計(jì)一般不是出錯(cuò)之后開(kāi)展的補(bǔ)救性實(shí)驗(yàn)。如前所述，可以采取一些措施來(lái)緩解潛在問(wèn)題。

這些操作可能會(huì)改變電路板架構(gòu)或柵極驅(qū)動(dòng)器運(yùn)行方式，從而增加對(duì)元件或電路板面積的需求。因此，需要在實(shí)現(xiàn)每個(gè)可能的操作和考慮真實(shí)系統(tǒng)的重要需求之間進(jìn)行權(quán)衡，這正是大功率設(shè)計(jì)的藝術(shù)。

3 通過(guò) MOSFET 和 MOSFET 柵極電流實(shí)現(xiàn)大功率設(shè)計(jì) (IDRIVE)

3.1 MOSFET 柵極電流

如前所述，MOSFET 的漏極和柵極電流是向電機(jī)供電的基石。為了提供電流并打開(kāi) FET，必須在 MOSFET 的本征柵極電容器上積累電荷。此過(guò)程在 MOSFET和 IGBT柵極驅(qū)動(dòng)器電路的基本原理 和了解智能柵極驅(qū)動(dòng) 應(yīng)用手冊(cè)中進(jìn)行了更詳細(xì)的解釋。

因此，將柵極電荷或電流的速率與 FET 漏極至源極電壓上升聯(lián)系起來(lái)，如理想的一階方程式 1 所示

其中：

根據(jù)方程式 1，高 IDRIVE 和小 Qgd 會(huì)導(dǎo)致非?？斓膲簲[率，因?yàn)?VDRAIN 在系統(tǒng)中通常是固定的，除非系統(tǒng)電源電壓專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)為可變電壓。高壓擺率會(huì)降低 MOSFET 中的開(kāi)關(guān)損耗，因此使壓擺率盡可能高似乎是有益的。但是，大多數(shù)設(shè)計(jì)人員試圖使用更高的壓擺率，卻沒(méi)有意識(shí)到使用超出設(shè)計(jì)值太多的壓擺率會(huì)產(chǎn)生不利影響。

3.1.1 柵極電流為何會(huì)導(dǎo)致?lián)p壞

遺憾的是，在大功率系統(tǒng)中存在高壓擺率的不利影響。隨著更多電流流經(jīng) FET 和 VDS 電壓以更快的速度進(jìn)行轉(zhuǎn)換，MOSFET 的固有電容耦合以及寄生 LC 諧振的影響會(huì)增加。

圖 3-1. MOSFET 導(dǎo)通引起的電感尖峰和耦合

如圖 3-1 所示，柵極信號(hào)上升沿的高頻分量（更重要的是，穿過(guò)米勒區(qū)域的上升 VDS 信號(hào)）會(huì)導(dǎo)致電流流到另一個(gè) FET 的本征電容器上。該信號(hào)通過(guò)固有的柵極至漏極或柵極至源極電容器耦合，因?yàn)殡娙萜髟谳^高頻率下具有較低的阻抗。如果這些耦合信號(hào)足夠高，它們可能會(huì)超過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的絕對(duì)最大額定值，或者打開(kāi)一相內(nèi)的低側(cè)和高側(cè) FET，從而在電流繞過(guò)電機(jī)并從 VDRAIN 到 GND 流過(guò)直接路徑時(shí)導(dǎo)致發(fā)生擊穿。

由于 CGD 耦合，MOSFET 在導(dǎo)通之前具有最大壓擺率限制。這意味著如果壓擺率太高，即使柵極直接短接至源極，MOSFET 也會(huì)導(dǎo)通。在考慮柵極驅(qū)動(dòng)器下拉強(qiáng)度和柵極路徑上的寄生電感時(shí)，這會(huì)在導(dǎo)致意外導(dǎo)通之前降低可能的最大壓擺率。

簡(jiǎn)單地說(shuō)，柵極電流越大，耦合越多，而柵極電流越小，則耦合越少。

重申一下：

? 柵極電流過(guò)大會(huì)導(dǎo)致?lián)p壞

? 降低電流可防止損壞

? 為系統(tǒng)選擇適當(dāng)?shù)臇艠O驅(qū)動(dòng)電流 (IDRIVE) 至關(guān)重要。

既然了解了柵極電流過(guò)多產(chǎn)生的影響，就必須開(kāi)發(fā)調(diào)整柵極電流的方法，并且必須推導(dǎo)出給定系統(tǒng)的柵極電流計(jì)算法。

3.1.2 柵極電阻器和智能柵極驅(qū)動(dòng)技術(shù)

柵極電流或 IDRIVE 在 FET 的開(kāi)關(guān)特性中發(fā)揮著重大的作用，因此需要使用能夠調(diào)整柵極電流的方法。

3.1.2.1柵極電阻器

圖 3-2. 柵極電流固定時(shí)的灌入和拉出電阻器

在大多數(shù)柵極驅(qū)動(dòng)器器件中，柵極驅(qū)動(dòng)拉電流和灌電流（即上拉和下拉）值可在數(shù)據(jù)表中找到。在某些器件中，該值在內(nèi)部是固定的，對(duì)于給定的 FET，輸出電流能力遠(yuǎn)大于計(jì)算出的 IDRIVE。

添加外部串聯(lián)柵極電阻以控制施加的柵極電壓的壓擺率并降低施加到 FET 柵極的峰值電流。這類(lèi)似于 RC 濾波器：R 是柵極電阻器，C 是 MOSFET 的固有電容。為了加強(qiáng)控制，可以并聯(lián)另一個(gè)柵極電阻器和二極管（如果設(shè)計(jì)人員想要分別控制灌電流和拉電流），如圖 3-2 中所示。

MOSFET 參數(shù)、系統(tǒng)電壓和電路板寄生參數(shù)都會(huì)影響最終的壓擺率，因此選擇理想柵極電阻值是一個(gè)迭代過(guò)程。
適用于柵極驅(qū)動(dòng)器的外部柵極電阻器設(shè)計(jì)指南 技術(shù)手冊(cè)中介紹了此過(guò)程。

