MOSFET半桥驱动电路设计要领
作者：万代半导体元件(上海)有限公司高级应用工程师葛小荣张龙来源:电子设计应用2009年第10期引言
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。
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L PCB、L S、L D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。
图1 桥式拓扑电路
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(I on)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(I F)，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(I rr)流过。由于I rr的变化很快，因此在I rr回路中产生很高的di/dt。
半桥驱动电路工作原理
图2所示为典型的半桥驱动电路。
图2 半桥驱动电路原理
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。
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Q G、上桥驱动电路的静态电流I QBS、驱动IC中电平转换电路的电荷要求Q LS、自举电容的漏电流I CBS(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V BS将会有很大的电压纹波，并且可能会低于欠压值V BSUV，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：
其中，V F为自举二极管正向压降，V LS为下桥器件压降或上桥负载压降，f为工作频率。
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: V BS)和驱动电压(CH2: V GS)波形，使用的MOSFET为AOT472。
图3 半桥驱动芯片上桥驱动波形
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V s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。
相线振铃的产生及抑制
相线振铃的产生
在图1中，线路的引线电感(L PCB+L S+L D)及引线电阻R PCB与MOSFET的输出电容C OSS形成了RLC串联回路，如图4(a)所示，对此回路进行分析如下：
图4 RLC振荡电路及其波形
4. 选择具有较小Q rr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
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V BS电压(CH4)过低而使驱动芯片进入欠压保护(图5中V BS的电压已跌至5V)。由图5可以看出，当H in(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。
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。
