為了持續(xù)降低工業(yè)控制應(yīng)用的成本和功耗，設(shè)計人員正轉(zhuǎn)而使用高頻、大電流無刷直流 （BLDC） 電機(jī)。這種電機(jī)越來越依賴于更快的絕緣柵雙極晶體管 （IGBT），而不是金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管 （MOSFET），因為如此才能提升功率密度并實現(xiàn)更快的切換速度。但是，為了安全、高效地運行，設(shè)計人員需要在 BLDC 電機(jī)控制器輸出和 IGBT 功率晶體管之間使用緩沖電路。

　　由雙極結(jié)型晶體管 （BJT）“圖騰柱”電路組成的分立電路可以承擔(dān)這種緩沖任務(wù)，但這種解決方案通常缺乏針對高電壓和高電流瞬變的保護(hù)。它也無法將數(shù)字控制器的低壓輸出轉(zhuǎn)換為正常驅(qū)動 IGBT 所需的更高電壓和電流。此外，添加這種電路還會使設(shè)計過程變得復(fù)雜，拖慢進(jìn)度，占用空間，以及增加物料清單 （BOM） 長度。

　　為了解決這些問題，針對 BLDC 電機(jī)應(yīng)用的新一代集成高頻柵極驅(qū)動器結(jié)合了驅(qū)動 IGBT 所需的緩沖和升壓電路，同時還包含了保護(hù)電路。除了提高了效率之外，這些器件需要的外設(shè)也更少，工作溫度更低。同時因為封裝尺寸更小，進(jìn)一步提高了高頻電機(jī)的功率密度并節(jié)省了空間。

　　本文將簡要介紹一些驅(qū)動器基礎(chǔ)知識，并說明大電流 IGBT 驅(qū)動器在現(xiàn)代工業(yè)電機(jī)應(yīng)用中的作用。然后會闡釋對工業(yè)級器件應(yīng)當(dāng)關(guān)注哪些方面，以便最大限度地提升保護(hù)和效率，同時盡可能降低成本和復(fù)雜性。在對這些內(nèi)容進(jìn)行描述的同時，本文還將介紹 ROHM Semiconductor、Texas Instruments 和 ON Semiconductor 的一些驅(qū)動器實例，并討論如何將其有效地融入電機(jī)設(shè)計中。

　　BLDC 電機(jī)驅(qū)動器基礎(chǔ)知識

　　常見類型的電機(jī)是三相直流型電機(jī)，通過以受控順序（換向）激勵繞組，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，以電磁感應(yīng)力來推動轉(zhuǎn)子運動。轉(zhuǎn)子速度與電機(jī)的工作頻率成正比。脈沖寬度調(diào)制 （PWM） 疊加在基本工作頻率上，控制啟動電流、扭矩和功率。

　　在高頻工作條件下，這種電機(jī)具有一些固有優(yōu)勢。例如，電流紋波（整流后的交流 （AC） 輸入偽像）減小，進(jìn)而可削減濾波所需無源元件的尺寸和成本。此外，高頻操作還能降低電機(jī)線圈的非理想正弦輸入引起的不均勻電動勢 （EMF），從而減輕電機(jī)振動和磨損。一般而言，高頻開關(guān)可提高功率密度，這樣在既定輸出功率條件下，可以使用物理尺寸更小的電機(jī)。

　　雖然不盡相同，但支持高頻操作的典型閉環(huán)控制系統(tǒng)包括：

　　速度控制輸入，該控制器通過為驅(qū)動器生成適當(dāng)?shù)?PWM 來監(jiān)控電機(jī)換向

　　切換低壓側(cè)和高壓側(cè)功率晶體管的驅(qū)動器

　　采用半 H 橋拓?fù)涞墓β示w管，用于激勵電機(jī)線圈

　　在傳感器控制的 BLDC 電機(jī)中，控制回路通過來自監(jiān)控電機(jī)旋轉(zhuǎn)軸的霍爾效應(yīng)傳感器的反饋進(jìn)行閉合（圖 1）。無傳感器型號則從反電動勢 （BEMF） 計算電機(jī)位置。（有關(guān)傳感器和無傳感器三相 BLDC 電機(jī)的完整閉環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計的更多信息，請參閱 Digi-Key 文章：如何為無刷直流電機(jī)供電并進(jìn)行控制，正弦控制三相無刷直流電機(jī)的原因和方法，以及通過反電動勢，控制無傳感器 BLDC 電機(jī)。）

