基于斜率控制的开关损耗和电磁兼容分析

基于斜率控制的开关损耗和电磁兼容分析

电机在汽车领域逐渐普及，为乘客带来各种智能应用和便利；为了调速，电机控制大多采用PWM调制，频率可以达到20KHz或者更高，如何减少芯片的功耗和电磁干扰成为工程师面临的新挑战。

英飞凌的汽车级嵌入式功率芯片（Embedded Power IC）专为电机控制而设计，内部集成了预驱动模块，只需要外部搭配合适的MOSFET就可以用来控制直流或者交流电机，同时它还带有斜率控制功能，可以通过编程实时调整MOSFET的开关斜率，在功耗和电磁干扰之间取得平衡。

• 芯片介绍及驱动模块

嵌入式功率芯片的新一代器件已经推出两种系列：TLE986X系列控制直流有刷电机，TLE987X系列控制三相直流无刷电机，两者的不同在于驱动MOSFET的数量。

以TLE987X系列为例，集成芯片的详细系统框图如下：

这些模块包括：

1）ARM® CORTEX™ M3内核的32位微控制器

2）丰富的定时器资源，可以进行输入捕捉或者输出比较

3）10位ADC（Analog to Digital Converter）模块，包括对外部模拟电压信号的采集和对内部电压信号的监控

4） 两个高速同步串行接口SSC（Synchronous Serial Interface）和两个全双工异步收发模块UART（Universal Asynchronous Receiver／Transmitter）

5） 专门用于三相电机控制的CCU6模块，可以输出六路同步调制的脉宽调制信号

6） 两相电机或者三相预驱动，最高可以在25kHz频率下驱动100nC门级电容的MOSFET，可以设置上升下降斜率时间，提高电磁兼容能力，集成一个反极性电压保护N-MOSFET驱动接口

7） LIN总线收发器，支持最新LIN2.2协议并向下兼容

8） 电流采样差分放大器，连接到低端采样电阻的两端，将电机电流信号转换成电压信号，可选的0~100增益放大，可以检测偏移地电压

9）给内部供电的线性电源模块和一个给外部传感器5V供电的线性电源模块

10）内部振荡器，可以节省外部晶振的成本

11）两个独立的可编程看门狗

12）带中断触发功能的保护策略，包括过流保护，过温保护，过压欠压监测和开路监测

集成的预驱动模块具备以下特点：

1）带升压泵模块，供电电压最低到5.4V仍然保证驱动MOSFET电压正常

2）在25KHz PWM频率下驱动100 nC门级电容的MOSFET毫无压力

3）0到100%的占空比调制

4） 短路保护，上下桥臂导通保护，低压过压保护，过温保护

5）保护功能可以编程设置阀值和触发中断

6）开路或者断路诊断，驱动延迟时间检测

7） 斜率控制功能

• 斜率控制和开关损耗

MOSFET 开通时，预驱动输出驱动电流I(G)，首先给电容C(GS)充电，门级电压超过阀值电压V(gs-th)时MOSFET导通，驱动负载的电流I(D)开始增大；电容C(GS)充满后电门级电压到达米勒平台，再给电容C(GD)充电，这时会有一定时间的稳压，直到电容C(GD)充满电，保证门级电压远高于阀值电压，即保证MOSFET安全导通。整个充电过程需要的电荷为Q(g)。

斜率控制功能集成在预驱动模块，直接控制驱动电流，间接的把MOSFET的门级电压上升或者下降曲线分为四段分别控制；每一段曲线可以通过寄存器设置驱动MOSFET电流的大小（32个等级）和时间（8个等级，50ns到400ns），灵活性非常高，如下图所示：

开通MOSFET时，随着通过MOSFET的电流I(ds)逐渐增加，加在MOSFET两侧的V(ds)电压相应的逐渐下降，这个过程中产生的功耗就是开通损耗，关闭时原理相同。

从计算公式可以看出，负载的电压和电流越大，开关损耗就越大；如果负载的电压和电流相同，开关的时间越长，损耗也越大。

所以通过斜率控制功能减少开关的时间，可以降低开关损耗，从而降低MOSFET的温度；但是太快的开关速度也有负面作用，就是带来更多的电磁干扰。

• 斜率控制对电磁干扰的影响

利用电路仿真软件，如下图所示，绿色曲线是700ns开关速度的门级电压波形，红色曲线是10ns开关速度的电压波形。开关速度太快会导致MOSFET的门级电压出现过冲和震荡，一方面过冲的电压会对电路造成损坏，另一方面，太快的斜率和电压震荡都会产生更多的电磁干扰。

下图的绿色曲线是700ns开关速度的频谱分析，红色曲线是10ns开关速度的频谱分析，10ns的开关速度会产生更多的电磁干扰。

用TLE987X实现斜率控制并用示波器实测输出电压波形，再对电压波形进行快速傅立叶变换看频谱更能说明问题。

如下图10和11所示，蓝色曲线是高边驱动MOSFET门级电压波形，黄色曲线是高边输出电压波形，红色曲线是对输出端波形的快速傅立叶变换频谱图。对比2.183us和130ns的开关时间，更慢的开关时间可以在25MHz的频谱内明显减少电磁干扰。

• 结论

更快的开关时间带来更强的电磁干扰，更慢的开关时间增加开关损耗，传统的预驱动如果在温度测试和电磁干扰实验发现问题，需要重新进行电路设计，增加研发费用，延长设计和测试时间甚至延误项目进展；TLE987X芯片的开关斜率控制只需要更改寄存器设置，帮助工程师在最短的时间和最低的花费基础上灵活调整开关时间，取得开关损耗和电磁干扰的平衡点。（英飞凌igbt厂家）

同时我们也建议工程师在损耗和温度测试的时候测试不同开关时间，留出足够的时间余量，这样在接下来的电磁干扰实验中可以有更多的选择，开关速度保证电磁干扰不超标的同时保证温度不超标，不至于遇到问题后需要重新进行损耗和温度测试。