選擇用于運動控制的 Mosfet 驅(qū)動程序

工程師通常使用柵極驅(qū)動器或“預(yù)驅(qū)動器”IC 以及 N 溝道功率 MOSFET 來提供驅(qū)動電機(jī)所需的高電流。重要的是要考慮與選擇驅(qū)動器 IC、MOSFET 以及在某些情況下相關(guān)的無源元件相關(guān)的所有設(shè)計注意事項。通常，人們對這個過程知之甚少，而且實現(xiàn)也不是最佳的。讓我們首先討論為前置驅(qū)動器/功率 MOSFET 電路選擇組件的簡單方法，以及由此產(chǎn)生的系統(tǒng)性能。

從電機(jī)規(guī)格開始

設(shè)計直流電機(jī)驅(qū)動器——無論是用于有刷電機(jī)還是三相無刷電機(jī)——電機(jī)特性將決定驅(qū)動器的設(shè)計細(xì)節(jié)。有助于定義驅(qū)動器設(shè)計的兩個主要因素是電機(jī)的工作電壓和電流要求。

然而，這些參數(shù)并不像人們最初想象的那么簡單。電機(jī)通常具有額定電壓和電流，實際工作值可能會因應(yīng)用而異。施加的電壓決定了電機(jī)速度。電機(jī)所需的電流取決于施加到電機(jī)的扭矩。因此，驅(qū)動器可能需要也可能不需要按照電機(jī)的完整規(guī)格進(jìn)行設(shè)計。

您可以使用速度常數(shù)和扭矩常數(shù)（通常在電機(jī)數(shù)據(jù)表中給出）來估計特定應(yīng)用中所需的電壓和電流。驅(qū)動器的供電電壓必須至少與從電機(jī)獲得所需速度所需的電壓一樣高，但電源電壓通常由系統(tǒng)可用的電壓決定。最大電流要求通常由啟動帶有機(jī)械負(fù)載的電機(jī)所需的扭矩設(shè)置。

選擇 MOSFET

請務(wù)必選擇額定功率至少為電機(jī)所需的電源電壓和最大電流的功率 MOSFET。請記住，有必要留出一些余量。

選擇漏源電壓額定值 (V DS ) 至少比電源電壓高 20%的 MOSFET 。在某些情況下——尤其是在具有大電流、大扭矩階躍和電源控制不佳的系統(tǒng)中——您可能需要兩倍于電源電壓的裕量。

當(dāng)然，MOSFET 的額定電流必須足夠高以提供電機(jī)所需的峰值電流，但通常熱考慮占主導(dǎo)地位。MOSFET 在漏源電阻 R DS(ON) 中耗散功率并產(chǎn)生熱量。熱約束，包括環(huán)境溫度和任何可用于 MOSFET 的散熱器，對可以耗散的功率設(shè)置了限制。此最大允許功耗會根據(jù) R DS(ON)值驅(qū)動 MOSFET 的選擇。

一旦找到必要的額定電壓和 R DS(ON)，一定要考慮總柵極電荷 (Q G )。柵極電荷用于衡量打開和關(guān)閉 MOSFET 所需的電荷量。具有較低 Q G 的MOSFET更容易驅(qū)動。與具有高 Q G 的柵極驅(qū)動電流相比，它的開關(guān)速度更快，柵極驅(qū)動電流更低。

柵極驅(qū)動電流和上升/下降時間

將功率 MOSFET 的柵極視為柵極和源極端子之間的非線性電容。即使柵極不傳導(dǎo)直流電流，它也需要電流來對柵極電容進(jìn)行充電和放電，從而開啟和關(guān)閉 MOSFET。提供給柵極的電流量決定了完全導(dǎo)通 MOSFET 所需的時間。類似地，當(dāng)電流從柵極拉出時，該電流量設(shè)置了 MOSFET 的關(guān)斷時間。

