如何在直流驱动电机中实现更高的系统鲁棒性，第 2 部分：互锁和死区时间
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1.前言
在上下班途中，等待红绿灯时，我注意到绿灯和红灯的顺序可以防止交通流量冲突或撞车。交叉路口交通指示乱序，确保行车安全。黄色也给了一点额外的时间来确保一切顺利进行。
在半桥动力系统中，例如在直流驱动器中，确保高端和低端功率器件之间没有时序冲突非常重要。与黄灯一样，需要一些时间来确保电源设备在开关转换期间不会同时开启。
2.输出互锁和死区时间
为直流驱动器选择栅极驱动器时，需要考虑设计细节，以实现更高的系统稳健性。在本系列的第 1 部分（如何在直流驱动中实现更高的系统鲁棒性，第 1 部分：负电压）中， 讨论了开关节点 HS 引脚上的负电压尖峰。在第 2 部分中，我将讨论输出互锁和死区时间。
输出互锁功能可防止输出（LO 和 HO）同时处于高电平，即使输入（LI 和 HI）均为高电平。这防止了半桥中潜在的破坏性直通条件。为确保两个金属氧化物半导体场效应晶体管 (MOSFET) 不能同时开启，可能存在最小死区时间功能，以便一个 MOSFET 可以在另一个开启之前完全关闭。
电机控制中的一个常见问题是由寄生布局电感引起的驱动器输入信号上的电压尖峰和振铃。图 1 显示了任何设计中存在的电路板布局走线电感。这些寄生电感应该被最小化，但永远无法消除，因此非常适合的栅极驱动器可以处理它们引起的瞬变。
图 1 中的红色箭头显示了硬开关操作期间低侧导通的示例：下降的 V DS电压会在开关节点电容放电时产生电流尖峰。由于 MOSFET 和印刷电路板 (PCB) 走线上的寄生源电感，这种高 dI/dt 电流尖峰会产生电压。由于驱动器接地 (COM) 通常靠近 MOSFET 源极连接，并且控制器通常连接到安静的接地，例如输入电容器，因此该电压尖峰可能出现在 MOSFET 驱动器输入上。
图 1：来自布局电感的驱动器输入电压尖峰/振铃
重要的是，栅极驱动器具有能够承受电压尖峰的特性，以确保可靠运行并提高设计的稳健性。该UCC27710 600V驾驶员的联锁功能，便不再同时高的LO和HO的输出，并保证了LO和HO的输出之间的死区时间的150纳秒，如图2所示。该特征将确保功率MOSFET不会有由驱动器输入上的噪声引起的意外交叉传导条件。
图 2：LO 和 HO 死区时间，没有 LI 和 HI 死区时间
让我们讨论降低驱动器输入电压尖峰的方法。第一个建议与本系列的第 1 部分相同；减少电路板布局中的寄生电感。半桥功率器件的布局可能很紧凑，那么从 FET 到大容量输入电容器的走线呢？
图 3 显示了一个示例半桥驱动器和动力系统布局。您可以看到 MOSFET 靠得很近，但由于电容器尺寸的原因，大容量电容器通常放置在远离 FET 的位置。该电路板布局路径将导致显着的源极电容寄生电感，从而导致大电压尖峰。
图 3：导致寄生电感的电路板布局路径
图 4 显示了相同电路板布局的底层。如果添加高压陶瓷电容器，则可以将它们放置在非常靠近功率 MOSFET 的位置，从而显着减少从低侧 MOSFET 源极到电容器的路径。假设寄生电感与路径长度有关，您可以降低电压尖峰，如图 4 所示。
图 4：改进的电路板布局导致电压尖峰降低
第二个建议是在驱动器输入端放置一个小型电阻电容 (RC) 滤波器，如图 5 所示。滤波电容应靠近驱动器放置，并以 COM 引脚为参考。
图 5：靠近驱动器放置的驱动器输入 RC 滤波器
互锁和最小死区时间是栅极驱动器的关键功能。直流电动机正反转是改变电枢二端电压的极性，使用了正反转接触器之间的互锁，也就可以防止电源和电动机的短路。在设计电机驱动应用时，请牢记这些问题，以实现更高的系统稳健性。
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