下面這個(gè)原則有助于確定用于柵極電阻器的理想電阻：電阻越小，壓擺率越高，電流越大；電阻越大，壓擺率越低，電流越小。

3.1.2.2智能柵極驅(qū)動(dòng)和內(nèi)部控制的柵極灌電流和拉電流

圖 3-3. 灌電流和拉電流受控（例如智能柵極驅(qū)動(dòng)）時(shí)的柵極電阻器占位符

幾個(gè) TI 柵極驅(qū)動(dòng)器包含被稱(chēng)為智能柵極驅(qū)動(dòng)的技術(shù)，用于控制傳送到 FET 的電流。設(shè)計(jì)人員只需通過(guò)更改寄存器中的位或在指定引腳上配置外部電阻器來(lái)選擇拉電流和灌電流，如圖 3-2 中所述。相關(guān)詳細(xì)信息，請(qǐng)參閱了解智能柵極驅(qū)動(dòng) 應(yīng)用手冊(cè)。

話(huà)雖如此，在 FET 的柵極和器件的柵極驅(qū)動(dòng)引腳之間放置一個(gè) 0Ω 串聯(lián)電阻器仍然是一個(gè)很好的做法，因?yàn)樵O(shè)計(jì)人員可能需要將灌電流或拉電流置于兩個(gè)設(shè)置值之間或使其低于最低設(shè)置值。該電阻器還可用作易于訪(fǎng)問(wèn)的電壓測(cè)量測(cè)試點(diǎn)。如節(jié)3.1.2.2 中所示。

3.1.2.3柵極電阻器和智能柵極驅(qū)動(dòng)技術(shù)摘要

? 柵極電阻器和智能柵極驅(qū)動(dòng)技術(shù)均可調(diào)節(jié)柵極灌電流和拉電流

? 選擇一個(gè)與源極電感的電抗相等的柵極電阻以獲得臨界阻尼性能，并選擇一個(gè)高達(dá)源極電感電抗兩倍的柵極電阻以獲得欠阻尼性能，如適用于柵極驅(qū)動(dòng)器的外部柵極電阻器設(shè)計(jì)指南 技術(shù)手冊(cè)中所述

? 或者，也可以通過(guò)使用通用計(jì)算式、觀察 VGS 波形并分別針對(duì)更慢或更快的壓擺率將值調(diào)高或調(diào)低來(lái)選擇電阻器

? 可以針對(duì)給定的 FET 計(jì)算智能柵極驅(qū)動(dòng)拉電流或灌電流，如節(jié) 3.1.3 中所述

? 選擇柵極電阻器或 IDRIVE 的過(guò)程需要反復(fù)迭代和嘗試

? 如果可以在器件內(nèi)控制拉電流和灌電流，例如智能柵極驅(qū)動(dòng)，那么添加一個(gè)與 FET 柵極串聯(lián)的 0Ω 電阻器并替換為非零電阻器（如果需要進(jìn)一步調(diào)整）仍然是一個(gè)不錯(cuò)的做法

3.1.3 給定 FET 的柵極電流計(jì)算示例

在此示例中，使用 DRV835x 系列器件并將其與 CSD19536KTT 功率 MOSFET 配對(duì)，后者用在適用于三相 BLDC電機(jī)的 54V、1.5kW、效率 > 99%、70 × 69mm2 的功率級(jí)參考設(shè)計(jì) TIDA-010056 中。

估算近似柵極電流的步驟一般為：

1.找到 FET 部件型號(hào)和相關(guān)數(shù)據(jù)表

2. 在數(shù)據(jù)表中找到 Qgd 值

3. 典型的 Qgd 是可以接受的，但要始終注意 Qgd 的最小或最大容差

4. 估計(jì)所需的 VDS 上升和下降時(shí)間。一般來(lái)說(shuō)，對(duì)于許多大功率系統(tǒng)，將上升和下降時(shí)間保持在 100ns 至
300ns 之間是一個(gè)很好的切入點(diǎn)。

5. 或者，設(shè)計(jì)人員可以重新排列方程式 2 以根據(jù)柵極驅(qū)動(dòng)電流 (IDRIVE) 而非 VDS 壓擺率 (SRDS) 獲得公式，其
中 25V/μs 至 100V/μs 作為通用輸入是可接受的：

其中：

? IDRIVE = 從柵極拉取或灌入的電流（單位為安培）

? tRiseFall = VDS（非 VGS）的等效上升或下降時(shí)間，單位為秒

? Qgd = MOSFET 的固有柵極至漏極電荷，單位為庫(kù)侖

對(duì)于 CSD19536KTT，Qgd = 17nC，我們可以使用通用指南將 100ns 放入方程式 3 的上升和下降時(shí)間中。注意，一些設(shè)計(jì)人員想要使上升時(shí)間為下降時(shí)間的兩倍。

DRV835x 系列沒(méi)有將 IDRIVE 恰好設(shè)為 170mA，但它確實(shí)具有較低的選項(xiàng)，即拉電流為 150mA 或 100mA，灌電流為 100mA。拉電流是指從柵極電源電壓獲取并推入 FET 的電流，它對(duì)應(yīng)于上升時(shí)間；灌電流是指電荷從 FET的柵極拉出并推到 FET 的源極的速率，它對(duì)應(yīng)于下降時(shí)間。

如果上升和下降時(shí)間為 300ns，仍可以使用上述公式計(jì)算：

再次使用 DRV835x 系列，選擇 50mA 作為拉電流，但最小灌電流為 100mA。這是用非零值替換 0Ω 柵極電阻器以獲得低于最低設(shè)置的等效柵極灌電流的理想示例。如果不打算使用 0Ω 柵極電阻器，則必須切斷布線(xiàn)并重新設(shè)計(jì)電路板以獲得所需性能。

請(qǐng)記住，我們僅使用根據(jù)安全通用指南計(jì)算的起始柵極驅(qū)動(dòng)電流。這是一個(gè)一階公式，與實(shí)際系統(tǒng)中看到的不完全匹配，但目標(biāo)是獲得一個(gè)合理的起點(diǎn)。因此，我們?cè)谄骷](méi)有精確選擇的情況下向下舍入，使等效上升或下降時(shí)間比計(jì)算出的值更長(zhǎng)。設(shè)計(jì)人員應(yīng)在測(cè)試后增大或減小這個(gè)數(shù)字。

4 通過(guò)外部元件實(shí)現(xiàn)大功率設(shè)計(jì)

在通過(guò)仿真了解和緩解電機(jī)驅(qū)動(dòng)器電路板寄生效應(yīng) 一文中可以找到本節(jié)的大量理論和仿真支持證據(jù)。強(qiáng)烈建議用這篇文章對(duì)此處所討論的理論進(jìn)行補(bǔ)充。

文中很多小節(jié)都討論了該理論，但也都總結(jié)了要點(diǎn)。建議閱讀本小節(jié)，回頭再將這些要點(diǎn)作為小節(jié)摘要進(jìn)行參考。

