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功率技術/新能源  

應用於三相轉換器拓樸中的快速二極體MOSFET

上網時間: 2007年02月18日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:直流馬達  功率級  家電設備 

提高效率和節能是家電應用中的首要問題。三相無刷直流馬達憑藉著高效率與小尺寸優勢,已被廣泛應用於家電設備及多種其他裝置中。此外,由於採用電子換向器取代了機械換向裝置,三相無刷直流馬達也進一步提高了可靠性。

標準的三相功率級(power stage)被用來驅動一個三相無刷直流馬達,如圖1所示。功率級會產生一個電場,為了使馬達良好運作,這個電場必須保持與轉子磁場之間的角度接近90°。六步序列控制可產生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。霍爾效應感測器可掃描轉子的位置。為了向轉子提供6個步進電流,功率級採用了6個可依不同特定序列切換的功率MOSFET。以下將解釋一種可提供6個步進電流的常用切換模式。

MOSFET Q1、Q3和Q5會在高頻(HF)切換;而Q2、Q4和Q6則會在低頻(LF)切換。當一個低頻MOSFET處於開狀態,且一個高頻MOSFET處於切換狀態時,就會產生一個功率級。

步驟1:功率級同時為兩個相位供電,而第三個相位則未供電。假設供電相位為L1、L2,L3未供電。在這種情況下,MOSFET Q1和Q2處於導通狀態,電流會流經Q1、L1、L2和Q4。

步驟2:MOSFET Q1切斷。因為電感不能突然中斷電流,它會產生額外電壓,直到體二極體D2被直接偏置,並允許續流電流流過。續流電流的路徑為D2、L1、L2和Q4。

步驟3:Q1打開,體二極體D2突然反偏置。Q1上的總電流為供電電流(如步驟1)與二極體D2上的恢復電流之和。

圖1:三相轉換器拓樸結構圖。
圖1:三相轉換器拓樸結構圖。

圖2:MOSFET元件剖面圖,電流流經內部體二極體。
圖2:MOSFET元件剖面圖,電流流經內部體二極體。

圖2顯示了MOSFET元件剖面圖,可看到其中的體-漏二極體。在步驟2,電流流入到體-漏二極體D2(見圖1),該二極體被正向偏置,少數載子注入到二極體的N型磊晶和P型區。當MOSFET Q1導通時,二極體D2被反向偏置,N區的少數載子進入P+體區,反之亦然。這種快速轉移導致大量的電流流經二極體,從N型磊晶區到P+區,即從漏極到源極。電感L1對於流經Q2和Q1的尖峰電流表現出高阻抗。Q1表現出額外的電流尖峰,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體的性能,研發人員已開發出具有快速體二極體恢復特性的MOSFET。當二極體導通後,會被反向偏置,反向恢復峰值電流Irrm較小,完成恢復所需的時間更短(見圖3)。

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

為瞭解標準MOSFET和快速恢復MOSFET的差異,我們對這兩種元件進行了測試比較。ST推出的STD5NK52ZD(SuperFREDmesh系列)放置在Q2(LF)中,如圖4b所示。在Q1 MOSFET(HF)的導通工作期間,開關損耗降低了65%。採用STD5NK52ZD時,效率和熱性能均獲得很大提升(在不採用散熱器的自由流動空氣環境下,殼溫從60℃降低到50℃)。在這種拓樸結構中,MOSFET內部的體二極體可作為續流二極體,採用具有快速體二極體恢復特性MOSFET更為合適。

圖4:a) Q2採用標準MOSFET的開狀態作業;
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圖4:b) Q2採用ST公司STD5NK52ZD MOSFET的開狀態作業。
<p> 圖4:a) Q2採用標準MOSFET的開狀態作業;b) Q2採用ST公司STD5NK52ZD MOSFET的開狀態作業。

SuperFREDmesh技術彌補了現有的FDmesh技術,具有降低導通電阻,齊納閘保護以及非常高的dv/dt性能,並採用了快速體-漏恢復二極體。N通道520V、1.22歐姆、4.4A STD5NK52ZD元件可提供多種封裝,包括TO-220、DPAK、I2PAK和IPAK封裝。該元件為工程師設計開關應用提供了更大的靈活性。其他優勢還包括非常高的dv/dt,經過100%雪崩測試,具有非常低的本徵電容器、良好的可重複製造性,以及改良的ESD性能。此外,與其他可選模組解決方案相較,使用分離式解決方案還能在PCB上靈活定位元件,實現空間的最佳化,並獲得有效的熱管理,這是一種具有成本效益的解決方案。

作者:Stefano Finocchiaro

Antonino Gaito

應用工程師

功率MOSFET部門

意法半導體




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