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典型功率MOSFET驅(qū)動保護(hù)電路設(shè)計(jì)方案

發(fā)布時(shí)間:2016-07-15 責(zé)任編輯:wenwei

【導(dǎo)讀】功率場效應(yīng)晶體管由于承受短時(shí)過載的能力較弱,使其應(yīng)用受到一定的限制。本文分析了MOSFET器件驅(qū)動與保護(hù)電路的設(shè)計(jì)要求,計(jì)算了MOSFET驅(qū)動器的功耗及MOSFET驅(qū)動器與MOSFET的匹配之后,在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了基于IR2130驅(qū)動模塊的MOSFET驅(qū)動保護(hù)電路。該電路具有結(jié)構(gòu)簡單,實(shí)用性強(qiáng),響應(yīng)速度快等特點(diǎn)。在驅(qū)動無刷直流電機(jī)的應(yīng)用中證明,該電路驅(qū)動能力及保護(hù)功能效果良好。
 
功率場效應(yīng)晶體管(Power MOSFET)是一種多數(shù)載流子導(dǎo)電的單極型電壓控制器件,具有開關(guān)速度快、高頻性能好、輸入阻抗高、噪聲小、驅(qū)動功率小、動態(tài)范圍大、無二次擊穿現(xiàn)象和安全工作區(qū)域(SOA)寬等優(yōu)點(diǎn),因此,在高性能的開關(guān)電源、斬波電源及電機(jī)控制的各種交流變頻電源中獲得越來越多的應(yīng)用。但相比于絕緣柵雙極型晶體管IGBT或大功率雙極型晶體管GTR等,MOSFET管具有較弱的承受短時(shí)過載能力,因而其實(shí)際使用受到一定的限制。如何設(shè)計(jì)出可靠和合理的驅(qū)動與保護(hù)電路,對于充分發(fā)揮MOSFET功率管的優(yōu)點(diǎn),起著至關(guān)重要的作用,也是有效利用MOSFET管的前提和關(guān)鍵。文中用IR2130驅(qū)動模塊為核心,設(shè)計(jì)了功率MOSFET驅(qū)動保護(hù)電路應(yīng)用與無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)中,同時(shí)也闡述了本電路各個(gè)部分的設(shè)計(jì)要求。該設(shè)計(jì)使系統(tǒng)功率驅(qū)動部分的可靠性大大的提高。
 
1 功率MOSFET保護(hù)電路設(shè)計(jì)
 
功率場效應(yīng)管自身擁有眾多優(yōu)點(diǎn),但是MOSFET管具有較脆弱的承受短時(shí)過載能力,特別是在高頻的應(yīng)用場合,所以在應(yīng)用功率MOSFET對必須為其設(shè)計(jì)合理的保護(hù)電路來提高器件的可靠性。功率MOSFET保護(hù)電路主要有以下幾個(gè)方面:
 
1)防止柵極 di/dt過高:由于采用驅(qū)動芯片,其輸出阻抗較低,直接驅(qū)動功率管會引起驅(qū)動的功率管快速的開通和關(guān)斷,有可能造成功率管漏源極間的電壓震蕩,或者有可能造成功率管遭受過高的di/dt而引起誤導(dǎo)通。為避免上述現(xiàn)象的發(fā)生,通常在MOS驅(qū)動器的輸出與MOS管的柵極之間串聯(lián)一個(gè)電阻,電阻的大小一般選取幾十歐姆。
 
2)防止柵源極間過電壓 由于柵極與源極的阻抗很高,漏極與源極間的電壓突變會通過極間電容耦合到柵極而產(chǎn)生相當(dāng)高的柵源尖峰電壓,此電壓會使很薄的柵源氧化層擊穿,同時(shí)柵極很容易積累電荷也會使柵源氧化層擊穿,所以要在MOS管柵極并聯(lián)穩(wěn)壓管以限制柵極電壓在穩(wěn)壓管穩(wěn)壓值以下,保護(hù)MOS管不被擊穿,MOS管柵極并聯(lián)電阻是為了釋放柵極電荷,不讓電荷積累。
 
3)防護(hù)漏源極之間過電壓 雖然漏源擊穿電壓VDS一般都很大,但如果漏源極不加保護(hù)電路,同樣有可能因?yàn)槠骷_關(guān)瞬間電流的突變而產(chǎn)生漏極尖峰電壓,進(jìn)而損壞MOS管,功率管開關(guān)速度越快,產(chǎn)生的過電壓也就越高。為了防止器件損壞,通常采用齊納二極管鉗位和RC緩沖電路等保護(hù)措施。
 
當(dāng)電流過大或者發(fā)生短路時(shí),功率MOSFET漏極與源極之間的電流會迅速增加并超過額定值,必須在過流極限值所規(guī)定的時(shí)間內(nèi)關(guān)斷功率MOSFET,否則器件將被燒壞,因此在主回路增加電流采樣保護(hù)電路,當(dāng)電流到達(dá)一定值,通過保護(hù)電路關(guān)閉驅(qū)動電路來保護(hù)MOSFET管。圖1是MOSFET管的保護(hù)電路,由此可以清楚的看出保護(hù)電路的功能。
 
典型功率MOSFET驅(qū)動保護(hù)電路設(shè)計(jì)方案
圖1 功率管的保護(hù)電路
 
2 功率MOSFET驅(qū)動電路的設(shè)計(jì)
 