在我們逐步研究本小節(jié)時(shí)，更多的電路被開(kāi)發(fā)出來(lái)，可以添加到系統(tǒng)中。這些新增內(nèi)容可能與系統(tǒng)的注意事項(xiàng)和目標(biāo)相沖突，例如需要實(shí)現(xiàn)手持方式，這就限制了布板空間。決定添加什么和不添加什么是大功率設(shè)計(jì)藝術(shù)的一部分。

4.1 大容量和去耦電容器

圖 4-1. 大容量電容器示例

大容量電容器和去耦電容器的主要作用是為系統(tǒng)提供瞬時(shí)電荷，以便主電源不必承擔(dān)提供瞬時(shí)電荷的任務(wù)。更具體地說(shuō)，電源內(nèi)的電流紋波以及由導(dǎo)線(xiàn)和跡線(xiàn)產(chǎn)生的寄生電感引起的電壓尖峰是電源電荷不足導(dǎo)致的。電源的物理位置遠(yuǎn)離電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，因此從電源到 MOSFET 的路徑中有相當(dāng)多的電感。

小值電容器可以相對(duì)較快地進(jìn)行充放電，而大值電容器可以存儲(chǔ)大量能量，但反應(yīng)相對(duì)較慢。因此，大多數(shù)數(shù)據(jù)表都顯示了在電源上并聯(lián)放置大電容和小電容的推薦元件。在功率級(jí)中，毫法拉或數(shù)百微法拉的電解或陶瓷電容器與一法拉到數(shù)十微法拉的陶瓷電容器結(jié)合使用。

此外，有時(shí)電機(jī)可以充當(dāng)發(fā)電機(jī)，其中大容量電容器和去耦電容器存儲(chǔ)來(lái)自電機(jī)的能量，以防止高側(cè) FET 或VDRAIN 的漏極電壓升高，如節(jié) 4.1 中所示。

總結(jié)：

? 低值電容器可以快速提供一些電荷，而高值電容器會(huì)隨著時(shí)間的推移逐漸提供大量電荷，因而有助于減少系統(tǒng)中的電壓振鈴和電壓尖峰

? 強(qiáng)烈建議始終使用它們。前期可以將幾個(gè) 100μF 至 330μF 電容器與幾個(gè) 1μF 至 2.2μF 電容器并聯(lián)，因?yàn)橹罂梢赃M(jìn)一步進(jìn)行替換。

? 通用的經(jīng)驗(yàn)法則是 2μF/W；但是，實(shí)際系統(tǒng)結(jié)果差異很大

說(shuō)實(shí)話(huà)，此建議不夠明確。此建議并未描述針對(duì)給定布局估算寄生效應(yīng)并通過(guò) SPICE 模擬其影響以獲得理想大容量電容器值的過(guò)程。因此，沒(méi)有給出方程式或數(shù)學(xué)方法。但是，我們想強(qiáng)調(diào)此建議非常實(shí)用。按照此建議進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，不必像之前一樣大費(fèi)周章地對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)際測(cè)試或依賴(lài)過(guò)去的系統(tǒng)知識(shí)結(jié)合數(shù)據(jù)表進(jìn)行判斷。如果性能不夠好，那么設(shè)計(jì)人員會(huì)添加更多電容器或更改材料清單，以便用不同值的電容器替換現(xiàn)有電容器來(lái)解決問(wèn)題。

總之，規(guī)劃實(shí)施通用規(guī)則以獲得基準(zhǔn)電容器值，然后對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)際測(cè)試，可能會(huì)獲得良好的性能而無(wú)需進(jìn)行其他更改，但也可能會(huì)導(dǎo)致性能不佳，需要通過(guò)實(shí)驗(yàn)和迭代過(guò)程解決性能問(wèn)題。

4.1.1 額定電容器電壓說(shuō)明

陶瓷電容器的直流電壓降額很差。這是使用陶瓷電容器代替不同材料（如氧化鋁電解電容器）的已知缺點(diǎn)。當(dāng)承受額定電壓時(shí)，陶瓷電容器的容量只有額定容量的一半。

圖 4-2. 電容器所承受的電容與電壓間的關(guān)系（按封裝尺寸）

圖 4-2 顯示了一個(gè)實(shí)際生產(chǎn)的電容器示例。請(qǐng)注意，當(dāng)偏置電壓為 10V 時(shí)，額定電壓為 10V 的 10μF 電容器的等效電容僅為 1–3μF。這些圖表可在任何電容器數(shù)據(jù)表中找到，其他工程師已經(jīng)探索并揭示了這些事實(shí)。

在大功率環(huán)境中，48V 系統(tǒng)需要額定最低為 100V 的陶瓷電容器（或使用 2 個(gè) 48V 電容器，等于 96V），最接近的行業(yè)額定值為 100V。因此，功率級(jí)中額定電壓為 48V 的電容器沒(méi)有幫助，必須相應(yīng)地調(diào)整大小。

請(qǐng)注意，此準(zhǔn)則有時(shí)會(huì)放寬到 1.5 乘以電源電壓，例如在 60V 應(yīng)用中乘以 2 得出 120V，它介于 100V 和 150V 行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)之間。因此，60V 的 1.5 倍計(jì)算為 90V 或 100V，就像 48V 的情況一樣。如圖 4-2 所示，該指南可能會(huì)失效，建議查閱電容器的數(shù)據(jù)表以獲取更多信息。

總結(jié)：

? 當(dāng)電容器承受更高電壓時(shí)，有效電容會(huì)降低

? 選擇額定電壓為電容器所承受典型電壓的 2 倍或 1.5 倍的電容器：

– 對(duì)于 48V 系統(tǒng)，這大約是 100V 額定值

? 與鋁電容器相比，陶瓷電容器的電壓降額要差得多，因此通用指南不適用于鋁電解電容器

– 建議查閱電容器的數(shù)據(jù)表以了解制造商提供的確切降額

4.2 RC 緩沖器電路

圖 4-3. RC 緩沖器示例

緩沖器電路不僅用于電機(jī)驅(qū)動(dòng)器應(yīng)用，還用于許多開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器電路。因此，有很多資源都涵蓋了這個(gè)主題。

介紹一下，RC 緩沖器由從開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)串聯(lián)連接到恒定電壓基準(zhǔn)（例如 GND 連接）的電阻器和電容器組成。對(duì)于電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，在相位節(jié)點(diǎn)和 FET 的高側(cè)漏極之間以及相位節(jié)點(diǎn)和 FET 的低側(cè)源極之間放置一個(gè) RC 緩沖器，如圖 4-3 所示。

