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1、大幅提高电路牢靠性：MOSFET的驱动爱护电路的设计2012-06-01与中心议题： 功率MOSFET爱护电路设计 功率MOSFET驱动电路的设计 MOSFET的驱动爱护电路应用实例解决方案： 基于IR2130驱动模块的MOSFET驱动爱护电路功率场效应晶体管由于具有诸多优点而得到广泛的应用；但它承受短时过载的力量较弱，使其应用受到肯定的限制。分析了MoSFET器件驱动与爱护电路的设计要求；计算了MOSFET驱动器的功耗及MOSFET驱动器与MoSFET的匹配；设计了基于IR2130驱动模块的MOSFET驱动爱护电路。该电路具有结构简洁，有用性强，响应速度快等特点。在驱动无刷直流电机的应用中证
2、明，该电路驱动力量及爱护功能效果良好。功率场效应晶体管(POWerMOSFET)是一种多数载流子导电的单极型电压掌握器件，具有开关速度快、高频性能好、输入阻抗高、噪声小、驱动功率小、动态范围大、无二次击穿现象和平安工作区域(SoA)宽等优点，因此，在高性能的开关电源、斩波电源及电机掌握的各种沟通变频电源中获得越来越多的应用。但相比于绝缘栅双极型晶体管IGBT或大功率双极型晶体管GTR等，MOSFET管具有较弱的承受短时过载力量，因而其实际使用受到肯定的限制。如何设计出牢靠和合理的驱动与爱护电路，对于充分发挥MOSFET功率管的优点，起着至关重要的作用，也是有效采用MC)SFET管的前提和关键。
3、文中用IR2130驱动模块为核心，设计了功率MoSFET驱动爱护电路应用与无刷直流电机掌握系统中，同时也阐述了本电路各个部分的设计要求。该设计使系统功率驱动部分的牢靠性大大的提高。1功率MOSFET爱护电路设计功率场效应管自身拥有众多优点，但是MOSFET管具有较脆弱的承受短时过载力量，特殊是在高频的应用场合，所以在应用功率MOSFET对必需为其设计合理的爱护电路来提高器件的牢靠性。功率MC)SFET爱护电路主要有以下几个方面：1)防止栅极di/dt过高：由于采纳驱动芯片，其输出阻抗较低，直接驱动功率管会引起驱动的功率管快速的开通和关断，有可能造胜利率管漏源极间的电压震荡，或者有可能造胜利率管
4、患病过高的di/dt而引起误导通。为避开上述现象的发生，通常在MOS驱动器的输出与MoS管的栅极之间串联一个电阻，电阻的大小一般选取几十欧姆。2)防止栅源极间过电压由于栅极与源极的阻抗很高，漏极与源极间的电压突变会通过极间电容耦合到栅极而产生相当高的栅源尖峰电压，此电压会使很薄的栅源氧化层击穿，同时栅极很简洁积累电荷也会使栅源氧化层击穿，所以要在MOS管栅极并联稳压管以限制栅极电压在稳压管稳压值以下，爱护Mc)S管不被击穿，MoS管栅极并联电阻是为了释放栅极电荷，不让电荷积累。3)防护漏源极之间过电压虽然漏源击穿电压VDS一般都很大，但假如漏源极不加爱护电路，同样有可能由于器件开关瞬间电流的突
5、变而产生漏极尖峰电压，进而损坏MOS管，功率管开关速度越快，产生的过电压也就越高。为了防止器件损坏，通常采纳齐纳二极管钳位和RC缓冲电路等爱护措施。当电流过大或者发生短路时，功率Me)SFET漏极与源极之间的电流会快速增加并超过额定值，必需在过流极限值所规定的时间内关断功率Me)SFET,否则器件将被烧坏，因此在主回路增加电流采样爱护电路，当电流到达肯定值，通过爱护电路关闭驱动电路来爱护Me)SFET管。图1是MOSFET管的爱护电路，由此可以清晰的看出爱护电路的功能。图12功率MOSFET驱动电路的设计功率场效应晶体管的栅极对驱动电路的要求主要有以下几个方面:1)产生的栅极驱动脉冲必需具有足
