半橋驅(qū)動(dòng)電路工作原理 自舉電容的計(jì)算及注意事項(xiàng)

圖1所示為驅(qū)動(dòng)三相直流無(wú)刷電機(jī)的橋式電路，其中LpcB、Ls、Lp為直流母線(xiàn)和相線(xiàn)的引線(xiàn)電感，電機(jī)為三相Y型直流無(wú)刷電機(jī)，其工作原理如下。

直流無(wú)刷電機(jī)通過(guò)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)椋?/p>

Q1Q5→Q1Q6→Q2Q6→Q2Q4→Q3Q4→Q3Q5。

系統(tǒng)通過(guò)調(diào)節(jié)上橋MOSFET的PWM占空比來(lái)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(xiàn)圈、Q5流至地線(xiàn)，電機(jī)AB相通電。Q1關(guān)閉、Q5導(dǎo)通時(shí)，電流經(jīng)過(guò)Q5，Q4續(xù)流(If)，電機(jī)線(xiàn)圈中的電流基本維持不變。

Q1再次開(kāi)通時(shí)，由于Q3體二極管的電荷恢復(fù)過(guò)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(guò)。由于I..的變化很快，因此在(I..)回路中產(chǎn)生很高的di/dt.

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(guò)VCC及D1進(jìn)行充電。

當(dāng)輸入信號(hào)H..開(kāi)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(chēng)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(kāi)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(kāi)關(guān)損耗，縮短MOSFET關(guān)斷時(shí)的不穩(wěn)定過(guò)程。D3的作用是避免上橋快速開(kāi)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。

自舉電容的計(jì)算及注意事項(xiàng)

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(qū)動(dòng)電路的靜態(tài)電流IQBS、驅(qū)動(dòng)IC中電平轉(zhuǎn)換電路的電荷要求QLS、自舉電容的漏電流ICBS（leak）。

計(jì)算自舉電容值

自舉電容必須在每個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)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(huì)有很大的電壓紋波，并且可能會(huì)低于欠壓值VBSUV，使上橋無(wú)輸出并停止工作。

電容的最小容量可根據(jù)以下公式算出：

其中，VF為自舉二極管正向壓降，VLS為下橋器件壓降或上橋負(fù)載壓降，f為工作頻率。

需注意的問(wèn)題

偏磁問(wèn)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(kāi)關(guān)的伏秒值，當(dāng)浮動(dòng)不滿(mǎn)足要求時(shí)，假設(shè) Q1、Q2具有不同的開(kāi)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(guò)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(xiàn)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(wèn)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(kāi)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(mǎn)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(lái)自動(dòng)平衡每個(gè)開(kāi)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(wèn)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(wèn)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(mǎn)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(wèn)題;

2、功率損耗的問(wèn)題，主要是開(kāi)關(guān)管和副邊繞組的損耗問(wèn)題;

半橋電路的驅(qū)動(dòng)問(wèn)題：

1、原邊線(xiàn)圈過(guò)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(guò)壓保護(hù)：通常是封閉變換器的開(kāi)關(guān)脈沖以進(jìn)行過(guò)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(guò)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(kāi)關(guān)管不共地。

2、隔離驅(qū)動(dòng)。

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(guò)大會(huì)增加MOSFET的開(kāi)關(guān)損耗，電阻過(guò)小會(huì)引起相線(xiàn)振鈴和相線(xiàn)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(xiàn)路的布線(xiàn)，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。

原文標(biāo)題：MOSFET半橋驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)要點(diǎn)

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審核編輯：湯梓紅