MOSFET半橋驅動電路設計要點

MOSFET憑開關速度快、導通電阻低等優點在開關電源及電機驅動等應用中得到了廣泛應用。要想使MOSFET在應用中充分發揮其性能，就必須設計一個適合應用的最優驅動電路和參數。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驅動電壓的參考點為地，較容易設計驅動電路，而上橋的驅動電壓是跟隨相線電壓浮動的，因此如何很好地驅動上橋MOSFET成了設計能否成功的關鍵。半橋驅動芯片由于其易于設計驅動電路、外圍元器件少、驅動能力強、可靠性高等優點在MOSFET驅動電路中得到廣泛應用。

橋式結構拓撲分析

圖1所示為驅動三相直流無刷電機的橋式電路，其中LpcB、Ls、Lp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電子換相，電機工作模式為三相六狀態，MOSFET導通順序為：

Q1Q5→Q1Q6→Q2Q6→Q2Q4→Q3Q4→Q3Q5。

系統通過調節上橋MOSFET的PWM占空比來實現速度調節。Q1. Q5導通時，電流(I..)由VDD經Q1、電機線圈、Q5流至地線，電機AB相通電。Q1關閉、Q5導通時，電流經過Q5，Q4續流(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過程，體二極管不能很快關斷，因此體二極管中會有.反向恢復電流(I..)流過。由于I..的變化很快，因此在(I..)回路中產生很高的di/dt.

半橋驅動電路工作原理

圖2所示為典型的MOSFET半橋驅動電路。

半橋驅動電路的關鍵是如何實現上橋的驅動。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關斷時，A點電位由于Q2的續流而回零，此時CI通過VCC及D1進行充電。

當輸入信號H..開通時，上橋的驅動由CI供電。由于C1的電壓不變，Vg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，阻止電流反向流人控制電壓VCC.

D2的作用是為使上橋能夠快速關斷，減少開關損耗，縮短MOSFET關斷時的不穩定過程。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)而導致上下橋穿通的現象。

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、上橋驅動電路的靜態電流IQBS、驅動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開關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。

需注意的問題

偏磁問題

原因：由于兩個電容連接點A的電位是隨Q1、Q2導通情況而浮動的，所以能夠自動的平衡每個晶體管開關的伏秒值，當浮動不滿足要求時，假設 Q1、Q2具有不同的開關特性，即在相同的基極脈沖寬度t=t1下，Q1關斷較慢，Q2關斷較快，則對B點的電壓就會有影響，就會有有灰色面積中A1、 A2的不平衡伏秒值，原因就是Q1關斷延遲。

如果要這種不平衡的波形驅動變壓器，將會發生偏磁現象，致使鐵心飽和并產生過大的晶體管集電極電流，從而降低了變換器的效率，使晶體管失控，甚至燒毀。

解決辦法：在變壓器原邊線圈中加一個串聯電容C3，則與不平衡的伏秒值成正比的直流偏壓將被次電容濾掉，這樣在晶體管導通期間，就會平衡電壓的伏秒值，達到消除偏磁的目的。

用作橋臂的兩個電容選用問題：

從MOSFET半橋驅動電路結構上看，選用橋臂上的兩個電容C1、C2時需要考慮電容的均壓問題，盡量選用C1=C2的電容，那么當某一開關管導通時，繞組上的電壓只有電源電壓的一半，達到均壓效果，一般情況下，還要在兩個電容兩端各并聯一個電阻(原理圖中的R1和R2)并且R1=R2進一步滿足要求，此時在選擇阻值和功率時需要注意降額。

此時，電容C1、C2的作用就是用來自動平衡每個開關管的伏秒值，(與C3的區別：C3是濾去影響伏秒平衡的直流分量)。

直通問題

所謂直通，就是Q1、Q2在某一時刻同時導通的現象，此時會構成短路。

解決措施：可以對驅動脈沖寬度的最大值加以限制，使導通角度不會產生直通。

還可以從拓撲上解決問題，才用交叉耦合封閉電路，使一管子導通時，另一管子驅動在封閉狀態，直到前一個管子關斷，封閉才取消，后管才有導通的可能，這種自動封鎖對存儲時間、參數分布有自動適應的優點，而且對占空比可以滿度使用的。

兩個電路的選擇主要是考慮以下兩點：

1、根據輸出電壓的高低，考慮管子的安全問題;

2、功率損耗的問題，主要是開關管和副邊繞組的損耗問題;

半橋電路的驅動問題：

1、原邊線圈過負載限制：要給原邊的功率管提供獨立的電流限制;

2、軟啟動：啟動時，要限制脈寬，使得脈寬在啟動的最初若干個周期中慢慢上升;

3、磁的控制：控制晶體管驅動脈沖寬度相等，要使正反磁通相等，不產生偏磁;

4、防止直通：要控制占空比上限縮小;

5、電壓的控制和隔離：電路要閉環控制，隔離可以是光電隔離器、變壓器或磁放大器等;

6、過壓保護：通常是封閉變換器的開關脈沖以進行過壓保護;

7、電流限制：電流限制安裝在輸入或輸出回路上，在發生短路時候起作用;

8、輸入電壓過低保護：規定只有在發揮良好性能的足夠高的電壓下才能啟動;

9、此外，還要有合適的輔助功能：如浪涌電流限制和輸出濾波環節等。

半橋電路的驅動特點：

1、上下橋臂不共地，即原邊電路的開關管不共地。

2、隔離驅動。

在設計半橋驅動電路時，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.選擇合適的驅動電阻，電阻過大會增加MOSFET的開關損耗，電阻過小會引起相線振鈴和相線負壓，對系統和驅動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，盡量減小驅動回路和主回路中的寄生電感，使di/dt對系統的影響降到最小

5.選擇適合應用的驅動1C，不同IC的耐壓及驅動電流等諸多參數都不一樣，所以應根據實際應用選擇合適的驅動IC。

原文標題：MOSFET半橋驅動電路設計要點

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審核編輯：湯梓紅