主功率电路设计中的问题及改进

    解恩，侯红胜

    (西北工业大学，陕西西安710072)

    摘要：在某项目无刷直流电动机控制器设计完成之后，实验中频繁出现短路故障，经分析是由于米勒电容充电以及dv／dt导致误导通。为解决此问题，我们采用门极负压关断，但常用负压充电泵元件数目较多。因此设计了一种简化负压栅极驱动电路，电路简单，工作可靠。

    关键词：栅极驱动；米勒电容；负压泵

    0引  言

    对于控制器中功率电路，若使其工作可靠，关键问题在于功率驱动设计以及功率和驱动部分PcB布线。合理的布线可以减少功率及驱动部分的分布参数(分布电感和分布电容)对于电路安全工作的危害。但这只是一个优化，并不能完全消除分布电感，比如说功率器件内部就有分布电感和分布电容，这还不包括布线带来的分布参数。本文主要针对MOsFET漏一源极电压迅速增加时，由于米勒电容的存在，dv/dt半带来的导致功率器件误导通问题。针对此问题，解决方法是以负压驱动关断功率管。即使米勒电容传递电荷到功率器件的门极，使得门极电压升高，只要不升高至正值，功率管就不会误导通。目前对于负压驱动设计的电路比较成熟，但电路设计比较复杂，分立元件较多(每一路15个左右)。本文中设计出一种新型负压关断驱动电路，每一路元件只有6个。

    1功率及驱动电路设计

    控制器基本指标：三相输入电压115 V、400 Hz；输出功率2 kw。

一相桥臂功率及驱动电路设计如图1所示，主功率三相全桥结构。

    将三相115 V(Ac)整流后，直流负载电压在270 V左右。对于控制器基本输出功率指标，可以算出额定电流为2 O00／270=7．4 A。功率器件选用了 MOsFET功率管IRFP460，该器件耐压V=500V，持续工作电流，ID=13 A(100℃)。从参数上应能满足工作要求。功率驱动Ic选用上管自举的IR2110，V=500V，I=2 A。为防止负过冲可能引起输出锁定导致直通故障，在V间加TVs(P6KEl8A)，同时由于IR2110没有输入互锁，因而在输入端增加与门防止输入信号同时为高而导致直通。电机为单向旋转，我们为减小开关损耗将斩波方式选为下斩上不斩，这也能有效防止泵升。

从选型到设计都应满足指标要求，并有一定余量，并且还有相应防护措施。但是在空载实验时，进展都非常不顺利，短路故障每次都发生，故障离上电间隔并不确定，有时一上电就烧，有时还能能运行几分钟．

2故障原因分析

由于是空载工作，工作电流不到1 A，在对原理图、PcB布线及损坏部分测试后，我们得出如下判断：1)功率器件损坏是由于桥臂直通导致；2)输入端有互锁，故障与IH2110以前电路无关；3)空载工作电流小，没有由于di/dt带来的负过冲及功率器件过压击穿问题。纵上分析，我们将问题共同指向dv/dt。

接下来，我们用了一个120Dc(2 A限流)的电源测试。由于功率桥臂上管自举驱动，无法使用示波器同时测试上、下管的栅极驱动信号(示波器两路输入共地)，于是我们同时测试了下管栅极和上管输入(s1)对地的波形，如图2所示。

图中l曲线为上管输入s1，2曲线为下管栅极信号，图中可清晰看出当上管导通时，下管由于dv/dt增加，使得栅极电压上升。

这是由于米勒电容的存在，MOsFET在一定的dv/dt之上，可能导致误导通。这个结果在许多资料中都有叙述，这里简单说明。

如图3所示，当功率桥臂中上管(或下管)开通时，使得下管(或上管)u_GS迅速增加，由于栅-漏极间电容c_CD(米勒电容)的存在，向栅极传递电荷，栅源极电压u_GS增加，从而导致误导通，桥臂短路。这是功率桥电路(特别是中高压)烧毁主要模式之一。u_GS增加的程度由三个参数决定：一是栅一漏极间电容和栅源极间电容的比值c_GD／c_GS；二是u_DS的dv/dt上升率；三是与栅极驱动连接的阻抗。

从图3中可看出，当U_DS迅速增加时，由于米勒电容的存在，电荷经米勒电容向栅源电容c_GS充电，c_GD／c_GS比值越小，UGS增加越明显，米勒电容寄生于功率元件内部，无法减小，我们是否可以通过增加cGS来降低UGS的增加呢?答案是这样并不可取，因为c_GS的增加，带来功率管开关速度的下