它們可有效減少相位振蕩或每個(gè) MOSFET 上的電壓振鈴。它們減少節(jié)點(diǎn)處的初始尖峰并提供阻尼因子以減少振鈴
周期數(shù)。

但是，必須針對(duì)特定系統(tǒng)的寄生效應(yīng)調(diào)整 RC 的值。除非可以對(duì)寄生效應(yīng)進(jìn)行建模，否則應(yīng)通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)選擇 R 值和 C 值。幸好，有很多資源說(shuō)明了如何計(jì)算這些值，例如以適用于電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的 RC 緩沖器設(shè)計(jì)中的 E2E 常見(jiàn)問(wèn)題解答為例。

總結(jié)：

? RC 緩沖器在減少振鈴節(jié)點(diǎn)的穩(wěn)定時(shí)間方面很有效

? 理想 RC 緩沖器值取決于給定系統(tǒng)的寄生值

? 將緩沖器與 MOSFET 在同一層靠近放置

– 如果放置在 FET 的相對(duì)層上，通孔電感會(huì)降低緩沖器的效率

4.3 高側(cè)漏極到低側(cè)源極電容器

圖 4-4. 高側(cè)漏極到低側(cè)源極電容器位置示例

乍一看，圖 4-4 中的高側(cè)漏極到低側(cè)源極電容器似乎不言自明，并且經(jīng)常與去耦電容器或大容量電容器相混淆。但是，大多數(shù)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器應(yīng)用沒(méi)有將低側(cè)源極連接到 GND。相反，低側(cè)源極通常連接到用于電流感測(cè)的分流電阻器，然后連接到 GND。

這很重要，因?yàn)槿ヱ铍娙萜餍枰€(wěn)定基準(zhǔn)才能可靠地提供電荷。由于感測(cè)電阻布局引入的電感、流過(guò)低側(cè) FET 的電機(jī)電流或接地技術(shù)不良，系統(tǒng)中可能會(huì)出現(xiàn) GND 不穩(wěn)定情況。如果 GND 與開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)一起彈動(dòng)，則去耦電容器無(wú)法完成從穩(wěn)定基準(zhǔn)和低電感路徑提供電荷的工作。作為參考，0.2512 元件封裝尺寸（感測(cè)電阻的常見(jiàn)封裝）會(huì)引入 1–5nH 的寄生電感。

HS 漏極到低側(cè)源極電容器可以避免這些問(wèn)題，因?yàn)樗B接到 VDRAIN（假定該 VDRAIN 是穩(wěn)定的），并且可以將電荷直接傾倒到節(jié)點(diǎn)上，而不是通過(guò)感測(cè)電阻的路徑。這是 AC GND 的概念，也是 RC 緩沖器也可以連接到HS 漏極和 LS 源極的原因。

因此：

? 這種方法可以很好地抑制低側(cè)源極和 GND 上的負(fù)反彈。

? 選擇大約 0.01μF–1μF 的值并將它們放置在盡可能靠近 FET 的位置，以確保它們正常工作

– 具體來(lái)說(shuō)，該值應(yīng)足夠低，以免影響電流感測(cè)波形的非寄生紋波，從而反映電機(jī)的真實(shí)行為

許多工程師低估了這種緩解技術(shù)并且沒(méi)有充分利用空間，因?yàn)榇藭r(shí)他們已經(jīng)優(yōu)先考慮了 RC 緩沖器和大容量電容器。如果 GND 或感測(cè)電阻產(chǎn)生負(fù)振鈴，或低于 GND，則 HS 漏極至 LS 源極電容器可在低阻抗路徑中提供電荷。顯示 GND 和 LS 源極電壓的波形有助于確定是否發(fā)生負(fù)振鈴以及是否更新設(shè)計(jì)以將 HS 漏極到 LS 源極電容器添加到半橋。

4.4 柵極至 GND 二極管

圖 4-5. 柵極至 GND 二極管示例

簡(jiǎn)而言之，二極管將節(jié)點(diǎn)鉗位到電壓，因此不會(huì)超出器件的絕對(duì)最大額定值。符合柵極驅(qū)動(dòng)器和 MOSFET 的絕對(duì)最大額定值的電流額定值、鉗位電壓和時(shí)序信息對(duì)于選擇有效的二極管很重要。常見(jiàn)的置位方法是將陰極連接到FET 附近的 GLx 節(jié)點(diǎn)，將陽(yáng)極連接到 GND，以幫助處理負(fù)瞬態(tài)尖峰，如圖 4-5 所示。

這些方法不是主要推薦的緩解技術(shù)，不能取代其他方法，因?yàn)槎O管只是簡(jiǎn)單地重新路由能量，而不是通過(guò)濾波或去耦來(lái)抑制能量。與電容器相比，二極管通常會(huì)引入更多的損耗和功耗，因?yàn)槊總€(gè) PWM 周期都會(huì)發(fā)生電壓尖峰。

總結(jié)：

? TVS 二極管鉗位電壓低于器件的絕對(duì)額定值以防止損壞

? 二極管應(yīng)與其他緩解技術(shù)結(jié)合使用，不得僅僅依賴(lài)二極管

? 與流入和流出電容器的電流相比，二極管會(huì)耗散更多功率

5 通過(guò)并聯(lián) MOSFET 功率級(jí)實(shí)現(xiàn)大功率設(shè)計(jì)

為了增加半橋電路的電流傳導(dǎo)能力，通常通過(guò)將 MOSFET 的漏極、源極和柵極連接在一起來(lái)并聯(lián)多個(gè)MOSFET。從理論上講，要將上述多個(gè)并聯(lián) MOSFET 視為一個(gè)元件。

圖 5-1. 并聯(lián)使用 MOSFET 以實(shí)現(xiàn)更高的載流能力

實(shí)際上，沒(méi)有兩個(gè) MOSFET 是完全相同的。這意味著，一個(gè) MOSFET 最終會(huì)先導(dǎo)通，一個(gè) MOSFET 會(huì)承載更多電流。盡可能減小這種差異對(duì)于系統(tǒng)運(yùn)行至關(guān)重要。驅(qū)動(dòng)并聯(lián) MOSFET 應(yīng)用簡(jiǎn)介中介紹了并聯(lián) MOSFET 設(shè)計(jì)背后的理論和流程。

