基于斜率控制的開關(guān)損耗和電磁兼容分析

電機(jī)在汽車領(lǐng)域逐漸普及，為乘客帶來各種智能應(yīng)用和便利；為了調(diào)速，電機(jī)控制大多采用PWM調(diào)制，頻率可以達(dá)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(zhàn)。

英飛凌的汽車級(jí)嵌入式功率芯片（Embedded Power IC）專為電機(jī)控制而設(shè)計(jì)，內(nèi)部集成了預(yù)驅(qū)動(dòng)模塊，只需要外部搭配合適的MOSFET就可以用來控制直流或者交流電機(jī)，同時(shí)它還帶有斜率控制功能，可以通過編程實(shí)時(shí)調(diào)整MOSFET的開關(guān)斜率，在功耗和電磁干擾之間取得平衡。

• 芯片介紹及驅(qū)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(jī)，TLE987X系列控制三相直流無刷電機(jī)，兩者的不同在于驅(qū)動(dòng)MOSFET的數(shù)量。

以TLE987X系列為例，集成芯片的詳細(xì)系統(tǒng)框圖如下：

這些模塊包括：

1）ARM? CORTEX? M3內(nèi)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(hào)的采集和對內(nèi)部電壓信號(hào)的監(jiān)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） 專門用于三相電機(jī)控制的CCU6模塊，可以輸出六路同步調(diào)制的脈寬調(diào)制信號(hào)

6） 兩相電機(jī)或者三相預(yù)驅(qū)動(dòng)，最高可以在25kHz頻率下驅(qū)動(dòng)100nC門級(jí)電容的MOSFET，可以設(shè)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(hù)N-MOSFET驅(qū)動(dòng)接口

7） LIN總線收發(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(jī)電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，可選的0~100增益放大，可以檢測偏移地電壓

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

10）內(nèi)部振蕩器，可以節(jié)省外部晶振的成本

11）兩個(gè)獨(dú)立的可編程看門狗

12）帶中斷觸發(fā)功能的保護(hù)策略，包括過流保護(hù)，過溫保護(hù)，過壓欠壓監(jiān)測和開路監(jiān)測

集成的預(yù)驅(qū)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(qū)動(dòng)MOSFET電壓正常

2）在25KHz PWM頻率下驅(qū)動(dòng)100 nC門級(jí)電容的MOSFET毫無壓力

3）0到100%的占空比調(diào)制

4） 短路保護(hù)，上下橋臂導(dǎo)通保護(hù)，低壓過壓保護(hù)，過溫保護(hù)

5）保護(hù)功能可以編程設(shè)置閥值和觸發(fā)中斷

6）開路或者斷路診斷，驅(qū)動(dòng)延遲時(shí)間檢測

7） 斜率控制功能

• 斜率控制和開關(guān)損耗

MOSFET 開通時(shí)，預(yù)驅(qū)動(dòng)輸出驅(qū)動(dòng)電流I(G)，首先給電容C(GS)充電，門級(jí)電壓超過閥值電壓V(gs-th)時(shí)MOSFET導(dǎo)通，驅(qū)動(dòng)負(fù)載的電流I(D)開始增大；電容C(GS)充滿后電門級(jí)電壓到達(dá)米勒平臺(tái)，再給電容C(GD)充電，這時(shí)會(huì)有一定時(shí)間的穩(wěn)壓，直到電容C(GD)充滿電，保證門級(jí)電壓遠(yuǎn)高于閥值電壓，即保證MOSFET安全導(dǎo)通。整個(gè)充電過程需要的電荷為Q(g)。

斜率控制功能集成在預(yù)驅(qū)動(dòng)模塊，直接控制驅(qū)動(dòng)電流，間接的把MOSFET的門級(jí)電壓上升或者下降曲線分為四段分別控制；每一段曲線可以通過寄存器設(shè)置驅(qū)動(dòng)MOSFET電流的大小（32個(gè)等級(jí)）和時(shí)間（8個(gè)等級(jí)，50ns到400ns），靈活性非常高，如下圖所示：

開通MOSFET時(shí)，隨著通過MOSFET的電流I(ds)逐漸增加，加在MOSFET兩側(cè)的V(ds)電壓相應(yīng)的逐漸下降，這個(gè)過程中產(chǎn)生的功耗就是開通損耗，關(guān)閉時(shí)原理相同。

從計(jì)算公式可以看出，負(fù)載的電壓和電流越大，開關(guān)損耗就越大；如果負(fù)載的電壓和電流相同，開關(guān)的時(shí)間越長，損耗也越大。

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

• 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，綠色曲線是700ns開關(guān)速度的門級(jí)電壓波形，紅色曲線是10ns開關(guān)速度的電壓波形。開關(guān)速度太快會(huì)導(dǎo)致MOSFET的門級(jí)電壓出現(xiàn)過沖和震蕩，一方面過沖的電壓會(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。

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

用TLE987X實(shí)現(xiàn)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明問題。

如下圖10和11所示，藍(lán)色曲線是高邊驅(qū)動(dòng)MOSFET門級(jí)電壓波形，黃色曲線是高邊輸出電壓波形，紅色曲線是對輸出端波形的快速傅立葉變換頻譜圖。對比2.183us和130ns的開關(guān)時(shí)間，更慢的開關(guān)時(shí)間可以在25MHz的頻譜內(nèi)明顯減少電磁干擾。

• 結(jié)論

更快的開關(guān)時(shí)間帶來更強(qiáng)的電磁干擾，更慢的開關(guān)時(shí)間增加開關(guān)損耗，傳統(tǒng)的預(yù)驅(qū)動(dòng)如果在溫度測試和電磁干擾實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)問題，需要重新進(jìn)行電路設(shè)計(jì)，增加研發(fā)費(fèi)用，延長設(shè)計(jì)和測試時(shí)間甚至延誤項(xiàng)目進(jìn)展；TLE987X芯片的開關(guān)斜率控制只需要更改寄存器設(shè)置，幫助工程師在最短的時(shí)間和最低的花費(fèi)基礎(chǔ)上靈活調(diào)整開關(guān)時(shí)間，取得開關(guān)損耗和電磁干擾的平衡點(diǎn)。（英飛凌igbt廠家）

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