1 緒論
電機控制器中功率電路硬件的主要組成部分是開(kāi)關(guān)器件和驅動(dòng)芯片，進(jìn)行控制器設計時(shí)需對這兩種芯片進(jìn)行選型，合理的選型關(guān)系到控制器能否正常工作，能否使電機達到理想出力，是一個(gè)很重要的環(huán)節，本文對開(kāi)關(guān)器件（以MOSFET為例）和驅動(dòng)芯片選型中的若干問(wèn)題進(jìn)行總結。
2 MOS管選型
2.1 選型參數簡(jiǎn)述
MOS管是種電壓驅動(dòng)型開(kāi)關(guān)功率器件，一般對MOS選型時(shí)主要關(guān)注其耐壓值、耐流值、耐溫值、開(kāi)關(guān)損耗等參數。表1-1列出了典型MOS管Datasheet中一些需要關(guān)注的參數及其意義。
圖1-1 MOS管符號示意圖表1-1 MOS管主要參數及意義說(shuō)明
2.2 MOS管原理簡(jiǎn)述
再來(lái)說(shuō)明一下MOS管Datasheet中比較重要的幾幅曲線(xiàn)圖，包括靜態(tài)輸出特性、溫度特性等。說(shuō)明前要略講解一下MOS管的原理，這也是我做項目中一直比較模糊的點(diǎn)，只能說(shuō)做項目的時(shí)候只會(huì )用MOS，對原理完全是一竅不通。項目做完后，認真研讀了科學(xué)出版社的《電力電子技術(shù)》一書(shū)，對MOS管的原理深入了解。
圖1-2 MOS管原理示意圖
上圖所示為MOS管原理示意圖，以NMOS為例，簡(jiǎn)述一下MOS管的工作原理：柵極G通電后，P區電子被吸到柵極的金屬層部分，電子越來(lái)越多，將會(huì )在N區和P區之間形成一層電子密度極高的部分，這部分實(shí)際上已經(jīng)從P區變成了N區，所以叫反型層，或稱(chēng)為溝道。溝道形成以后，下方的N區和源極S下面的小N區就連在了一起，這樣從漏極D到源極S通電，電子可以自由移動(dòng)，從而形成電流。MOS管的靜態(tài)輸出特性曲線(xiàn)如圖1-3所示：
圖1-3 MOS管靜態(tài)工作特性曲線(xiàn)
以英飛凌公司MOS管產(chǎn)品IRLB4030PBF為例，其靜態(tài)輸出特性曲線(xiàn)如圖1-4所示：
圖1-4 英飛凌IRLB4030PBF靜態(tài)輸出特性曲線(xiàn)基本和書(shū)上講的靜態(tài)輸出特性曲線(xiàn)是一致的，這個(gè)曲線(xiàn)分為三個(gè)區域，非飽和區（可變電阻區）、飽和區和截止區。按照常理，我們將MOS管用作一個(gè)開(kāi)關(guān)器件，因此其正常應該工作在截止區和可變電阻區，當柵極電壓低于一個(gè)閾值時(shí)，不管在漏極D加多大電壓，MOS管不會(huì )有電流通過(guò)，而過(guò)了一個(gè)閾值之后，MOS管通過(guò)的電流隨著(zhù)漏源電壓的增大而增大。其中異常的工作狀態(tài)就是飽和區，書(shū)上寫(xiě)的是：
“當漏源電壓過(guò)大時(shí)，由于漏極電流在溝道上的壓降會(huì )抵消一部分柵極電壓，器件會(huì )出現溝道夾斷的現象，一旦溝道夾斷，漏極電流會(huì )被限制而不能進(jìn)一步上升?！?/span>
這段話(huà)在圖中倒是被詮釋的很清楚，在任意一個(gè)柵極開(kāi)通電壓下，如果漏源電壓過(guò)大，可以看到電流增大到一定極限后，再增加的非常緩慢，甚至有變平的趨勢。溝道夾斷我用通俗一點(diǎn)的方式理解是這樣的：還是從1-2原理圖中來(lái)解釋?zhuān)?span style="margin: 0px; padding: 0px; outline: none; max-width: 100%; -webkit-tap-highlight-color: rgba(0, 0, 0, 0); font-weight: bolder; border-width: 0px; border-style: initial; border-color: initial; vertical-align: baseline; box-sizing: border-box !important; overflow-wrap: break-word !important;">如果Ｄ端電壓過(guò)大，它對電子的吸力也越來(lái)越大，如果漏極D施加的電壓遠大于柵極S施加的電壓，溝道中的電子會(huì )逐漸被向Ｄ極吸，到一個(gè)極限狀態(tài)，那就是溝道夾斷。
