適用于小功率電機驅(qū)動系統(tǒng)的MOSFET逆變模塊

　　MOSFET逆變器的另一個優(yōu)點是圖4(e)所示的自舉電壓(陰極輸出電壓)。從圖4(e)可以看出，電機的工作頻率為10Hz。圖中畫出了自舉電壓和逆變器輸出電流。當(dāng)電流為正時，自舉電壓VBS維持在V_CC=15V附近，但當(dāng)電流為負(fù)時，V_BS就下降到接近10V。這是由于不同電流方向采用不同的充電機制所造成 (參見圖5)。當(dāng)輸出電流為正時，電流要么流經(jīng)高壓側(cè)MOSFET，要么流經(jīng)低壓側(cè)體二極管。在這種情況下，當(dāng)?shù)蛪簜?cè)體二極管導(dǎo)通時，將對自舉電容CBS充電 (參見圖5(a))。此時，對CBS的充電電壓可由公式(2)表示。

　　V_chg = V_CC + V_f - (R_BS + R_EH) I_chg - V_Dbs;;;;;; (2)

　　其中，V_Dbs是跨過陰極輸出二極管的電壓。如果充電電流小，V_chg僅僅提高V_f -V_Dbs；該差值最多為1V，它反映如圖1(b)所示的低壓側(cè)體二極管上的壓降。但當(dāng)輸出電流為負(fù)時，充電電壓將由公式(3)表示。

　　V_chg = V_CC + R_ds(on)I_o - (R_BS + R_EH) I_chg - V_Dbs;;;;; (3)
　　這里，I_o為輸出電流。如果電流是負(fù)的，充電電壓V_chg將隨輸出電流大幅下降，這是低壓側(cè)MOSFET作為主用開關(guān)時MOSFET的正向壓降所致。這個自舉電壓是高壓側(cè)MOSFET的柵極驅(qū)動電源，且僅在電流為正時有意義。當(dāng)電流為正時，由于MOSFET的Vf小，自舉電壓變化不大，因而無需大的自舉電容。只需用較小的自舉電容就可維持所需的自舉電壓，這個電壓僅在電流為正時用來維持HVIC的待機電流。在過調(diào)高速電機運行情況下，高壓側(cè)MOSFET在輸出頻率的半個周期內(nèi)全導(dǎo)通。例如，若采用單脈沖模式 (或6級階梯波模式) 的PWM進(jìn)行調(diào)制，輸出頻率為100Hz，則高壓側(cè)MOSFET的導(dǎo)通時間可持續(xù)5ms。在此期間，不可能一直對自舉電容充電，而自舉電容的自舉電壓隨HVIC待機電流的變化可按公式(4)計算。
　　ΔV_BS =Δ tI_QBS / C_BS;;; (4)
　　這里，I_QBS為HVIC的待機電流，并忽略了C_BS本身的漏電流。假設(shè)最大待機電流為100mA，CBS為1mF，那么，自舉電壓在5ms內(nèi)的變化 VBS也只有0.5V。這意味著，采用1mF的陶瓷電容就足以維持這種MOSFET逆變器在整個運行過程中所需的自舉電壓。
　　除了 自舉電路問題外，采用HVIC還會引起許多別的問題；尤其當(dāng)VB電平低于地電平時最為顯著。在HVIC中，高壓側(cè)柵極單元是用p-n結(jié)隔離的，而輸入信號要通過額定電壓為625V的電平漂移MOSFET傳輸?shù)礁邏簜?cè)單元。為了降低信號傳輸期間的功耗，將開關(guān)信號轉(zhuǎn)換成置位復(fù)位脈沖；該脈沖觸發(fā)對應(yīng)電平漂移MOSFET和高壓側(cè)單元中的置位復(fù)位(SR)閂鎖電路。當(dāng)V_S低于 -5V時，電平漂移MOSFET不能傳送觸發(fā)信號到高壓側(cè)邏輯電路。而且，若V_B小于0V，V_B與邏輯地之間的寄生二極管將會導(dǎo)通；這會產(chǎn)生過量的電流，從而破壞HVIC。在實際應(yīng)用中，當(dāng)負(fù)載電流非常大，或有沖擊電涌噪聲施加在V_B或V_S端時，V_B可能在很短時間內(nèi)被拉到0V以下。除了對HVIC本身造成破壞外，還會使HVIC出現(xiàn)誤操作或閂鎖現(xiàn)象。當(dāng)HVIC出現(xiàn)閂鎖時，其行為將不可預(yù)測，而且，即使在恢復(fù)正常狀態(tài)后，也可能被電源端之間的過量電流損壞。這類現(xiàn)象與HVIC的設(shè)計規(guī)則緊密相關(guān)，在設(shè)計階段就應(yīng)排除這種隱患。當(dāng)HVIC產(chǎn)生誤操作時，誤操作導(dǎo)致的非正常關(guān)斷可能中斷正常的控制動作，但不大可能導(dǎo)致整個系統(tǒng)的破壞。然而，如果高壓側(cè)SR閂鎖電路因電涌噪聲而異常開啟，高壓側(cè)功率MOSFET將處于非控導(dǎo)通狀態(tài)，且不能在輸入信號的脈沖負(fù)沿到來時復(fù)位。這種行為很可能在逆變器的某一管腳上造成短路，進(jìn)而破壞功率模塊。為了防止這種現(xiàn)象，設(shè)計模塊的HVIC時，我們針對可能出現(xiàn)的工作和環(huán)境條件，將出現(xiàn)誤操作的可能性降到最低。同時，當(dāng)過量的電涌或沖擊噪聲施加在器件上時，電平漂移單元和SR閂鎖電路被設(shè)計成具有關(guān)斷優(yōu)先的特性。

　　結(jié)論

　　本文討論了面向小功率電機驅(qū)動應(yīng)用的新型高集成、低噪聲MOSFET逆變模塊。該模塊專為100W無刷直流內(nèi)置電機驅(qū)動系統(tǒng)而開發(fā)。本文還討論了該模塊所采用的封裝技術(shù)、MOSFET和HVIC，以及其應(yīng)用特點。