用于電機(jī)驅(qū)動的MOSFET驅(qū)動器

簡介

在電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)中，柵極驅(qū)動器或“預(yù)驅(qū)動器” IC常與N溝道功率MOSFET一起使用，以提供驅(qū)動電機(jī)所需的大電流。在選擇驅(qū)動器IC、MOSFET以及某些情況下用到的相關(guān)無源元件時，有很多需要考量的設(shè)計因素。如果對這個過程了解不透徹，將導(dǎo)致實(shí)現(xiàn)方式的差強(qiáng)人意。

本文將介紹一些簡單的方法來為預(yù)驅(qū)動器/功率MOSFET電路選擇組件，并討論由此得到的系統(tǒng)性能。

從電機(jī)開始

為直流電機(jī)（無論是有刷電機(jī)，還是三相無刷電機(jī)）設(shè)計驅(qū)動器，應(yīng)從電機(jī)入手。電機(jī)的特性將決定驅(qū)動器的設(shè)計細(xì)節(jié)，而其中兩個主要因素就是電機(jī)的工作電壓和電流要求。

這兩個參數(shù)看似簡單，實(shí)則不然。一般情況下，電機(jī)具有給定的額定電壓和額定電流，但在實(shí)際工作中，其值可能與額定值不同。電機(jī)實(shí)際速度取決于所施加的電壓，電機(jī)所需的電流取決于所施加的扭矩。因此，驅(qū)動器設(shè)計不一定需要完全滿足電機(jī)規(guī)格。

電機(jī)數(shù)據(jù)手冊中通常會給出速度常數(shù)和扭矩常數(shù)，這兩個參數(shù)可用于估算特定應(yīng)用所需的電壓和電流。驅(qū)動器的供電電壓必須至少與電機(jī)獲得所需速度需要的電壓一樣高，但是電源電壓通常取決于系統(tǒng)的可用電壓。而最大電流需求則通常由電機(jī)啟動機(jī)械負(fù)載所需的扭矩來決定。

選擇MOSFET

確保所選功率MOSFET的額定值至少等于電機(jī)所需的電源電壓和最大電流。當(dāng)然，最好還留有一定裕量。

通常情況下，MOSFET的漏源電壓額定值（VDS）應(yīng)至少比電源電壓高20％。在某些情況下，尤其是在電流大、扭矩步長大、電源控制不良的系統(tǒng)中，所需裕量可能需要高達(dá)電源電壓的兩倍。

因此，MOSFET的額定電流必須足夠高，才能提供電機(jī)所需的峰值電流。但散熱又是個不得不考量的大問題。MOSFET耗散功率并在漏源電阻RDS( ON)中產(chǎn)生熱量。包括環(huán)境溫度和MOSFET散熱在內(nèi)的熱條件決定了可以耗散的功率。而最大允許功耗最終決定了如何選擇基于。RDS( ON)值的MOSFET.

8一旦確定了必要的額定電壓和RDS( ON)，剩下最重要就是考慮總柵極電荷(QG)了。柵極電荷用于度量導(dǎo)通和關(guān)斷MOSFET所需的電荷量。(QG)較低的MOSFET更易于驅(qū)動。與具有較高(QG)的MOSFET相比，它可以以較低的柵極驅(qū)動電流進(jìn)行更快的切換。

柵極驅(qū)動電流和上升/下降時間

功率MOSFET的柵極可以看作是柵極和源極端子之間的非線性電容。 盡管柵極不傳導(dǎo)直流電流，也需要電流來對柵極電容充電和放電，以導(dǎo)通和關(guān)斷MOSFET。提供給柵極的電流量決定了完全導(dǎo)通MOSFET所需的時間。相反，柵極的拉電流量則決定了MOSFET關(guān)斷需要的時間。

要了解驅(qū)動?xùn)艠O所需的條件，首先要知道MOSFET的切換速度。低開關(guān)損耗需要快速的上升和下降時間，而低EMI需要緩慢的上升和下降時間，設(shè)計師必須在二者之間做出權(quán)衡。此外，PWM頻率以及所需的最小和最大占空比也給切換速度增加了一層限制。例如，在20kHz PWM頻率下，1％占空比需要產(chǎn)生500ns長的脈沖，這需要幾百納秒或更短的上升和下降時間。

當(dāng)所需的上升/下降時間確定之后，再來計算必要的柵極驅(qū)動電流。我們可以用(QG) / t來估算柵極驅(qū)動電流，其中(QG) 是總柵極電荷，t是所需的上升/下降時間。

注意，這個電流是在整個上升/下降時間內(nèi)所需的驅(qū)動電流量。實(shí)際中的柵極驅(qū)動電流在這段時間內(nèi)通常會有所變化，因?yàn)榇蠖鄶?shù)柵極驅(qū)動器都不是恒流驅(qū)動器。

