MOSFET半桥驱动电路要点

半桥驱动电路要点作者：万代半导体元件(上海)有限公司高级应用工程师葛小荣张龙来源:电子设计应用2009年第10期引言MOSFET凭开关速度快、导通电阻低等优点在开关电源及电机驱动等应用中得到了广泛应用。要想使MOSFET在应用中充分发挥其性能，就必须设计一个适合应用的最优驱动电路和参数。在应用中MOSFET一般工作在桥式拓扑结构模式下，如图1所示。由于下桥MOSFET驱动电压的参考点为地，较容易设计驱动电路，而上桥的驱动电压是跟随相线电压浮动的，因此如何很好地驱动上桥MOSFET成了设计能否成功的关键。半桥驱动芯片由于其易于设计驱动电路、外围元器件少、驱动能力强、可靠性高等优点在MOSFET驱动电路中得到广泛应用。桥式结构拓扑分析图1所示为驱动三相直流无刷电机的桥式电路，其中LPCB、LS、LD为直流母线和相线的引线电感，电机为三相Y型直流无刷电机，其工作原理如下。图1桥式拓扑电路直流无刷电机通过桥式电路实现电子换相，电机工作模式为三相六状态，MOSFET导通顺序为Q1Q5→Q1Q6→Q2Q6→Q2Q4→Q3Q4→Q3Q5。系统通过调节上桥MOSFET的PWM占空比来实现速度调节。Q1、Q5导通时，电流(Ion)由VDD经Q1、电机线圈、Q5流至地线，电机AB相通电。Q1关闭、Q5导通时，电流经过Q5，Q4续流(IF)，电机线圈中的电流基本维持不变。Q1再次开通时，由于Q3体二极管的电荷恢复过程，体二极管不能很快关断，因此体二极管中会有反向恢复电流(Irr)流过。由于Irr的变化很快，因此在Irr回路中产生很高的di/dt。半桥驱动电路工作原理图2所示为典型的半桥驱动电路。图2半桥驱动电路原理半桥驱动电路的关键是如何实现上桥的驱动。图2中C1为自举电容，D1为快恢复二极管。PWM在上桥调制。当Q1关断时，A点电位由于Q2的续流而回零，此时C1通过VCC及D1进行充电。当输入信号Hin开通时，上桥的驱动由C1供电。由于C1的电压不变，VB随VS的升高而浮动，所以C1称为自举电容。每个PWM周期，电路都给C1充电，维持其电压基本保持不变。D1的作用是当Q1关断时为C1充电提供正向电流通道，当Q1开通时，阻止电流反向流入控制电压VCC。D2的作用是为使上桥能够快速关断，减少开关损耗，缩短MOSFET关断时的不稳定过程。D3的作用是避免上桥快速开通时下桥的栅极电压耦合上升(Cdv/dt)而导致上下桥穿通的现象。自举电容的计算及注意事项影响自举电容取值的因素影响自举电容取值的因素包括：上桥MOSFET的栅极电荷QG、上桥驱动电路的静态电流IQBS、驱动IC中电平转换电路的电荷要求QLS、自举电容的漏电流ICBS(leak)。计算自举电容值自举电容必须在每个开关周期内能够提供以上这些电荷，才能保持其电压基本不变，否则VBS将会有很大的电压纹波，并且可能会低于欠压值VBSUV，使上桥无输出并停止工作。电容的最小容量可根据以下公式算出：其中，VF为自举二极管正向压降，VLS为下桥器件压降或上桥负载压降，f为工作频率。应用实例图3所示为直流无刷电机驱动器半桥驱动芯片上桥的自举电压(CH1:VBS)和驱动电压(CH2:VGS)波形，使用的MOSFET为AOT472。图3半桥驱动芯片上桥驱动波形驱动器采用调节PWM占空比的方式实现电机无级调速。通过公式1算出电容值应为1μF左右，但在实际应用中存在这样的问题，即当占空比接近100%(见图3a)时，由于占空比很大，在每次上桥关断后Vs电压不能完全回零，导致自举电容在每个PWM周期中不能完全被充电。但此时用于每个PWM周期开关MOSFET的电荷并未减少，所以自举电压会出现明显的下降(图3a中左侧圈内部分)，这将会导致驱动IC进入欠压保护状态或MOSFET提前失效。而当占空比为100%时，由于没有开关电荷损耗，每个换相周期内自举电容的电压并未下降很多(图3a中右侧圈内部分)。如果选用4.7μF的电容，则测得波形如图3(b)所示，电压无明显下降，因此在驱动电路设计中应根据实际需求来选取自举电容的容量。相线振铃的产生及抑制相线振铃的产生在图1中，线路的引线电感(LPCB+LS+LD)及引线电阻RPCB与MOSFET的输出电容COSS形成了RLC串联回路，如图4(a)所示，对此回路进行分析如下：图4RLC振荡电路及其波形4.选择具有较小Qrr和具有较软恢复特性的MOSFET作为续流管；5.由于增加串联回路的电阻会耗散很大的功率，所以增加串联电阻的方法在大部分应用中不可行。振铃的危害图5振铃干扰半桥芯片正常工作的波形图5所示为一半桥驱动MOSFET工作时的波形，当上桥逻辑输入为高时，上桥MOSFET开通，此时可以看到相线(CH2)上产生了振铃，这样的振铃通过线路的杂散电容耦合到上桥自举电压，造成上桥的VBS电压(CH4)过低而使驱动芯片进入欠压保护(图5中VBS的电压已跌至5V)。由图5可以看出，当Hin(CH1)有脉冲输入时，由于振铃的影响，MOSFET有些时候不能正常打开，原因是驱动IC进入了欠压保护。欠压保护并不是每个周期都会出现，因此在测试时应设置适当的触发方式来捕获这样的不正常工作状态。当然如果振铃振幅很大，则驱动器将不能正常工作，导致电机不能启动。因此自举电容最好为能滤除高频的陶瓷电容，即使是使用电解电容也要并联陶瓷电容来去耦。最小化相线负压在设计MOSFET半桥驱动电路时还应该注意相线上的负压对驱动芯片的危害。当上桥关断后，线圈电流会经过相应的下桥续流，一般认为下桥体二极管会将相线电压钳位于-0.7V左右，但事实并非完全如此。上桥关断前，下桥的体二极管处于反向偏置状态，当上桥突然关断，下桥进入续流状态时，由于下桥体二极管由反向偏置过渡到正向偏置需要电荷漂移的过程，因此体二极管并不能立即将电压钳位在-0.7V，而是有几百纳秒的时间电压远超过0.7V，因此会出现如图6所示的相线负压。线路主回路中的寄生电感及快速变化的电流(Ldi/dt)也会使相线负压增加。图6相线负压波形要使相线负压变小，可通过减缓上桥关断的速度从而减小回路中的di/dt或减小主回路寄生电感的方式来实现。结语在设计半桥驱动电路时，应注意以下方面：1.选取适当的自举电容，确保在应用中有足够的自举电压；2.选择合适的驱动电阻，电阻过大会增加MOSFET的开关损耗，电阻过小会引起相线振铃和相线负压，对系统和驱动IC造成不良影响；3.在芯片电源处使用去耦电容；4.注意线路的布线，尽量减小驱动回路和主回路中的寄生电感，使di/dt对系统的影响降到最小；5.选择适合应用的驱动IC，不同IC的耐压及驱动电流等诸多参数都不一样，所以应根据实际应用选择合适的驱动IC。参考文献1.SanjayHavanur.2007.SnubberDesignforNoiseReduction(AN100-1)