有些家电全年无休 24 小时运作，对于效率的要求极高，因此使用 MOSFET 的效果会比 IGBT 更理想。但是，运用超接面原理的现代化 MOSFET 技术，却难以控制各种马达驱动器应用。本文说明闸极驱动器电路有效设计的基本考量，以及结合运用 EiceDRIVER IC 及 CoolMOS CFD2 所带来的效益。

BLDC 驱动器的整流电池分析

图 1 所示的半桥式电池，可供研究所有 FET 的切换行为。 S1 及 S2在降压组态切换，S4则永久开启提供回路电流路径。 S1为主动式开关。电感器电流在S1开启时上升。 S2为整流器开关，其本体二极体在S1关闭时输送电感器电流，且电感器电流下降。这种运作模式在 1/3 的马达周期之中产生，然后相同的运作流程会移往下一个半桥。 MOSFET 的切换模式运作会造成高 dv/dt 及 di/dt。

图1 : 切换电池

图2 : MOSFET、封装、配置及驱动器的寄生元件

高 dv/dt 的主要风险在于击穿。 S1开启并在S2产生 dv/dt，与其闸极耦合且出现电压突波。如果耦合突波够高，足以达到 FET 的闸极阈值电压，则桥接的两个 FET 都会短暂开启，导致分流电阻器或电解电容器等元件故障。

另一项风险在于，开启时可能引发闸极振荡。高 di/dt 会在 FET 封装及配置的源极电感造成压降。这种电压会形成负回馈至驱动电压，造成 FET 闸极谐振（如图3所示）。

此外，高 dv/dt 关闭时，可能透过汲极闸极电容耦合至闸极，而造成振荡。以上疑虑与 FET 参数、封装及配置寄生有关，如图2所示。这些问题必须透过闸极驱动器设计加以解决。

图3 : MOSFET 关闭时的强力振荡

dv/dt 来源及应用效应

dv/dt 在逆向电容Crss的充电期间产生（如图 2 所示的电荷 Qgd）。因此，Crss值及充电电流位准是影响dv/dt的两项因素。闸极电阻Rg值较高，表示是以较低电流为Crss 充电 （会延长米勒平坦区时间，并降低 dv/dt）。

MOSFET本体二极体逆复原期间的电流变化率dIrec/dt会在寄生源极电感产生电压，也就是送往驱动电压的正回馈。这样会加快Crss 的充电速度，并提高 dv/dt。具备阶跃复原行为的二极体，会产生较高的dv/dt。此外，上述跃阶性质会在S2增加电压过冲现象，而这是由回路电感所造成。

在关闭期间，超接面 FET（例如 CoolMOS CFD2）的非线性电容 Coss 和高电压 Vds 下的低 Coss 值会提高 dv/dt。如此可降低切换损耗并加快电压转移，不过考量到 dv/dt 较高的情形，也需要谨慎的配置和适当的闸极驱动器设计技巧。

CoolMOS CFD2 的闸极电路设计提案

图 4 为 CoolMOS IPD65R420CFD 使用提案示意图。主要是在各个桥接开关节点新增电容器 Cds=0.47nF，借以限制并线性化 dv/dt。这是预防击穿及谐振问题最可靠的方法。在马达驱动器应用中，切换频率多半偏低，因此新增的电容器 Cds 只会对切换损耗造成些微影响。选择其他驱动参数的考量如下：

- Ron=1000 ? 减缓开启速度、延长平坦区，减少 dv/dt。

- Roff=0 ? 关闭时降低对 GND 的阻抗，减少电压耦合突波。

- Cgs=0.47nF 降低 Crss/Ciss 比率、减少汲极闸极或米勒耦合增益。

- Cds=0.47nF 在开启时控制/线性化 dv/dt，优点在于可移除闸极振荡与减少 EMI。

图4 : CoolMOS CFD2（采用 EiceDRIVER 2EDL 系列）的闸极电路示意图

电路由 2EDL05N06PF EiceDRIVER IC 运作。此系统采用英飞凌SOI 技术，提供卓越的耐用度，可有效承受负瞬时电压 [3]。整合靴带式二极体的优异属性，可满足高功率密度和成本效益比的需求。

配置建议

图 5 显示了杂散电感最小化的配置，其高侧源极端子与低侧汲极端子之间的距离较短。相对于顶层的高侧电晶体，底层的低侧电晶体偏移至左侧，导致两个电晶体热解耦。此外，低侧电晶体甚至更靠近相应的闸极电阻。

图5 : 采用双侧组装的最小化杂散电感配置范例

这项偏移也让低侧电晶体的汲极端子直接移到源极端子下方，使适当数量的通路就近连接至高侧源极端子，进而将回路电感最小化。将低侧电晶体适当置于顶层，可避免双侧组装，不过必然会增加整体区域。

一般来说，若要在闸极驱动回路降低杂讯和谐振，建议使用以下配置准则：

- 让闸极驱动器尽可能靠近闸极。

- 将闸极到汲极的外部电容减到最小。

- 适当地选择闸极电阻 Rg.以减缓 dv/dt。

- 隔离电源接地与闸极驱动器接地。

- Rg 尽可能靠近闸极脚位。

- 在闸极驱动器与闸极之间使用较厚走线。

闸极端子邻近闸极电阻的配置方式，加上较低的杂散电感，可提升 CoolMOS 电晶体的效能，实现出色的切换行为。图 6 显示驱动电路设计提案的开启波形。图中可见没有振荡的干净闸极讯号，而汲极-源极电压也在米勒平坦区期间缓慢降低至 0V。

图6 : 开启波形：直流连结电压 VDC = 320 V 及负载电流 IL = 2.5 A. VDS（红色，50 V/div）、IL（绿色，1 A/div）、VGS（蓝色，10 V/div）、PWM（黄色，5 V/div）、时间尺度 1 μs/div]

假设配置及驱动电路不变，可预期其他两种切换桥接出现相同行为。

结论

CoolMOS CFD2 可有效提升马达驱动应用的效率。采用EiceDRIVER 2EDL系列的闸极驱动器电路提案，可确保切换不会产生振荡。由此可见，CoolMOS CFD2在驱动器系统中能够有效、可靠的运作。此外，2EDL系列采用英飞凌SOI技术，可为马达驱动器应用提供 dv/dt 方面的高耐用度以及绝佳的 CoolMOS CFD2控制能力。

（本文作者Wolfgang Frank任职于英飞凌科技）

参考文献

[1] R. Mente, F. Di Domenico, M.A. Kutschak, A. Steiner: CoolMOS? CFD2 first 650 V rated super junction mosfet with fast body diode suitable for resonant topologies, Application Note, Infineon Technologies, February 2011.

[2] W. Choi, D. Son, M. Hallenberger S. Young: Driving and Layout Requirements for Fast Switching MOSFETs, Fairchild Semiconductor Power Seminar 2010-2011, Fairchild, 2011.

[3] J. Song, W. Frank: Robustness of level shifter gate driver ICs concerning negative gate voltages; Proceedings of PCIM 2015, Nuremberg, Germany, 2015.