MOSFET半橋驅動(dòng)電路設計要領(lǐng)及工作原理-KIA MOS管
信息來(lái)源：本站 日期：2020-10-19
MOSFET憑開(kāi)關(guān)速度快、導通電阻低等優(yōu)點(diǎn)在開(kāi)關(guān)電源及電機驅動(dòng)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(gè)適合應用的最優(yōu)驅動(dòng)電路和參數。在應用中MOSFET一般工作在橋式拓撲結構模式下，如圖1所示。
由于下橋MOSFET驅動(dòng)電壓的參考點(diǎn)為地，較容易設計驅動(dòng)電路，而上橋的驅動(dòng)電壓是跟隨相線(xiàn)電壓浮動(dòng)的，因此如何很好地驅動(dòng)上橋MOSFET成了設計能否成功的關(guān)鍵。半橋驅動(dòng)芯片由于其易于設計驅動(dòng)電路、外圍元器件少、驅動(dòng)能力強、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)在MOSFET驅動(dòng)電路中得到廣泛應用。
橋式結構拓撲分析
圖1所示為驅動(dòng)三相直流無(wú)刷電機的橋式電路，其中LpcB、Ls、Lp為直流母線(xiàn)和相線(xiàn)的引線(xiàn)電感，電機為三相Y型直流無(wú)刷電機，其工作原理如下。
直流無(wú)刷電機通過(guò)橋式電路實(shí)現電子換相，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。系統通過(guò)調節上橋MOSFET的PWM占空比來(lái)實(shí)現速度調節。Q1. Q5導通時(shí)，電流(I..)由
VDD經(jīng)Q1、電機線(xiàn)圈、Q5流至地線(xiàn)，電機AB相通電。Q1關(guān)閉、Q5導通時(shí)，電流經(jīng)過(guò)Q5，Q4續流(If)，電機線(xiàn)圈中的電流基本維持不變。
Q1再次開(kāi)通時(shí)，由于Q3體二極管的電荷恢復過(guò)程，體二極管不能很快關(guān)斷，因此體二極管中會(huì )有.反向恢復電流(I..)流過(guò)。由于I..的變化很快，因此在(I..)回路中產(chǎn)生很高的di/dt.
圖2所示為典型的MOSFET半橋驅動(dòng)電路。半橋驅動(dòng)電路的關(guān)鍵是如何實(shí)現.上橋的驅動(dòng)。圖2中C1為自舉電容，D1為快恢復二極管。PWM在上橋調制。當Q1關(guān)斷時(shí)，A點(diǎn)電位由于Q2的續流而回零，此時(shí)CI通過(guò)VCC及D1進(jìn)行充電。當輸入信號H..開(kāi)通時(shí)，上橋的驅動(dòng)由CI供電。由于C1的電壓不變，Vg隨Vs的升高而浮動(dòng)，所以C1稱(chēng)為自舉電容。
每個(gè)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(shí)為.C1充電提供正向電流通道，當Q1開(kāi)通時(shí)，阻止電流反向流人控制電壓VCC. D2的作用是為使上橋能夠快速關(guān)斷，減少開(kāi)關(guān)損耗，縮短MOSFET關(guān)斷時(shí)的不穩定過(guò)程。D3的作用是避免上橋快速開(kāi)通時(shí)下橋的柵極電壓耦合.上升(Cdv/dt)而導致上下橋穿通的現象。
偏磁問(wèn)題
原因：由于兩個(gè)電容連接點(diǎn)A的電位是隨Q1、Q2導通情況而浮動(dòng)的，所以能夠自動(dòng)的平衡每個(gè)晶體管開(kāi)關(guān)的伏秒值，當浮動(dòng)不滿(mǎn)足要求時(shí)，假設 Q1、Q2具有不同的開(kāi)關(guān)特性，即在相同的基極脈沖寬度t=t1下，Q1關(guān)斷較慢，Q2關(guān)斷較快，則對B點(diǎn)的電壓就會(huì )有影響，就會(huì )有有灰色面積中A1、 A2的不平衡伏秒值，原因就是Q1關(guān)斷延遲。
