MOSFET的半橋驅(qū)動電路設(shè)計要領(lǐng)詳解

　　1 引言

　　MOSFET憑開關(guān)速度快、導(dǎo)通電阻低等優(yōu)點在開關(guān)電源及電機驅(qū)動等應(yīng)用中得到了廣泛應(yīng)用。要想使MOSFET在應(yīng)用中充分發(fā)揮其性能，就必須設(shè)計一個適合應(yīng)用的最優(yōu)驅(qū)動電路和參數(shù)。在應(yīng)用中MOSFET一般工作在橋式拓撲結(jié)構(gòu)模式下，如圖1所示。由于下橋MOSFET驅(qū)動電壓的參考點為地，較容易設(shè)計驅(qū)動電路，而上橋的驅(qū)動電壓是跟隨相線電壓浮動的，因此如何很好地驅(qū)動上橋MOSFET成了設(shè)計能否成功的關(guān)鍵。半橋驅(qū)動芯片由于其易于設(shè)計驅(qū)動電路、外圍元器件少、驅(qū)動能力強、可靠性高等優(yōu)點在MOSFET驅(qū)動電路中得到廣泛應(yīng)用。

　　2 橋式結(jié)構(gòu)拓撲分析

　　圖1所示為驅(qū)動三相直流無刷電機的橋式電路，其中LPCB、 LS、LD為直流母線和相線的引線電感，電機為三相Y型直流無刷電機，其工作原理如下。

　　直流無刷電機通過橋式電路實現(xiàn)電子換相，電機工作模式為三相六狀態(tài)，MOSFET導(dǎo)通順序為Q1Q5→Q1Q6→Q2Q6→Q2Q4→Q3Q4→Q3Q5。

　　系統(tǒng)通過調(diào)節(jié)上橋MOSFET的PWM占空比來實現(xiàn)速度調(diào)節(jié)。Q1、Q5導(dǎo)通時，電流（Ion）由VDD經(jīng)Q1、電機線圈、Q5流至地線，電機AB相通電。Q1關(guān)閉、Q5導(dǎo)通時，電流經(jīng)過Q5，Q4續(xù)流（IF），電機線圈中的電流基本維持不變。Q1再次開通時，由于Q3體二極管的電荷恢復(fù)過程，體二極管不能很快關(guān)斷，因此體二極管中會有反向恢復(fù)電流（Irr）流過。由于Irr的變化很快，因此在Irr回路中產(chǎn)生很高的di/dt。

　　3 半橋驅(qū)動電路工作原理

　　圖2所示為典型的半橋驅(qū)動電路。

　　半橋驅(qū)動電路的關(guān)鍵是如何實現(xiàn)上橋的驅(qū)動。圖2中C1為自舉電容，D1為快恢復(fù)二極管。PWM在上橋調(diào)制。當Q1關(guān)斷時，A點電位由于Q2的續(xù)流而回零，此時C1通過VCC及D1進行充電。當輸入信號Hin開通時，上橋的驅(qū)動由C1供電。由于C1的電壓不變，VB隨VS的升高而浮動，所以C1稱為自舉電容。每個PWM周期，電路都給C1充電，維持其電壓基本保持不變。D1的作用是當Q1關(guān)斷時為C1充電提供正向電流通道，當Q1開通時，阻止電流反向流入控制電壓VCC。D2的作用是為使上橋能夠快速關(guān)斷，減少開關(guān)損耗，縮短MOSFET關(guān)斷時的不穩(wěn)定過程。D3的作用是避免上橋快速開通時下橋的柵極電壓耦合上升（Cdv/dt）而導(dǎo)致上下橋穿通的現(xiàn)象。

　　4. 自舉電容的計算及注意事項

　　影響自舉電容取值的因素

　　影響自舉電容取值的因素包括：上橋MOSFET的柵極電荷QG、上橋驅(qū)動電路的靜態(tài)電流IQBS、驅(qū)動IC中電平轉(zhuǎn)換電路的電荷要求QLS、自舉電容的漏電流ICBS（leak）。

　　計算自舉電容值

　　自舉電容必須在每個開關(guān)周期內(nèi)能夠提供以上這些電荷，才能保持其電壓基本不變，否則VBS將會有很大的電壓紋波，并且可能會低于欠壓值VBSUV，使上橋無輸出并停止工作。

　　電容的最小容量可根據(jù)以下公式算出：

　　其中，VF為自舉二極管正向壓降，VLS為下橋器件壓降或上橋負載壓降，f為工作頻率。

　　5 應(yīng)用實例

　　圖3所示為直流無刷電機驅(qū)動器半橋驅(qū)動芯片上橋的自舉電壓（CH1： VBS）和驅(qū)動電壓（CH2： VGS）波形，使用的MOSFET為AOT472。