如果對上述的原理理解的比較清楚，那么我覺(jué)得自然而然會(huì )出現一個(gè)疑問(wèn)，溝道都夾斷了，MOS管漏源極之間為什么還會(huì )有電流呢？
解答這個(gè)問(wèn)題的關(guān)鍵在于理解溝道夾斷的這個(gè)區域的狀態(tài)到底是怎樣的。我們可以看出，MOS的本質(zhì)就是PN結的疊加，溝道夾斷這個(gè)區域內的電子和空穴已經(jīng)都被吸走了，形成了空間電荷區，但是由于離子是不會(huì )移動(dòng)的，因此空間電荷區內部有很強的電場(chǎng)，這個(gè)電場(chǎng)的方向是N區到P區，也可以看作是漏極D到源極S，所以此時(shí)當小N+區內的電子移動(dòng)到靠近溝道夾斷區的邊緣時(shí)，就會(huì )立刻被空間電荷區的電場(chǎng)俘獲，瞬間被掃到漏極一端形成電流，這就是溝道夾斷后還有漏源電流的原因，但是因為夾斷區周?chē)碾娮用芏确浅Ｐ?，因此雖然有電流，但是這個(gè)電流不會(huì )再進(jìn)一步增加，也就是達到了飽和狀態(tài)。
再說(shuō)回選型，這個(gè)靜態(tài)特性曲線(xiàn)也是選型中非常重要的一個(gè)參考，要保證驅動(dòng)芯片能夠讓MOS管工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)。
3 驅動(dòng)芯片選型
驅動(dòng)芯片的存在主要是為了開(kāi)通MOS管，為了提供MOS管開(kāi)通所需要的電壓，需要自舉升壓電路，驅動(dòng)芯片的意義正是自舉升壓相關(guān)的一些電路。以英飛凌高邊驅動(dòng)芯片IR2101S為例進(jìn)行一些說(shuō)明， 圖2-1為IR2101SDatasheet，驅動(dòng)芯片與MOS管的連接方式如圖2-2所示：
圖2-1 英飛凌IR2101S驅動(dòng)芯片
圖2-2 驅動(dòng)芯片與MOS管連接方式
可以看出，驅動(dòng)芯片簡(jiǎn)單而言就是把單片機產(chǎn)生的PWM波形進(jìn)行放大輸入到MOS管的柵極G，從而達到開(kāi)通關(guān)斷MOS管的目的。表2-1列出了驅動(dòng)芯片選型時(shí)需要關(guān)注的主要參數：
對于拉灌電流能力這一參數需要進(jìn)一步解釋?zhuān)瑥牡刃用嫔现v，MOS管的各極之間都存在寄生電容，MOS開(kāi)通的過(guò)程就是對極間電容充電的過(guò)程，如圖2-3所示為MOS管極間電容的示意圖，所謂灌電流就是將電流灌進(jìn)G極使得MOS開(kāi)通，拉電流就是將電荷從G極抽出使得MOS關(guān)斷，拉灌電流的力度決定了MOS開(kāi)通的程度。
圖2-3 MOS管極間電容示意圖
對驅動(dòng)芯片進(jìn)行選型時(shí)， 需要格外注意將驅動(dòng)芯片拉灌電流能力值與MOS管的參數相匹配，如果不匹配將會(huì )出現俗稱(chēng)為“帶不動(dòng)”的情況。那么這一值具體應該怎么匹配呢？還是以IRLB4030和IR2101S為例進(jìn)行計算：
這之中用到了MOS管的反向恢復電荷
，IRLB4030的恢復電荷在125攝氏度時(shí)為130nC，我們取為150nC，假設電機控制PWM波的頻率為10KHz，即周期為100us，假設PWM電壓從零到最大值的階躍時(shí)間為1us，那么MOS管需要的電流值為：
那也就是說(shuō)驅動(dòng)芯片拉灌電流值應該至少達到150mA才能帶的動(dòng)IRLB4030，IR2101S的拉灌電流值在130mA到270mA之間，基本符合條件，因此這兩款驅動(dòng)芯片和MOS管的匹配使用是合理的。來(lái)源：電控知識搬運工
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