MOSFET的半橋驅動(dòng)電路設計要領(lǐng)詳解

　　1 引言

　　MOSFET憑開(kāi)關(guān)速度快、導通電阻低等優(yōu)點(diǎn)在開(kāi)關(guān)電源及電機驅動(dòng)等應用中得到了廣泛應用。要想使MOSFET在應用中充分發(fā)揮其性能，就必須設計一個(gè)適合應用的最優(yōu)驅動(dòng)電路和參數。在應用中MOSFET一般工作在橋式拓撲結構模式下，如圖1所示。由于下橋MOSFET驅動(dòng)電壓的參考點(diǎn)為地，較容易設計驅動(dòng)電路，而上橋的驅動(dòng)電壓是跟隨相線(xiàn)電壓浮動(dòng)的，因此如何很好地驅動(dòng)上橋MOSFET成了設計能否成功的關(guān)鍵。半橋驅動(dòng)芯片由于其易于設計驅動(dòng)電路、外圍元器件少、驅動(dòng)能力強、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)在MOSFET驅動(dòng)電路中得到廣泛應用。

　　2 橋式結構拓撲分析

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

　　直流無(wú)刷電機通過(guò)橋式電路實(shí)現電子換相，電機工作模式為三相六狀態(tài)，MOSFET導通順序為Q1Q5→Q1Q6→Q2Q6→Q2Q4→Q3Q4→Q3Q5。

　　系統通過(guò)調節上橋MOSFET的PWM占空比來(lái)實(shí)現速度調節。Q1、Q5導通時(shí)，電流（Ion）由VDD經(jīng)Q1、電機線(xiàn)圈、Q5流至地線(xiàn)，電機AB相通電。Q1關(guān)閉、Q5導通時(shí)，電流經(jīng)過(guò)Q5，Q4續流（IF），電機線(xiàn)圈中的電流基本維持不變。Q1再次開(kāi)通時(shí)，由于Q3體二極管的電荷恢復過(guò)程，體二極管不能很快關(guān)斷，因此體二極管中會(huì )有反向恢復電流（Irr）流過(guò)。由于Irr的變化很快，因此在Irr回路中產(chǎn)生很高的di/dt。

　　3 半橋驅動(dòng)電路工作原理

　　圖2所示為典型的半橋驅動(dòng)電路。

　　半橋驅動(dòng)電路的關(guān)鍵是如何實(shí)現上橋的驅動(dòng)。圖2中C1為自舉電容，D1為快恢復二極管。PWM在上橋調制。當Q1關(guān)斷時(shí)，A點(diǎn)電位由于Q2的續流而回零，此時(shí)C1通過(guò)VCC及D1進(jìn)行充電。當輸入信號Hin開(kāi)通時(shí)，上橋的驅動(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(chēng)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Q1關(guān)斷時(shí)為C1充電提供正向電流通道，當Q1開(kāi)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(kāi)關(guān)損耗，縮短MOSFET關(guān)斷時(shí)的不穩定過(guò)程。D3的作用是避免上橋快速開(kāi)通時(shí)下橋的柵極電壓耦合上升（Cdv/dt）而導致上下橋穿通的現象。

　　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、上橋驅動(dòng)電路的靜態(tài)電流IQBS、驅動(dòng)IC中電平轉換電路的電荷要求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(gè)開(kāi)關(guān)周期內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(wú)輸出并停止工作。

　　電容的最小容量可根據以下公式算出：

　　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 應用實(shí)例

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

　　驅動(dòng)器采用調節PWM占空比的方式實(shí)現電機無(wú)級調速。

　　通過(guò)公式1算出電容值應為1μF左右，但在實(shí)際應用中存在這樣的問(wèn)題，即當占空比接近100%（見(jiàn)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(kāi)關(guān)MOSFET的電荷并未減少，所以自舉電壓會(huì )出現明顯的下降（圖3a中左側圈內部分），這將會(huì )導致驅動(dòng)IC進(jìn)入欠壓保護狀態(tài)或MOSFET提前失效。而當占空比為100%時(shí)，由于沒(méi)有開(kāi)關(guān)電荷損耗，每個(gè)換相周期內自舉電容的電壓并未下降很多（圖3a中右側圈內部分）。如果選用4.7μF的電容，則測得波形如圖3（b）所示，電壓無(wú)明顯下降，因此在驅動(dòng)電路設計中應根據實(shí)際需求來(lái)選取自舉電容的容量。

　　6. 相線(xiàn)振鈴的產(chǎn)生及抑制

　　在圖1中，線(xiàn)路的引線(xiàn)電感（LPCB+LS+LD）及引線(xiàn)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(jìn)行分析如下：

　　4. 選擇具有較小Qrr和具有較軟恢復特性的MOSFET作為續流管；

　　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所示為一半橋驅動(dòng)MOSFET工作時(shí)的波形，當上橋邏輯輸入為高時(shí)，上橋MOSFET開(kāi)通，此時(shí)可以看到相線(xiàn)（CH2）上產(chǎn)生了振鈴，這樣的振鈴通過(guò)線(xiàn)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(guò)低而使驅動(dòng)芯片進(jìn)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(shí)，由于振鈴的影響， MOSFET有些時(shí)候不能正常打開(kāi)，原因是驅動(dòng)IC進(jìn)入了欠壓保護。欠壓保護并不是每個(gè)周期都會(huì )出現，因此在測試時(shí)應設置適當的觸發(fā)方式來(lái)捕獲這樣的不正常工作狀態(tài)。當然如果振鈴振幅很大，則驅動(dòng)器將不能正常工作，導致電機不能啟動(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(lái)去耦。

　　7. 最小化相線(xiàn)負壓

　　在設計MOSFET半橋驅動(dòng)電路時(shí)還應該注意相線(xiàn)上的負壓對驅動(dòng)芯片的危害。當上橋關(guān)斷后，線(xiàn)圈電流會(huì )經(jīng)過(guò)相應的下橋續流，一般認為下橋體二極管會(huì )將相線(xiàn)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)，當上橋突然關(guān)斷，下橋進(jìn)入續流狀態(tài)時(shí)，由于下橋體二極管由反向偏置過(guò)渡到正向偏置需要電荷漂移的過(guò)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)間電壓遠超過(guò)0.7V，因此會(huì )出現如圖6所示的相線(xiàn)負壓。線(xiàn)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(xiàn)負壓增加。

　　要使相線(xiàn)負壓變小，可通過(guò)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(lái)實(shí)現。

　　8. 小結

　　在設計半橋驅動(dòng)電路時(shí)，應注意以下方面：

　　1. 選取適當的自舉電容，確保在應用中有足夠的自舉電壓；

　　2. 選擇合適的驅動(dòng)電阻，電阻過(guò)大會(huì )增加MOSFET的開(kāi)關(guān)損耗，電阻過(guò)小會(huì )引起相線(xiàn)振鈴和相線(xiàn)負壓，對系統和驅動(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(xiàn)路的布線(xiàn)，盡量減小驅動(dòng)回路和主回路中的寄生電感，使di/dt對系統的影響降到最??；

　　5. 選擇適合應用的驅動(dòng)IC，不同IC的耐壓及驅動(dòng)電流等諸多參數都不一樣，所以應根據實(shí)際應用選擇合適的驅動(dòng)IC。