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      如今的科技发展日新月异,半导体器件技术也在飞速发展着。各种全控型器件的应运而生加速了开关电源技术的发展,不对称半桥变换器技术逐渐浮上水面。这种技术结构简单,并且只使用少量的元器件,可以说是集各种优点于一身。本文介绍了几种常用的不对称半桥MOSFET驱动电路,分析了各电路的优点和适用场合。

    几种不对称半桥驱动电路介绍及分析

      1、非隔离的不对称半桥驱动电路

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      图1为常用的小功率驱动电路,简单可靠成本低,适用于不要求隔离的小功率开关设备。其中一路直接接到下管,另外一路经反向器反向后驱动上管。RP1,RP2用于调节死区时间。

      2、正激式不对称半桥隔离驱动电路

      一种正激式不对称半桥隔离驱动电路,如图2所示。

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      以正向电路为例,脉冲信号通过高频脉冲变压器耦合去驱动功率MOSFET管,次级脉冲电压为正时,MOSFET导通,在此期间VT3截止,由其构成的泄放电路不工作。当次级脉冲电压为零时,则VT3导通,快速泄放MOSFET栅极电荷,加速MOSFET的截止。R7是用于抑制驱动脉冲的尖峰,R9,VD3,R11,VD5,R13可以加速驱动并防止驱动脉冲产生振荡。和与它相连的脉冲变压器绕组共同构成去磁电路。

    该电路实现了隔离,且能输出较好的驱动波形。但是也存在一些不足之处:

      1)结构复杂,需要双电源供电(±12V);

      2)元器件较多,特别是需要两个隔离变压器,不仅占用较大空间,而且增加电路成本;专用芯片驱动电路

      比如L6384是专门的不对称半桥驱动芯片,其原理图及外围电路如图3所示。单脉冲从1脚(IN)输入,5脚(HVG)和7脚(LVG)输出互补的脉冲。3脚(DT/ST)外接电阻和电容来控制两路输出的死区时间。当3脚的电平低于0.5V的时候,芯片停止工作。专用芯片具有外围电路简单、占用空间小的特点,但由于其成本较高,不适用于低成本设计的产品。

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      3、新型的不对称半桥隔离驱动电路

      根据以上几种驱动电路,针对传统隔离驱动电路结构复杂、占用空间大、驱动电路应用的局限性等问题,提出了一种新型的不对称半桥隔离驱动电路,适用于单脉冲输出的芯片,具有结构简单可靠,占用空间小等特点,并且实现了电气隔离,可以运用于中大功率场合。

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      驱动电路如图4所示,工作频率由磁芯的特性决定,一般使用高频磁芯,工作频率可达100kHZ。原边VT1,VT2构成的推挽式功放电路。脉冲输出高电平时,VT1导通,提供MOS管驱动功率;低电平时,VT2导通,电容上的储能提供反向脉冲。变压器副边输出的两路波形经调理电路后变成互补的脉冲信号,从而驱动MOSFET。驱动脉冲为正时,MOSFET导通,在此期间VT1,VT2截止,由其构成的泄放电路不工作。当次级脉冲电压为零时,则VT1,VT2导通,快速泄放MOSFET栅极电荷,加速MOSFET的截止。稳压管VD1,VD2对脉冲波形正向进行削波。

      在SABER仿真下,该变压器副边N2,N3以及上、下管的驱动波形分别如图5(a)、(b)所示。

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    该电路具有以下优点:

      1)电路结构较简单可靠,具有电气隔离作用。占空比固定时,通过合理的参数设计,此驱动电路具有较快的开关速度。

      2)该电路只需一个电源,即为单电源工作。

      实验和结论

      本文设计了一台不对称半桥变换器样机:工作频率为98kHz,输入电压为400VDC,输出电压为30VDC。测得占空比为0.47时的驱动波形Ug1,Ug1如图(6)所示。

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      经过本文的验证,这种新型的不对称半桥隔离驱动电路结构不仅简单,并且圆满的实现了与MOS管的的互补驱动,并且这种驱动具有很好稳定性,足以成为一款高性能的驱动电路。希望大家能够充分理解这种全新的驱动电路,并将之充分利用。

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  • 1 引言  MOSFET凭开关速度快、导通...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
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    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

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      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

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      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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    关于电机驱动MOS驱动电路:半桥驱动芯片自举电路各器件参数理解

    微信公众号:游名开源

    技术群:171897584

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    1、MOS管结电容

        MOS管的电流选择电机的额定电流5到10倍以上,耐压选择1.5倍左右以上; 

        由于MOSFET的G,D,S两两之间存在寄生电容,他们的输入电容、输出电容和反向传输电容公式分别为: 

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    其中:    Ciss与驱动设计有关,特别是驱动电流过小,充电时间慢          Coss用于设计软开关,可能引起电路的谐振     Crss影响开关的上升和下降时间。

    2、自举电路半桥驱动芯片驱动能力选择 

        前面已经提到Ciss与驱动设计有关,驱动电流越小充电时间越慢;

        如果电机驱动功率需要比较大,要是半桥驱动能力不足,会导致输出功率上不去;

        就要选择驱动能力比较强的半桥驱动芯片;

        300mA对应大概30A(前提MOS的Ciss要比较小)。 

    3、自举电容选型 

        自举电容与自举回路的充放电频率有关,频率越高,自举电容越小。

        频率主要指PWM频率,一般选择104到106之间;

        有条件的可以106并联104再并个15V稳压管。

    4、自举二极管 

        电机驱动功率越大,对半桥驱动驱动能力要求越大,自举二极管的额定电流也要相应选择更大些;

        对于小功率电机驱动,选择4148即可,中功率可以选择RS1M或SS14,大功率则要选择SS34或SS54等;

         另外功率比较大的话,为了保护自举二极管,还需要串个限流电阻。

    5、母线电容 

        关于温度:温度越高电容容值、耐压、寿命等都会影响  

        电容容值:100uF对应1A上下;

        电容耐压:需要选择工作电压的1.5倍以上;

        电容内阻:尽可能的小,越小充放电时间越快;

        电容寿命:长时间工作的就要选择厂寿命电容(10000小时),成本也要上去不少。 

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