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為了持續降低工業控制應用的成本和功耗，設計人員正轉而使用高頻、大電流無刷直流 （BLDC） 電機。這種電機越來越依賴于更快的絕緣柵雙極晶體管 （IGBT），而不是金屬氧化物半導體場效應晶體管 （MOSFET），因為如此才能提升功率密度并實現更快的切換速度。但是，為了安全、高效地運行，設計人員需要在 BLDC 電機控制器輸出和 IGBT 功率晶體管之間使用緩沖電路。
由雙極結型晶體管 （BJT）“圖騰柱”電路組成的分立電路可以承擔這種緩沖任務，但這種解決方案通常缺乏針對高電壓和高電流瞬變的保護。它也無法將數字控制器的低壓輸出轉換為正常驅動 IGBT 所需的更高電壓和電流。此外，添加這種電路還會使設計過程變得復雜，拖慢進度，占用空間，以及增加物料清單 （BOM） 長度。
為了解決這些問題，針對 BLDC 電機應用的新一代集成高頻柵極驅動器結合了驅動 IGBT 所需的緩沖和升壓電路，同時還包含了保護電路。除了提高了效率之外，這些器件需要的外設也更少，工作溫度更低。同時因為封裝尺寸更小，進一步提高了高頻電機的功率密度并節省了空間。
本文將簡要介紹一些驅動器基礎知識，并說明大電流 IGBT 驅動器在現代工業電機應用中的作用。然后會闡釋對工業級器件應當關注哪些方面，以便最大限度地提升保護和效率，同時盡可能降低成本和復雜性。在對這些內容進行描述的同時，本文還將介紹 ROHM Semiconductor、Texas Instruments 和 ON Semiconductor 的一些驅動器實例，并討論如何將其有效地融入電機設計中。
BLDC 電機驅動器基礎知識
常見類型的電機是三相直流型電機，通過以受控順序（換向）激勵繞組，產生旋轉磁場，以電磁感應力來推動轉子運動。轉子速度與電機的工作頻率成正比。脈沖寬度調制 （PWM） 疊加在基本工作頻率上，控制啟動電流、扭矩和功率。
在高頻工作條件下，這種電機具有一些固有優勢。例如，電流紋波（整流后的交流 （AC） 輸入偽像）減小，進而可削減濾波所需無源元件的尺寸和成本。此外，高頻操作還能降低電機線圈的非理想正弦輸入引起的不均勻電動勢 （EMF），從而減輕電機振動和磨損。一般而言，高頻開關可提高功率密度，這樣在既定輸出功率條件下，可以使用物理尺寸更小的電機。
雖然不盡相同，但支持高頻操作的典型閉環控制系統包括：
速度控制輸入，該控制器通過為驅動器生成適當的 PWM 來監控電機換向
切換低壓側和高壓側功率晶體管的驅動器
采用半 H 橋拓撲的功率晶體管，用于激勵電機線圈
在傳感器控制的 BLDC 電機中，控制回路通過來自監控電機旋轉軸的霍爾效應傳感器的反饋進行閉合（圖 1）。無傳感器型號則從反電動勢 （BEMF） 計算電機位置。（有關傳感器和無傳感器三相 BLDC 電機的完整閉環控制系統設計的更多信息，請參閱 Digi-Key 文章：如何為無刷直流電機供電并進行控制，正弦控制三相無刷直流電機的原因和方法，以及通過反電動勢，控制無傳感器 BLDC 電機。）
圖 1：用于三相 BLDC 電機的典型閉環控制系統包括控制器、驅動器和功率晶體管半 H 橋。該控制系統使用霍爾效應傳感器作為反饋電路，不過無傳感器系統也很受歡迎。（圖片來源：Texas Instruments）
驅動器是 BLDC 電機控制器設計的關鍵。它本質上是一種功率放大器，接受來自 BLDC 電機控制器的低功率輸入，進而為半 H 橋中的高壓側和低壓側功率 IGBT 的柵極產生大電流驅動輸入。不過，用于高頻操作的最新驅動器是高度集成的，可以完成更多任務。
集成 IGBT 驅動器的優勢
IGBT 驅動器可以利用分立元器件來構建。圖中所示為雙極結型晶體管 （BJT）“圖騰柱”電路，設計用于驅動功率晶體管（圖 2）。它使用更傳統的 MOSFET，但該配置也適用于 IGBT。
圖 2：分立 BJT 圖騰柱 MOSFET 驅動器運行良好，但它會反轉電壓，發生擊穿問題，并且缺乏保護。（圖片來源：Texas Instruments）