要了解驅(qū)動?xùn)艠O需要什么，您需要知道開關(guān) MOSFET 的速度。您必須在低開關(guān)損耗（需要快速上升和下降時間）和低 EMI（需要緩慢上升和下降時間）之間進(jìn)行設(shè)計權(quán)衡。此外，脈寬調(diào)制 (PWM) 頻率以及所需的最小和最大占空比對開關(guān)速度施加了時間限制。例如，對于 20 kHz PWM 頻率，1% 的占空比需要生成 500 ns 的脈沖。這需要幾百納秒或更短的上升和下降時間。

確定所需的上升/下降時間后，計算所需的柵極驅(qū)動電流。這可以估計為Q G / t，其中Q G是總柵極電荷，t 是所需的上升/下降時間。請注意，這是在整個上升/下降時間內(nèi)需要驅(qū)動的電流量——實際上，柵極驅(qū)動電流通常在這段時間內(nèi)會有所不同，因為大多數(shù)柵極驅(qū)動器不提供恒定電流。

如果向柵極輸送恒定電流，則柵極電壓不是線性斜率；它在 MOSFET 開關(guān)期間達(dá)到一個平臺（圖 1）。這被稱為“米勒高原”，由柵漏電容引起。當(dāng)漏極轉(zhuǎn)換時，該電容需要電流充電，因此柵極-源極電容的充電速度減慢。提供給柵極充電的電流越低，完成轉(zhuǎn)換所需的時間就越長。

圖 1：1A 恒流柵極驅(qū)動（100 nC – 紅色 = 柵極，紫色 = 漏極，200ns/div。）

圖 2 顯示了使用具有 12 Ω 串聯(lián)電阻的 12 V 恒壓柵極驅(qū)動器時的波形。平臺仍然存在，柵極達(dá)到 12 V 需要更長的時間，但漏極的開關(guān)時間幾乎相同。

圖 2：具有 12 Ω 串聯(lián)電阻的 12V 柵極驅(qū)動器（100 nC – 紅色 = 柵極，紫色 = 漏極，200ns/div。）

選擇前置驅(qū)動器 IC

知道所需的最小柵極驅(qū)動電流后，選擇可以支持它的柵極驅(qū)動器（預(yù)驅(qū)動器）IC。這些部件種類繁多，具有不同數(shù)量的通道、柵極驅(qū)動電流能力和電源電壓范圍。某些部件還提供其他集成功能，例如電流檢測放大器和保護(hù)電路。

許多制造電源管理產(chǎn)品的半導(dǎo)體供應(yīng)商都提供預(yù)驅(qū)動器 IC，包括 MPS。這些供應(yīng)商提供各種專為直流電機(jī)驅(qū)動設(shè)計的單通道和三通道前置驅(qū)動器 IC，包括三通道 60V 和 100V 系列，以及單相 100V 設(shè)備。

一些前置驅(qū)動器 IC 使用線性穩(wěn)壓器、電荷泵和/或自舉電容器從主電機(jī)電源內(nèi)部生成所需的柵極驅(qū)動電壓。其他需要單獨的柵極驅(qū)動電源。要在 100% 占空比下運行（長時間輸出為高電平），請選擇帶有內(nèi)部電荷泵的前置驅(qū)動器，以保持高側(cè)柵極長時間開啟。僅依賴高端自舉的預(yù)驅(qū)動器只能在有限的時間內(nèi)保持高端 MOSFET 開啟，因為一段時間后泄漏會耗盡自舉電容。

柵極驅(qū)動器必須至少能夠提供實現(xiàn)上述上升和下降時間所需的電流量，但也可以使用具有更大電流能力的驅(qū)動器。一些驅(qū)動器 IC 通過改變部件內(nèi)部的柵極驅(qū)動量，提供了一種調(diào)整上升和下降時間（也稱為“壓擺率調(diào)整”）的方法。當(dāng)使用沒有內(nèi)置壓擺率調(diào)整的部件時，用戶可以在柵極驅(qū)動器輸出和 MOSFET 柵極之間插入電阻。這限制了柵極電流，并減慢了上升和下降時間。

審核編輯 黃昊宇