论文总字数：25418字

摘 要

随着集成驱动芯片及大功率半导体器件应用到电机驱动当中，电机的性能得到了飞速的发展。但随之而来的问题是驱动功率模块中由于寄生参数引起的寄生效应，寄生效应不仅对电路的安全存在较大隐患，也极大的影响了功率模块的开关速度、开关损耗。这是在驱动模块设计中需要重点考虑的问题。

本文的目的是分析电机驱动功率模块的寄生影响，并且给出优化寄生影响的设计。本文先从理论上出发，分析了电机驱动的工作原理，建立了驱动模块的电力原理模型，以此为基础通过推导给出相关性能指标的表达式和波形图，从理论概念上阐述了寄生参数对驱动功率模块的影响。为了验证理论所表示的结果，本文采取了软件模拟仿真的方式，先建立了驱动模块芯片的等效3D模型，提取出模块中存在的寄生电感与寄生电阻，然后建立一个带有寄生参数的驱动模块的等效电路图，通过仿真得到驱动模块的一些性能指标和波形图。通过对仿真结果的分析，结合实际的芯片工艺制备技术，给出一个优化寄生参数影响的方案。

仿真的结果表明寄生参数对驱动模块的影响体现在MOS管的开关波形以及负载上。它使MOS管的导通过程产生过冲电压，过冲电压的峰值是86.183V，增加了开关损耗，影响了输出性能。负载电流的平均值是40.015A，波形是矩形三角波，满足驱动电机的要求。经过优化后的导通过冲电压的峰值降低到了77.182V，相比起优化前10.4%，同时波形的失真处变得更加平滑。

关键词：金属-氧化物半导体场效应晶体管，寄生元件，功率模块，开关性能

Parasitic impact analysis and design optimization of

motor drive power module

Abstract

With integrated driving chip and high-power semiconductor device is applied to the motor drive them, the performance of the motor has been rapid development. But the attendant problem is the drive power module due to parasitic effects caused by parasitic, parasitic effects not only there is a big risk to the safety circuit, but also greatly affected the switching speed of the power module, switching losses. This is a problem in the drive module design important consideration.

Purpose of this paper is to analyze the influence of the parasitic motor driver power modules, and gives optimization parasitic influence design. This paper begins with theoretical paper analyzes the motor-driven working principle, the principle of model-driven power modules, as the basis for derivation is given by the relevant performance indicators and expressions waveform diagram to explain the parasitic parameters from the theoretical concept influence of drive power module.In order to verify the theoretical results indicated, the paper took the software simulation of the way, first establish the equivalent 3D model-driven module chip to extract parasitic inductance and parasitic resistance in the presence of the module, and then build a drive with the parasitics equivalent circuit diagram of the module, the simulation performance and get some waveforms drive module. Through analysis of simulation results with the actual process of chip preparation technology, optimized to give a parasitic effects program.

Simulation results show that the influence of parasitic parameters on the drive module is reflected in the MOS transistor switching waveforms and load. It makes the process of conducting MOS tube voltage overshoot, overshoot peak voltage is 86.183V, increases the switching losses, affecting the output performance. The average load current is 40.015A, the triangular waveform is a rectangular wave, to meet the requirements of the drive motor. After guiding optimized by reducing the peak voltage overshoot to the 77.182V, before starting optimization compared to 10.4%, while the waveform distortion becomes smoother.