該電路的兩個主要缺點是輸出端電壓反相和柵極電壓瞬變期間的擊穿問題。此外，在通電和斷電時（在 BJT 驅動電源達到滿工作電壓之前），IGBT 可能會受到高電壓和大電流的夾擊。這會增加功耗，并可能導致過熱和永久性損壞。雖然設計人員可以添加必要的保護電路來滿足工業 BLDC 電機的安全標準要求，但設計具有挑戰性，而且附加元器件會增加成本、復雜性和尺寸。
分立 BJT 圖騰柱電路的另一個問題是缺少電平位移。數字電源控制現在主導著 BLDC 電機控制，但僅提供低電流/電壓輸出。例如，數字控制器提供的 PWM 信號常常是 3.3 V 邏輯信號，不能有效接通 IGBT。這就需要電平位移來將控制器的低電流/電壓 PWM 信號提升到激活 IGBT 所需的高電流/電壓 PWM 信號（通常為 9 至 12 V）。
除了降低設計復雜性、壓縮開發時間、縮小尺寸等明顯優勢之外，集成大電流 IGBT 驅動器還解決了分立解決方案的所有問題。通過將大電流驅動器放置在靠近電源開關的地方，這些器件還能最大限度地減小高頻開關噪聲的影響，同時降低控制器的功耗和熱應力。
例如，像 ROHM Semiconductor 的 BM60212FV-CE2 集成柵極驅動器這樣的解決方案就是驅動一對高壓側和低壓側 IGBT 的理想選擇。該器件兼容 3.3 或 5 V 控制器邏輯信號，同時提供高達 1200 V 的高壓側浮動供電電壓和最大 24 V 的柵極驅動電壓。最大導通/關斷時間為 75 ns。最大輸出電流為 4.5 A（峰值為 5 A，持續 1 μs）。
內置保護功能
新一代 IGBT 驅動器（如 BM60212FV-CE2）已內置保護電路，主要是欠壓鎖定 （UVLO） 和去飽和保護 （DESAT）。
UVLO 可用于避免導通過程中的過熱和損壞。當導通時，如果柵極電壓（MOSFET 的 VGS 或 IGBT 的 VGE）太低，則存在晶體管快速進入飽和區的危險，其中傳導損耗和功率耗散會迅速升高。圖 3 顯示了這種效應，從中可看出 VGS 的值是如何影響功率晶體管的。這里同樣使用 MOSFET 來說明，但類似的特性也適用于 IGBT。紅色曲線的右側是飽和區，通過恒定漏源電流（或 IGBT 的集電極-發射極電流）定義，取決于 VGS，而與漏源電壓 （V DS） 無關。
圖 3：如果 MOSFET 或 IGBT 在完全導通之前進入飽和區（紅線右側），則損耗會升高。（圖片來源：Texas Instruments）
解決方案是加入 UVLO，使得在電源達到足夠的電壓水平之前不向柵極施加電壓，確保 MOSFET 或 IGBT 可以快速導通，從而避免功率耗散過大。例如，Texas Instruments 的 UCC27512MDRSTEP IGBT（和 MOSFET）柵極驅動器帶有一種 UVLO 機制，當電源未達到設計人員確定的 UVLO 閾值時，它會將驅動器的輸出接地（圖 4）。 UCC27512MDRSTEP 是一款低壓側柵極驅動器，提供 8 A 的峰值灌電流。
圖 4：TI 的 UCC27512MDRSTEP 等 IGBT 驅動器包括了 UVLO，確保驅動器在電源達到閾值之前不會開始切換 IGBT。（圖片來源：Texas Instruments）
ON Semiconductor 的 NCV5702DR2G 是具有 DESAT 特性的典型 IGBT 驅動器。該保護電路將 IGBT 的集射電壓 （VCE） 與基準電壓進行比較。如果前者更高，IGBT 驅動器就會關閉其輸出以保護功率晶體管。
NCV5702DR2G 是一款大電流 IGBT 驅動器，設計用于在電機驅動應用中驅動高壓側和低壓側 IGBT 對。該器件可提供最高 22 V 輸出，輸入為 -0.3 至 5.5 V。峰值灌電流為 6.8 A（13 V 輸出），而峰值拉電流為 7.8 A（-5 V 輸出電壓）。
一旦器件完全導通，NCV5702DR2G 就會監控 IGBT 的 VCE；在正常工作中，現代 IGBT 的 VCE 應為 3 V 左右。如果 VCE 明顯更高，則很可能發生了過流或類似的應力事件，這可能會損壞 IGBT。
在啟動的短時間內，VCE 通常很高（約 1μs 后穩定在較低電平），因此，為了防止 DESAT 保護過早工作，與基準電壓的比較會延遲一個“消隱時間”，該時間由電容 CBLANK 確定（圖 5）。
