MOSFET半橋驅(qū)動電路設計要領(lǐng)

1 引言

MOSFET憑開關(guān)速度快、導通電阻低等優(yōu)點在開關(guān)電源及電機驅(qū)動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，就必須設計一個適合應用的最優(yōu)驅(qū)動電路和參數(shù)。在應用中MOSFET一般工作在橋式拓撲結(jié)構(gòu)模式下，如圖1所示。由于下橋MOSFET驅(qū)動電壓的參考點為地，較容易設計驅(qū)動電路，而上橋的驅(qū)動電壓是跟隨相線電壓浮動的，因此如何很好地驅(qū)動上橋MOSFET成了設計能否成功的關(guān)鍵。半橋驅(qū)動芯片由于其易于設計驅(qū)動電路、外圍元器件少、驅(qū)動能力強、可靠性高等優(yōu)點在MOSFET驅(qū)動電路中得到廣泛應用。

2 橋式結(jié)構(gòu)拓撲分析

圖1所示為驅(qū)動三相直流無刷電機的橋式電路，其中LPCB、 LS、LD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(xiàn)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(tǒng)通過調(diào)節(jié)上橋MOSFET的PWM占空比來實現(xiàn)速度調(diào)節(jié)。Q1、Q5導通時，電流(Ion)由VDD經(jīng)Q1、電機線圈、Q5流至地線，電機AB相通電。Q1關(guān)閉、Q5導通時，電流經(jīng)過Q5，Q4續(xù)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(guān)斷，因此體二極管中會有反向恢復電流(Irr)流過。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(qū)動電路工作原理

圖2所示為典型的半橋驅(qū)動電路。

半橋驅(qū)動電路的關(guān)鍵是如何實現(xiàn)上橋的驅(qū)動。圖2中C1為自舉電容，D1為快恢復二極管。PWM在上橋調(diào)制。當Q1關(guān)斷時，A點電位由于Q2的續(xù)流而回零，此時C1通過VCC及D1進行充電。當輸入信號Hin開通時，上橋的驅(qū)動由C1供電。由于C1的電壓不變，VB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(guān)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，減少開關(guān)損耗，縮短MOSFET關(guān)斷時的不穩(wěn)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(xiàn)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(qū)動電路的靜態(tài)電流IQBS、驅(qū)動IC中電平轉(zhuǎn)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(guān)周期內(nèi)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(jù)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 應用實例

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

驅(qū)動器采用調(diào)節(jié)PWM占空比的方式實現(xiàn)電機無級調(diào)速。

通過公式1算出電容值應為1μF左右，但在實際應用中存在這樣的問題，即當占空比接近100%(見圖3a)時，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PWM周期中不能完全被充電。但此時用于每個PWM周期開關(guān)MOSFET的電荷并未減少，所以自舉電壓會出現(xiàn)明顯的下降(圖3a中左側(cè)圈內(nèi)部分)，這將會導致驅(qū)動IC進入欠壓保護狀態(tài)或MOSFET提前失效。而當占空比為100%時，由于沒有開關(guān)電荷損耗，每個換相周期內(nèi)自舉電容的電壓并未下降很多(圖3a中右側(cè)圈內(nèi)部分)。如果選用4.7μF的電容，則測得波形如圖3(b)所示，電壓無明顯下降，因此在驅(qū)動電路設計中應根據(jù)實際需求來選取自舉電容的容量。

6. 相線振鈴的產(chǎn)生及抑制

在圖1中，線路的引線電感(LPCB+LS+LD)及引線電阻RPCB與MOSFET的輸出電容COSS形成了RLC串聯(lián)回路，如圖4(a)所示，對此回路進行分析如下：

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