MOSFET半橋驅動(dòng)電路設計要領(lǐng)

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：

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