Keyword: MOSFET，Parasitic components modules，Switch performance

目录

摘要 I

Abstract II

第一章 绪 论 - 1 -

1.1 研究背景 - 1 -

1.2国内外研究现状 - 1 -

1.3论文的研究内容和结构 - 2 -

第一章 驱动模块的原理模型 - 4 -

2.1无刷直流电机的驱动原理 - 4 -

2.2 MOSFET的性能分析 - 8 -

第三章 寄生参数对MOSFET的影响分析 - 13 -

3.1 驱动模块带寄生参数的等效模型及分析 - 13 -

3.2寄生参数的影响分析 - 16 -

第四章 建模仿真验证及优化设计 - 21 -

4.1电路模型的建立 - 21 -

4.2 电路模型的仿真及分析 - 22 -

4.3 寄生参数的优化方法 - 33 -

第五章 研究总结和展望 - 34 -

5.1 研究总结 - 34 -

5.2 研究展望 - 34 -

第一章 绪 论

1.1 研究背景

电机驱动模块位于主电路模块和控制电路模块之间，主要负责放大控制电路的信号，使其能动驱动功率晶体管。而半导体功率开关器件是组成电机驱动系统的基础和核心部分，开关器件由驱动电路控制其处于导通状态或阻断状态并可在两种状态之间相互转换。^[1]由功率开关器件、电感、电源、电阻、导线等原件构成的电机驱动电路利用半导体功率开关器件可处于导通或阻断状态的特性循环改变电流流通路径，在不同的工作时间段内构成不同的导通电路拓扑，从而调节输出电量的大小和极性，完成驱动电机的工作。半导体开关功率器件在电机驱动系统换流过程中起着重要的核心作用。由于半导体功率开关器件在工作过程中不断转换其工作状态，承受的电压、电流循环大幅度变化，产生的损耗了热量较为集中，变化过程中将产生大量谐波，故开关器件的工作特性对电机驱动系统的效率、电磁兼容、体积等性能有重要影响。半导体开关器件的发展往往带动电机驱动技术的巨大革新，是电机驱动技术前进的关键推动力。驱动模块的任务简要来说，就是将信息电子电路的信号按照要求转换为施加在器件控制端和公共端之间的信号，让器件可以按照需求实现导通或者关断。在当前电子产品飞速发展、更新换代的速度越来越快的情况下，人们对于更高性能的电子设备的需求一直在不断上升。在工业设备制造者一方面，特别是在控制电机的电子芯片的研发上，促使着我们开发出高性能的电机功率驱动模块。电机驱动功率模块通常为电机驱动提供足够的功率，以保证它们稳定的工作。电机驱动所采用的功率模块主要包括集成驱动芯片及大功率半导体器件等。由于其功率大，电压高，其电路中由寄生参数引起的寄生效应对电路的安全工作有较大隐患，也会影响功率模块的效率和开关速度等问题。寄生参数按性质而言可以分为寄生电容、寄生电阻、寄生电感。寄生参数按产生来源则主要包括器件的寄生参数和电路中的寄生参数。前者主要由于器件的制造工艺所产生，后者主要由于电路的设计方式所产生。针对这些寄生参数对电路性能影响，我们对驱动模块进行建模分析，建立出电路的等效模型，分析寄生参数的影响，再提取出噪声并进行验证和优化。这样可以显著提高功率模块的稳定性和性能，更有利于电机驱动的工作。

1.2国内外研究现状

科研工作者们对半导体开关器件的理论研究与性能改进从第一只开关器件诞生开始就未终端过。1957年美国通用电气公司研制出第一只晶闸管，其电流等级为25A，电压等级为300V。折是最初的一种半导体功率开关器件。

理想的功率半导体器件应当具有理想的静态和动态特性：在阻断状态，能承受高电压；在导通状态，具有高的电流密度和低的导通压降；在开关状态，开、关时间短，能承受高的电压电流变化率，开关损耗低，具有全控功能。为了实现这一目标，众多研究工作者进行了不谢的努力并取得了很多成功。

晶体管具有控制方便、调试容易、开关速度快以及原件损耗小等优点，并且由于采用先进的设计，晶体管的开关特性和耐压过流能力有了相当大的改进，因而近几年国内外绝对多数的驱动电源使用晶体三极管作为末级功放原件。

自从80年代以来，随着高频开关器件的诞生，功率电力电子设备逐渐朝着高频化、集成化和模块化方向发展。事实证明，增加开关频率可以减小装置的体积，提高设备的功率密度和可靠性，并且降低开关噪声。在传统的 PWM 功率变换器中，由于开关管的硬开关特性，开关损耗随着频率的增加从而急速增大。谐振功率变换器的提出，能够有效地减小开关损耗，使开关频率得以进一步提高。此外，平滑变换的波形和较小的电压/电流变化率也有利于改善系统的电磁兼容性。

近年来，国外许多厂商相继推出了多种电机驱动芯片和多种不同功率等级的功率模块，仅由几个专用芯片和一个功率模块便可构成一个功率齐全、性能优异的电机驱动器。

但是，目前国内外对于寄生参数的相关研究主要集中在实用电路拓扑层面，对功率模块的内部寄生参数的研究较少，主要包括两个方面：一方面是实用有限元团建对模块进行三维建模，仿真提取模块内部的寄生参数值；另一方面是在模块内部增加高频解耦电路，屏蔽寄生电感的作用，减少过电压的产生。现有对模块内部寄生电感的相关研究尚显不足。所以本文试图从模块的内部寄生参数出发，针对这部分寄生参数进行提取参数及等效模型分析，最后用仿真的手段验证理论推论，以及用仿真结果指导我们优化方法，最后给出实际工艺上的优化手段。

