MOSFET的半橋驅動電路設計要領詳解

　　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：

　　

　　

　　

　　

　　4. 選擇具有較小Qrr和具有較軟恢復特性的MOSFET作為續流管；

　　5. 由於增加串聯迴路的電阻會耗散很大的功率，所以增加串聯電阻的方法在大部分應用中不可行。

　　振鈴的危害

　　

　　圖5 振鈴幹擾半橋晶片正常工作的波形

　　圖5所示為一半橋驅動MOSFET工作時的波形，當上橋邏輯輸入為高時，上橋MOSFET開通，此時可以看到相線（CH2）上產生了振鈴，這樣的振鈴通過線路的雜散電容耦合到上橋自舉電壓，造成上橋的VBS電壓（CH4）過低而使驅動晶片進入欠壓保護（圖5中VBS的電壓已跌至5V）。由圖5可以看出，當Hin（CH1）有脈衝輸入時，由于振鈴的影響， MOSFET有些時候不能正常打開，原因是驅動IC進入了欠壓保護。欠壓保護並不是每個周期都會出現，因此在測試時應設置適當的觸發方式來捕獲這樣的不正常工作狀態。當然如果振鈴振幅很大，則驅動器將不能正常工作，導致電機不能啟動。因此自舉電容最好為能濾除高頻的陶瓷電容，即使是使用電解電容也要並聯陶瓷電容來去耦。

　　7. 最小化相線負壓

　　在設計MOSFET半橋驅動電路時還應該注意相線上的負壓對驅動晶片的危害。當上橋關斷後，線圈電流會經過相應的下橋續流，一般認為下橋體二極體會將相線電壓鉗位於-0.7V左右，但事實並非完全如此。上橋關斷前，下橋的體二極體處於反向偏置狀態，當上橋突然關斷，下橋進入續流狀態時，由於下橋體二極體由反向偏置過渡到正向偏置需要電荷漂移的過程，因此體二極體並不能立即將電壓鉗位在-0.7V，而是有幾百納秒的時間電壓遠超過0.7V，因此會出現如圖6所示的相線負壓。線路主迴路中的寄生電感及快速變化的電流（Ldi/dt）也會使相線負壓增加。

　　

　　要使相線負壓變小，可通過減緩上橋關斷的速度從而減小迴路中的di/dt或減小主迴路寄生電感的方式來實現。

　　8. 小結

　　在設計半橋驅動電路時，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. 選擇合適的驅動電阻，電阻過大會增加MOSFET的開關損耗，電阻過小會引起相線振鈴和相線負壓，對系統和驅動IC造成不良影響；

　　3. 在晶片電源處使用去耦電容；

　　4. 注意線路的布線，儘量減小驅動迴路和主迴路中的寄生電感，使di/dt對系統的影響降到最小；

　　5. 選擇適合應用的驅動IC，不同IC的耐壓及驅動電流等諸多參數都不一樣，所以應根據實際應用選擇合適的驅動IC。