用于電機驅動的MOSFET驅動器

簡介

在電機驅動系統中，柵極驅動器或“預驅動器” IC常與N溝道功率MOSFET一起使用，以提供驅動電機所需的大電流。在選擇驅動器IC、MOSFET以及某些情況下用到的相關無源元件時，有很多需要考量的設計因素。如果對這個過程了解不透徹，將導致實現方式的差強人意。

本文將介紹一些簡單的方法來為預驅動器/功率MOSFET電路選擇組件，并討論由此得到的系統性能。

從電機開始

為直流電機（無論是有刷電機，還是三相無刷電機）設計驅動器，應從電機入手。電機的特性將決定驅動器的設計細節，而其中兩個主要因素就是電機的工作電壓和電流要求。

這兩個參數看似簡單，實則不然。一般情況下，電機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。電機實際速度取決于所施加的電壓，電機所需的電流取決于所施加的扭矩。因此，驅動器設計不一定需要完全滿足電機規格。

電機數據手冊中通常會給出速度常數和扭矩常數，這兩個參數可用于估算特定應用所需的電壓和電流。驅動器的供電電壓必須至少與電機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的可用電壓。而最大電流需求則通常由電機啟動機械負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所需的電源電壓和最大電流。當然，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中，所需裕量可能需要高達電源電壓的兩倍。

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)中產生熱量。包括環境溫度和MOSFET散熱在內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通和關斷MOSFET所需的電荷量。(QG)較低的MOSFET更易于驅動。與具有較高(QG)的MOSFET相比，它可以以較低的柵極驅動電流進行更快的切換。

柵極驅動電流和上升/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。 盡管柵極不傳導直流電流，也需要電流來對柵極電容充電和放電，以導通和關斷MOSFET。提供給柵極的電流量決定了完全導通MOSFET所需的時間。相反，柵極的拉電流量則決定了MOSFET關斷需要的時間。

要了解驅動柵極所需的條件，首先要知道MOSFET的切換速度。低開關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，設計師必須在二者之間做出權衡。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。

當所需的上升/下降時間確定之后，再來計算必要的柵極驅動電流。我們可以用(QG) / t來估算柵極驅動電流，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/下降時間內所需的驅動電流量。實際中的柵極驅動電流在這段時間內通常會有所變化，因為大多數柵極驅動器都不是恒流驅動器。

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狀態（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，轉換完成所需的時間就越長。

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

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

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

選擇預驅動器IC

所需的最小柵極驅動電流一旦確定，就可以選擇支持該電流的柵極驅動器（預驅動器）IC了。這類器件種類繁多，可能具有不同的通道數、柵極驅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電路等。

許多半導體供應商都提供用于電源管理產品（包括MPS的電源管理產品）的預驅動器IC，其中有許多用于直流電機驅動器的單通道和三通道預驅動器IC，包括三通道60V和100V型, 100V系列以及單相100V型, 100V器件。

部分預驅動器IC使用線性穩壓器、電荷泵和/或自舉電容器從主電機電源內部生成所需的柵極驅動電壓。而另一些則需要單獨的柵極驅動電源。如果要實現100％占空比工作（長時間輸出高電平），則選擇帶有內部電荷泵的預驅動器，這樣才能使上管柵極長時間保持導通。如果僅依靠自舉電路驅動上管，則預驅動器只能在有限的時間內保持上管MOSFET導通，因為漏電流會在一段時間后耗盡自舉電容。

柵極驅動器最低限度需要提供實現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動器。

部分驅動器IC通過改變器件內部的柵極驅動量來調節上升和下降時間（也稱為“斜率調節”）。當所采用的器件不具備內置斜率調節功能時，也可以在柵極驅動器輸出和MOSFET柵極之間插入電阻來調節。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）。

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構中的一個FET在對面FET導通之前完全關斷，從而確保死區時間。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。其結果是，由上管MOSFET導通控制的輸出（SHA）緩慢上升。

由于柵極具有非線性電容，而且驅動器通常不是真正的電壓或電流源（通常是在線性區域中工作的FET），因此很難準確計算出實現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。可以從假設柵極驅動電流等于柵極驅動電壓（通常為12V）除以串聯電阻開始。計算時，確保包含了柵極驅動器的輸出電阻。

結論

本文提供的實用信息可為帶預驅動器IC和功率MOSFET的電機驅動器提供更佳組件選擇，希望可以幫助設計師在電機驅動器設計中選擇到正確的IC和相關組件。

審核編輯：湯梓紅