1.3论文的研究内容和结构

本文的研究内容是通过建立带有寄生参数的驱动电路的等效模型进行模拟仿真。由于寄生参数的提取以及驱动电路的等效模型都是以一个MOS管驱动模块为基础，而别的实验者还利用这个模块在现实中制作了电机驱动芯片。所以我们的仿真内容将和实际测得的数据进行对比，验证理论分析和仿真分析是否符合实际。并且根据仿真结果进行调整，给出一个最优化的寄生参数的解。最主要是指标上MOS管的开关波形以及负载的电流波形，尽量使其波形符合理想的分析结果。并且以这个解为根据，再给出一些在实际中如何优化寄生参数的方法。

在本文的第一章，将简要介绍一下本文的工作的主要内容和实际意义。重点在寄生参数的研究意义这一块，这样就能首先理解本文所研究的内容的意义何在。

在本文的第二章，首先简要阐述一下无刷直流电机的发展意义，之后具体阐述一下电机中驱动电路的实际设计需求，正是这个需求决定了我们研究更高性能的驱动芯片。并且还详细介绍了无刷电机的驱动原理，从原理出发讲述我们的理论上的设计需要。最后从实际需求和理论需要出发，建立了一个电机驱动电路带有寄生参数的等效模型，并且以这个模型为基础进行了分析，给出了决定MOS开关波形的相关影响公式以及波形的图片，也描述了MOS管的工作状态。

在本文的第三章，将针对MOS管的开关性能进行深入的分析，并具体描述MOS管的工作状态。因为这是我们所要求的主要优化指标，所以还从理论中推导出了寄生参数对MOS管性能的影响。这部分的内容也将在第四章得到验证。对于寄生参数，首先阐述了寄生参数产生的原因和机理，指出这是无可避免的。然后介绍了一些基础的在工艺中如何减少寄生参数产生的方法，作为减少实际模型的寄生参数的基础理论。最后使用软件提取了MOS管驱动芯片中各个模块所包含的寄生参数。

在本文的第四章，将根据理论模型和所提取出的寄生参数，在仿真软件中建立一个包含实际寄生参数的等效模型。通过仿真来验证理论上MOS管的波形和负载的电流波形。在这之后通过控制变量法改变寄生参数的值观察对仿真结果带来的影响。得到一个优化后的寄生参数的解，并仿真出结果。最后以上述得到的最优解为依据，给出从实际电路设计中减少寄生参数以达到理想目的的方法。

第二章 驱动模块的原理模型

绪论主要介绍了电机驱动模块的应用背景和国内外研究现状。本章首先简要叙述了直流无刷电机的发展概况，之后对直流无刷电机电路工作原理进行详细的介绍，接着对直流无刷电机驱动模块的电路原理图分析，详细给出了各个性能指标的表达式和波形图。

