MOSFET半橋驅動電路設計要領

1 引言

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MOSFET憑開關速度快、導通電阻低等優點在開關電源及電機驅動等應用中得到了廣泛應用。要想使MOSFET在應用中充分發揮其性能，就必須設計一個適合應用的最優驅動電路和參數。在應用中MOSFET一般工作在橋式拓撲結構模式下，如圖1所示。由於下橋MOSFET驅動電壓的參考點為地，較容易設計驅動電路，而上橋的驅動電壓是跟隨相線電壓浮動的，因此如何很好地驅動上橋MOSFET成了設計能否成功的關鍵。半橋驅動晶片由於其易於設計驅動電路、外圍元器件少、驅動能力強、可靠性高等優點在MOSFET驅動電路中得到廣泛應用。

2 橋式結構拓撲分析

圖1所示為驅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電子換相，電機工作模式為三相六狀態，MOSFET導通順序為Q1Q5→Q1Q6→Q2Q6→Q2Q4→Q3Q4→Q3Q5。

系統通過調節上橋MOSFET的PWM佔空比來實現速度調節。Q1、Q5導通時，電流(Ion)由VDD經Q1、電機線圈、Q5流至地線，電機AB相通電。Q1關閉、Q5導通時，電流經過Q5，Q4續流(IF)，電機線圈中的電流基本維持不變。Q1再次開通時，由於Q3體二極體的電荷恢復過程，體二極體不能很快關斷，因此體二極體中會有反向恢復電流(Irr)流過。由於Irr的變化很快，因此在Irr迴路中產生很高的di/dt。

3 半橋驅動電路工作原理

圖2所示為典型的半橋驅動電路。

半橋驅動電路的關鍵是如何實現上橋的驅動。圖2中C1為自舉電容，D1為快恢復二極體。PWM在上橋調製。當Q1關斷時，A點電位由於Q2的續流而回零，此時C1通過VCC及D1進行充電。當輸入信號Hin開通時，上橋的驅動由C1供電。由於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斷，減少開關損耗，縮短MOSFET關斷時的不穩定過程。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、上橋驅動電路的靜態電流IQBS、驅動IC中電平轉換電路的電荷要求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周期內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，並且可能會低於欠壓值VBSUV，使上橋無輸出並停止工作。

電容的最小容量可根據以下公式算出：

其中，VF為自舉二極體正向壓降，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動器半橋驅動晶片上橋的自舉電壓(CH1: VBS)和驅動電壓(CH2: VGS)波形，使用的MOSFET為AOT472。

驅動器採用調節PWM佔空比的方式實現電機無級調速。

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，即當佔空比接近100%(見圖3a)時，由於佔空比很大，在每次上橋關斷後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。但此時用於每個PWM周期開關MOSFET的電荷並未減少，所以自舉電壓會出現明顯的下降(圖3a中左側圈內部分)，這將會導致驅動IC進入欠壓保護狀態或MOSFET提前失效。而當佔空比為100%時，由於沒有開關電荷損耗，每個換相周期內自舉電容的電壓並未下降很多(圖3a中右側圈內部分)。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，因此在驅動電路設計中應根據實際需求來選取自舉電容的容量。

6. 相線振鈴的產生及抑制

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串聯迴路，如圖4(a)所示，對此迴路進行分析如下：