下面總結(jié)了一些注意事項(xiàng)：

? 為并聯(lián)使用的 FET 的每個(gè)柵極添加一個(gè)電阻器，而不是為所有并聯(lián) FET 添加一個(gè)電阻器。失配的 MOSFET柵極將相互振鈴，它們之間沒(méi)有額外的阻抗。

? 使 FET 在物理層面上非?？拷⒕哂邢嗨苹蛳嗤牟季?/p>

? 使柵極布線(xiàn)保持統(tǒng)一且厚度相等，并將它們拆分以非?？拷?FET 的柵極

? 將 GHx 與 SHx 配對(duì)，將 GLx 與 SLx 布線(xiàn)配對(duì)，這些布線(xiàn)會(huì)路由回柵極驅(qū)動(dòng)器，因此它們的長(zhǎng)度和寬度類(lèi)似

? 源極和漏極連接應(yīng)使用銅平面，而不僅僅是布線(xiàn)

6 通過(guò)保護(hù)實(shí)現(xiàn)大功率設(shè)計(jì)

6.1 VDS 和 VGS 監(jiān)控

圖 6-1. VDS 和 VGS 監(jiān)視器的實(shí)現(xiàn)示例

顧名思義，VDS 和 VGS 監(jiān)控的根本目的是監(jiān)控 FET 柵極、源極和漏極的電壓。

在擊穿示例中，一個(gè)相位內(nèi)的高側(cè) FET 或逆變器橋臂被打開(kāi)。一段時(shí)間后，輸入信號(hào)發(fā)生變化，使高側(cè) FET 關(guān)閉，然后在同一相位內(nèi)開(kāi)啟低側(cè) FET。如果高側(cè) FET 和低側(cè) FET 同時(shí)開(kāi)啟，會(huì)導(dǎo)致電機(jī)被繞過(guò)并且電流會(huì)同時(shí)流經(jīng)高側(cè)和低側(cè) FET 明顯更低的電阻路徑。

發(fā)生擊穿問(wèn)題的原因在于接地的電阻路徑非常低。例如，與電源通過(guò) FET 的幾毫歐電阻對(duì)地短路時(shí)的電阻相比，從 48V 電源到電機(jī)電阻（數(shù)百毫歐和 1 歐姆之間）的電阻路徑的電阻要高得多。過(guò)量電流會(huì)超過(guò) FET 的電流額定值，導(dǎo)致大量電感尖峰，從而超出器件的絕對(duì)最大額定值，還會(huì)導(dǎo)致 PCB 溫度急劇升高，進(jìn)而導(dǎo)致 PCB 永久損壞。

如果監(jiān)控柵極和源極電壓 (VGS) 之間的差異，我們就可以了解 FET 是否導(dǎo)通和傳導(dǎo)電流。如果監(jiān)測(cè)漏極和源極電壓之間的差異，我們就可以了解電流是否通過(guò) FET 傳導(dǎo)。因此，我們可以監(jiān)控這兩個(gè)電壓并就何時(shí)開(kāi)啟和關(guān)閉FET 做出明智的決定，并防止驅(qū)動(dòng)器在同一相位同時(shí)開(kāi)啟兩個(gè) FET。簡(jiǎn)而言之，VGS 監(jiān)視器會(huì)確定柵極是否開(kāi)啟，而 VDS 監(jiān)視器會(huì)確定柵極開(kāi)啟時(shí)是否存在電流。

典型的實(shí)現(xiàn)方式是使用比較器來(lái)監(jiān)控這些電壓。一些集成式器件的擊穿保護(hù)功能是通過(guò)以下方法實(shí)現(xiàn)的：在關(guān)閉一個(gè) FET 和開(kāi)啟另一個(gè) FET 之間插入一個(gè)延時(shí)時(shí)間，或不允許輸入信號(hào)同時(shí)開(kāi)啟高側(cè)和低側(cè)。但是，某些器件未在器件內(nèi)集成 VGS 或 VDS 監(jiān)視器，因此在發(fā)生擊穿事件時(shí)不會(huì)覆蓋輸入。最好查看柵極驅(qū)動(dòng)器的數(shù)據(jù)表以獲取更多信息。

對(duì)于 TI 技術(shù)，智能柵極驅(qū)動(dòng)依賴(lài)于 VGS 和 VDS 監(jiān)視器的狀態(tài)來(lái)確定是允許還是阻止柵極開(kāi)啟。相關(guān)詳細(xì)信息，請(qǐng)參閱了解智能柵極驅(qū)動(dòng) 應(yīng)用手冊(cè)。

總結(jié)：

? 監(jiān)控 VGS 確定 FET 是否開(kāi)啟

? 監(jiān)控 VDS 會(huì)確定柵極導(dǎo)通時(shí)電流是否流過(guò) FET

? 將 VGS 和 VDS 比較器輸出納入換向邏輯中，該邏輯會(huì)覆蓋輸入，在出現(xiàn)大電流或功率級(jí)受損（例如擊穿）時(shí)保護(hù)系統(tǒng)

6.1.1 在過(guò)流、擊穿或 FET 短路事件期間關(guān)閉 FET

如果 VDS 監(jiān)視器或其他電流保護(hù)裝置識(shí)別出過(guò)流事件，顯而易見(jiàn)的解決方案就是關(guān)閉 FET 以阻止電流通過(guò)。在這種情況下，相電流會(huì)是典型用例的 10 或 100 倍以上。正如節(jié) 2 中已經(jīng)探討的那樣，相位中電流越大，寄生電感尖峰就越高，但可以通過(guò)降低柵極驅(qū)動(dòng)電流來(lái)增加 FET 的上升或下降時(shí)間，從而降低電感尖峰。

對(duì)于典型的柵極驅(qū)動(dòng)器，節(jié) 3.1.2.2 確定灌電流由外部柵極電阻器固定，并且在過(guò)流事件期間無(wú)法改變。但是，TI的智能柵極驅(qū)動(dòng)技術(shù)會(huì)自動(dòng)降低柵極驅(qū)動(dòng)電流，從而使 FET 的下降時(shí)間比典型值更長(zhǎng)，進(jìn)而減少過(guò)流事件引起的整體電壓尖峰。

6.2 無(wú)源柵極至源極下拉電阻

圖 6-2. 無(wú)源柵極至源極下拉電阻示例

無(wú)源下拉電阻的主要用途是確保在柵極驅(qū)動(dòng)器發(fā)生故障時(shí)柵極和源極之間存在已知關(guān)系。具體來(lái)說(shuō)，如果柵極驅(qū)動(dòng)器卡在灌電流或拉電流狀態(tài)，或柵極驅(qū)動(dòng)器進(jìn)入高阻抗?fàn)顟B(tài)，該電阻器可確保有一條路徑來(lái)防止 FET 導(dǎo)通。

