MOSFET的半橋驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)要領(lǐng)詳解
1 引言
本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/201710/368839.htmMOSFET憑開關(guān)速度快、導(dǎo)通電阻低等優(yōu)點(diǎn)在開關(guān)電源及電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(jì)一個(gè)適合應(yīng)用的最優(yōu)驅(qū)動(dòng)電路和參數(shù)。在應(yīng)用中MOSFET一般工作在橋式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)模式下,如圖1所示。由于下橋MOSFET驅(qū)動(dòng)電壓的參考點(diǎn)為地,較容易設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電路,而上橋的驅(qū)動(dòng)電壓是跟隨相線電壓浮動(dòng)的,因此如何很好地驅(qū)動(dòng)上橋MOSFET成了設(shè)計(jì)能否成功的關(guān)鍵。半橋驅(qū)動(dòng)芯片由于其易于設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電路、外圍元器件少、驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)在MOSFET驅(qū)動(dòng)電路中得到廣泛應(yīng)用。
2 橋式結(jié)構(gòu)拓?fù)浞治?/strong>
圖1所示為驅(qū)動(dòng)三相直流無刷電機(jī)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(jī)為三相Y型直流無刷電機(jī),其工作原理如下。
直流無刷電機(jī)通過橋式電路實(shí)現(xiàn)電子換相,電機(jī)工作模式為三相六狀態(tài),MOSFET導(dǎo)通順序?yàn)镼1Q5→Q1Q6→Q2Q6→Q2Q4→Q3Q4→Q3Q5。
系統(tǒng)通過調(diào)節(jié)上橋MOSFET的PWM占空比來實(shí)現(xiàn)速度調(diào)節(jié)。Q1、Q5導(dǎo)通時(shí),電流(Ion)由VDD經(jīng)Q1、電機(jī)線圈、Q5流至地線,電機(jī)AB相通電。Q1關(guān)閉、Q5導(dǎo)通時(shí),電流經(jīng)過Q5,Q4續(xù)流(IF),電機(jī)線圈中的電流基本維持不變。Q1再次開通時(shí),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(huì)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(dòng)電路工作原理
圖2所示為典型的半橋驅(qū)動(dòng)電路。
半橋驅(qū)動(dòng)電路的關(guān)鍵是如何實(shí)現(xiàn)上橋的驅(qū)動(dòng)。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(dāng)Q1關(guān)斷時(shí),A點(diǎn)電位由于Q2的續(xù)流而回零,此時(shí)C1通過VCC及D1進(jìn)行充電。當(dāng)輸入信號(hào)Hin開通時(shí),上橋的驅(qū)動(dòng)由C1供電。由于C1的電壓不變,VB隨VS的升高而浮動(dòng),所以C1稱為自舉電容。每個(gè)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(dāng)Q1關(guān)斷時(shí)為C1充電提供正向電流通道,當(dāng)Q1開通時(shí),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(shí)的不穩(wěn)定過程。D3的作用是避免上橋快速開通時(shí)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(jì)算及注意事項(xiàng)
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(dòng)電路的靜態(tài)電流IQBS、驅(qū)動(dòng)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(jì)算自舉電容值
自舉電容必須在每個(gè)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(huì)有很大的電壓紋波,并且可能會(huì)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(fù)載壓降,f為工作頻率。
5 應(yīng)用實(shí)例
圖3所示為直流無刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)器半橋驅(qū)動(dòng)芯片上橋的自舉電壓(CH1: VBS)和驅(qū)動(dòng)電壓(CH2: VGS)波形,使用的MOSFET為AOT472。
驅(qū)動(dòng)器采用調(diào)節(jié)PWM占空比的方式實(shí)現(xiàn)電機(jī)無級(jí)調(diào)速。
通過公式1算出電容值應(yīng)為1μF左右,但在實(shí)際應(yīng)用中存在這樣的問題,即當(dāng)占空比接近100%(見圖3a)時(shí),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(gè)PWM周期中不能完全被充電。但此時(shí)用于每個(gè)PWM周期開關(guān)MOSFET的電荷并未減少,所以自舉電壓會(huì)出現(xiàn)明顯的下降(圖3a中左側(cè)圈內(nèi)部分),這將會(huì)導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)IC進(jìn)入欠壓保護(hù)狀態(tài)或MOSFET提前失效。而當(dāng)占空比為100%時(shí),由于沒有開關(guān)電荷損耗,每個(gè)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(cè)得波形如圖3(b)所示,電壓無明顯下降,因此在驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)中應(yīng)根據(jù)實(shí)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(duì)此回路進(jìn)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(huì)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(dòng)MOSFET工作時(shí)的波形,當(dāng)上橋邏輯輸入為高時(shí),上橋MOSFET開通,此時(shí)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(dòng)芯片進(jìn)入欠壓保護(hù)(圖5中VBS的電壓已跌至5V)。由圖5可以看出,當(dāng)Hin(CH1)有脈沖輸入時(shí),由于振鈴的影響, MOSFET有些時(shí)候不能正常打開,原因是驅(qū)動(dòng)IC進(jìn)入了欠壓保護(hù)。欠壓保護(hù)并不是每個(gè)周期都會(huì)出現(xiàn),因此在測(cè)試時(shí)應(yīng)設(shè)置適當(dāng)?shù)挠|發(fā)方式來捕獲這樣的不正常工作狀態(tài)。當(dāng)然如果振鈴振幅很大,則驅(qū)動(dòng)器將不能正常工作,導(dǎo)致電機(jī)不能啟動(dòng)。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(fù)壓
在設(shè)計(jì)MOSFET半橋驅(qū)動(dòng)電路時(shí)還應(yīng)該注意相線上的負(fù)壓對(duì)驅(qū)動(dòng)芯片的危害。當(dāng)上橋關(guān)斷后,線圈電流會(huì)經(jīng)過相應(yīng)的下橋續(xù)流,一般認(rèn)為下橋體二極管會(huì)將相線電壓鉗位于-0.7V左右,但事實(shí)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(dāng)上橋突然關(guān)斷,下橋進(jìn)入續(xù)流狀態(tài)時(shí),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(shí)間電壓遠(yuǎn)超過0.7V,因此會(huì)出現(xiàn)如圖6所示的相線負(fù)壓。線路主回路中的寄生電感及快速變化的電流(Ldi/dt)也會(huì)使相線負(fù)壓增加。
要使相線負(fù)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(shí)現(xiàn)。
8. 小結(jié)
在設(shè)計(jì)半橋驅(qū)動(dòng)電路時(shí),應(yīng)注意以下方面:
1. 選取適當(dāng)?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(dòng)電阻,電阻過大會(huì)增加MOSFET的開關(guān)損耗,電阻過小會(huì)引起相線振鈴和相線負(fù)壓,對(duì)系統(tǒng)和驅(qū)動(dòng)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(dòng)回路和主回路中的寄生電感,使di/dt對(duì)系統(tǒng)的影響降到最小;
5. 選擇適合應(yīng)用的驅(qū)動(dòng)IC,不同IC的耐壓及驅(qū)動(dòng)電流等諸多參數(shù)都不一樣,所以應(yīng)根據(jù)實(shí)際應(yīng)用選擇合適的驅(qū)動(dòng)IC。
評(píng)論