基于斜率控制的開(kāi)關(guān)損耗和電磁兼容分析

電機在汽車(chē)領(lǐng)域逐漸普及，為乘客帶來(lái)各種智能應用和便利；為了調速，電機控制大多采用PWM調制，頻率可以達到20KHz或者更高，如何減少芯片的功耗和電磁干擾成為工程師面臨的新挑戰。

英飛凌的汽車(chē)級嵌入式功率芯片（Embedded Power IC）專(zhuān)為電機控制而設計，內部集成了預驅動(dòng)模塊，只需要外部搭配合適的MOSFET就可以用來(lái)控制直流或者交流電機，同時(shí)它還帶有斜率控制功能，可以通過(guò)編程實(shí)時(shí)調整MOSFET的開(kāi)關(guān)斜率，在功耗和電磁干擾之間取得平衡。

• 芯片介紹及驅動(dòng)模塊

嵌入式功率芯片的新一代器件已經(jīng)推出兩種系列：TLE986X系列控制直流有刷電機，TLE987X系列控制三相直流無(wú)刷電機，兩者的不同在于驅動(dòng)MOSFET的數量。

以TLE987X系列為例，集成芯片的詳細系統框圖如下：

這些模塊包括：

1）ARM? CORTEX? M3內核的32位微控制器

2）豐富的定時(shí)器資源，可以進(jìn)行輸入捕捉或者輸出比較

3）10位ADC（Analog to Digital Converter）模塊，包括對外部模擬電壓信號的采集和對內部電壓信號的監控

4） 兩個(gè)高速同步串行接口SSC（Synchronous Serial Interface）和兩個(gè)全雙工異步收發(fā)模塊UART（Universal Asynchronous Receiver／Transmitter）

5） 專(zhuān)門(mén)用于三相電機控制的CCU6模塊，可以輸出六路同步調制的脈寬調制信號

6） 兩相電機或者三相預驅動(dòng)，最高可以在25kHz頻率下驅動(dòng)100nC門(mén)級電容的MOSFET，可以設置上升下降斜率時(shí)間，提高電磁兼容能力，集成一個(gè)反極性電壓保護N-MOSFET驅動(dòng)接口

7） LIN總線(xiàn)收發(fā)器，支持最新LIN2.2協(xié)議并向下兼容

8） 電流采樣差分放大器，連接到低端采樣電阻的兩端，將電機電流信號轉換成電壓信號，可選的0~100增益放大，可以檢測偏移地電壓

9）給內部供電的線(xiàn)性電源模塊和一個(gè)給外部傳感器5V供電的線(xiàn)性電源模塊

10）內部振蕩器，可以節省外部晶振的成本

11）兩個(gè)獨立的可編程看門(mén)狗

12）帶中斷觸發(fā)功能的保護策略，包括過(guò)流保護，過(guò)溫保護，過(guò)壓欠壓監測和開(kāi)路監測

集成的預驅動(dòng)模塊具備以下特點(diǎn)：

1）帶升壓泵模塊，供電電壓最低到5.4V仍然保證驅動(dòng)MOSFET電壓正常

2）在25KHz PWM頻率下驅動(dòng)100 nC門(mén)級電容的MOSFET毫無(wú)壓力

3）0到100%的占空比調制

4） 短路保護，上下橋臂導通保護，低壓過(guò)壓保護，過(guò)溫保護

5）保護功能可以編程設置閥值和觸發(fā)中斷

6）開(kāi)路或者斷路診斷，驅動(dòng)延遲時(shí)間檢測

7） 斜率控制功能

• 斜率控制和開(kāi)關(guān)損耗

MOSFET 開(kāi)通時(shí)，預驅動(dòng)輸出驅動(dòng)電流I(G)，首先給電容C(GS)充電，門(mén)級電壓超過(guò)閥值電壓V(gs-th)時(shí)MOSFET導通，驅動(dòng)負載的電流I(D)開(kāi)始增大；電容C(GS)充滿(mǎn)后電門(mén)級電壓到達米勒平臺，再給電容C(GD)充電，這時(shí)會(huì )有一定時(shí)間的穩壓，直到電容C(GD)充滿(mǎn)電，保證門(mén)級電壓遠高于閥值電壓，即保證MOSFET安全導通。整個(gè)充電過(guò)程需要的電荷為Q(g)。