圖 1：用于三相 BLDC 電機(jī)的典型閉環(huán)控制系統(tǒng)包括控制器、驅(qū)動器和功率晶體管半 H 橋。該控制系統(tǒng)使用霍爾效應(yīng)傳感器作為反饋電路，不過無傳感器系統(tǒng)也很受歡迎。（圖片來源：Texas Instruments）

　　驅(qū)動器是 BLDC 電機(jī)控制器設(shè)計的關(guān)鍵。它本質(zhì)上是一種功率放大器，接受來自 BLDC 電機(jī)控制器的低功率輸入，進(jìn)而為半 H 橋中的高壓側(cè)和低壓側(cè)功率 IGBT 的柵極產(chǎn)生大電流驅(qū)動輸入。不過，用于高頻操作的最新驅(qū)動器是高度集成的，可以完成更多任務(wù)。

　　集成 IGBT 驅(qū)動器的優(yōu)勢

　　IGBT 驅(qū)動器可以利用分立元器件來構(gòu)建。圖中所示為雙極結(jié)型晶體管 （BJT）“圖騰柱”電路，設(shè)計用于驅(qū)動功率晶體管（圖 2）。它使用更傳統(tǒng)的 MOSFET，但該配置也適用于 IGBT。

圖 2：分立 BJT 圖騰柱 MOSFET 驅(qū)動器運行良好，但它會反轉(zhuǎn)電壓，發(fā)生擊穿問題，并且缺乏保護(hù)。（圖片來源：Texas Instruments）

　　該電路的兩個主要缺點是輸出端電壓反相和柵極電壓瞬變期間的擊穿問題。此外，在通電和斷電時（在 BJT 驅(qū)動電源達(dá)到滿工作電壓之前），IGBT 可能會受到高電壓和大電流的夾擊。這會增加功耗，并可能導(dǎo)致過熱和永久性損壞。雖然設(shè)計人員可以添加必要的保護(hù)電路來滿足工業(yè) BLDC 電機(jī)的安全標(biāo)準(zhǔn)要求，但設(shè)計具有挑戰(zhàn)性，而且附加元器件會增加成本、復(fù)雜性和尺寸。

　　分立 BJT 圖騰柱電路的另一個問題是缺少電平位移。數(shù)字電源控制現(xiàn)在主導(dǎo)著 BLDC 電機(jī)控制，但僅提供低電流/電壓輸出。例如，數(shù)字控制器提供的 PWM 信號常常是 3.3 V 邏輯信號，不能有效接通 IGBT。這就需要電平位移來將控制器的低電流/電壓 PWM 信號提升到激活 IGBT 所需的高電流/電壓 PWM 信號（通常為 9 至 12 V）。

　　除了降低設(shè)計復(fù)雜性、壓縮開發(fā)時間、縮小尺寸等明顯優(yōu)勢之外，集成大電流 IGBT 驅(qū)動器還解決了分立解決方案的所有問題。通過將大電流驅(qū)動器放置在靠近電源開關(guān)的地方，這些器件還能最大限度地減小高頻開關(guān)噪聲的影響，同時降低控制器的功耗和熱應(yīng)力。

　　例如，像 ROHM Semiconductor 的 BM60212FV-CE2 集成柵極驅(qū)動器這樣的解決方案就是驅(qū)動一對高壓側(cè)和低壓側(cè) IGBT 的理想選擇。該器件兼容 3.3 或 5 V 控制器邏輯信號，同時提供高達(dá) 1200 V 的高壓側(cè)浮動供電電壓和最大 24 V 的柵極驅(qū)動電壓。最大導(dǎo)通/關(guān)斷時間為 75 ns。最大輸出電流為 4.5 A（峰值為 5 A，持續(xù) 1 μs）。

　　內(nèi)置保護(hù)功能

　　新一代 IGBT 驅(qū)動器（如 BM60212FV-CE2）已內(nèi)置保護(hù)電路，主要是欠壓鎖定 （UVLO） 和去飽和保護(hù) （DESAT）。

　　UVLO 可用于避免導(dǎo)通過程中的過熱和損壞。當(dāng)導(dǎo)通時，如果柵極電壓（MOSFET 的 VGS 或 IGBT 的 VGE）太低，則存在晶體管快速進(jìn)入飽和區(qū)的危險，其中傳導(dǎo)損耗和功率耗散會迅速升高。圖 3 顯示了這種效應(yīng)，從中可看出 VGS 的值是如何影響功率晶體管的。這里同樣使用 MOSFET 來說明，但類似的特性也適用于 IGBT。紅色曲線的右側(cè)是飽和區(qū)，通過恒定漏源電流（或 IGBT 的集電極-發(fā)射極電流）定義，取決于 VGS，而與漏源電壓 （V DS） 無關(guān)。