圖 5：如果 VCE 上升到基準電壓 VDESAT-THR 以上，ON Semiconductor 的 NCV5702DR2G IGBT 驅動器中的 DESAT 保護電路就會切斷對 IGBT 的輸出。CBLANK 設置了一個時間延遲，確保在 IGBT 完全導通之前不會發生 DESAT 保護。注意：ON Semiconductor 在規格書中使用 NCD570x 作為參考。（圖片來源：ON Semiconductor）
除了保護電路之外，集成 IGBT 驅動器還能為分立元器件所構建的驅動器提供卓越的性能，因為其通常包含可用來提高效率的功能。
效率最大化
BLDC 電機功率密度部分取決于效率；消耗更多功率的 BLDC 將需要更好的熱管理，包括采用更大的散熱器，這會增加解決方案的尺寸。
晶體管開關期間產生的損耗分為靜態和動態損耗。靜態損耗由器件寄生電阻之類的參數產生，而動態開關損耗部分則由寄生電容引起。
在切換期間，晶體管的功耗與電源電壓、柵極電荷 （QG） 和開關頻率成比例。對于給定電源電壓，如果不想影響效率，必須通過降低 QG 來抵消提高開關頻率以增加功率密度所帶來的影響。
IGBT 的 QG 主要貢獻者是寄生電容，其中的一個主要部分是米勒電容。米勒效應最初是在三極管中發現的，但它也影響現代晶體管，在開關周期的各階段中表現為整體輸入電容的增加，原因是輸入和輸出端子之間存在放大電容。除了增加 QG 之外，它還是限制高頻時晶體管增益的一個主要因素。
當晶體管在所謂的米勒平臺區中工作時，米勒電容最為顯著。在該區域中，柵極電壓保持恒定（通常約 10 V），而柵極驅動電流充電或放電——取決于 IGBT 是接通還是關斷。如果驅動器可配置為在米勒平臺區提供高驅動電流，則該階段的持續時間將能大大縮短，從而有助于降低開關損耗。
像 ON Semiconductor 的 NCV5702DR2G 和 ROHM Semiconductor 的 BM60212FV-CE2 這樣的 IGBT 驅動器通過在米勒平臺區提供大電流來縮短米勒平臺，并確保更嚴格地控制開關。具體而言，大電流驅動可減少 IGBT 開關期間的導通能量 （EON），而這有助于限制功耗。此外，IGBT 驅動器的低阻抗內部 FET 所產生的高 IGBT 驅動電流，可確保即使在高開關頻率下，驅動電路的功耗也主要是在外部串聯電阻上。因此，從散熱角度來看，它更容易管理。
米勒效應還會增加低壓側 IGBT 開關的損耗。當高壓側 IGBT 接通時，如果在關斷的低壓側 IGBT 的集電極上引起電壓浪涌 （dv/dt），則會發生問題。電壓浪涌會感生米勒電流，通過米勒電容流入低壓側 IGBT 的柵極電容（圖 6（a））。如果從柵極到地 （GND） 的路徑有一個臨界阻抗（由柵極電阻 RG 引起），米勒電流可能會將柵極電壓推高到閾值電平以上，而低壓側 IGBT 可能會導通數十或數百納秒，從而增加開關損耗。一種可避免這種情況的辦法是實現負柵極電壓，但缺點是這需要第二個直流源。
另一種辦法是提供從柵極到 GND 的低阻抗路徑。NCV5702DR2G 和 BM60212FV-CE2 等驅動器提供“有源米勒箝位保護”，通過在 IGBT 柵極和柵極驅動器的箝位引腳之間添加印制線來實現這種保護。一旦電壓輸出 （VO） 下降到有源米勒箝位閾值 （VMC-THR） 以下，箝位引腳就會短接到 GND，防止 IGBT 柵極上的電壓升高到閾值電壓以上并切換低壓側 IGBT（圖 6（b））。一旦柵極驅動器輸入接收到 IGBT 導通信號，箝位引腳就會從 GND 斷開。由于箝位引腳只有在柵極電壓降至 VMC-THR 閾值以下后才會連接，因此該引腳的功能決不會干擾用戶可控制（通過選擇 RG）的正常關斷切換性能。
圖 6：當高壓側 IGBT 在關斷的低壓側 IGBT 中引起電壓浪涌時，米勒效應可能增加低壓側 IGBT 的損耗。浪涌會感生電流，通過米勒電容流入低壓側 IGBT 的柵極電容 （a）。解決方案 （b） 是將箝位引腳短接到 GND，以防電壓上升到足以使低壓側 IGBT 導通的程度。（圖片來源：ON Semiconductor）
