MOSFET的半桥驱动电路设计要领详解

　　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。

　　

　　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。

　　

　　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：

　　

　　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。

　　

　　

　　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：

　　

　　

　　

　　

　　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

　　

　　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。

　　

　　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。