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基于斜率控制的开关损耗和电磁兼容分析

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深圳逸盛通科技有限公司

时间 : 2018-09-27 23:26 浏览量 : 48

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。

图1:TLE986X系列&TLE987X系列电机控制系统框图

以TLE987X系列为例,集成芯片的详细系统框图如下:

图2:TLE987X系列芯片详细系统框图

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

图3:TLE987X系列预驱动模块框图

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)。

图4:MOSFET开通时门级电容充电原理图
图5:MOSFET开通时门级电压曲线

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:

图6:斜率控制功能示意

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。

图7:开通时的电压,电流和损耗曲线

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。

图8:不同开关速度对门级电压的影响仿真

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。

图9:不同开关速度的频谱仿真分析

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。

图10:130ns开关速度的输出电压频谱分析
图11:2.183us开关速度的输出电压频谱分析

  • 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。


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