电动机控制应用三种不同的dV/dt控制方法

 

简介

在电动机控制等部分应用中，放缓开关期间的dV/dt非常重要。速度过快会导致电动机上出现电压峰值，从而损坏绕组绝缘层，进而缩短电动机寿命。在本应用说明中，来自UnitedSiC研发高级工程师李中达博士比较了三种不同的dV/dt控制方法。

 

dV/dt开关

降低硅MOSFET、IGBT和SiC MOSFET的开关dV/dt的传统方法可能会提高外部栅极电阻值。因为这些器件的CGD（CRSS）相对较高，所以外部RG值可以放缓dV/dt而不会过度延迟时间。对于图腾柱PFC等快速开关应用而言，这种方法非常好，在这种情况下，较快的dV/dt会带来较低的开关损耗。然而，对于电动机等较慢的应用而言，它可能需要非常高的电阻值。要将其放缓到5~8V/ns可能需要几千欧姆的栅极电阻，这可能会导致过长的开关延迟时间，进而导致步进速率低。对于位置控制应用，这可能会使性能受损   有些方法可以将SiC FET器件的dV/dt有效控制在从45V/ns至5V/ns的范围内，而不会导致过长的延迟时间。这三种方法是：外部栅漏电容、器件RC缓冲电路和JFET直接驱动，它们需要在标准TO247-4L封装（UF3SC120009K4S）中使用UnitedSiC 9mΩ 1200V SiC FET，并在75A/800V下开关。  

 

外部栅漏电容

第一种方法是在半桥的高侧和低侧FET的栅极和漏极之间添加外部栅漏电容（CGD）。对于所选SiC FET，CGDEXT的值选定为68pF。我们故意将一个20nH的寄生电感与外部电容串联，以说明此方法对于路径中的寄生电感不敏感（图1）。

【图1  带外部CGD的栅极驱动（在高侧和低侧FET上均有）以实现dV/dt控制】   在使用独立器件的真实应用中，这种寄生电感应该远小于20nH，因为外部CGD可能会置于电路板上靠近FET的位置。然而，如果在模块内使用UnitedSiC FET芯片，并将外部CGD置于模块外，则路径中可能会存在20nH的寄生电感。   我们首先使用UF3SC120009K4S SPICE模块通过SPICE模拟优化外部CGD方法，然后使用双脉冲测试电路对其进行实验验证。68pF的外部CGD被有意焊接在TO247-4L的C引脚和D引脚之间，而不是电路板上，以提高路径中的寄生电感。   从实验测量和SPICE模拟中得到的关闭和打开波形被叠加在一起以进行比较。在图2中，测量波形和模拟波形非常吻合。  

【图2 实验测量（实线）和SPICE模拟（虚线）的关闭（左）和打开波形叠加（75A，800V，外部CGD为68pF，RG为33Ω）】   在外部CGD为68pF的情况下，使用10Ω至33Ω的RG可以将dV/dt有效控制在25V/ns至5V/ns范围内。对于SPICE和实验，通过计算打开和关闭转换期间的IDS×VDS得到EON和EOFF，该值和预计一样随RG增加。   外部CGD可以容忍高寄生电感（在SPICE中为20nH）的原因是开关期间的电流非常小。对于外部CGD为68pF，dV/dt为8V/ns的情况，估计电流仅为0.54A且与SPICE模拟中的电流一致。因此，它适用于模块，在采用模块形式时，外部CGD置于模块外，位于电路板栅极驱动上，且路径中有一些寄生电感。  

 

器件RC缓冲电路

第二个dV/dt控制方法将RC缓冲电路与高侧开关和低侧开关并联。我们故意将一个20nH寄生电感与缓冲电路串联，旨在证明这种方法的缓冲电路路径中可以容忍寄生电感（图3）。  

【图3 RC缓冲电路与FET并联（包括高侧和低侧FET）以实现dV/dt控制】   在使用独立器件的真实应用中，RC缓冲电路可能非常靠近FET，且寄生电感仅为几nH。但是如果在模块内采用UnitedSiC FET芯片，则RC缓冲电路可以置于模块外，且路径中可能存在20nH的寄生电感。   从实验测量和SPICE模拟中得到的关闭和打开波形被叠加在一起以进行比较（图4）。请注意，图表中的IDS电流包含缓冲电路电流。实验和SPICE模拟表明，dV/dt可以被最高5.6nF的C_SNUBBER（缓冲电路电容器）有效控制在50V/ns至5V/ns范围内。  