2.1无刷直流电机的驱动原理

2.1.1无刷直流电机的发展简述

无刷直流电机的控制系统是一个机电一体化系统，它是很多现代科学技术不断交融和创新所产生的系统。电机发电技术、电力设备技术、控制原理和计算机科学的发展促进了直流无刷电机系统的产生。无刷直流电机克服了以前机械换向和电刷所的不足之处，保持了传统直流电机的优点，比如优越的调速性能。此外特别是随着逐渐开发开发和利用新型稀土永磁材料，使得直流无刷电机在当代社会的各个科学领域具有广阔的应用前景。需要说明，在本文中，无刷直流电机的定义是梯形波或方波无刷直流电机，而不包含正弦波无刷电机。我们都知道，在现代社会中，电能是覆盖范围最广、使用最方便的二次能源。作为机电能量转换装置，电机经过一个多世纪的发展，其应用范围分布广泛，包括国民经济、国防工程、工业设备等各个庞大领域乃至微小环节。为了适应不同范围和不同需求的各种实际应用，相应地产生了各种不同类型的电机，这其中包括了同步电机、异步电机、直流电机、交流电机、无刷电机、有刷电机等各种不同类型的电机。这些电机的功率大到几百万瓦，小到几毫瓦。哪怕是小功率的直流电机在自动控制系统中也会被使用并发挥重要效果。但是，传统直流电机均是有刷电机的模式。而电刷因为采用机械方式换向，会产生机械摩擦，造成很多严重的后果。比如会使得电机寿命减少，增加了噪声、电火花、温度过高及无线电干扰等问题。并且有刷电机的制造成本很高，技术要求强，维修比较困难，这些因素也限制了有刷电机在一些特殊场合的应用。特别是很多电机性能要求较高的中小型应用场合需要新型高性能的电机，这促使着我们在电机性能方面进行改进和创新。自从上世纪90年代，计算机技术、半导体技术、集成电路技术、控制理论都在进行着飞速发展，特别是单片机（Microcontrollers）、数字信号处理器（Digital Signal Processing，DSP）、现场可编程门阵列（Field－Programmable Gate Array，FPGA）、复杂可编程逻辑器件（Complex Programmable Logic Device，CPLD）等微处理器得到了巨大的发展，指令执行速度和存储空间大小都有了极大的提升，这些技术的进步也进一步推动了无刷直流电机的发展。此外，一些先进的控制策略和算法，比如模糊控制、自抗干扰控制和自适应控制等，都被我们应用到来控制无刷直流电机。这些应用极大程度的扩大了无刷直流电机控制系统的应用范围。特别是在转矩波动抑制、转速动态、稳态响应、系统抗干扰等方面，无刷直流电机控制系统的性能得到了很大的提高。除此之外，相关的控制理论及其内涵也在不断被发展和完善。无刷直流电机可以分成三个部分：电机本身、功率驱动模块、位置传感器。无刷直流电流的控制涉及到了很多理论技术，比如电机技术、电力技术、传感与检测技术和计算机控制理论技术等。因此，新电路、新器件、新材料、新控制方法这些东西的出现都会推动着无刷直流电机逐渐发展和扩展应用。无刷直流电机的应用十分广泛，如汽车工业、航空、消费电子、医学电子、工业自动化等装置和仪表等。但是无刷直流电机也存在着一些问题，比如控制方法相对比较复杂、实现起来不易。但是随着控制技术和硬件技术的逐渐发展，更加优良的控制策略将会被更广泛地应用在无刷直流电机控制系统中，使得控制系统的性能得到大幅度提升。直流无刷电机的未来发展重点和趋势，应该是在保持DSP处理速度一定的情况下，专注于控制算法的研究，使其更简单、更易实现，最终的目标是无刷直流电机控制系统能够满足小型化、轻量化、智能化和高效节能化等指标。当前的研究热点主要是以下方面：（1）利用位置传感器技术来调高控制系统的可靠性，这样可以有效缩小电机的尺寸。重点在于提高位置传感器的调速性能和换相精度。（2）利用智能化算法提高控制系统的智能性以提高电机的性能。（3）研究如何抑制转矩脉冲。提高控制精度以增大电机的应用范围。直流无刷电机产生转矩脉冲的主要原因有以下三点①电磁影响。这会造成电流波形失真，而电流波形本应该是方波信号。②电机齿槽影响。这会影响电机的高速性能和控制精度。③电流换向影响。换向时电流不可以立即变化，则导通相和关断相的电流变化不同步，从而产生了转矩脉冲，这是影响最大的脉冲。^[3]

设计电机驱动电路的时候，实际需求常常促使着我们考虑一些性能问题。比如电机是单向转动还是双向转动，是否需要进行速度调整。对于单向的电机驱动电路，一个大功率三极管或继电器就可以直接带动电机工作。如果电机需要双向转动，可以使用H桥电路来实现，也可以使用带有双刀双掷开关的继电器。如果不需要调速，只要使用继电器即可；但如果需要调速，可以使用脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation，PWM）调速，这可以由三极管、场效应管等具有开关特性的元器件来实现。使用PWM波来进行调速，对于驱动电路有几个性能方面的要求：①输出电流和输出电压的大小。这两个输出指标不能太小，否则无法带动负载。②对控制输入端的影响。功率电路对于输入端应该实现信号隔离，防止高电压大电流进入电路，隔离的方法可以采用高输入阻抗或者光电耦合器。③效率。效率低下会导致驱动电机的过程中产生大量的能量浪费，也会产生多余的热量使得驱动电路温度异常。提高电路的效率的方法有很多，首先是保证功率器件的开关工作状态的正常，其次是防止出现共态导通等问题。④可靠性。无论我们加上何种控制和信号，都能应该保证电路是安全的，否则在实际生产实践过程中会产生危险。⑤对电源的影响。共态导通这个现象会造成高频电源污染。甚至大电流会导致地线电位相对出现偏差。

2.1.2无刷直流电机的工作原理

对于有刷直流电机，在电机运行过程中，由于电刷的换向，会使得由永久磁钢产生的磁场与电枢绕组通电后产生的磁场始终保持垂直，这样产生的最大转矩，使电机运转。无刷直流电机和有刷直流电机两者的运行原理总体来说是相同的。无刷直流电机还依靠霍尔传感器检测出转子的位置信号，通过换相驱动控制各个驱动半导体的导通与关断，以此来控制定子绕组的导通和关断，从而在定子上产生旋转的磁场，最后拖动着转子旋转。转子不停地转动，与此同时，霍尔传感器也传递出位置信号，电机控制中枢据此控制电枢的通电状态，从而使得在导体中的电流方向不发生改变，因此产生恒定的转矩驱动无刷直流电机运转。从机械形体方面看，无刷直流电机实际上是一个闭环系统，这个系统包括了电动机、电子开关及霍尔传感器。电动机可以采用星形连接或者角形连接方式。所以不同的选择会使电动机的驱动方式不同，导致实际的应用方式和应用成本也不相同。目前最大规模使用的是三相全桥驱动方式。以此为例，接下来对直流无刷电机进行工作原理的分析。^[4]

