600V三相栅极驱动器加速三相电机的应用

三相电机运行需要三相逆变器，其一般组成为：6个功率晶体管（MOSFETs或IGBTs）、控制晶体管的栅极驱动器（一个或多个）、实现控制算法（速度、转矩控制等）的控制逻辑电路（微控制器或微处理器）。

栅极驱动器为数字控制和功率执行器之间的模拟桥梁，其必须可靠、抗噪声和扰动鲁棒、精确（保证控制算法和脉宽调制有效），且为保证安全运行，其在非常规条件下或在系统某一部分失效期间需具备保护和安全功能。

引言

STMicroelectronics STDRIVE601为一款针对N沟道功率MOSFET和IGBT的集成三个半桥栅极驱动器的单芯片。该芯片采用了ST公司的BCD6s－高压技术，该技术将双极性、CMOS和DMOS器件与可驱动高侧晶体管且击穿电压超过600V的浮动单元集成在了同一芯片上。新一代的BCD6s技术确保了该器件一流的稳健性。

该器件还具备几项辅助功能和特点，这有助于加速系统设计、减少外围元器件和电路。避免针对噪音和扰动来使用复杂琐碎的保护电路且可确保整个应用简单经济。

STDRIVE601采用小体积的SO28封装，可替代三个半桥驱动器以简化PCB板布局。6路输出均可实现350mA灌电流和200mA拉电流，且栅极驱动电压范围为9－20V。

三个高侧自举单元工作电压高达600V且可由内置自举二极管供电，可节省PCB面积并减少元件数量。低侧和每个高侧驱动单元的欠压锁定（UVLO）功能可防止功率开关工作在低效或危险状态。

由于技术发展和设计优化，STDRIVE601可在负压尖峰超过100V时保证稳健性，并且以业界领先的85ns响应逻辑输入。高低侧单元的延时匹配消除了周期畸变且可保证高频运行，互锁和死区插入同时也避免了未知情况下的交叉导通。

智能关断电路确保了有效的过流保护，高速保护功能可在检测到过载或短路后的短短360ns内关断栅极驱动器。设计者可通过改变外部电容的容值来设置和调整保护关断时间而不会影响芯片关断反应时间，该芯片还提供了一个低电平有效故障指示引脚。

ST公司还提供了EVALSTDRIVE601评估板以帮助用户探索STDRIVE601的功能并迅速启动和运行第一个原型。

负压现象

半桥输出中的负压尖峰在功率应用中非常常见，特别是空间或机械限制导致无法对PCB布局进行优化时。负压尖峰会导致一些不良现象，如自举电容的过充电以及器件稳健性不足时输出侧的误动作。

在半桥拓扑结构中，特别是驱动大感性负载时，功率半桥的输出很容易出现负压，表现为初始的动态尖峰和后续的静态负压（如图1－b所示）。这个现象出现在桥臂硬开关切换至低电平输出且负载电流由桥臂输出至负载时。当高侧开关关闭时，感性负载元件试图维持输出电流恒定。输出电压逐渐降低且当其降低至“地”电平值时，电流开始经低侧续流二极管续流，该二极管正向导通。动态负压主要是由于与半桥低侧电流路径续流二极管串联的PCB板子上寄生电感引起的高dI／dt而造成的尖峰。另外，动态负压还与低侧续流二极管的正向尖峰电压（其在短暂时间内由高压反向状态切换到正向导通状态）和分流电阻的寄生电感有关。

静态负压主要由采样电阻（如果有）的电压降和续流二极管的正向电压降组成（如图1－a）。

 

（a）

（b）

图6 左图中COD ＝ 2．2 μF，右图中COD ＝ 330 nF

其它功能和特点

STDRIVE601具有快速和准确的传播延迟。高低侧驱动器从输入翻转到输出开通或关断的延时均为85ns，匹配时间低于30ns且其典型值为0ns。

欠压锁定（UVLO）机制监控驱动器供电电压的输出变化，并在该电压降低至低于预设阈值时将输出关断。该保护可防止驱动器在电源电压较低时驱动功率管（这将导致导通损耗过高甚至损坏功率管）。

UVLO阈值具有滞回特性且内置滤波器可防止电源电压上噪音引入不必要的动作。STDRIVE601的6个驱动器均由UVLO机制进行保护。

 

图7 VCC电源上的UVLO机制

总结

三相电机由于具备多项优势，正迅速替代简单的单相和有刷电机。三相驱动器（如三相600V单芯片栅极驱动器STDRIVE601）的易用性、可用性和经济性是这一发展的主要原因所在。STDRIVE601具有稳健性、简单性和节省成本的特点，同时可确保系统受保护并提供安全功能。

审核编辑：符乾江