主功率電路設計中的問題及改進

    解恩，侯紅勝

    (西北工業大學，陜西西安710072)

    摘要：在某項目無刷直流電動機控制器設計完成之后，實驗中頻繁出現短路故障，經分析是由于米勒電容充電以及dv／dt導致誤導通。為解決此問題，我們采用門極負壓關斷，但常用負壓充電泵元件數目較多。因此設計了一種簡化負壓柵極驅動電路，電路簡單，工作可靠。

    關鍵詞：柵極驅動；米勒電容；負壓泵

    0引  言

    對于控制器中功率電路，若使其工作可靠，關鍵問題在于功率驅動設計以及功率和驅動部分PcB布線。合理的布線可以減少功率及驅動部分的分布參數(分布電感和分布電容)對于電路安全工作的危害。但這只是一個優化，并不能完全消除分布電感，比如說功率器件內部就有分布電感和分布電容，這還不包括布線帶來的分布參數。本文主要針對MOsFET漏一源極電壓迅速增加時，由于米勒電容的存在，dv/dt半帶來的導致功率器件誤導通問題。針對此問題，解決方法是以負壓驅動關斷功率管。即使米勒電容傳遞電荷到功率器件的門極，使得門極電壓升高，只要不升高至正值，功率管就不會誤導通。目前對于負壓驅動設計的電路比較成熟，但電路設計比較復雜，分立元件較多(每一路15個左右)。本文中設計出一種新型負壓關斷驅動電路，每一路元件只有6個。

    1功率及驅動電路設計

    控制器基本指標：三相輸入電壓115 V、400 Hz；輸出功率2 kw。

一相橋臂功率及驅動電路設計如圖1所示，主功率三相全橋結構。

    將三相115 V(Ac)整流后，直流負載電壓在270 V左右。對于控制器基本輸出功率指標，可以算出額定電流為2 O00／270=7．4 A。功率器件選用了 MOsFET功率管IRFP460，該器件耐壓V=500V，持續工作電流，ID=13 A(100℃)。從參數上應能滿足工作要求。功率驅動Ic選用上管自舉的IR2110，V=500V，I=2 A。為防止負過沖可能引起輸出鎖定導致直通故障，在V間加TVs(P6KEl8A)，同時由于IR2110沒有輸入互鎖，因而在輸入端增加與門防止輸入信號同時為高而導致直通。電機為單向旋轉，我們為減小開關損耗將斬波方式選為下斬上不斬，這也能有效防止泵升。

從選型到設計都應滿足指標要求，并有一定余量，并且還有相應防護措施。但是在空載實驗時，進展都非常不順利，短路故障每次都發生，故障離上電間隔并不確定，有時一上電就燒，有時還能能運行幾分鐘．

2故障原因分析

由于是空載工作，工作電流不到1 A，在對原理圖、PcB布線及損壞部分測試后，我們得出如下判斷：1)功率器件損壞是由于橋臂直通導致；2)輸入端有互鎖，故障與IH2110以前電路無關；3)空載工作電流小，沒有由于di/dt帶來的負過沖及功率器件過壓擊穿問題�？v上分析，我們將問題共同指向dv/dt。

接下來，我們用了一個120Dc(2 A限流)的電源測試。由于功率橋臂上管自舉驅動，無法使用示波器同時測試上、下管的柵極驅動信號(示波器兩路輸入共地)，于是我們同時測試了下管柵極和上管輸入(s1)對地的波形，如圖2所示。

圖中l曲線為上管輸入s1，2曲線為下管柵極信號，圖中可清晰看出當上管導通時，下管由于dv/dt增加，使得柵極電壓上升。

這是由于米勒電容的存在，MOsFET在一定的dv/dt之上，可能導致誤導通。這個結果在許多資料中都有敘述，這里簡單說明。

如圖3所示，當功率橋臂中上管(或下管)開通時，使得下管(或上管)u_GS迅速增加，由于柵-漏極間電容c_CD(米勒電容)的存在，向柵極傳遞電荷，柵源極電壓u_GS增加，從而導致誤導通，橋臂短路。這是功率橋電路(特別是中高壓)燒毀主要模式之一。u_GS增加的程度由三個參數決定：一是柵一漏極間電容和柵源極間電容的比值c_GD／c_GS；二是u_DS的dv/dt上升率；三是與柵極驅動連接的阻抗。

從圖3中可看出，當U_DS迅速增加時，由于米勒電容的存在，電荷經米勒電容向柵源電容c_GS充電，c_GD／c_GS比值越小，UGS增加越明顯，米勒電容寄生于功率元件內部，無法減小，我們是否可以通過增加cGS來降低UGS的增加呢?答案是這樣并不可取，因為c_GS的增加，帶來功率管開關速度的下