圖 3：如果 MOSFET 或 IGBT 在完全導(dǎo)通之前進(jìn)入飽和區(qū)（紅線右側(cè)），則損耗會升高。（圖片來源：Texas Instruments）

　　解決方案是加入 UVLO，使得在電源達(dá)到足夠的電壓水平之前不向柵極施加電壓，確保 MOSFET 或 IGBT 可以快速導(dǎo)通，從而避免功率耗散過大。例如，Texas Instruments 的 UCC27512MDRSTEP IGBT（和 MOSFET）柵極驅(qū)動器帶有一種 UVLO 機(jī)制，當(dāng)電源未達(dá)到設(shè)計人員確定的 UVLO 閾值時，它會將驅(qū)動器的輸出接地（圖 4）。 UCC27512MDRSTEP 是一款低壓側(cè)柵極驅(qū)動器，提供 8 A 的峰值灌電流。

圖 4：TI 的 UCC27512MDRSTEP 等 IGBT 驅(qū)動器包括了 UVLO，確保驅(qū)動器在電源達(dá)到閾值之前不會開始切換 IGBT。（圖片來源：Texas Instruments）

　　ON Semiconductor 的 NCV5702DR2G 是具有 DESAT 特性的典型 IGBT 驅(qū)動器。該保護(hù)電路將 IGBT 的集射電壓 （VCE） 與基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較。如果前者更高，IGBT 驅(qū)動器就會關(guān)閉其輸出以保護(hù)功率晶體管。

　　NCV5702DR2G 是一款大電流 IGBT 驅(qū)動器，設(shè)計用于在電機(jī)驅(qū)動應(yīng)用中驅(qū)動高壓側(cè)和低壓側(cè) IGBT 對。該器件可提供最高 22 V 輸出，輸入為 -0.3 至 5.5 V。峰值灌電流為 6.8 A（13 V 輸出），而峰值拉電流為 7.8 A（-5 V 輸出電壓）。

　　一旦器件完全導(dǎo)通，NCV5702DR2G 就會監(jiān)控 IGBT 的 VCE；在正常工作中，現(xiàn)代 IGBT 的 VCE 應(yīng)為 3 V 左右。如果 VCE 明顯更高，則很可能發(fā)生了過流或類似的應(yīng)力事件，這可能會損壞 IGBT。

　　在啟動的短時間內(nèi)，VCE 通常很高（約 1μs 后穩(wěn)定在較低電平），因此，為了防止 DESAT 保護(hù)過早工作，與基準(zhǔn)電壓的比較會延遲一個“消隱時間”，該時間由電容 CBLANK 確定（圖 5）。

圖 5：如果 VCE 上升到基準(zhǔn)電壓 VDESAT-THR 以上，ON Semiconductor 的 NCV5702DR2G IGBT 驅(qū)動器中的 DESAT 保護(hù)電路就會切斷對 IGBT 的輸出。CBLANK 設(shè)置了一個時間延遲，確保在 IGBT 完全導(dǎo)通之前不會發(fā)生 DESAT 保護(hù)。注意：ON Semiconductor 在規(guī)格書中使用 NCD570x 作為參考。（圖片來源：ON Semiconductor）

　　除了保護(hù)電路之外，集成 IGBT 驅(qū)動器還能為分立元器件所構(gòu)建的驅(qū)動器提供卓越的性能，因為其通常包含可用來提高效率的功能。

　　效率最大化

　　BLDC 電機(jī)功率密度部分取決于效率；消耗更多功率的 BLDC 將需要更好的熱管理，包括采用更大的散熱器，這會增加解決方案的尺寸。

　　晶體管開關(guān)期間產(chǎn)生的損耗分為靜態(tài)和動態(tài)損耗。靜態(tài)損耗由器件寄生電阻之類的參數(shù)產(chǎn)生，而動態(tài)開關(guān)損耗部分則由寄生電容引起。

　　在切換期間，晶體管的功耗與電源電壓、柵極電荷 （QG） 和開關(guān)頻率成比例。對于給定電源電壓，如果不想影響效率，必須通過降低 QG 來抵消提高開關(guān)頻率以增加功率密度所帶來的影響。

　　IGBT 的 QG 主要貢獻(xiàn)者是寄生電容，其中的一個主要部分是米勒電容。米勒效應(yīng)最初是在三極管中發(fā)現(xiàn)的，但它也影響現(xiàn)代晶體管，在開關(guān)周期的各階段中表現(xiàn)為整體輸入電容的增加，原因是輸入和輸出端子之間存在放大電容。除了增加 QG 之外，它還是限制高頻時晶體管增益的一個主要因素。

