簡介

直流電機的使用在汽車和工業市場中變得越來越普遍。選擇柵極驅動器并非易事，因為每種終端設備通常都具有獨特要求。電機驅動器系統有許多要求，包括電磁干擾 (EMI) 性能、熱性能、聲學噪聲性能和系統故障響應。

為了滿足客戶系統的各種要求，TI 的電機驅動器產品系列提供了豐富的器件特性來滿足各種需求。本文檔旨在概述 TI 產品系列中各種電機驅動器柵極驅動器的一些可用特性，重點介紹用于 MOSFET 開關控制和優化的特性。相關特性包括 VDS 壓擺率控制、死區時間控制、減少寄生 dV/dt 導通、前置和后置米勒 MOSFET 開關優化、占空比補償以及在故障關斷期間減少電壓瞬態尖峰。表 1 概述了每個可用特性在哪些器件上提供。

壓擺率控制

壓擺率控制是在設計電機系統時需要考慮的關鍵因素之一。要確定所需的 MOSFET 壓擺率，需要在 EMI 性能和效率之間進行權衡。一般而言，壓擺率控制有兩種方法：開環壓擺率控制和閉環壓擺率控制。MOSFET 壓擺率控制的實現方式是調整柵極電流來控制 MOSFET 的導通和關斷時間。對于開環壓擺率控制，設計人員需要為所需的壓擺率選擇柵極電流。為了實現閉環壓擺率控制，柵極驅動器器件會通過一些硬件或軟件配置自動調節柵極電流，以實現所需的壓擺率。

VDS 壓擺率控制

電機磁場和開關電流產生的電氣噪聲會產生 EMI，這可能會由于輻射或傳導發射而干擾附近電子器件的運行。EMI 會受到電機設計、功率和電機轉速的影響。電機驅動器系統中還有其他 EMI 源，但在本文中，我們重點介紹了電機設計中 MOSFET 開關期間產生的 EMI。

MOSFET Miller 區域期間的壓擺率控制對于在電機設計中平衡 EMI 和熱性能至關重要，如下面圖 1 所示。降低 VDS 壓擺率有助于降低 EMI，方法是抑制由開關節點電壓快速上升或下降引起的高頻開關噪聲。盡管降低 VDS 壓擺率可以提高 EMI，但 MOSFET 開關產生的功率損耗會增大。這是因為器件在具有高 VDS 電壓和高 IDS 電流的區域中運行的時間更長，因此在米勒范圍內的開關速度較慢期間會產生更大的功率損耗。對于設計工程師而言，選擇能夠平衡 EMI 性能與目標應用熱性能的壓擺率非常重要。

TI 的許多電機驅動器都提供可調壓擺率控制，允許用戶根據 EMI 和熱因素調整 MOSFET 開關速度。壓擺率控制有兩種類型 - 開環壓擺率控制和閉環壓擺率控制。對于開環控制方法，設計人員可以通過 SPI 配置充電/放電柵極電流以控制壓擺率。在 MOSFET 米勒區域期間，柵極電流控制裝置是用于調整 MOSFET 的 VDS 上升和下降時間的關鍵元件。對于使用閉環方法控制壓擺率的驅動器，工程師可以在柵極驅動器寄存器中配置目標壓擺率，并且驅動器會根據需要自動調整柵極電流，從而通過監測 VDS 電壓壓擺率來實現目標壓擺率。對于沒有開環或閉環壓擺率控制的驅動器，必須通過添加柵極電阻器等外部元件來調節 MOSFET 壓擺率，從而減慢柵極電流。可配置的開環和閉環壓擺率控制在開發階段具有易用性優勢，因為可配置的開環和閉環壓擺率控制允許通過 SPI 進行簡單調整，從而無需更改硬件即可使用不同的 MOSFET 調整壓擺率。這樣就能夠在測試期間快速調整 MOSFET 的壓擺率，從而找到理想設置。可配置的壓擺率控制還通過移除電阻器和二極管組件來減小設計尺寸并降低設計成本，如圖 2 所示。可配置的壓擺率控制最多可為每個 MOSFET 節省三個電阻器（RSOURCE、RSINK、RPD）和一個二極管 (DSINK)。

MOSFET 開關優化

關斷預放電電流

MOSFET 柵極關斷預放電功能可讓用戶對強大的預放電柵極電流進行編程，以將柵極電壓快速放電到米勒區域。圖 3 中展示了一個示例，其中對柵極施加了強大的柵極預放電電流以快速將柵極電壓放電至米勒區域，此時驅動器會通過 EMI 臨界區域切換到較慢的放電電流。

由于米勒區域之前沒有 VDS 壓擺 (VSHx)，因此可以在該區域中使用高預放電電流，從而減少 EMI 問題。這可以在開環或閉環配置中完成。在開環中，用戶選擇所需的預放電柵極電流，并根據電流到達特定 MOSFET 的米勒區域所需的時間來選擇施加柵極電流所需的時間。在閉環模式下，用戶通過 SPI 對預放電時間進行編程，并且柵極驅動器會施加強大的預放電柵極電流，以根據編程的預放電時間將柵極放電到米勒區域。