IGBT 驅動器的設計考慮因素
即使采用高性能集成 IGBT 驅動器，如果設計人員要避免 BLDC 電機控制器中出現令人不快的電壓尖峰、瞬時振蕩和誤導通，那么還需要克服一些挑戰。這些問題通常是電源旁路不良、布局不佳、驅動器和功率晶體管不匹配造成的。
例如，接通和關斷 IGBT 相當于在 50 ns 內對 10，000 pF 之類的大型電容負載充電和放電，電壓范圍是 0 至 15 V。此操作所需的電流為 3 A（根據 I = dV x （C/dt））。從該示例可以看出，驅動器的電流輸出與電壓擺幅和/或負載電容成正比，與上升時間成反比。須注意的是，在實際情況下，充電電流并不穩定，但會在 4.7 A 附近達到峰值，因此驅動器有足夠的裕量來應對這一峰值非常重要。諸如 ROHM Semiconductor 的 BM60212FV-CE2 之類的器件，其輸出電流為 4.5 A，峰值電流為 5 A，對于此類應用來說是一個不錯的選擇。
除峰值電流外，設計人員還要記住 IGBT 驅動器必須在短短 50 ns 內從電源獲得此電流。一種實現這種快速電流汲取的技術是在 IGBT 的驅動器正偏置電源 （VCC） 引腳附近添加一對并聯旁路電容（其值至少為負載電容的 10 倍且具有互補阻抗曲線）。這些電容的等效串聯電阻 （ESR） 和等效串聯電感 （ESL） 應盡可能低，并且引線長度應盡可能短。
IGBT 驅動器需要超低阻抗路徑以便電流返回到地。在典型拓撲中，有三條路徑供電流返回到地：
IGBT 驅動器和控制器之間
驅動器及其自身電源之間
驅動器和所驅動的 IGBT 的發射極之間
這些路徑中的每一條都應盡可能短且寬，以減小電感和電阻。此外，接地路徑應保持分離，特別是要避免來自負載的接地電流影響控制器到驅動器接口。一個高招是讓印刷電路板的一個銅平面專用于接地，然后確保電路中的所有接地點返回到同一物理點，以免產生差分地電位。
為了保障高頻開關所需的快速上升和下降時間，載流導體應保持長度最小。每厘米長度增加約 8 nH 的電感，因此 95 A/μs 的 di/dt 會產生每厘米線長 1.9 V 的瞬態 L（dI/dt） 電壓，它會從驅動器輸出中減去。實際影響是，從 IGBT 驅動器的輸出到 IGBT 柵極的導線長度增加會造成上升時間增加。例如，導線長度增加 1 厘米，上升時間可能從 8 ns 增加到 28 ns。長導線的另一個不利影響是可能增加快速切換產生的電磁干擾 （EMI）。
最后，IGBT 驅動器的電感值越低，則開關性能越好，因為該電感實際上與 IGBT 發射極串聯并產生反饋，進而導致開關時間增加。IGBT 驅動器切換高壓側和低壓側功率晶體管對的典型應用電路如圖 7 所示。
圖 7：具有 UVLO 和米勒箝位的大電流集成 IGBT/MOSFET 驅動器（本例中為 ROHM Semiconductor 的 BM60212FV-CE2）的典型應用電路。（圖片來源：ROHM Semiconductor）
總結
工業 BLDC 電機對更高功率密度的要求，已經讓采用常規分立 MOSFET 元器件解決方案的控制電子器件難以應對。IGBT 驅動器為在高功率密度 BLDC 電機中驅動 IGBT 所需的高頻、大電流操作提供了一個解決方案。這些器件經過發展，集成度已經變得更高且更易于使用，同時增加了功率晶體管保護功能，提高了效率并節省了空間。
如本文所述，為了充分利用這些 IGBT 驅動器，設計人員需要讓驅動器和外圍元器件與 IGBT 的頻率和電源電流需求相匹配，同時還要密切關注印刷電路板布局。
參考資料
Fundamentals of MOSFET and IGBT Gate Driver Circuits，Laszlo Balogh，Texas Instruments，2017 年 3 月。
Low-side gate drivers with UVLO vs BJT totem-pole，Mamadou Diallo，Texas Instruments，2018 年 2 月。
工商網監
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