　　當(dāng)晶體管在所謂的米勒平臺區(qū)中工作時，米勒電容最為顯著。在該區(qū)域中，柵極電壓保持恒定（通常約 10 V），而柵極驅(qū)動電流充電或放電——取決于 IGBT 是接通還是關(guān)斷。如果驅(qū)動器可配置為在米勒平臺區(qū)提供高驅(qū)動電流，則該階段的持續(xù)時間將能大大縮短，從而有助于降低開關(guān)損耗。

　　像 ON Semiconductor 的 NCV5702DR2G 和 ROHM Semiconductor 的 BM60212FV-CE2 這樣的 IGBT 驅(qū)動器通過在米勒平臺區(qū)提供大電流來縮短米勒平臺，并確保更嚴(yán)格地控制開關(guān)。具體而言，大電流驅(qū)動可減少 IGBT 開關(guān)期間的導(dǎo)通能量 （EON），而這有助于限制功耗。此外，IGBT 驅(qū)動器的低阻抗內(nèi)部 FET 所產(chǎn)生的高 IGBT 驅(qū)動電流，可確保即使在高開關(guān)頻率下，驅(qū)動電路的功耗也主要是在外部串聯(lián)電阻上。因此，從散熱角度來看，它更容易管理。

　　米勒效應(yīng)還會增加低壓側(cè) IGBT 開關(guān)的損耗。當(dāng)高壓側(cè) IGBT 接通時，如果在關(guān)斷的低壓側(cè) IGBT 的集電極上引起電壓浪涌 （dv/dt），則會發(fā)生問題。電壓浪涌會感生米勒電流，通過米勒電容流入低壓側(cè) IGBT 的柵極電容（圖 6（a））。如果從柵極到地 （GND） 的路徑有一個臨界阻抗（由柵極電阻 RG 引起），米勒電流可能會將柵極電壓推高到閾值電平以上，而低壓側(cè) IGBT 可能會導(dǎo)通數(shù)十或數(shù)百納秒，從而增加開關(guān)損耗。一種可避免這種情況的辦法是實現(xiàn)負(fù)柵極電壓，但缺點是這需要第二個直流源。

　　另一種辦法是提供從柵極到 GND 的低阻抗路徑。NCV5702DR2G 和 BM60212FV-CE2 等驅(qū)動器提供“有源米勒箝位保護(hù)”，通過在 IGBT 柵極和柵極驅(qū)動器的箝位引腳之間添加印制線來實現(xiàn)這種保護(hù)。一旦電壓輸出 （VO） 下降到有源米勒箝位閾值 （VMC-THR） 以下，箝位引腳就會短接到 GND，防止 IGBT 柵極上的電壓升高到閾值電壓以上并切換低壓側(cè) IGBT（圖 6（b））。一旦柵極驅(qū)動器輸入接收到 IGBT 導(dǎo)通信號，箝位引腳就會從 GND 斷開。由于箝位引腳只有在柵極電壓降至 VMC-THR 閾值以下后才會連接，因此該引腳的功能決不會干擾用戶可控制（通過選擇 RG）的正常關(guān)斷切換性能。

圖 6：當(dāng)高壓側(cè) IGBT 在關(guān)斷的低壓側(cè) IGBT 中引起電壓浪涌時，米勒效應(yīng)可能增加低壓側(cè) IGBT 的損耗。浪涌會感生電流，通過米勒電容流入低壓側(cè) IGBT 的柵極電容 （a）。解決方案 （b） 是將箝位引腳短接到 GND，以防電壓上升到足以使低壓側(cè) IGBT 導(dǎo)通的程度。（圖片來源：ON Semiconductor）

　　IGBT 驅(qū)動器的設(shè)計考慮因素

　　即使采用高性能集成 IGBT 驅(qū)動器，如果設(shè)計人員要避免 BLDC 電機(jī)控制器中出現(xiàn)令人不快的電壓尖峰、瞬時振蕩和誤導(dǎo)通，那么還需要克服一些挑戰(zhàn)。這些問題通常是電源旁路不良、布局不佳、驅(qū)動器和功率晶體管不匹配造成的。