使用關斷預放電電流的優點包括：

1. MOSFET 開關損耗減少
2. 以更大占空比運行
3. 可減少占空比抖動

在 MOSFET 關斷期間，在較高的 Rdson 區域內縮短運行持續時間，因此可以減少 MOSFET 開關損耗。此外，可以實現更高占空比運行，并且可以由于縮短整體 MOSFET 關斷時間而減少占空比抖動，從而通過縮短開關時間以提供更精確的占空比控制。

導通預充電電流

導通預充電電流和關斷預放電電流類似。對于導通預充電電流，用戶能夠對強大的預充電柵極電流進行編程，以快速為柵極電壓充電，直至達到米勒區域。由于米勒區域之前不存在 VDS 壓擺，因此可以使用高預充電電流。目前，TI 的一些驅動器提供閉環配置來導通預充電電流。用戶配置目標預充電時間，并且驅動器在 MOSFET 導通期間使用更強的柵極驅動電流以實現配置的預充電時間，直到驅動器檢測到已達到米勒區域。

使用柵極導通預充電電流的優點與柵極關斷預放電特性的優點相似：

1. 更短的 MOSFET 導通時間，從而降低 MOSFET 開關損耗
2. 以更大占空比運行
3. 可減少占空比抖動

MOSFET 導通時間越短，MOSFET 開關損耗就越小，而通過體二極管導通花費的時間更少、功率損耗也會更低。此外，可以實現更高的占空比運行，并且可以由于縮短整體 MOSFET 導通時間而減少占空比抖動，從而通過縮短開關時間提供更精確的占空比控制。

導通后充電電流

柵極導通后充電電流是一個特性，用于在米勒區域完成后全面增強 MOSFET 柵極電壓。這是通過施加強大的后充電柵極電流來實現的，該電流會在 VDS 電壓完成壓擺后快速將柵極電壓充電至 12V。由于米勒區域完成后不存在 VDS 壓擺，因此可以使用高后充電電流。此特性提供開環和閉環配置供選擇。在開環配置中，用戶選擇所需的后充電柵極電流，一旦在 MOSFET 導通期間 IDRIVE 控制時間到期，驅動器就會切換到所選的電流。在閉環中，驅動器在 MOSFET 導通期間，在驅動器檢測到 VDS 壓擺完成后，使用更強的柵極驅動電流。

導通后充電電流的優點包括：

1. 減少 MOSFET 導通期間的功率損耗。

通過在 VDS 壓擺完成后快速將 MOSFET VGS 電壓提高至約12V，可以更快地降低 MOSFET Rdson，并且由于用于高 RDSON 運行的時間更少，從而降低功率損耗。

保護/故障/行為響應

導通 dV/dt 保護

dV/dt 導通是 MOSFET 快速壓擺時會出現的系統問題。當開關節點（高側和低側 MOSFET 之間的連接點）快速壓擺時（圖 XX），電壓可通過該 MOSFET 的寄生柵漏電容 (C_GD) 耦合到非開關 MOSFET 的柵極。耦合會導致 MOSFET 的柵源電壓升高（本應保持關斷狀態）。如果柵極電壓超過 MOSFET 閾值電壓 (Vth)，則關斷的 MOSFET 可能會短暫導通，而另一個 MOSFET 會導通，這會導致跨導或擊穿。擊穿可能會導致 MOSFET 過熱，并可能造成損壞。通過在相反方向的 MOSFET 導通期間在關斷的 MOSFET 上啟用強下拉功能，柵極驅動器可以為耦合到柵極中的寄生電荷提供低阻抗路徑。這種強大的柵極下拉路徑有助于減少關斷 MOSFET 的柵源極電壓的任何上升，從而有助于防止 MOSFET 開關期間因 dV/dt 耦合而導致的寄生導通。

導通 dV/dt 保護的優勢：

1. 可以通過強力下拉相反方向的 MOSFET 柵極來幫助減少 MOSFET 導通期間的 dV/dt 耦合，從而可能無需添加外部 Cgs 電容，具體取決于設計。（可能消除該需求）

可配置的死區時間

如討論 dV/dt 保護時所述，在開關 MOSFET 系統時，應避免跨導或“擊穿”條件，從而防止損壞功率 MOSFET 或系統電源。當高側 MOSFET 和低側 MOSFET 同時導通時，就會發生直通。電源和接地引入了一條低阻抗路徑，允許大電流，可能損壞外部 MOSFET 或電源以及其他元件。

當從一個 FET 導通切換到另一個 FET 導通時，最容易發生擊穿現象。必須在命令一個 FET 關斷和命令另一個 FET 導通之間留出足夠的時間，以確保器件為第一個 FET 提供足夠的時間以達到完全關斷，從而避免兩個 MOSFET 同時導通。關斷一個 MOSFET 與導通另一個 MOSFET 之間的這個延遲稱為死區時間。由于二極管的傳導損耗，較長的死區時間會降低電機驅動器的效率，但死區時間過短會導致兩個 MOSFET 同時導通。

