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  • MOSFET的半桥驱动电路设计要领详解

    千次阅读 2019-09-26 23:58:02
    1 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...由于下MOSFET驱动电压的参考点为地,较容易设计驱动电路,而上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MOSFET成了设...

    1 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。

      2 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。

      MOSFET的半桥驱动电路设计要领详解

      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。

      3 半桥驱动电路工作原理

      图2所示为典型的半桥驱动电路。

      MOSFET的半桥驱动电路设计要领详解

      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。

      4. 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:

      MOSFET的半桥驱动电路设计要领详解

      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。

      5 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。

      MOSFET的半桥驱动电路设计要领详解

      MOSFET的半桥驱动电路设计要领详解

      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。

      6. 相线振铃的产生及抑制

      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:

      MOSFET的半桥驱动电路设计要领详解

      MOSFET的半桥驱动电路设计要领详解

      MOSFET的半桥驱动电路设计要领详解

      MOSFET的半桥驱动电路设计要领详解

      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

      MOSFET的半桥驱动电路设计要领详解

      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。

      7. 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。

      MOSFET的半桥驱动电路设计要领详解

      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。

      8. 小结

      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。

    转载于:https://www.cnblogs.com/isAndyWu/p/9690497.html

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    万次阅读 多人点赞 2018-11-09 09:32:11
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    H桥是一个典型的直流电机控制电路,因为它的电路形状酷似字母H,故得名与“H桥”。4个三极管组成H的4条垂直腿,而电机就是H中的横杠(注意:图中只是简略示意图,而不是完整的电路图,其中三极管的驱动电路没有画出来)。

    1、H桥驱动原理

    1)电机驱动

    电路首先,单片机能够输出直流信号,但是它的驱动才能也是有限的,所以单片机普通做驱动信号,驱动大的功率管如Mos管,来产生大电流从而驱动电机,且占空比大小能够经过驱动芯片控制加在电机上的均匀电压到达转速调理的目的。电机驱动主要采用N沟道MOSFET构建H桥驱动电路,H 桥是一个典型的直流电机控制电路,由于它的电路外形酷似字母 H,故得名曰“H 桥”。4个开关组成H的4条垂直腿,而电机就是H中的横杠。要使电机运转,必需使对角线上的一对开关导通,经过不同的电流方向来控制电机正反转,其连通电路如图所示。

    在这里插入图片描述

    2)H桥驱动原理

    实践驱动电路中通常要用硬件电路便当地控制开关,电机驱动板主要采用两种驱动芯片,一种是全桥驱动HIP4082,一种是半桥驱动IR2104,半桥电路是两个MOS管组成的振荡,全桥电路是四个MOS管组成的振荡。其中,IR2104型半桥驱动芯片能够驱动高端和低端两个N沟道MOSFET,能提供较大的栅极驱动电流,并具有硬件死区、硬件防同臂导通等功用。运用两片IR2104型半桥驱动芯片能够组成完好的直流电机H桥式驱动电路,而且IR2104价钱低廉,功用完善,输出功率相对HIP4082较低,此计划采用较多。

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    另外,由于驱动电路可能会产生较大的回灌电流,为避免对单片机产生影响,最好用隔离芯片隔离,隔离芯片选取有很多方式,如2801等,这些芯片常做控制总线驱动器,作用是进步驱动才能,满足一定条件后,输出与输入相同,可停止数据单向传输,即单片机信号能够到驱动芯片,反过来不行。

    2、mos管h桥电机驱动电路图

    1) 典型mos管H桥直流电机控制电路

    电路得名于“H桥驱动电路”是由于它的外形酷似字母H。4个三极管组成H的4条垂直腿,而电机就是H中的横杠(留意:图1及随后的两个图都只是表示图,而不是完好的电路图,其中三极管的驱动电路没有画出来)。

    如图所示,H桥式电机驱动电路包括4个三极管和一个电机。要使电机运转,必需导通对角线上的一对三极管。依据不同三极管对的导通状况,电流可能会从左至右或从右至左流过电机,从而控制电机的转向。

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    要使电机运转,必需使对角线上的一对三极管导通。例如,如图2所示,当Q1管和Q4管导通时,电流就从电源正极经Q1从左至右穿过电机,然后再经Q4回到电源负极。按图中电流箭头所示,该流向的电流将驱动电机顺时针转动。当三极管Q1和Q4导通时,电流将从左至右流过电机,从而驱动电机按特定方向转动(电机四周的箭头指示为顺时针方向)。

    在这里插入图片描述

    图3所示为另一对三极管Q2和Q3导通的状况,电流将从右至左流过电机。当三极管Q2和Q3导通时,电流将从右至左流过电机,从而驱动电机沿另一方向转动(电机四周的箭头表示为逆时针方向)。

    在这里插入图片描述

    2) 使能控制和方向逻辑

    驱动电机时,保证H桥上两个同侧的三极管不会同时导通十分重要。假如三极管Q1和Q2同时导通,那么电流就会从正极穿过两个三极管直接回到负极。此时,电路中除了三极管外没有其他任何负载,因而电路上的电流就可能到达最大值(该电流仅受电源性能限制),以至烧坏三极管。基于上述缘由,在实践驱动电路中通常要用硬件电路便当地控制三极管的开关。

    改良电路在根本H桥电路的根底上增加了4个与门和2个非门。4个与门同一个“使能”导通讯号相接,这样,用这一个信号就能控制整个电路的开关。而2个非门经过提供一种方向输人,能够保证任何时分在H桥的同侧腿上都只要一个三极管能导通。(与本节前面的表示图一样,图4所示也不是一个完好的电路图,特别是图中与门和三极管直接衔接是不能正常工作的)

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    采用以上办法,电机的运转就只需求用三个信号控制:两个方向信号和一个使能信号。假如DIR-L信号为0,DIR-R信号为1,并且使能信号是1,那么三极管Q1和Q4导通,电流从左至右流经电机(如图5所示);假如DIR-L信号变为1,而DIR-R信号变为0,那么Q2和Q3将导通,电流则反向流过电机。

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    实践运用的时分,用分立元件制造H桥是很费事的,好在如今市面上有很多封装好的H桥集成电路,接上电源、电机和控制信号就能够运用了,在额定的电压和电流内运用十分便当牢靠。附两张分立元件的H桥驱动电路:

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空空如也

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半桥驱动电路