斜率控制功能集成在預驅動(dòng)模塊，直接控制驅動(dòng)電流，間接的把MOSFET的門(mén)級電壓上升或者下降曲線(xiàn)分為四段分別控制；每一段曲線(xiàn)可以通過(guò)寄存器設置驅動(dòng)MOSFET電流的大?。?2個(gè)等級）和時(shí)間（8個(gè)等級，50ns到400ns），靈活性非常高，如下圖所示：

開(kāi)通MOSFET時(shí)，隨著(zhù)通過(guò)MOSFET的電流I(ds)逐漸增加，加在MOSFET兩側的V(ds)電壓相應的逐漸下降，這個(gè)過(guò)程中產(chǎn)生的功耗就是開(kāi)通損耗，關(guān)閉時(shí)原理相同。

從計算公式可以看出，負載的電壓和電流越大，開(kāi)關(guān)損耗就越大；如果負載的電壓和電流相同，開(kāi)關(guān)的時(shí)間越長(cháng)，損耗也越大。

所以通過(guò)斜率控制功能減少開(kāi)關(guān)的時(shí)間，可以降低開(kāi)關(guān)損耗，從而降低MOSFET的溫度；但是太快的開(kāi)關(guān)速度也有負面作用，就是帶來(lái)更多的電磁干擾。

• 斜率控制對電磁干擾的影響

利用電路仿真軟件，如下圖所示，綠色曲線(xiàn)是700ns開(kāi)關(guān)速度的門(mén)級電壓波形，紅色曲線(xiàn)是10ns開(kāi)關(guān)速度的電壓波形。開(kāi)關(guān)速度太快會(huì )導致MOSFET的門(mén)級電壓出現過(guò)沖和震蕩，一方面過(guò)沖的電壓會(huì )對電路造成損壞，另一方面，太快的斜率和電壓震蕩都會(huì )產(chǎn)生更多的電磁干擾。

下圖的綠色曲線(xiàn)是700ns開(kāi)關(guān)速度的頻譜分析，紅色曲線(xiàn)是10ns開(kāi)關(guān)速度的頻譜分析，10ns的開(kāi)關(guān)速度會(huì )產(chǎn)生更多的電磁干擾。

用TLE987X實(shí)現斜率控制并用示波器實(shí)測輸出電壓波形，再對電壓波形進(jìn)行快速傅立葉變換看頻譜更能說(shuō)明問(wèn)題。

如下圖10和11所示，藍色曲線(xiàn)是高邊驅動(dòng)MOSFET門(mén)級電壓波形，黃色曲線(xiàn)是高邊輸出電壓波形，紅色曲線(xiàn)是對輸出端波形的快速傅立葉變換頻譜圖。對比2.183us和130ns的開(kāi)關(guān)時(shí)間，更慢的開(kāi)關(guān)時(shí)間可以在25MHz的頻譜內明顯減少電磁干擾。

• 結論

更快的開(kāi)關(guān)時(shí)間帶來(lái)更強的電磁干擾，更慢的開(kāi)關(guān)時(shí)間增加開(kāi)關(guān)損耗，傳統的預驅動(dòng)如果在溫度測試和電磁干擾實(shí)驗發(fā)現問(wèn)題，需要重新進(jìn)行電路設計，增加研發(fā)費用，延長(cháng)設計和測試時(shí)間甚至延誤項目進(jìn)展；TLE987X芯片的開(kāi)關(guān)斜率控制只需要更改寄存器設置，幫助工程師在最短的時(shí)間和最低的花費基礎上靈活調整開(kāi)關(guān)時(shí)間，取得開(kāi)關(guān)損耗和電磁干擾的平衡點(diǎn)。（英飛凌igbt廠(chǎng)家）

同時(shí)我們也建議工程師在損耗和溫度測試的時(shí)候測試不同開(kāi)關(guān)時(shí)間，留出足夠的時(shí)間余量，這樣在接下來(lái)的電磁干擾實(shí)驗中可以有更多的選擇，開(kāi)關(guān)速度保證電磁干擾不超標的同時(shí)保證溫度不超標，不至于遇到問(wèn)題后需要重新進(jìn)行損耗和溫度測試。