图2.1三相全桥驱动的无刷直流电机工作原理图

2.1.3无刷直流电动机的导通方式

对于图2.1所示的三相全桥电路，它的导通方式可分为二二导通和三三导通两种。三三导通是不存在关断相，每个MOS管都导通。二二导通是指每个工作状态的瞬间只有两个MOS管相互导通，随着相位的变化，每隔60°换相一次，每次一个MOS管换相，然而桥臂之间左右换相，接下来每个MOS管导通120°。各MOS管的导通顺序是VT1VT2→VT2VT3→VT3VT4→VT4VT5→VT5VT6→VT6VT1→VT1VT2→…。当MOS管VT1和MOS管VT2导通时，电流从MOS管VT1流入A相再到C相，最后经MOS管VT2电源负极。我们规定流入绕组的电流所产生的为正转矩，则从绕组流出的电流所产生的为负转矩，这样的话它们合成的转矩的大小为3，方向沿着和之间的角平分线方向。当电动机转过60°后，由MOS管VT1和MOS管VT2导通的情况换成了MOS管VT2和MOS管VT3之间导通的情况。同理，电流从MOS管VT2流入B相再到C相，最后经MOS管VT2回到电源，这样的话它们合成的转矩的大小为33，但的方向则转过了60°角度。这之后每当一个MOS管产生换向，合成转矩的矢量方向就会随之转过60°角度，但转矩的大小始终保持3不变。图2.2给出了全部合成转矩的方向。

图2.2 二二导通时的合成转矩矢量图

从上面的分析我们可以知道，对于具有相同性能指标的直流无刷电机，在两两导通的情况下，采用三相全控电路时，合成转矩增加了√3倍，并且每60°会产生一次换向，此外每个MOS管会导通120°，每个绕组会通电240°（正向导通和负相各120°）。这是无刷直流电动机最常用工作方式。

2.1.4无刷直流电机的工作情况

由于本文的重点在于电路方面有关寄生参数的问题，所以接下来用简单的方式表达一下理想情况下电机在PWM驱动的工作状态。当我们给电机的驱动电路，施加一个如图4所示的PWM波时，驱动电路的电流的流向情况如图2.3和图2.4所示（按照颜色一一对应）。^[5]

图2.3施加的PWM波

图2.4 对应的电路电流的流向

从上面我们可以看到，当第一个PWM周期的前半周期内，Q1、Q4导通，此时电流从Q1经过L1、L2再经过Q4。在后半个周期内，Q2、Q4导通，此时电流是Q2的体二极管作为续流二极管提供电流。这个体二极管是功率MOSFET自带的，因为工艺的因素而集成在里面。

以上所说都是在理想的情况下，在实际中由于电路中寄生参数的影响，功率MOS管的导通存在着延迟时间和上升时间等，不能完美地按照PWM波而导通。所以我们需要建立出含有寄生参数在内的电路模型。

2.2 MOSFET的性能分析

从第二章的电机驱动模块的理论模型我们可以看出来，寄生参数的影响最终可以体现在MOS管的开关性能上，我们要分析寄生参数的影响，不止要分析其对负载的影响，更要分析其对MOS管的开关性能的影响。所以本章主要进行MOS管开关性能方面的分析。

2.2.1 MOSFET的开关性能分析

在开关模式电源和驱动控制的设计中，高效率成为了一种必要需求。为了实现这一要求，许多功率半导体的研究人员研制了快速开关装置，即器件的寄生电容被最小化，通过低导电沟道电阻，从而减少了开关损耗和导通损耗。这些快速开关器件会触发切换瞬时过冲。这产生了PCB布局中关键的SMPS设计问题和栅极的信号振荡。为了克服开关瞬态过冲，设计师通常会通过，利用适当的缓冲器电路产生阻尼过冲以增加栅极电阻值，来减慢器件的开关速度。但这会遭受相对的高开关损耗。在标准的孔封装中，效率和减少使用高速开关器件两者之间总是存在取舍。当快速开关器件与由PCB布局和器件封装产生的寄生电感同时工作时，它的导通和关断控制是首要问题。

2.2.2 MOSFET工作状态顺序

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