6、够的提升和下降速度，脉冲的前后沿要陡峭:2)开通时以低电阻对栅极电容充电，关断时为栅极电荷供应低电阻放电回路，以提高功率MOSFET的开关速度；3)为了使功率MoSFET牢靠导通，栅极驱动脉冲应有足够的幅度和宽度；4)功率MoSFET开关时所需的驱动电流为栅极电容的充放电电流，为了使开关波形有足够的提升下降陡度，驱动电流要大。MOSFET驱动器在驱动MOSFET功率管的功耗主要包括3个方面：1) MOSFET栅极电容的充电放电产生的功耗为：Pc=CGFV2DD(1)其中：CG为MOSFET栅极电容；VDD为MoSFET驱动器电源电压；F为开关频率。2) MOSFET驱动器汲取静态电流产生的功耗
7、为：PQ=(IQHD+IQL(1-D)XVDD(2)其中：IQH为驱动器输入为高电平状态的静态电流；D为开关波形的占空比；IQL为驱动器输入为低电平状态的静态电流。3) MoSFET驱动器交越导通电流产生的功耗为：PS=CCFXVDD(3)其中：CC为交越常数。从上述公式可以推导出，在3部分功耗中其中栅极电容充放电功耗在MoSFET驱动器功耗中占的比例最高，特殊是在很低的开关频率时。同时依据公式减小栅极驱动电压可以显著削减驱动器的功耗。在应用中使MOS管驱动器与MOS管匹配主要是依据功率MOS管导通和截止的速度快慢即栅极电压的提升和下降时间，也即是MOS管栅极电容的充放电速度。MOS管栅极电容
8、导通与截止的时间与MOS管驱动器的驱动电流的关系可以表示为：T=(VxC)/1(4)其中：T表示导通与截止时间，V表示MOS管栅极源极两端的电压，C表示栅极电容，I表示驱动器峰值驱动电流。依据栅极电压与栅极电容的乘积为栅极电荷Q则上式可转化为T=QI.本设计中功率MOSFET采纳IR公司的IRF3710S功率MOSFET芯片，从其datasheet可以得到MOSFET的栅极电荷为26nC,导通/截止时间为106ns,可以得到峰值驱动电流为，驱动电压为12V,本设计驱动芯片采纳IR公司的IR2130驱动模块，该芯片可用来驱动工作在母电压不高于600V的电路中的功率MOS门器件，其可输出的最大正向
9、峰值驱动电流为250mA,输出驱动电压为1020V而反向峰值驱动电流为50OmA.它内部设计有过流、过压及欠压爱护、封锁和指示网络，使用户可便利的用来爱护被驱动的MOS门功率管，加之内部自举技术的奇妙运用使其可用于高压系统，它还可对同一桥臂上下2个功率器件的门极驱动信号产生2Us互锁延时时间。它自身工作和电源电压的范围较宽（320V）,在它的内部还设计有与被驱动的功率器件所通过的电流成线性关系的电流放大器，电路设计还保证了内部的3个通道的高压侧驱动器和低压侧驱动器可单独使用，亦可只用其内部的3个低压侧驱动器，并且输入信号与TTL及CoMS电平兼容。IR2130管脚如图2所示。原创文章.：htt
10、p:WWW【请保留版权，感谢！】文章出自电子元件技术网。2_4-56 7810LLirL14VCCTnT HIN2 -TTnT lTnT T TTTVJ FXnrr ITRlP CAO CA- Vss Vso L0312 22 3 3 3 1 2SCBO SCBO ScooVnvhvnv Hvnll282726252423212019-U1716IR2130图2IR2130管脚图2中HlNIHIN3、LINI-LIN3:逆变器上桥臂和下桥臂功率管的驱动信号输入端，低电平有效。CA-.CAO.VSO:内部放大器的反相端、输出端和同相端，可对主电路的电流进行检测。ITRIP:过流信号检测输入端，可
