適用于小功率電機驅動的MOSFET逆變模塊設計

本文解析新型的MOSFET逆變模塊，用于驅動風扇和水泵中的小型直流無刷電機。這種功率模塊集成了6個MOSFET和相應的高壓柵極驅動電路(HVIC)。通過使用專門設計的MOSFET和HVIC，該模塊能提供最小的功耗和最佳的電磁兼容(EMC)特性。本文將探討這種逆變模塊在電機驅動使用中所涉及的封裝設計、MOSFET和HVIC，并著重討論其中的功率損耗、電磁干擾和噪聲問題。

電氣設計

對于小型電機驅動系統，MOSFET在功耗、成本和性能方面較其它功率開關管更具優點。MOSFET的正向特征電阻為歐姆級(見圖1(a));其導通損耗與漏極電流的平方成正比，當漏極電流低于1A時，其導通損耗低于額定功率相同的IGBT的導通損耗，這是因為IGBT在通態時存在閾值電壓，該電壓隨逆變輸出功率的下降而顯著增加。大多數空調使用的風扇電機功率在50W以下；在這個功率級別上，基于MOSFET的逆變器的效率高于IGBT。

至于其反向特性(參見圖1(a))，MOSFET中固有的體二極管可充當IGBT逆變器中的快速恢復二極管(FRD);即可以通過電子擴散過程實現快速而平滑的恢復特性，同時節省了引線框內芯片的占用空間。由于MOSFET比一般FRD尺寸大，其反向壓降小，而且在柵極為高時，該壓降甚至會更小，這是因為MOSFET溝道本身就準許雙向電流。MOSFET的另一個優點是其耐用強度。它比IGBT的耐用強度高；與額定功率相同的其它器件相比，具有更寬的安全運行區(SOA)。本文所解析逆變模塊中的MOSFET在典型的運行條件(Vcc=15V,Vdc="300V",Tc="25"℃)下，都能承受80ms的短路電流(見圖2)。而且，在出現電涌時，基于MOSFET逆變器的抵御能力優于額定電壓相同的IGBT方案，這已被開關器件的雪崩額定電壓值所證實。因此，在220V下可采用額定電壓為500V的MOSFET，而在相同條件下采用IGBT，其額定電壓則需要達到600V。但是，傳統的MOSFET開關速度極高。MOSFET通常用于快速開關轉換器，如AC/DC或DC/DC電源，這些使用場合要求柵極電荷Qg盡可能少，以降低開關損耗。不過，在電機驅動使用中，這種快速特性沒有用處，尤其是高的dV/dt值還會引起電磁干擾。穩定性與最佳性能不易兼顧。

通常，增加柵極阻抗會降低MOSFET的開關速度。在如圖3(a)所示的半橋電路中，如果高壓側MOSFET的柵極阻抗(在HVIC中實現)大，將會存在一定的短路電流；這個電流是上面那個MOSFET導通時的密勒電容Cgd感應萌生的，不嚴重時一般不會察覺。但是，正如圖3(b)所示，這種異常行為會增加逆變開關的損耗(導通損耗)，并最終減弱系統的額定功率和穩定性。在這樣的瞬態過程中，要降低開關速度，同時又不失穩定性，上方那個MOSFET的Vgs應小于閾值電壓Vth。換句話說，最好通過調節HVIC的關斷阻抗來保證系統的穩定性，戒備因電壓變化而感應短路電流。但這會增加MOSFET的關斷dV/dt值。

除了穩定性外，在確定柵極電阻時，還應考慮空載時間和延遲時間之類的運行要求。電壓源逆變器的空載時間會降低輸出電壓的質量，進而降低電機的轉速性能。而且，這個問題會隨開關頻率的增大而進一步惡化。消費電子使用中的開關頻率一般在16kHz以上，這是為了戒備可聽見音頻帶(人耳可聽到的頻帶)噪聲；系統開發人員一般都希望將系統的空載時間設計為1ms。1ms的理論極限(控制器可設置的最小值)可由公式(1)計算。

Tdead=max(Toff,LS-Td(on),HS,Toff,HS-Td(on),LS)(1)

這里，Td(on)為導通時的傳送延遲(從輸入信號脈沖的50%起到電流達到穩定所需的時間);Toff為關斷時的傳送延遲(從輸出信號脈沖的50%起到整流換向完畢所需的時間)。下標HS和LS分別表示高壓側和低壓側MOSFET。要滿足空載時間要求，可延長Td(on)，即增加導通柵極電阻。但這種辦法不適用于通過測試直流通道電流來測量三相電流的系統，因為這種系統的一個關鍵要求是導通延遲要小。當輸出脈沖寬度小于功率器件的導通延遲時，不能用電流測試技術來測量逆變器的輸出電流。增大導通延遲會增加電流測試的不確定性，尤其是在調制指數小的低速運行情況下。因此，增加導通延遲雖能縮短空載時間，但卻會減弱電機的低速性能。

上述問題不能通過調節某一時刻的柵極電阻來處理。為了獲得最佳的性能(最佳空載時間、最佳延遲時間)，同時又保持穩定性(戒備dV/dt感應出短路電流)，非得針對電機定制MOSFET。除調節柵極電阻外，還需要優選MOSFET的Qg和Vth。在本文解析的逆變模塊中，MOSFET的Qg比值(即Qgd/Qgs)被設置為2.0左右，以戒備在最壞的情況下出現短路電流。依據這個電荷值確定出適合的柵極電阻范圍。功率MOSFET的延遲時間是Vth的對數函數。因此，Vth的變化范圍對確定最壞情況的延遲時間和空載時間有很大作用。在滿足這些要求的同時，輸出電壓變化(dV/dt)應該小，以降低電磁干擾。圖1(a)和(b)所示的開關特性是滿足如下條件時探測的結果：dV/dt=2kV/ms，空載時間=1.0ms，導通延遲時間=2.5ms(延遲時間是在最壞的運行情況下，并考慮柵極電阻和其它器件參數的離差后，從輸入信號脈沖中心到建立電流穩定所需的時間)。我們已通過適當選擇柵極導通電阻和閾值電壓達到了這些條件。

除了這些可預先確定的特性外，用戶還可控制模塊的開關速度。象其它SPM系列一樣，本文解析的這種模塊在高壓側MOSFET上提供開放源極輸入端，準許用戶加入自己的阻抗單元來控制高壓側MOSFET的開關速度，從而在開關損耗與電磁干擾之間作出最佳平衡。

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