工程師通常使用柵極驅動器或“預驅動器”IC 以及 N 溝道功率 MOSFET 來提供驅動電機所需的高電流。重要的是要考慮與選擇驅動器 IC、MOSFET 以及在某些情況下相關的無源元件相關的所有設計注意事項。通常，人們對這個過程知之甚少，而且實現也不是最佳的。讓我們首先討論為前置驅動器/功率 MOSFET 電路選擇組件的簡單方法，以及由此產生的系統性能。

從電機規格開始

設計直流電機驅動器——無論是用于有刷電機還是三相無刷電機——電機特性將決定驅動器的設計細節。有助于定義驅動器設計的兩個主要因素是電機的工作電壓和電流要求。

然而，這些參數并不像人們最初想象的那么簡單。電機通常具有額定電壓和電流，實際工作值可能會因應用而異。施加的電壓決定了電機速度。電機所需的電流取決于施加到電機的扭矩。因此，驅動器可能需要也可能不需要按照電機的完整規格進行設計。

您可以使用速度常數和扭矩常數（通常在電機數據表中給出）來估計特定應用中所需的電壓和電流。驅動器的供電電壓必須至少與從電機獲得所需速度所需的電壓一樣高，但電源電壓通常由系統可用的電壓決定。最大電流要求通常由啟動帶有機械負載的電機所需的扭矩設置。

選擇 MOSFET

請務必選擇額定功率至少為電機所需的電源電壓和最大電流的功率 MOSFET。請記住，有必要留出一些余量。

選擇漏源電壓額定值 (V DS ) 至少比電源電壓高 20%的 MOSFET 。在某些情況下——尤其是在具有大電流、大扭矩階躍和電源控制不佳的系統中——您可能需要兩倍于電源電壓的裕量。

當然，MOSFET 的額定電流必須足夠高以提供電機所需的峰值電流，但通常熱考慮占主導地位。MOSFET 在漏源電阻 R DS(ON) 中耗散功率并產生熱量。熱約束，包括環境溫度和任何可用于 MOSFET 的散熱器，對可以耗散的功率設置了限制。此最大允許功耗會根據 R DS(ON)值驅動 MOSFET 的選擇。

一旦找到必要的額定電壓和 R DS(ON)，一定要考慮總柵極電荷 (Q G )。柵極電荷用于衡量打開和關閉 MOSFET 所需的電荷量。具有較低 Q G 的MOSFET更容易驅動。與具有高 Q G 的柵極驅動電流相比，它的開關速度更快，柵極驅動電流更低。

柵極驅動電流和上升/下降時間

將功率 MOSFET 的柵極視為柵極和源極端子之間的非線性電容。即使柵極不傳導直流電流，它也需要電流來對柵極電容進行充電和放電，從而開啟和關閉 MOSFET。提供給柵極的電流量決定了完全導通 MOSFET 所需的時間。類似地，當電流從柵極拉出時，該電流量設置了 MOSFET 的關斷時間。

要了解驅動柵極需要什么，您需要知道開關 MOSFET 的速度。您必須在低開關損耗（需要快速上升和下降時間）和低 EMI（需要緩慢上升和下降時間）之間進行設計權衡。此外，脈寬調制 (PWM) 頻率以及所需的最小和最大占空比對開關速度施加了時間限制。例如，對于 20 kHz PWM 頻率，1% 的占空比需要生成 500 ns 的脈沖。這需要幾百納秒或更短的上升和下降時間。

確定所需的上升/下降時間后，計算所需的柵極驅動電流。這可以估計為Q G / t，其中Q G是總柵極電荷，t 是所需的上升/下降時間。請注意，這是在整個上升/下降時間內需要驅動的電流量——實際上，柵極驅動電流通常在這段時間內會有所不同，因為大多數柵極驅動器不提供恒定電流。

如果向柵極輸送恒定電流，則柵極電壓不是線性斜率；它在 MOSFET 開關期間達到一個平臺（圖 1）。這被稱為“米勒高原”，由柵漏電容引起。當漏極轉換時，該電容需要電流充電，因此柵極-源極電容的充電速度減慢。提供給柵極充電的電流越低，完成轉換所需的時間就越長。

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

圖 2 顯示了使用具有 12 Ω 串聯電阻的 12 V 恒壓柵極驅動器時的波形。平臺仍然存在，柵極達到 12 V 需要更長的時間，但漏極的開關時間幾乎相同。

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

選擇前置驅動器 IC

知道所需的最小柵極驅動電流后，選擇可以支持它的柵極驅動器（預驅動器）IC。這些部件種類繁多，具有不同數量的通道、柵極驅動電流能力和電源電壓范圍。某些部件還提供其他集成功能，例如電流檢測放大器和保護電路。

許多制造電源管理產品的半導體供應商都提供預驅動器 IC，包括 MPS。這些供應商提供各種專為直流電機驅動設計的單通道和三通道前置驅動器 IC，包括三通道 60V 和 100V 系列，以及單相 100V 設備。

一些前置驅動器 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。其他需要單獨的柵極驅動電源。要在 100% 占空比下運行（長時間輸出為高電平），請選擇帶有內部電荷泵的前置驅動器，以保持高側柵極長時間開啟。僅依賴高端自舉的預驅動器只能在有限的時間內保持高端 MOSFET 開啟，因為一段時間后泄漏會耗盡自舉電容。

柵極驅動器必須至少能夠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。一些驅動器 IC 通過改變部件內部的柵極驅動量，提供了一種調整上升和下降時間（也稱為“壓擺率調整”）的方法。當使用沒有內置壓擺率調整的部件時，用戶可以在柵極驅動器輸出和 MOSFET 柵極之間插入電阻。這限制了柵極電流，并減慢了上升和下降時間。

審核編輯 黃昊宇