根據器件的不同，可配置死區時間要么使用閉環控制，要么使用開環控制。

在閉環可配置死區時間中，驅動器可以通過監測 MOSFET VGS 電壓來更大限度地提高效率，從而為開關 MOSFET 系統提供優化的死區時間。VGS 監視器確保在啟用命令 MOSFET 之前，驅動器將半橋中相反方向的 MOSFET 禁用。

除了直通（擊穿）保護之外，該方法還通過降低二極管的傳導周期來提供系統性能優勢。MOSFET 內部體二極管的導通損耗通常比標準 MOSFET 導通損耗更糟糕，并降低了整體系統效率。當從低側向高側（或從高側到低側）外部 MOSFET 切換時，驅動器具有內部握手功能。握手功能旨在防止外部 MOSFET 進入跨導階段。內部握手利用外部 MOSFET 的 VGS 監視器來確定何時禁用一個 MOSFET 以及何時啟用另一個。通過這種握手，能夠向系統插入一個優化的死區時間，而不會產生跨導的風險。

在開環控制中，用戶選擇所需的死區時間，驅動器監視輸入命令關閉和相反輸入命令開啟之間的時間，并在設定的死區時間內強制輸出為低電平。在閉環控制中，用戶選擇所需的死區時間，驅動器監測 VGS 電壓以確定 FET 何時關斷，然后插入死區時間

故障軟關斷

故障軟關斷可在發生導致關斷事件（例如過流或擊穿情況）的故障時，通過在 MOSFET 關斷期間減慢 VDS 壓擺來保護驅動器。減慢轉換速度可以降低電感尖峰和瞬變，從而在過流事件期間提高設計穩健性。當系統中積聚高電流時，快速關斷會導致嚴重的電感尖峰，從而可能損壞驅動器。在正常開關操作期間，MOSFET 可以相對較快地關斷（圖 7）。但是，如果 MOSFET 發生故障可能會導致過流故障，那么如果電流路徑被快速切斷并通過 MOSFET 體二極管重新路由，流經電路板上寄生電感的大電流會導致較大的尖峰。為了幫助用戶克服這一挑戰，驅動器通過將柵極電流降低至軟放電電流來減慢 MOSFET 的關斷速度，從而減慢故障響應期間的相電壓轉換速度。

實現該軟關斷電流的方式因器件而有所不同。當驅動器檢測到故障時，某些器件會將電流降低一定數量的階躍，使其低于正常運行期間選擇的柵極電流電平。其他驅動器讓用戶可以選擇所需的較低柵極驅動電平。還有一些器件可在到達米勒區域之前，在關斷事件期間實現預放電電流。用戶可以對放電電流進行編程，以將柵極放電到米勒區域，然后切換到整個 Vds 壓擺區域的軟放電電流。關斷期間具有預放電功能的器件有助于驅動器在使軟放電電流完全關斷 MOSFET 之前，盡快地進入米勒區域。這種預放電可縮短故障響應期間的總 MOSFET 關斷時間，并縮短系統中存在高電流的時間，同時在關鍵 VDS 壓擺區域期間仍會減慢速度。

占空比補償

占空比補償的目標是主動管理傳播延遲及其對開關性能的影響，使輸出相電壓占空比等于命令的輸入占空比。良好的開關性能對于實現電機在速度和扭矩控制方面的卓越性能非常重要。占空比補償有助于補償從輸入到輸出的延遲以及導通和關斷行為期間的不匹配。這兩個參數會直接影響最小和最大占空比、頻率范圍以及占空比步進分辨率。

雖然大多數柵極驅動器會規定自身的延遲和失配參數，但它們只是整個輸入到輸出延遲的一部分。另一個關鍵部分是 MOSFET 開關延遲。在高壓擺率下，與驅動器延遲相比，MOSFET 對傳播延遲和失配的貢獻通常很小。相比之下，在 EMC 敏感系統中常見的慢速壓擺率下，MOSFET 壓擺率可能是主要影響因素。占空比補償監控輸出相位導通時間，并調整輸出相位以匹配輸入命令導通時間，從而調整電機電流方向的變化。這樣的優勢包括更精確的占空比控制，以及可對輸出占空比進行調節，從而與命令的輸入占空比非常接近。

結語

TI 提供各種有刷和無刷電機柵極驅動器，適用于各種工業和汽車應用。設計人員可以選擇 TI BDC 或 BLDC 柵極驅動器，混合產品系列的多種特性來滿足應用需求，包括有利于以下方面的特性：在 EMI 性能和熱性能之間進行調優（通過控制開關壓擺率）、在 MOSFET 開關期間進行額外的預先和后期米勒范圍性能優化、通過可配置或自動死區時間插入實現擊穿保護，以及 dV/dt 柵極導通預防，還有在故障事件期間進行軟關斷以降低過流故障電壓尖峰（尤其是在過流故障事件中）。這些特性有助于克服 EMI、效率、聲學、MOSFET 保護等方面的挑戰。要了解有關 TI 電機驅動器產品的更多信息，請訪問 TI 電機驅動器