如果為柵極提供恒定電流，則柵極上的電壓不是線性斜率變化-它在MOSFET切換期間會有一段平穩(wěn)狀態(tài)（見圖1）。這被稱為“米勒高原”，它是由柵漏電容引起的。在漏極轉(zhuǎn)換期間，柵漏電容需要電流充電，造成柵源電容的充電速度變慢。

提供給柵極的充電電流越低，轉(zhuǎn)換完成所需的時間就越長。

圖1: 1A恒定電流柵極驅(qū)動（100nC – 紅色 = 柵極, 紫色= 漏極, 200ns/div）

圖2: 具備12?串聯(lián)電阻的 12V柵極驅(qū)動（100nC – 紅色 = 柵極, 紫色= 漏極, 200ns/div）

圖2為具有12Ω串聯(lián)電阻的12V恒壓柵極驅(qū)動器波形。在這種情況下“米勒高原”仍然存在，柵極達(dá)到12V所需的時間更長，但漏極的切換時間幾乎沒變。

選擇預(yù)驅(qū)動器IC

所需的最小柵極驅(qū)動電流一旦確定，就可以選擇支持該電流的柵極驅(qū)動器（預(yù)驅(qū)動器）IC了。這類器件種類繁多，可能具有不同的通道數(shù)、柵極驅(qū)動電流能力和電源電壓范圍。有些器件還提供了其他集成功能，例如集成電流采樣放大器和保護(hù)電路等。

許多半導(dǎo)體供應(yīng)商都提供用于電源管理產(chǎn)品（包括MPS的電源管理產(chǎn)品）的預(yù)驅(qū)動器IC，其中有許多用于直流電機(jī)驅(qū)動器的單通道和三通道預(yù)驅(qū)動器IC，包括三通道60V和100V型, 100V系列以及單相100V型, 100V器件。

部分預(yù)驅(qū)動器IC使用線性穩(wěn)壓器、電荷泵和/或自舉電容器從主電機(jī)電源內(nèi)部生成所需的柵極驅(qū)動電壓。而另一些則需要單獨(dú)的柵極驅(qū)動電源。如果要實(shí)現(xiàn)100％占空比工作（長時間輸出高電平），則選擇帶有內(nèi)部電荷泵的預(yù)驅(qū)動器，這樣才能使上管柵極長時間保持導(dǎo)通。如果僅依靠自舉電路驅(qū)動上管，則預(yù)驅(qū)動器只能在有限的時間內(nèi)保持上管MOSFET導(dǎo)通，因?yàn)槁╇娏鲿谝欢螘r間后耗盡自舉電容。

柵極驅(qū)動器最低限度需要提供實(shí)現(xiàn)上述上升和下降時間所需的電流量，但也可以使用具有更大電流能力的驅(qū)動器。

部分驅(qū)動器IC通過改變器件內(nèi)部的柵極驅(qū)動量來調(diào)節(jié)上升和下降時間（也稱為“斜率調(diào)節(jié)”）。當(dāng)所采用的器件不具備內(nèi)置斜率調(diào)節(jié)功能時，也可以在柵極驅(qū)動器輸出和MOSFET柵極之間插入電阻來調(diào)節(jié)。但這種方法會限制柵極電流，并減慢上升和下降時間。

添加一個二極管，可以獲得獨(dú)立的上升和下降時間（見圖3）。

圖3: 添加二極管示意圖

圖4: 柵極和輸出波形

采用這種方法通常是為了確保半橋結(jié)構(gòu)中的一個FET在對面FET導(dǎo)通之前完全關(guān)斷，從而確保死區(qū)時間。圖4顯示出，下管柵極（GLA）通過二極管放電時下降非常快，但上管柵極（GHA）由于電阻的存在充電緩慢。其結(jié)果是，由上管MOSFET導(dǎo)通控制的輸出（SHA）緩慢上升。

由于柵極具有非線性電容，而且驅(qū)動器通常不是真正的電壓或電流源（通常是在線性區(qū)域中工作的FET），因此很難準(zhǔn)確計算出實(shí)現(xiàn)特定上升或下降時間所需的電阻 。一般情況下，最好通過實(shí)驗(yàn)或仿真得出正確的值。可以從假設(shè)柵極驅(qū)動電流等于柵極驅(qū)動電壓（通常為12V）除以串聯(lián)電阻開始。計算時，確保包含了柵極驅(qū)動器的輸出電阻。

結(jié)論

本文提供的實(shí)用信息可為帶預(yù)驅(qū)動器IC和功率MOSFET的電機(jī)驅(qū)動器提供更佳組件選擇，希望可以幫助設(shè)計師在電機(jī)驅(qū)動器設(shè)計中選擇到正確的IC和相關(guān)組件。

審核編輯：湯梓紅