無(wú)源柵極至源極下拉電阻為電荷提供了一條均衡柵極和源極電壓的路徑，從而使 FET 以更快的速度關(guān)閉。實(shí)際上，如果柵極驅(qū)動(dòng)器損壞，其他一些保護(hù)或換向邏輯電路會(huì)注意到出現(xiàn)了問(wèn)題，系統(tǒng)也會(huì)檢測(cè)到。這些下拉電阻的重要性在于，確保在其他保護(hù)電路發(fā)現(xiàn)問(wèn)題之前不會(huì)發(fā)生擊穿情況。有了這些下拉電阻，更換柵極驅(qū)動(dòng)器 IC 就可以修復(fù)系統(tǒng)，而沒(méi)有這些下拉電阻，就要面臨處理熔化的電機(jī)、熔斷的 FET 或?qū)?PCB 造成不可逆損壞等問(wèn)題。

需要注意的是，一些柵極驅(qū)動(dòng)器在器件中集成了數(shù)百 kΩ 的無(wú)源下拉電阻，以發(fā)揮這種保護(hù)作用。但是，一些設(shè)計(jì)人員可能希望在 FET 的柵極和源極附近設(shè)置更強(qiáng)的下拉電阻，這樣?xùn)艠O上的電荷就不需要通過(guò)潛在的柵極電阻器和電感布線(xiàn)來(lái)均衡柵極和源極電壓。另一個(gè)好處是外部下拉電阻不依賴(lài)于柵極驅(qū)動(dòng)器，這也有助于添加冗余以允許系統(tǒng)在已知狀態(tài)下發(fā)生故障。

最后需要注意的是，在最終的功率損耗計(jì)算中需要考慮每個(gè)下拉電阻。但是，下拉電阻的總功耗通常不到 1 毫瓦，遠(yuǎn)小于 RDS(on) 或感測(cè)電阻產(chǎn)生的數(shù)十毫瓦功耗。請(qǐng)記住，在考慮 VGLS、電荷泵或自舉功能時(shí)，必須考慮通過(guò)這些下拉電阻的任何電流。

總結(jié)：

? 外部無(wú)源下拉電阻為從柵極到源極的電荷提供路徑，以便在有源下拉電阻出現(xiàn)故障時(shí)可將 FET 關(guān)閉

? 這些下拉電阻的范圍從數(shù)十千歐到數(shù)百千歐

? 與柵極驅(qū)動(dòng)器電路中的主要損耗源相比，這些外部無(wú)源下拉電阻造成的功率耗散要少得多

? 許多柵極驅(qū)動(dòng)器在器件內(nèi)集成無(wú)源下拉電阻

6.3 電源反極性或電源截?cái)啾Ｗo(hù)

所有電氣系統(tǒng)都面臨的一個(gè)危險(xiǎn)是電源極性接反。在設(shè)計(jì)電氣系統(tǒng)時(shí)，有多種技術(shù)可用于提供電池反向保護(hù)，但所有技術(shù)的共同目標(biāo)是在電池端子接反時(shí)阻止電流流動(dòng)。保護(hù)汽車(chē)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)免受反極性情況的影響 應(yīng)用手冊(cè)中介紹了相關(guān)理論和技術(shù)。

此外，一些使用大電流電機(jī)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用需要電源開(kāi)關(guān)來(lái)獲得替代負(fù)載關(guān)斷路徑或降低靜態(tài)電流。由于系統(tǒng)輸出功率非常高，必須采用分立的導(dǎo)通元件。大電流電機(jī)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用中的截?cái)嚅_(kāi)關(guān) 應(yīng)用手冊(cè)中討論了實(shí)現(xiàn)截?cái)嚅_(kāi)關(guān)的方法。

總結(jié)：

? 使用串聯(lián)二極管、單個(gè) MOSFET 或 NMOS 和 BJT 電路防止反向電池和截?cái)嚅_(kāi)關(guān)

? 不同方法之間需要就成本、功率耗散和 PCB 面積進(jìn)行權(quán)衡

7 通過(guò)電機(jī)控制方法實(shí)現(xiàn)大功率設(shè)計(jì)

7.1 制動(dòng)與慣性滑行

圖 7-1. 慣性滑行條件下電流流過(guò)體二極管的示例

讓處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的轉(zhuǎn)子停止或慣性滑行是一個(gè)典型的用例，會(huì)給大功率設(shè)計(jì)帶來(lái)問(wèn)題。在這個(gè)特定的定義中，慣性滑行是指所有高側(cè)和低側(cè)都已關(guān)閉時(shí)的狀態(tài)，可以理解為電機(jī)相位的浮動(dòng)。電機(jī)是部分電感負(fù)載，因此除了轉(zhuǎn)子磁性材料通過(guò)定子線(xiàn)圈產(chǎn)生的反電動(dòng)勢(shì)之外，電感器還試圖通過(guò)產(chǎn)生電壓來(lái)保持電流流動(dòng)，從而抵抗電流的變化。因此，在這種慣性滑行條件下，電機(jī)相位上的電壓會(huì)上升到高于 FET 漏極處的電壓，這會(huì)導(dǎo)致電流從電機(jī)流過(guò)，途經(jīng) FET 的體二極管進(jìn)入電源。

這些電壓尖峰會(huì)使從電機(jī)相位流入電源的電流增加，并將 FET 漏極處的等效電壓增加到更高的值。如前所述，大容量電容器吸收了部分或全部能量，但如果大容量電容器電壓的增加不加遏制，由此產(chǎn)生的電壓上升很容易超過(guò)柵極驅(qū)動(dòng)器的絕對(duì)最大值。

這實(shí)際上發(fā)生在每個(gè) PWM 周期的死區(qū)時(shí)間，但 FET 保持在慣性滑行狀態(tài)的時(shí)間很短，不足以使產(chǎn)生的能量移動(dòng)到電源，因而不會(huì)造成損壞。但是，可以檢測(cè)到高側(cè)電源上的電壓增加。

幸好，這種情況可以通過(guò)電機(jī)控制方法或外部電路來(lái)避免，妥善做法是制定一個(gè)計(jì)劃來(lái)管理存儲(chǔ)在線(xiàn)圈中的能量。最好采用制動(dòng)控制方法或增加外部電路，而不是慣性滑行。

