MOSFET半橋驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)要領(lǐng)
MOSFET憑開關(guān)速度快、導(dǎo)通電阻低等優(yōu)點(diǎn)在開關(guān)電源及電機(jī)驅(qū)動(dòng)等應(yīng)用中得到了廣泛應(yīng)用。要想使MOSFET在應(yīng)用中充分發(fā)揮其性能,就必須設(shè)計(jì)-一個(gè)適合應(yīng)用的最優(yōu)驅(qū)動(dòng)電路和參數(shù)。在應(yīng)用中MOSFET一般工作在橋式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)模式下,如圖1所示。
由于下橋MOSFET驅(qū)動(dòng)電壓的參考點(diǎn)為地,較容易設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電路,而上橋的驅(qū)動(dòng)電壓是跟隨相線電壓浮動(dòng)的,因此如何很好地驅(qū)動(dòng)上橋MOSFET成了設(shè)計(jì)能否成功的關(guān)鍵。半橋驅(qū)動(dòng)芯片由于其易于設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電路、外圍元器件少、驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)在MOSFET驅(qū)動(dòng)電路中得到廣泛應(yīng)用。
橋式結(jié)構(gòu)拓?fù)浞治?/div>
圖1所示為驅(qū)動(dòng)三相直流無刷電機(jī)的橋式電路,其中LpcB、Ls、Lp為直流母線和相線的引線電感,電機(jī)為三相Y型直流無刷電機(jī),其工作原理如下。
直流無刷電機(jī)通過橋式電路實(shí)現(xiàn)電子換相,電機(jī)工作模式為三相六狀態(tài),MOSFET導(dǎo)通順序?yàn)镼1Q5→Q1Q6-→Q2Q6→Q2Q4→Q3Q4→Q3Q5。系統(tǒng)通過調(diào)節(jié)上橋MOSFET的PWM占空比來實(shí)現(xiàn)速度調(diào)節(jié)。Q1. Q5導(dǎo)通時(shí),電流(I..)由
VDD經(jīng)Q1、電機(jī)線圈、Q5流至地線,電機(jī)AB相通電。Q1關(guān)閉、Q5導(dǎo)通時(shí),電流經(jīng)過Q5,Q4續(xù)流(If),電機(jī)線圈中的電流基本維持不變。
Q1再次開通時(shí),由于Q3體二極管的電荷恢復(fù)過程,體二極管不能很快關(guān)斷,因此體二極管中會(huì)有.反向恢復(fù)電流(I..)流過。由于I..的變化很快,因此在(I..)回路中產(chǎn)生很高的di/dt.
MOSFET半橋驅(qū)動(dòng)電路工作原理
圖2所示為典型的MOSFET半橋驅(qū)動(dòng)電路。半橋驅(qū)動(dòng)電路的關(guān)鍵是如何實(shí)現(xiàn).上橋的驅(qū)動(dòng)。圖2中C1為自舉電容,D1為快恢復(fù)二極管。PWM在上橋調(diào)制。當(dāng)Q1關(guān)斷時(shí),A點(diǎn)電位由于Q2的續(xù)流而回零,此時(shí)CI通過VCC及D1進(jìn)行充電。當(dāng)輸入信號(hào)H..開通時(shí),上橋的驅(qū)動(dòng)由CI供電。由于C1的電壓不變,Vg隨Vs的升高而浮動(dòng),所以C1稱為自舉電容。
每個(gè)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(dāng)Q1關(guān)斷時(shí)為.C1充電提供正向電流通道,當(dāng)Q1開通時(shí),阻止電流反向流人控制電壓VCC. D2的作用是為使上橋能夠快速關(guān)斷,減少開關(guān)損耗,縮短MOSFET關(guān)斷時(shí)的不穩(wěn)定過程。D3的作用是避免上橋快速開通時(shí)下橋的柵極電壓耦合.上升(Cdv/dt)而導(dǎo)致上下橋穿通的現(xiàn)象。
應(yīng)注意的問題
偏磁問題
原因:由于兩個(gè)電容連接點(diǎn)A的電位是隨Q1、Q2導(dǎo)通情況而浮動(dòng)的,所以能夠自動(dòng)的平衡每個(gè)晶體管開關(guān)的伏秒值,當(dāng)浮動(dòng)不滿足要求時(shí),假設(shè) Q1、Q2具有不同的開關(guān)特性,即在相同的基極脈沖寬度t=t1下,Q1關(guān)斷較慢,Q2關(guān)斷較快,則對(duì)B點(diǎn)的電壓就會(huì)有影響,就會(huì)有有灰色面積中A1、 A2的不平衡伏秒值,原因就是Q1關(guān)斷延遲。
