如何在直流驅(qū)動電機中實現(xiàn)更高的系統(tǒng)魯棒性，第 2 部分：互鎖和死區(qū)時間

1.前言

在上下班途中，等待紅綠燈時，我注意到綠燈和紅燈的順序可以防止交通流量沖突或撞車。交叉路口交通指示亂序，確保行車安全。黃色也給了一點額外的時間來確保一切順利進行。

在半橋動力系統(tǒng)中，例如在直流驅(qū)動器中，確保高端和低端功率器件之間沒有時序沖突非常重要。與黃燈一樣，需要一些時間來確保電源設(shè)備在開關(guān)轉(zhuǎn)換期間不會同時開啟。

2.輸出互鎖和死區(qū)時間

為直流驅(qū)動器選擇柵極驅(qū)動器時，需要考慮設(shè)計細節(jié)，以實現(xiàn)更高的系統(tǒng)穩(wěn)健性。在本系列的第 1 部分（如何在直流驅(qū)動中實現(xiàn)更高的系統(tǒng)魯棒性，第 1 部分：負電壓）中， 討論了開關(guān)節(jié)點 HS 引腳上的負電壓尖峰。在第 2 部分中，我將討論輸出互鎖和死區(qū)時間。

輸出互鎖功能可防止輸出（LO 和 HO）同時處于高電平，即使輸入（LI 和 HI）均為高電平。這防止了半橋中潛在的破壞性直通條件。為確保兩個金屬氧化物半導體場效應(yīng)晶體管 (MOSFET) 不能同時開啟，可能存在最小死區(qū)時間功能，以便一個 MOSFET 可以在另一個開啟之前完全關(guān)閉。

電機控制中的一個常見問題是由寄生布局電感引起的驅(qū)動器輸入信號上的電壓尖峰和振鈴。圖 1 顯示了任何設(shè)計中存在的電路板布局走線電感。這些寄生電感應(yīng)該被最小化，但永遠無法消除，因此非常適合的柵極驅(qū)動器可以處理它們引起的瞬變。

圖 1 中的紅色箭頭顯示了硬開關(guān)操作期間低側(cè)導通的示例：下降的 V DS電壓會在開關(guān)節(jié)點電容放電時產(chǎn)生電流尖峰。由于 MOSFET 和印刷電路板 (PCB) 走線上的寄生源電感，這種高 dI/dt 電流尖峰會產(chǎn)生電壓。由于驅(qū)動器接地 (COM) 通?？拷?MOSFET 源極連接，并且控制器通常連接到安靜的接地，例如輸入電容器，因此該電壓尖峰可能出現(xiàn)在 MOSFET 驅(qū)動器輸入上。

圖 1：來自布局電感的驅(qū)動器輸入電壓尖峰/振鈴

重要的是，柵極驅(qū)動器具有能夠承受電壓尖峰的特性，以確保可靠運行并提高設(shè)計的穩(wěn)健性。該UCC27710  600V駕駛員的聯(lián)鎖功能，便不再同時高的LO和HO的輸出，并保證了LO和HO的輸出之間的死區(qū)時間的150納秒，如圖2所示。該特征將確保功率MOSFET不會有由驅(qū)動器輸入上的噪聲引起的意外交叉?zhèn)鲗l件。 

圖 2：LO 和 HO 死區(qū)時間，沒有 LI 和 HI 死區(qū)時間

讓我們討論降低驅(qū)動器輸入電壓尖峰的方法。第一個建議與本系列的第 1 部分相同；減少電路板布局中的寄生電感。半橋功率器件的布局可能很緊湊，那么從 FET 到大容量輸入電容器的走線呢？

圖 3 顯示了一個示例半橋驅(qū)動器和動力系統(tǒng)布局。您可以看到 MOSFET 靠得很近，但由于電容器尺寸的原因，大容量電容器通常放置在遠離 FET 的位置。該電路板布局路徑將導致顯著的源極電容寄生電感，從而導致大電壓尖峰。

圖 3：導致寄生電感的電路板布局路徑

圖 4 顯示了相同電路板布局的底層。如果添加高壓陶瓷電容器，則可以將它們放置在非?？拷β?MOSFET 的位置，從而顯著減少從低側(cè) MOSFET 源極到電容器的路徑。假設(shè)寄生電感與路徑長度有關(guān)，您可以降低電壓尖峰，如圖 4 所示。

圖 4：改進的電路板布局導致電壓尖峰降低

第二個建議是在驅(qū)動器輸入端放置一個小型電阻電容 (RC) 濾波器，如圖 5 所示。濾波電容應(yīng)靠近驅(qū)動器放置，并以 COM 引腳為參考。

圖 5：靠近驅(qū)動器放置的驅(qū)動器輸入 RC 濾波器

互鎖和最小死區(qū)時間是柵極驅(qū)動器的關(guān)鍵功能。直流電動機正反轉(zhuǎn)是改變電樞二端電壓的極性，使用了正反轉(zhuǎn)接觸器之間的互鎖，也就可以防止電源和電動機的短路。在設(shè)計電機驅(qū)動應(yīng)用時，請牢記這些問題，以實現(xiàn)更高的系統(tǒng)穩(wěn)健性。