如果要這種不平衡的波形驅動(dòng)變壓器，將會(huì )發(fā)生偏磁現象，致使鐵心飽和并產(chǎn)生過(guò)大的晶體管集電極電流，從而降低了變換器的效率，使晶體管失控，甚至燒毀。
解決辦法：在變壓器原邊線(xiàn)圈中加一個(gè)串聯(lián)電容C3，則與不平衡的伏秒值成正比的直流偏壓將被次電容濾掉，這樣在晶體管導通期間，就會(huì )平衡電壓的伏秒值，達到消除偏磁的目的。
用作橋臂的兩個(gè)電容選用問(wèn)題：
從MOSFET半橋驅動(dòng)電路結構上看，選用橋臂上的兩個(gè)電容C1、C2時(shí)需要考慮電容的均壓?jiǎn)?wèn)題，盡量選用C1=C2的電容，那么當某一開(kāi)關(guān)管導通時(shí)，繞組上的電壓只有電源電壓的一半，達到均壓效果，一般情況下，還要在兩個(gè)電容兩端各并聯(lián)一個(gè)電阻(原理圖中的R1和R2)并且R1=R2進(jìn)一步滿(mǎn)足要求，此時(shí)在選擇阻值和功率時(shí)需要注意降額。
此時(shí)，電容C1、C2的作用就是用來(lái)自動(dòng)平衡每個(gè)開(kāi)關(guān)管的伏秒值，(與C3的區別：C3是濾去影響伏秒平衡的直流分量)。
直通問(wèn)題
所謂直通，就是Q1、Q2在某一時(shí)刻同時(shí)導通的現象，此時(shí)會(huì )構成短路。
解決措施：可以對驅動(dòng)脈沖寬度的最大值加以限制，使導通角度不會(huì )產(chǎn)生直通。
還可以從拓撲上解決問(wèn)題，才用交叉耦合封閉電路，使一管子導通時(shí)，另一管子驅動(dòng)在封閉狀態(tài)，直到前一個(gè)管子關(guān)斷，封閉才取消，后管才有導通的可能，這種自動(dòng)封鎖對存儲時(shí)間、參數分布有自動(dòng)適應的優(yōu)點(diǎn)，而且對占空比可以滿(mǎn)度使用的。
兩個(gè)電路的選擇主要是考慮以下兩點(diǎn)：
1、根據輸出電壓的高低，考慮管子的安全問(wèn)題;
2、功率損耗的問(wèn)題，主要是開(kāi)關(guān)管和副邊繞組的損耗問(wèn)題;
半橋電路的驅動(dòng)問(wèn)題：
1、原邊線(xiàn)圈過(guò)負載限制：要給原邊的功率管提供獨立的電流限制;
2、軟啟動(dòng)：?jiǎn)?dòng)時(shí)，要限制脈寬，使得脈寬在啟動(dòng)的最初若干個(gè)周期中慢慢上升;
3、磁的控制：控制晶體管驅動(dòng)脈沖寬度相等，要使正反磁通相等，不產(chǎn)生偏磁;
4、防止直通：要控制占空比上限縮小;
5、電壓的控制和隔離：電路要閉環(huán)控制，隔離可以是光電隔離器、變壓器或磁放大器等;
6、過(guò)壓保護：通常是封閉變換器的開(kāi)關(guān)脈沖以進(jìn)行過(guò)壓保護;
7、電流限制：電流限制安裝在輸入或輸出回路上，在發(fā)生短路時(shí)候起作用;
8、輸入電壓過(guò)低保護：規定只有在發(fā)揮良好性能的足夠高的電壓下才能啟動(dòng);
9、此外，還要有合適的輔助功能：如浪涌電流限制和輸出濾波環(huán)節等。
半橋電路的驅動(dòng)特點(diǎn)：
1、上下橋臂不共地，即原邊電路的開(kāi)關(guān)管不共地。
2、隔離驅動(dòng)。
在設計半橋驅動(dòng)電路時(shí)，應注意以下方面:
1.選取適當的自舉電容，確保在應用中有足夠的自舉電壓
2.選擇合適的驅動(dòng)電阻，電阻過(guò)大會(huì )增加MOSFET的開(kāi)關(guān)損耗，電阻過(guò)小會(huì )引起相線(xiàn)振鈴和相線(xiàn)負壓，對系統和驅動(dòng)IC造成不良影響
3.在芯片電源處使用去耦電容
4.注意線(xiàn)路的布線(xiàn)，盡量減小驅動(dòng)回路和主回路中的寄生電感，使di/dt對系統的影響降到最小
5.選擇適合應用的驅動(dòng)1C，不同IC的耐壓及驅動(dòng)電流等諸多參數都不一樣，所以應根據實(shí)際應用選擇合適的驅動(dòng)IC。
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