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MOSFET簡化三相逆變器拓撲設計

發(fā)布時間:2009-08-19

中心議題:
  • MOSFET簡化三相無刷電機驅動
解決方案:
  • 使用具有快速體二極管恢復特性MOSFET
  • MOSFET內部的體二極管用作續(xù)流二極管
提高效率和節(jié)能是家電應用中首要的問題。三相無刷直流電機因其效率高和尺寸小的優(yōu)勢而被廣泛應用在家電設備中以及很多其他應用中。此外,由于采用了電子換向器代替機械換向裝置,三相無刷直流電機被認為可靠性更高。

標準的三相功率級(powerstage)被用來驅動一個三相無刷直流電機,如圖1所示。功率級產生一個電場,為了使電機很好地工作,這個電場必須保持與轉子磁場之間的角度接近90°。六步序列控制產生6個定子磁場向量,這些向量必須在一個指定的轉子位置下改變?;魻栃獋鞲衅鲯呙柁D子的位置。為了向轉子提供6個步進電流,功率級利用6個可以按不同的特定序列切換的功率MOSFET。下面解釋一個常用的切換模式,可提供6個步進電流。

MOSFETQ1、Q3和Q5高頻(HF)切換,Q2、Q4和Q6低頻(LF)切換。當一個低頻MOSFET處于開狀態(tài),而且一個高頻MOSFET處于切換狀態(tài)時,就會產生一個功率級。

步驟1)功率級同時給兩個相位供電,而對第三個相位未供電。假設供電相位為L1、L2,L3未供電。在這種情況下,MOSFETQ1和Q2處于導通狀態(tài),電流流經(jīng)Q1、L1、L2和Q4。

步驟2)MOSFETQ1關斷。因為電感不能突然中斷電流,它會產生額外電壓,直到體二極管D2被直接偏置,并允許續(xù)流電流流過。續(xù)流電流的路徑為D2、L1、L2和Q4。

步驟3)Q1打開,體二極管D2突然反偏置。Q1上總的電流為供電電流(如步驟1)與二極管D2上的恢復電流之和。
         
                                                    圖1:三相逆變器拓撲結構圖   

圖2所示MOSFET器件的截面圖,顯示出其中的體-漏二極管。在步驟2,電流流入到體-漏二極管D2(見圖1),該二極管被正向偏置,少數(shù)載流子注入到二極管的區(qū)和P區(qū)。
      
                                      圖2:MOSFET器件的截面圖,電流流經(jīng)其內部的體二極管[page]

當MOSFETQ1導通時,二極管D2被反向偏置,N區(qū)的少數(shù)載流子進入P+體區(qū),反之亦然。這種快速轉移導致大量的電流流經(jīng)二極管,從N-epi到P+區(qū),即從漏極到源極。電感L1對于流經(jīng)Q2和Q1的尖峰電流表現(xiàn)出高阻抗。Q1表現(xiàn)出額外的電流尖峰,增加了在導通期間的開關損耗。圖4a描述了MOSFET的導通過程。

為改善在這些特殊應用中體二極管的性能,研發(fā)人員開發(fā)出具有快速體二極管恢復特性MOSFET。當二極管導通后被反向偏置,反向恢復峰值電流Irrm較小,完成恢復所需要的時間更短(見圖3)。

                     
                 圖3:具有快速體二極管恢復特性MOSFET,反向恢復峰值電流較小,恢復時間縮短。

我們對比測試了標準的MOSFET和快恢復MOSFET。ST推出的STD5NK52ZD(SuperFREDmesh系列)放在Q2(LF)中,如圖4b所示。在Q1MOSFET(HF)的導通工作期間,開關損耗降低了65%。采用STD5NK52ZD時效率和熱性能獲得很大提升(在不采用散熱器的自由流動空氣環(huán)境下,殼溫從60°C降低到50°C)。在這種拓撲中,MOSFET內部的體二極管用作續(xù)流二極管,采用具有快速體二極管恢復特性MOSFET更為合適。

           


           
        圖4:a)Q2采用標準MOSFET的開狀態(tài)操作;b)Q2采用ST公司的STD5NK52ZDMOSFET開狀態(tài)操作

SuperFREDmesh技術彌補了現(xiàn)有的FDmesh技術,具有降低導通電阻,齊納柵保護以及非常高的dv/dt性能,并采用了快速體-漏恢復二極管。N溝道520V、1.22歐姆、4.4ASTD5NK52ZD可提供多種封裝,包括TO-220、DPAK、I2PAK和IPAK封裝。

該器件為工程師設計開關應用提供了更大的靈活性。其他優(yōu)勢包括非常高的dv/dt,經(jīng)過100%雪崩測試,具有非常低的本征電容、良好的可重復制造性,以及改良的ESD性能。此外,與其他可選模塊解決方案相比,使用分立解決方案還能在PCB上靈活定位器件,從而實現(xiàn)空間的優(yōu)化,并獲得有效的熱管理,因而這是一種具有成本效益的解決方案。
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