7.1.1 基于算法的解決方案

低側(cè)制動(dòng)的常見(jiàn)示例是關(guān)閉所有高側(cè)柵極并打開(kāi)所有低側(cè)柵極。這將所有電機(jī)相連接到 GND，并允許電流隨著電感器中的能量流入和流出 GND 而循環(huán)和崩潰。通過(guò)使用電流感測(cè)或 VDS 監(jiān)視器，設(shè)計(jì)人員可以確定電流何時(shí)完全衰減，然后將電機(jī)從低側(cè)制動(dòng)狀態(tài)釋放。

主動(dòng)制動(dòng)的常見(jiàn)示例是通過(guò)將 PWM 輸入應(yīng)用于相反的柵極對(duì)來(lái)對(duì)抗電機(jī)的當(dāng)前狀態(tài)。對(duì)于參考圖 7-1 的更具體示例，假設(shè) A 的高側(cè)打開(kāi)，B 的低側(cè)打開(kāi)。主動(dòng)制動(dòng)會(huì)對(duì) A 的低側(cè)和 B 的高側(cè)進(jìn)行 PWM，以迫使來(lái)自電源的電流與儲(chǔ)存在定子線(xiàn)圈中的電流相反。

在電流再循環(huán)和衰減模式 應(yīng)用報(bào)告中涉及步進(jìn)電機(jī)的慢速和快速衰減模式中應(yīng)用了相同的一般概念。

7.1.2 外部電路解決方案

圖 7-2. 主動(dòng)制動(dòng)電路示例

如前所述，大容量電容器可以吸收電機(jī)產(chǎn)生的部分或全部能量，因此在慣性滑行條件下增加電容器的數(shù)量或電容值可以起到正向作用。

對(duì)于主動(dòng)方法，一種解決方案是添加一個(gè)外部下拉電路來(lái)控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的電源。該電路提供了一條從外部接到GND 的路徑，能耗散電機(jī)功率，并防止電壓在圖 7-2 所示的高側(cè)漏極上上升。對(duì)于希望在電機(jī)驅(qū)動(dòng)器外部進(jìn)行系統(tǒng)控制而不依賴(lài)柵極驅(qū)動(dòng)級(jí)來(lái)管理電機(jī)產(chǎn)生的外部電源的用戶(hù)來(lái)說(shuō)，該解決方案很受歡迎。由于能量增加，電阻器和下拉 FET 的大小和額定功率必須符合瓦數(shù)要求。此外，需要通過(guò)反饋來(lái)判斷電壓是否升得過(guò)高；通常是通過(guò)分壓器來(lái)實(shí)現(xiàn)這種反饋的，該分壓器通向 MCU 的 ADC。

7.1.3 制動(dòng)與慣性滑行摘要

總結(jié)：

? 當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)進(jìn)入慣性滑行狀態(tài)會(huì)導(dǎo)致反電動(dòng)勢(shì)升至高于電源電壓，并將電流從電機(jī)相位推入高側(cè) FET 體二極管，最終進(jìn)入電源。電壓的增加會(huì)損壞柵極驅(qū)動(dòng)器。

? 制定一個(gè)計(jì)劃，通過(guò)使用制動(dòng)算法或外部制動(dòng)電路來(lái)管理在停止或慣性滑行條件下存儲(chǔ)在電機(jī)中的能量

8 通過(guò)布局實(shí)現(xiàn)大功率設(shè)計(jì)

8.1 什么是開(kāi)爾文連接？

圖 8-1. 良好開(kāi)爾文連接示例

開(kāi)爾文連接法使用涉及載流路徑或參考點(diǎn)的精密電勢(shì)接觸點(diǎn)，旨在減少或消除接觸電阻。相反，想象一下 PCB 上的兩條布線(xiàn)具有同一個(gè)電氣節(jié)點(diǎn)。一條布線(xiàn)用于承載電流，另一條布線(xiàn)僅用于感測(cè)電壓。在某種程度上，使用數(shù)字萬(wàn)用表 (DMM) 來(lái)感測(cè)元件兩端的電壓與使用開(kāi)爾文連接法的原理相同。

當(dāng)通過(guò)外部電機(jī)驅(qū)動(dòng)器系統(tǒng)感測(cè)電流時(shí)，經(jīng)常使用這種類(lèi)型的連接。主電機(jī)電流流經(jīng)電阻路徑，開(kāi)爾文連接被路由到 CSA 的輸入端（SPx 和 SNx 引腳）。

有關(guān)開(kāi)爾文連接的完整視頻培訓(xùn)，請(qǐng)參閱 TI精密實(shí)驗(yàn)室 – 電流感測(cè)放大器 演示文稿。

總結(jié)：

? 確保有一個(gè)初級(jí)電流路徑和初級(jí)感測(cè)路徑

? 盡量縮短感測(cè)電阻和 IC 感測(cè)引腳之間的長(zhǎng)度

? 盡量保持感測(cè)路徑的長(zhǎng)度和厚度相同，以最大限度地減小信號(hào)之間的誤差。這里可以采用差分路由。

? 遵循所用分流電阻器的著陸墊提供的所有建議

8.2 總體布局建議

圖 8-2. 考慮寄生效應(yīng)的智能柵極驅(qū)動(dòng)原理圖示例

在制造 PCB 后，根據(jù)物理原理，需要向系統(tǒng)添加更多的電阻器、電感器和電容器。添加這些元件是寄生效應(yīng)的結(jié)果 - 圖 8-2 顯示了一個(gè)示例。

布局的主要目標(biāo)之一是最大限度地減少這些寄生效應(yīng)，使它們實(shí)際上可以忽略不計(jì)。更大的電流和電壓會(huì)使這些寄生效應(yīng)的影響更加明顯，從而使大功率設(shè)計(jì)變得困難。

因此，整個(gè)應(yīng)用手冊(cè)介紹的都是電機(jī)驅(qū)動(dòng)器電路板布局的妥善做法。強(qiáng)烈建議通讀整個(gè)文檔。

但是，此處添加了額外的要點(diǎn)，以幫助了解 TI 提供的大功率柵極驅(qū)動(dòng)器器件的背景信息：

? 實(shí)際 PCBA 具有添加到系統(tǒng)中的寄生元件

– 長(zhǎng)布線(xiàn)會(huì)增加電容和電阻

– 細(xì)布線(xiàn)也會(huì)增加電阻和電感

? 具有 1oz 覆銅的 10mil/A 為布線(xiàn)寬度提供指引，但它也適用于過(guò)孔，特別是角環(huán)區(qū)域。布線(xiàn)和過(guò)孔越大或越寬，電感越小。