如果要這種不平衡的波形驅(qū)動(dòng)變壓器,將會(huì)發(fā)生偏磁現(xiàn)象,致使鐵心飽和并產(chǎn)生過大的晶體管集電極電流,從而降低了變換器的效率,使晶體管失控,甚至燒毀。
解決辦法:在變壓器原邊線圈中加一個(gè)串聯(lián)電容C3,則與不平衡的伏秒值成正比的直流偏壓將被次電容濾掉,這樣在晶體管導(dǎo)通期間,就會(huì)平衡電壓的伏秒值,達(dá)到消除偏磁的目的。
用作橋臂的兩個(gè)電容選用問題:
從MOSFET半橋驅(qū)動(dòng)電路結(jié)構(gòu)上看,選用橋臂上的兩個(gè)電容C1、C2時(shí)需要考慮電容的均壓?jiǎn)栴},盡量選用C1=C2的電容,那么當(dāng)某一開關(guān)管導(dǎo)通時(shí),繞組上的電壓只有電源電壓的一半,達(dá)到均壓效果,一般情況下,還要在兩個(gè)電容兩端各并聯(lián)一個(gè)電阻(原理圖中的R1和R2)并且R1=R2進(jìn)一步滿足要求,此時(shí)在選擇阻值和功率時(shí)需要注意降額。
此時(shí),電容C1、C2的作用就是用來自動(dòng)平衡每個(gè)開關(guān)管的伏秒值,(與C3的區(qū)別:C3是濾去影響伏秒平衡的直流分量)。
直通問題
所謂直通,就是Q1、Q2在某一時(shí)刻同時(shí)導(dǎo)通的現(xiàn)象,此時(shí)會(huì)構(gòu)成短路。
解決措施:可以對(duì)驅(qū)動(dòng)脈沖寬度的最大值加以限制,使導(dǎo)通角度不會(huì)產(chǎn)生直通。
還可以從拓?fù)渖辖鉀Q問題,才用交叉耦合封閉電路,使一管子導(dǎo)通時(shí),另一管子驅(qū)動(dòng)在封閉狀態(tài),直到前一個(gè)管子關(guān)斷,封閉才取消,后管才有導(dǎo)通的可能,這種自動(dòng)封鎖對(duì)存儲(chǔ)時(shí)間、參數(shù)分布有自動(dòng)適應(yīng)的優(yōu)點(diǎn),而且對(duì)占空比可以滿度使用的。
兩個(gè)電路的選擇主要是考慮以下兩點(diǎn):
1、根據(jù)輸出電壓的高低,考慮管子的安全問題;
2、功率損耗的問題,主要是開關(guān)管和副邊繞組的損耗問題;
半橋電路的驅(qū)動(dòng)問題:
1、原邊線圈過負(fù)載限制:要給原邊的功率管提供獨(dú)立的電流限制;
2、軟啟動(dòng):?jiǎn)?dòng)時(shí),要限制脈寬,使得脈寬在啟動(dòng)的最初若干個(gè)周期中慢慢上升;
3、磁的控制:控制晶體管驅(qū)動(dòng)脈沖寬度相等,要使正反磁通相等,不產(chǎn)生偏磁;
4、防止直通:要控制占空比上限縮小;
5、電壓的控制和隔離:電路要閉環(huán)控制,隔離可以是光電隔離器、變壓器或磁放大器等;
6、過壓保護(hù):通常是封閉變換器的開關(guān)脈沖以進(jìn)行過壓保護(hù);
7、電流限制:電流限制安裝在輸入或輸出回路上,在發(fā)生短路時(shí)候起作用;
8、輸入電壓過低保護(hù):規(guī)定只有在發(fā)揮良好性能的足夠高的電壓下才能啟動(dòng);
9、此外,還要有合適的輔助功能:如浪涌電流限制和輸出濾波環(huán)節(jié)等。
半橋電路的驅(qū)動(dòng)特點(diǎn):
1、上下橋臂不共地,即原邊電路的開關(guān)管不共地。
2、隔離驅(qū)動(dòng)。
MOSFET半橋驅(qū)動(dòng)電路:結(jié)語
在設(shè)計(jì)半橋驅(qū)動(dòng)電路時(shí),應(yīng)注意以下方面:
1.選取適當(dāng)?shù)淖耘e電容,確保在應(yīng)用中有足夠的自舉電壓
2.選擇合適的驅(qū)動(dòng)電阻,電阻過大會(huì)增加MOSFET的開關(guān)損耗,電阻過小會(huì)引起相線振鈴和相線負(fù)壓,對(duì)系統(tǒng)和驅(qū)動(dòng)IC造成不良影響
3.在芯片電源處使用去耦電容
4.注意線路的布線,盡量減小驅(qū)動(dòng)回路和主回路中的寄生電感,使di/dt對(duì)系統(tǒng)的影響降到最小
5.選擇適合應(yīng)用的驅(qū)動(dòng)1C,不同IC的耐壓及驅(qū)動(dòng)電流等諸多參數(shù)都不一樣,所以應(yīng)根據(jù)實(shí)際應(yīng)用選擇合適的驅(qū)動(dòng)IC。
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