【技术贴】集成自举二极管和快速过流保护的600V三相栅极驱动器加速了三相电机应用

三相电机运行需要三相逆变器，其一般组成为：6个功率晶体管（MOSFETs或IGBTs）、控制晶体管的栅极驱动器（一个或多个）、实现控制算法（速度、转矩控制等）的控制逻辑电路（微控制器或微处理器）。

栅极驱动器为数字控制和功率执行器之间的模拟桥梁，其必须可靠、抗噪声和扰动鲁棒、精确（保证控制算法和脉宽调制有效），且为保证安全运行，其在非常规条件下或在系统某一部分失效期间需具备保护和安全功能。

引言

负压现象

【图1 半桥电路的负压现象】

栅极驱动器稳健性

在专用的测试电路（图2）中测试并确认了该芯片对负压尖峰的抗扰性，该设计旨在人为地产生比实际应用中发现的尖峰大得多的负压尖峰。

图2中RL负载为200 µH、16 Ω，且为了模拟PCB布局较差时引入的杂散电感的影响，选了几个电感（0.19 µH, 0.45 µH, 0.82µH）可与低侧IGBT串联。

【图2 负压现象分析电路】

图3为杂散电感为0.82 µH时的现象：输出由300V摆动至0V，负压尖峰最小峰值为-127V且保持148ns。经过几次的切换，没有任何损坏或者运转失常。

【图3 杂散电感为0.82 µH时通道1输出存在-127V负压尖峰】

自举二极管

【图4 STDRIVE601自举二极管和传统自举二极管对比】

内置自举电路导通，有一个正向偏置，不存在实际二极管中的偏置电压。图4展示了这两者的区别，其表示了STDRIVE601自举二极管和传统自举二极管的I-V（电流-电压）转移曲线。对于给定电流，这一特征在剩余电压降方面优势突出，且可在电压降较小时也可对自举电容进行充电，而传统二极管对此稍显乏力。

过流智能关断保护

SmartSD电路可在过载或过流时关断栅极驱动器，且故障检测至实际输出关断之间的延时仅360ns。保护干预时间与故障后的禁用时间相互独立，且保护响应速度为市场上其他栅极驱动器的两倍。这允许设计者在不增加内部保护延迟时间的情况下，将故障事件后输出的禁用时间增加到非常大的值。禁用时间取决于外部电容COD的容值和可选的连接到OD引脚的上拉电阻的阻值（见图5）。

用于智能关断的比较器具有一个内部参考电压VREF且其连接到反相输入端，同相输入端连接至引脚CIN。比较器的CIN引脚可连接至外部分流电阻，进而实现简单快速的过流保护功能。比较器输出信号经滤波后输入到SmartSD逻辑单元，其滤波时间为固定时间tFCIN（约300ns）。

VREF阈值典型值为460 mV，比较器输入（CIN）滞环电压约为70 mV。当CIN引脚上脉冲电压高于VREF时，SmartSD逻辑被触发并立即将驱动器输出置低（OFF）。同时，故障引脚（FAULT）强制置低来指示该事件（例如输入到微控制器）且OD开始让外部电容COD放电以设置故障事件的输出禁用时间。一旦输出禁用时间到期，FAULT引脚将释放且驱动器输出重新跟随输入引脚。

总禁用时间由如下两部分组成：

·OD解锁时间（图5中t1），即电容COD放电至VSSDl阈值的时间。SmartSD比较器被触发时放电立即开始。

·OD重启时间（图5中t2），即电容COD重新充电至VSSDh阈值的时间。当OD上电压达到VSSDl，故障状态清除(CIN < VREF -CINhyst)，OD内部MOSFET关闭，此时COD重新充电。这个时间是禁用时间的主要组成部分。

当OD未经外部上拉时，外部电容COD放电时间常数取决于COD和内部MOSFET的特性（如下方程（1）所示），重启时间取决于内部电流源IOD和电容COD（如下方程（2）所示）

其中VOD为OD浮动电压。

当OD经外部上拉电阻ROD_ext连接至VCC时，OD放电时间取决于外部网络ROD_ext、COD和内部MOSFET的电阻RON_OD（如下方程（3）所示），重启时间取决于流过ROD_ext的电流（如下方程（4）所示）。

其中

【图5 智能关断时序图】

下图为两种不同的电容连接至OD引脚时智能关断功能运行示例。CIN引脚上的触发脉冲宽度为500ns、峰峰值为1V，且内部电流源(IOD)对外部电容进行充电。

【图6 左图中COD = 2.2 µF，右图中COD = 330 nF】

其它功能和特点

【图7 VCC电源上的UVLO机制】

总结