11、通过输入电流信号来完成过流或直通爱护。FAULT:过流、直通短路、过压、欠压爱护输出端，该端供应一个故障爱护的指示信号。它在芯片内部是漏极开路输出端，低电平有效。VB1VB3:是悬浮电源连接端，通过自举电容和快速恢复二极管为3个上桥臂功率管的驱动器供应内部悬浮电源，其中快速恢复二极管的作用是防止母线电压倒流损坏器件，VS1VS3是其对应的悬浮电源地端。HOIH03、LOILO3:逆变器上下桥臂功率开关器件驱动器信号输出端。在实际应用中，IR2130的设计也有一些不合理之处，在使用中应特殊留意.1）1R2130的故障输出只有一个通道，在实际应用中很难推断是过流还是欠压故障，特殊是在上电过程中，掌
12、握电源必定从0提升至某值，在此过程中，IR2130的故障输出端因内部欠压而动作，将此信号作为过电流信号去触发前级爱护电路时，假如前级爱护电路具有自锁功能，可能使电路无法起动。2）由于IR2130的电流检测输入端直接与主电路连接，很简洁引入干扰而使系统停机或消失特别，因此，电流检测电阻应采纳无感电阻。3）由于1R2130采纳了不隔离的驱动方式，若主电路功率器件损坏，高压将直接串入IR2I30,引起IR2130永久性损坏，严峻时还会将IR2I30前级电路击穿。4）当IR2130的输入信号来自微处理器时必需实行隔离措施，由于IR2130具有高侧驱动功能，因此可使用一般光耦，以降低成本。3应用实例永磁
13、无刷直流电机是随着高性能永磁材料、电机掌握技术和电力电子技术进展而消失的一种新型电机，它既具有沟通电机结构简洁、运行牢靠、维护便利、寿命长等优点，又具备直流电机运行效率高、无励磁损耗及调速性能好等诸多优点，且还具有功率密度高，低转速，大转矩的特点。它的应用己从最初的军事工业，向航空航天、医疗、信息、家电以及工业自动化等领域快速进展。图3是由IR2130组成的无刷直流电机驱动原理图为便于表示只画出其中一个桥臂的电路示意图，通过IR2130输入信号掌握MoSFET的开关，由此驱动无刷直流淌机。Cl是自举电容，为上桥臂功率管驱动的悬浮电源存储能量，Dl的作用是防止上桥臂导通时母线电压倒流到IR2I3
14、0的电源上而使器件损坏，因此Dl应有足够的反向耐压，当然Dl与Cl串联也是为了满意主电路功率开关频率的要求，Dl应选快速恢复二极管。RI、R2、RIO.RIKRI2、C4组成过流检测电路。R5、R6为栅极驱动电阻，D4、D5为功率管供应了一个低阻抗的放电回路，使功率管能够快速的泄放电荷。2ClVCCVB123ClITRlPVS123CA- LO123VSSVSOD6D3负检电机C3a16D7QAnDCl QiRf1vwLOAD UlYw图3无刷直流电机驱动原理图原创文章：功率场效应管的栅极与源极之间并联了一个电阻和一个齐纳二极管，电阻的作用是降低栅极与源极间的阻抗，齐纳二极管的作用是防止栅极与
15、源极间尖端电压击穿功率管。同时在功率场效应管的漏极与源极之间并联了一个RC电路和齐纳二极管，由于器件开关瞬间电流的突变而产生漏极尖峰电压，所以必需加上RC缓冲电路和齐纳二极管对其进行爱护。在实际应用中栅极的驱动波形如图4所示，此波形是在电机3000RPM时的驱动波形，可以看出此波形完全能够满意要求，同时进行了短路、电机堵转等试验，图3电路也能过很好地爱护功率MOSFET管。图4栅极驱动波形4结束语功率MOSFET驱动爱护电路的设计可直接打算系统对执行机构的驱动品质。文中针对详细的微电机驱动爱护系统，有针对性地功率驱动爱护电路进行计算分析与设计。试验证明该电路设计简洁牢靠，驱动与爱护效果良好，完全可以满意掌握系统对执行机构的驱动要求。：【请保留版权，感谢！】文章出自电子元件技术网。
