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用于電機(jī)驅(qū)動的MOSFET驅(qū)動器

發(fā)布時間:2021-11-08 來源:芯源系統(tǒng) 責(zé)任編輯:wenwei

【導(dǎo)讀】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,但在實際工作中,其值可能與額定值不同。電機(jī)實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.


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,因為大多數(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。


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


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。 


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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系列以及單相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的柵極驅(qū)動電源。如果要實現(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,因為漏電流會在一段時間后耗盡自舉電容。


柵極驅(qū)動器最低限度需要提供實現(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,可以獲得獨立的上升和下降時間(見圖3)。 


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圖3: 添加二極管示意圖


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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??欤瞎軚艠O(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,最好通過實驗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)動器提供最佳組件選擇,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。



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