– 因此，應(yīng)使用至少 15mil 柵極電流拉電流和灌電流路徑，20mil 效果更好

NOTE

由于中間層內(nèi)的熱量，具有 1oz 覆銅的 10mil/A 無(wú)法提供指引作用，并需要更寬的布線(xiàn)

? 為了獲得更好的熱性能和電流能力，建議在外層提供 VDC、電機(jī)相位和 GND 電源多邊形，如果可能，在內(nèi)層也重復(fù)這些多邊形

? 使同一條布線(xiàn)上的各段布線(xiàn)更細(xì)更小會(huì)增加阻抗失配

– 使用淚滴或平面來(lái)消除失配問(wèn)題

? 由于存在寄生效應(yīng)，電流越大就意味著電壓尖峰越高

? 除了元件之外，元件的占用空間也會(huì)增加寄生效應(yīng)

? 路徑中的過(guò)孔會(huì)增加寄生效應(yīng)，即電感

? 必須了解返回路徑：

 -直流電流在 GND 平面上盡可能地?cái)U(kuò)散，而高頻電流則被吸引到相應(yīng)的高速布線(xiàn)下方。因此，除非需要轉(zhuǎn)移電流使其不再流入電路板的某個(gè)區(qū)域，否則共用 GND 總是優(yōu)于分離 GND。

? 從寄生的角度來(lái)看，共用接地總是優(yōu)于分離 GND。分離 GND 僅用于將高頻電流和大量電流從敏感元件轉(zhuǎn)移開(kāi)。這意味著這些信號(hào)必須朝向或靠近這些元件進(jìn)行傳輸以保證分離 GND。

– 如果選擇了分離 GND，則會(huì)知曉電感會(huì)添加到某些路徑

? 為幫助理解，您可以將自己想象為電流：從引腳或元件的源極到器件或外部連接器的 GND 引腳繪制環(huán)路。讓該環(huán)路盡可能小。有時(shí)這意味著在平面中添加大量過(guò)孔、增加接地平面覆蓋或重新排列元件。

? 經(jīng)驗(yàn)表明，100 和 300 GND 拼接過(guò)孔的價(jià)格差異在 PCB 制造中可以忽略不計(jì)。創(chuàng)建一個(gè) GND 拼接過(guò)孔平面以連接外層和內(nèi)層 GND。

– 在自動(dòng)化工具失效的地方手動(dòng)放置 GND 拼接過(guò)孔

? 典型柵極驅(qū)動(dòng)器 IC 上最重要的信號(hào)和元件位置包含在下表中，按重要性降序排列：

1. 穩(wěn)壓器及其相關(guān)電容器（如 VCP、VGLS 或低壓穩(wěn)壓器 AVDD、DVDD 等）（最重要）

2. 輸入電源和基準(zhǔn)電壓的旁路電容器（如 VM、GND 和 CSAREF）

3. 信號(hào)路徑和電流/功率更大的路徑（如 GHx、GLx 和 SHx）

4. 頻繁切換的數(shù)字信號(hào)，按頻率排序（如 SPI 或 PWM 信號(hào)）

5. 不經(jīng)常切換的數(shù)字信號(hào)（如 ENABLE 或 nFAULT）（最不重要）

9 結(jié)論

雖然節(jié) 1.2 中的示例是通用的，但借助此思維過(guò)程可以解決許多問(wèn)題。通過(guò)分析大功率電機(jī)驅(qū)動(dòng)器應(yīng)用的注意事項(xiàng)，我們能夠提前計(jì)劃可能發(fā)生的問(wèn)題，并評(píng)估柵極驅(qū)動(dòng)器的功能以快速確定問(wèn)題所在。這就是大功率設(shè)計(jì)的藝術(shù)。

10 鳴謝
Cole Macias 特別感謝以下人員在本應(yīng)用手冊(cè)編制過(guò)程中所做的技術(shù)性貢獻(xiàn)和審閱工作：Matt Hein、Adam Sidelsky、Prajkta Vyavahare (PV)、Manu Balakrishnan、Nicholas Oborny、Anthony Lodi 和 Aaron Barrera。

重要聲明和免責(zé)聲明

TI 提供技術(shù)和可靠性數(shù)據(jù)（包括數(shù)據(jù)表）、設(shè)計(jì)資源（包括參考設(shè)計(jì)）、應(yīng)用或其他設(shè)計(jì)建議、網(wǎng)絡(luò)工具、安全信息和其他資源，不保證沒(méi)有瑕疵且不做出任何明示或暗示的擔(dān)保，包括但不限于對(duì)適銷(xiāo)性、某特定用途方面的適用性或不侵犯任何第三方知識(shí)產(chǎn)權(quán)的暗示擔(dān)保。

這些資源可供使用 TI 產(chǎn)品進(jìn)行設(shè)計(jì)的熟練開(kāi)發(fā)人員使用。您將自行承擔(dān)以下全部責(zé)任：(1) 針對(duì)您的應(yīng)用選擇合適的 TI 產(chǎn)品，(2) 設(shè)計(jì)、驗(yàn)證并測(cè)試您的應(yīng)用，(3) 確保您的應(yīng)用滿(mǎn)足相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)以及任何其他安全、安保或其他要求。這些資源如有變更，恕不另行通知。TI 授權(quán)您僅可將這些資源用于研發(fā)本資源所述的 TI 產(chǎn)品的應(yīng)用。嚴(yán)禁對(duì)這些資源進(jìn)行其他復(fù)制或展示。您無(wú)權(quán)使用任何其他 TI 知識(shí)產(chǎn)權(quán)或任何第三方知識(shí)產(chǎn)權(quán)。您應(yīng)全額賠償因在這些資源的使用中對(duì) TI 及其代表造成的任何索賠、損害、成本、損失和債務(wù)，TI 對(duì)此概不負(fù)責(zé)。

TI 提供的產(chǎn)品受 TI 的銷(xiāo)售條款 (https:www.ti.com/legal/termsofsale.html) 或 ti.com 上其他適用條款/TI 產(chǎn)品隨附的其他適用條款的約束。TI提供這些資源并不會(huì)擴(kuò)展或以其他方式更改 TI 針對(duì) TI 產(chǎn)品發(fā)布的適用的擔(dān)?；驌?dān)保免責(zé)聲明。