　　例如，接通和關(guān)斷 IGBT 相當(dāng)于在 50 ns 內(nèi)對 10，000 pF 之類的大型電容負(fù)載充電和放電，電壓范圍是 0 至 15 V。此操作所需的電流為 3 A（根據(jù) I = dV x （C/dt））。從該示例可以看出，驅(qū)動器的電流輸出與電壓擺幅和/或負(fù)載電容成正比，與上升時間成反比。須注意的是，在實際情況下，充電電流并不穩(wěn)定，但會在 4.7 A 附近達(dá)到峰值，因此驅(qū)動器有足夠的裕量來應(yīng)對這一峰值非常重要。諸如 ROHM Semiconductor 的 BM60212FV-CE2 之類的器件，其輸出電流為 4.5 A，峰值電流為 5 A，對于此類應(yīng)用來說是一個不錯的選擇。

　　除峰值電流外，設(shè)計人員還要記住 IGBT 驅(qū)動器必須在短短 50 ns 內(nèi)從電源獲得此電流。一種實現(xiàn)這種快速電流汲取的技術(shù)是在 IGBT 的驅(qū)動器正偏置電源 （VCC） 引腳附近添加一對并聯(lián)旁路電容（其值至少為負(fù)載電容的 10 倍且具有互補(bǔ)阻抗曲線）。這些電容的等效串聯(lián)電阻 （ESR） 和等效串聯(lián)電感 （ESL） 應(yīng)盡可能低，并且引線長度應(yīng)盡可能短。

　　IGBT 驅(qū)動器需要超低阻抗路徑以便電流返回到地。在典型拓?fù)渲校腥龡l路徑供電流返回到地：

　　IGBT 驅(qū)動器和控制器之間

　　驅(qū)動器及其自身電源之間

　　驅(qū)動器和所驅(qū)動的 IGBT 的發(fā)射極之間

　　這些路徑中的每一條都應(yīng)盡可能短且寬，以減小電感和電阻。此外，接地路徑應(yīng)保持分離，特別是要避免來自負(fù)載的接地電流影響控制器到驅(qū)動器接口。一個高招是讓印刷電路板的一個銅平面專用于接地，然后確保電路中的所有接地點返回到同一物理點，以免產(chǎn)生差分地電位。

　　為了保障高頻開關(guān)所需的快速上升和下降時間，載流導(dǎo)體應(yīng)保持長度最小。每厘米長度增加約 8 nH 的電感，因此 95 A/μs 的 di/dt 會產(chǎn)生每厘米線長 1.9 V 的瞬態(tài) L（dI/dt） 電壓，它會從驅(qū)動器輸出中減去。實際影響是，從 IGBT 驅(qū)動器的輸出到 IGBT 柵極的導(dǎo)線長度增加會造成上升時間增加。例如，導(dǎo)線長度增加 1 厘米，上升時間可能從 8 ns 增加到 28 ns。長導(dǎo)線的另一個不利影響是可能增加快速切換產(chǎn)生的電磁干擾 （EMI）。

　　最后，IGBT 驅(qū)動器的電感值越低，則開關(guān)性能越好，因為該電感實際上與 IGBT 發(fā)射極串聯(lián)并產(chǎn)生反饋，進(jìn)而導(dǎo)致開關(guān)時間增加。IGBT 驅(qū)動器切換高壓側(cè)和低壓側(cè)功率晶體管對的典型應(yīng)用電路如圖 7 所示。

圖 7：具有 UVLO 和米勒箝位的大電流集成 IGBT/MOSFET 驅(qū)動器（本例中為 ROHM Semiconductor 的 BM60212FV-CE2）的典型應(yīng)用電路。（圖片來源：ROHM Semiconductor）

　　總結(jié)

　　工業(yè) BLDC 電機(jī)對更高功率密度的要求，已經(jīng)讓采用常規(guī)分立 MOSFET 元器件解決方案的控制電子器件難以應(yīng)對。IGBT 驅(qū)動器為在高功率密度 BLDC 電機(jī)中驅(qū)動 IGBT 所需的高頻、大電流操作提供了一個解決方案。這些器件經(jīng)過發(fā)展，集成度已經(jīng)變得更高且更易于使用，同時增加了功率晶體管保護(hù)功能，提高了效率并節(jié)省了空間。

　　如本文所述，為了充分利用這些 IGBT 驅(qū)動器，設(shè)計人員需要讓驅(qū)動器和外圍元器件與 IGBT 的頻率和電源電流需求相匹配，同時還要密切關(guān)注印刷電路板布局。

　　參考資料

　　Fundamentals of MOSFET and IGBT Gate Driver Circuits，Laszlo Balogh，Texas Instruments，2017 年 3 月。

　　Low-side gate drivers with UVLO vs BJT totem-pole，Mamadou Diallo，Texas Instruments，2018 年 2 月。