【图 4实验测量（实线）和SPICE模拟（虚线）的关闭（左）和打开波形叠加（75A，800V，RC缓冲电路为0.5Ω，5.6nF）】   开关损耗（EON、EOFF和ESW）通过计算开关转换期间的IDS×VDS得到，其中IDS包括缓冲电路电流。因此，EON和EOFF中包含缓冲电路的损耗。然而，0.5Ω R_SNUBBER上的缓冲电路损耗非常低，尤其是当dV/dt较慢时。在C_SNUBBER为4nF，关闭dV/dt=8V/ns时，SPICE表明，缓冲电路损耗仅为0.2mJ，即在开关f=10kHz时为2W。我们发现，缓冲电路也能容忍高寄生电感（在SPICE中为20nH），因此，如果使用模块形式，RC缓冲电路可以置于模块外。  

 

JFET直接驱动

第三种方法是直接驱动，在这种情况下，Si MOS仅会在电路启动后打开一次，JFET栅极直接切换到-15V到0V之间（图5）。在这种配置中，常关操作会被保留，不过会需要栅极PWM和简单的“启用”信号。

在开关瞬态，高侧JFET保持关闭且电压为-15V，需要同步整流才能让续流JFET将第三象限中的通导损耗降低。  

【图5 JFET直接驱动方法（在高侧和低侧FET上均有）以实现dV/dt控制】   因为SiC JFET有可观的CRSS（CGD），所以一个4.7Ω的小RG就足以将dV/dt放缓至5V/ns。从实验测量和SPICE模拟中得到的关闭和打开波形被叠加在一起以进行比较（图6）。  

【图6 实验测量（实线）和SPICE模拟（虚线）的关闭（左）和打开波形叠加（75A，800V，JFET直接驱动且RG为4.7Ω）】   SPICE（虚线）与实验（实线）波形间的IDS电流波形十分吻合。但是实验VDS波形表明其dV/dt比SPICE波形慢。原因可能是在dV/dt变换期间实验中使用的JFET栅极驱动器不能提供足够的栅极电流来为JFET CRSS充电和放电，导致dV/dt放慢。   将SPICE和测量得到的dV/dt进行比较会发现，可以将dV/dt很好地控制在15V/ns到4V/ns之间。使用与前两种方法相同的做法可以得到开关损耗，EON和EOFF和预计一样随着JFET RG增加。  

 

三种dV/dt控制方法比较

在dV/dt ≤ 8V/ns这一相同限制下，使用SPICE模拟对这三种方法进行了比较（图1）。  

【表1 在dV/dt最大等于8V/ns的情况下，SPICE模拟的75A/800V开关下的性能】

JFET直接驱动方法表现出的整体开关损耗最低，为9.02mJ。与其他两种方法相比，这种方法需要负压才能驱动SiC JFET，并且需要在电路启动时为Si MOS提供启用信号，从而增加了栅极驱动的复杂性。标准UnitedSiC FET不提供到JFET栅极的通路，但是新的双栅极TO247-4L产品正在开发中，既有SiC JFET栅极和Si MOS栅极，又适合JFET栅极驱动。这种方法还适合模块，可以添加单独的JFET栅极引脚。如此项研究所示，JFET栅极路径可忍受合理的寄生电感（在SPICE中为20nH），因此可以将JFET栅极驱动器放置在模块顶部的栅极驱动电路板上。   外部CGD和器件RC缓冲电路方法表现出了较高的开关损耗，但是它们不需要到JFET栅极的通路。当在独立封装（如TO247）中使用UnitedSiC FET时，两种方法都可以轻松实施到电路板上。由于这两种方法可以忍受合理的寄生电感（在SPICE中为20nH），它们还适合内部有UnitedSiC芯片的模块。   RC缓冲电路方法的一个缺点是它不能分别调整关闭和打开dV/dt。如表1所示，要实现8V/ns的打开dV/dt，关闭dV/dt必须降低至4V/ns，这会提高EOFF。   然而，外部CGD和JFET直接驱动方法使用单独的RGON和RGOFF，可以分别调整这二者。如表1所示，通过分别优化RGON和RGOFF，可以让打开和关闭dV/dt均为8V/ns。

 

总结

总而言之，运用这些简单技术可以实现良好的dV/dt控制。较低的通导损耗和短路稳健性这两个UnitedSiC FET优势对于高效可靠的电动机驱动应用而言极为重要。

作者：UnitedSiC资深员工与研发工程师李中达博士  

编辑：黄飞