基於斜率控制的開關損耗和電磁兼容分析

作者：劉賡，徐博

電機在汽車領域逐漸普及，為乘客帶來各種智能應用和便利；為了調速，電機控制大多採用PWM調製，頻率可以達到20KHz或者更高，如何減少晶元的功耗和電磁干擾成為工程師面臨的新挑戰。

英飛凌的汽車級嵌入式功率晶元（Embedded Power IC）專為電機控制而設計，內部集成了預驅動模塊，只需要外部搭配合適的MOSFET就可以用來控制直流或者交流電機，同時它還帶有斜率控制功能，可以通過編程實時調整MOSFET的開關斜率，在功耗和電磁干擾之間取得平衡。

• 晶元介紹及驅動模塊

嵌入式功率晶元的新一代器件已經推出兩種系列：TLE986X系列控制直流有刷電機，TLE987X系列控制三相直流無刷電機，兩者的不同在於驅動MOSFET的數量。

以TLE987X系列為例，集成晶元的詳細系統框圖如下：

這些模塊包括：

1）ARM? CORTEX? M3內核的32位微控制器

2）豐富的定時器資源，可以進行輸入捕捉或者輸出比較

3）10位ADC（Analog to Digital Converter）模塊，包括對外部模擬電壓信號的採集和對內部電壓信號的監控

4） 兩個高速同步串列介面SSC（Synchronous Serial Interface）和兩個全雙工非同步收發模塊UART（Universal Asynchronous Receiver／Transmitter）

5） 專門用於三相電機控制的CCU6模塊，可以輸出六路同步調製的脈寬調製信號

6） 兩相電機或者三相預驅動，最高可以在25kHz頻率下驅動100nC門級電容的MOSFET，可以設置上升下降斜率時間，提高電磁兼容能力，集成一個反極性電壓保護N-MOSFET驅動介面

7） LIN匯流排收發器，支持最新LIN2.2協議並向下兼容

8） 電流採樣差分放大器，連接到低端採樣電阻的兩端，將電機電流信號轉換成電壓信號，可選的0~100增益放大，可以檢測偏移地電壓

9）給內部供電的線性電源模塊和一個給外部感測器5V供電的線性電源模塊

10）內部振蕩器，可以節省外部晶振的成本

11）兩個獨立的可編程看門狗

12）帶中斷觸發功能的保護策略，包括過流保護，過溫保護，過壓欠壓監測和開路監測

集成的預驅動模塊具備以下特點：

1）帶升壓泵模塊，供電電壓最低到5.4V仍然保證驅動MOSFET電壓正常

2）在25KHz PWM頻率下驅動100 nC門級電容的MOSFET毫無壓力

3）0到100%的占空比調製

4） 短路保護，上下橋臂導通保護，低壓過壓保護，過溫保護

5）保護功能可以編程設置閥值和觸發中斷

6）開路或者斷路診斷，驅動延遲時間檢測

7） 斜率控制功能

• 斜率控制和開關損耗

MOSFET 開通時，預驅動輸出驅動電流I(G)，首先給電容C(GS)充電，門級電壓超過閥值電壓V(gs-th)時MOSFET導通，驅動負載的電流I(D)開始增大；電容C(GS)充滿後電門級電壓到達米勒平台，再給電容C(GD)充電，這時會有一定時間的穩壓，直到電容C(GD)充滿電，保證門級電壓遠高於閥值電壓，即保證MOSFET安全導通。整個充電過程需要的電荷為Q(g)。

斜率控制功能集成在預驅動模塊，直接控制驅動電流，間接的把MOSFET的門級電壓上升或者下降曲線分為四段分別控制；每一段曲線可以通過寄存器設置驅動MOSFET電流的大小（32個等級）和時間（8個等級，50ns到400ns），靈活性非常高，如下圖所示：

開通MOSFET時，隨著通過MOSFET的電流I(ds)逐漸增加，加在MOSFET兩側的V(ds)電壓相應的逐漸下降，這個過程中產生的功耗就是開通損耗，關閉時原理相同。

從計算公式可以看出，負載的電壓和電流越大，開關損耗就越大；如果負載的電壓和電流相同，開關的時間越長，損耗也越大。

所以通過斜率控制功能減少開關的時間，可以降低開關損耗，從而降低MOSFET的溫度；但是太快的開關速度也有負面作用，就是帶來更多的電磁干擾。

• 斜率控制對電磁干擾的影響

利用電路模擬軟體，如下圖所示，綠色曲線是700ns開關速度的門級電壓波形，紅色曲線是10ns開關速度的電壓波形。開關速度太快會導致MOSFET的門級電壓出現過沖和震蕩，一方面過沖的電壓會對電路造成損壞，另一方面，太快的斜率和電壓震蕩都會產生更多的電磁干擾。

下圖的綠色曲線是700ns開關速度的頻譜分析，紅色曲線是10ns開關速度的頻譜分析，10ns的開關速度會產生更多的電磁干擾。

用TLE987X實現斜率控制並用示波器實測輸出電壓波形，再對電壓波形進行快速傅立葉變換看頻譜更能說明問題。

如下圖10和11所示，藍色曲線是高邊驅動MOSFET門級電壓波形，黃色曲線是高邊輸出電壓波形，紅色曲線是對輸出端波形的快速傅立葉變換頻譜圖。對比2.183us和130ns的開關時間，更慢的開關時間可以在25MHz的頻譜內明顯減少電磁干擾。

• 結論

更快的開關時間帶來更強的電磁干擾，更慢的開關時間增加開關損耗，傳統的預驅動如果在溫度測試和電磁干擾實驗發現問題，需要重新進行電路設計，增加研發費用，延長設計和測試時間甚至延誤項目進展；TLE987X晶元的開關斜率控制只需要更改寄存器設置，幫助工程師在最短的時間和最低的花費基礎上靈活調整開關時間，取得開關損耗和電磁干擾的平衡點。

同時我們也建議工程師在損耗和溫度測試的時候測試不同開關時間，留出足夠的時間餘量，這樣在接下來的電磁干擾實驗中可以有更多的選擇，開關速度保證電磁干擾不超標的同時保證溫度不超標，不至於遇到問題後需要重新進行損耗和溫度測試。

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