　　驅(qū)動器采用調(diào)節(jié)PWM占空比的方式實現(xiàn)電機無級調(diào)速。

　　通過公式1算出電容值應(yīng)為1μF左右，但在實際應(yīng)用中存在這樣的問題，即當占空比接近100%（見圖3a）時，由于占空比很大，在每次上橋關(guān)斷后Vs電壓不能完全回零，導(dǎo)致自舉電容在每個PWM周期中不能完全被充電。但此時用于每個PWM周期開關(guān)MOSFET的電荷并未減少，所以自舉電壓會出現(xiàn)明顯的下降（圖3a中左側(cè)圈內(nèi)部分），這將會導(dǎo)致驅(qū)動IC進入欠壓保護狀態(tài)或MOSFET提前失效。而當占空比為100%時，由于沒有開關(guān)電荷損耗，每個換相周期內(nèi)自舉電容的電壓并未下降很多（圖3a中右側(cè)圈內(nèi)部分）。如果選用4.7μF的電容，則測得波形如圖3（b）所示，電壓無明顯下降，因此在驅(qū)動電路設(shè)計中應(yīng)根據(jù)實際需求來選取自舉電容的容量。

　　6. 相線振鈴的產(chǎn)生及抑制

　　在圖1中，線路的引線電感（LPCB+LS+LD）及引線電阻RPCB與MOSFET的輸出電容COSS形成了RLC串聯(lián)回路，如圖4（a）所示，對此回路進行分析如下：

　　4. 選擇具有較小Qrr和具有較軟恢復(fù)特性的MOSFET作為續(xù)流管；

　　5. 由于增加串聯(lián)回路的電阻會耗散很大的功率，所以增加串聯(lián)電阻的方法在大部分應(yīng)用中不可行。

　　振鈴的危害

　　圖5 振鈴干擾半橋芯片正常工作的波形

　　圖5所示為一半橋驅(qū)動MOSFET工作時的波形，當上橋邏輯輸入為高時，上橋MOSFET開通，此時可以看到相線（CH2）上產(chǎn)生了振鈴，這樣的振鈴?fù)ㄟ^線路的雜散電容耦合到上橋自舉電壓，造成上橋的VBS電壓（CH4）過低而使驅(qū)動芯片進入欠壓保護（圖5中VBS的電壓已跌至5V）。由圖5可以看出，當Hin（CH1）有脈沖輸入時，由于振鈴的影響， MOSFET有些時候不能正常打開，原因是驅(qū)動IC進入了欠壓保護。欠壓保護并不是每個周期都會出現(xiàn)，因此在測試時應(yīng)設(shè)置適當?shù)挠|發(fā)方式來捕獲這樣的不正常工作狀態(tài)。當然如果振鈴振幅很大，則驅(qū)動器將不能正常工作，導(dǎo)致電機不能啟動。因此自舉電容最好為能濾除高頻的陶瓷電容，即使是使用電解電容也要并聯(lián)陶瓷電容來去耦。

　　7. 最小化相線負壓

　　在設(shè)計MOSFET半橋驅(qū)動電路時還應(yīng)該注意相線上的負壓對驅(qū)動芯片的危害。當上橋關(guān)斷后，線圈電流會經(jīng)過相應(yīng)的下橋續(xù)流，一般認為下橋體二極管會將相線電壓鉗位于-0.7V左右，但事實并非完全如此。上橋關(guān)斷前，下橋的體二極管處于反向偏置狀態(tài)，當上橋突然關(guān)斷，下橋進入續(xù)流狀態(tài)時，由于下橋體二極管由反向偏置過渡到正向偏置需要電荷漂移的過程，因此體二極管并不能立即將電壓鉗位在-0.7V，而是有幾百納秒的時間電壓遠超過0.7V，因此會出現(xiàn)如圖6所示的相線負壓。線路主回路中的寄生電感及快速變化的電流（Ldi/dt）也會使相線負壓增加。

　　要使相線負壓變小，可通過減緩上橋關(guān)斷的速度從而減小回路中的di/dt或減小主回路寄生電感的方式來實現(xiàn)。

　　8. 小結(jié)

　　在設(shè)計半橋驅(qū)動電路時，應(yīng)注意以下方面：

　　1. 選取適當?shù)淖耘e電容，確保在應(yīng)用中有足夠的自舉電壓；

　　2. 選擇合適的驅(qū)動電阻，電阻過大會增加MOSFET的開關(guān)損耗，電阻過小會引起相線振鈴和相線負壓，對系統(tǒng)和驅(qū)動IC造成不良影響；

　　3. 在芯片電源處使用去耦電容；

　　4. 注意線路的布線，盡量減小驅(qū)動回路和主回路中的寄生電感，使di/dt對系統(tǒng)的影響降到最小；

　　5. 選擇適合應(yīng)用的驅(qū)動IC，不同IC的耐壓及驅(qū)動電流等諸多參數(shù)都不一樣，所以應(yīng)根據(jù)實際應(yīng)用選擇合適的驅(qū)動IC。