功率場效應(yīng)晶體管的柵極對驅(qū)動電路的要求主要有以下幾個(gè)方面:
 
1)產(chǎn)生的柵極驅(qū)動脈沖必須具有足夠的上升和下降速度,脈沖的前后沿要陡峭:
 
2)開通時(shí)以低電阻對柵極電容充電,關(guān)斷時(shí)為柵極電荷提供低電阻放電回路,以提高功率MOSFET的開關(guān)速度;
 
3)為了使功率MOSFET可靠導(dǎo)通,柵極驅(qū)動脈沖應(yīng)有足夠的幅度和寬度;
 
4)功率MOSFET開關(guān)時(shí)所需的驅(qū)動電流為柵極電容的充放電電流,為了使開關(guān)波形有足夠的上升下降陡度,驅(qū)動電流要大。
 
MOSFET驅(qū)動器在驅(qū)動MOSFET功率管的功耗主要包括3個(gè)方面:
 
1)MOSFET柵極電容的充電放電產(chǎn)生的功耗為:
 
Pc=CG×F×V2DD (1)
 
其中:CG為MOSFET柵極電容;VDD為MOSFET驅(qū)動器電源電壓;F為開關(guān)頻率。
 
2)MOSFET驅(qū)動器吸收靜態(tài)電流產(chǎn)生的功耗為:
 
PQ=(IQH×D+IQL(1-D))×VDD (2)
 
其中:IQH為驅(qū)動器輸入為高電平狀態(tài)的靜態(tài)電流;D為開關(guān)波形的占空比;IQL為驅(qū)動器輸入為低電平狀態(tài)的靜態(tài)電流。
 
3)MOSFET驅(qū)動器交越導(dǎo)通電流產(chǎn)生的功耗為:
 
PS=CC×F×VDD (3)
 
其中:CC為交越常數(shù)。
 
從上述公式可以推導(dǎo)出,在3部分功耗中其中柵極電容充放電功耗在MOSFET驅(qū)動器功耗中占的比例最高,特別是在很低的開關(guān)頻率時(shí)。同時(shí)根據(jù)公式減小柵極驅(qū)動電壓可以顯著減少驅(qū)動器的功耗。
 
在應(yīng)用中使MOS管驅(qū)動器與MOS管匹配主要是根據(jù)功率MOS管導(dǎo)通和截止的速度快慢即柵極電壓的上升和下降時(shí)間,也即是MOS管柵極電容的充放電速度。MOS管柵極電容導(dǎo)通與截止的時(shí)間與MOS管驅(qū)動器的驅(qū)動電流的關(guān)系可以表示為:
 
T=(VxC)/I (4)
 
其中:T表示導(dǎo)通與截止時(shí)間,V表示MOS管柵極源極兩端的電壓,C表示柵極電容,I表示驅(qū)動器峰值驅(qū)動電流。
 
根據(jù)柵極電壓與柵極電容的乘積為柵極電荷Q則上式可轉(zhuǎn)化為T=Q/I.本設(shè)計(jì)中功率MOSFET采用IR公司的IRF3710S功率MOSFET芯片,從其datasheet可以得到MOSFET的柵極電荷為26 nC,導(dǎo)通/截止時(shí)間為106 ns,可以得到峰值驅(qū)動電流為,驅(qū)動電壓為12 V,本設(shè)計(jì)驅(qū)動芯片采用IR公司的IR2130驅(qū)動模塊,該芯片可用來驅(qū)動工作在母電壓不高于600 V的電路中的功率MOS門器件,其可輸出的最大正向峰值驅(qū)動電流為250mA,輸出驅(qū)動電壓為10~20V而反向峰值驅(qū)動電流為500 mA.它內(nèi)部設(shè)計(jì)有過流、過壓及欠壓保護(hù)、封鎖和指示網(wǎng)絡(luò),使用戶可方便的用來保護(hù)被驅(qū)動的MOS門功率管,加之內(nèi)部自舉技術(shù)的巧妙運(yùn)用使其可用于高壓系統(tǒng),它還可對同一橋臂上下2個(gè)功率器件的門極驅(qū)動信號產(chǎn)生2μs互鎖延時(shí)時(shí)間。它自身工作和電源電壓的范圍較寬(3~20 V),在它的內(nèi)部還設(shè)計(jì)有與被驅(qū)動的功率器件所通過的電流成線性關(guān)系的電流放大器,電路設(shè)計(jì)還保證了內(nèi)部的3個(gè)通道的高壓側(cè)驅(qū)動器和低壓側(cè)驅(qū)動器可單獨(dú)使用,亦可只用其內(nèi)部的3個(gè)低壓側(cè)驅(qū)動器,并且輸入信號與TTL及COMS電平兼容。IR2130管腳如圖2所示。
 
典型功率MOSFET驅(qū)動保護(hù)電路設(shè)計(jì)方案
圖2 IR2130管腳
 
圖2中HIN1~HIN3、LIN1~LIN3:逆變器上橋臂和下橋臂功率管的驅(qū)動信號輸入端,低電平有效。CA-、CAO、VSO:內(nèi)部放大器的反相端、輸出端和同相端,可對主電路的電流進(jìn)行檢測。ITRIP:過流信號檢測輸入端,可通過輸入電流信號來完成過流或直通保護(hù)。FAULT:過流、直通短路、過壓、欠壓保護(hù)輸出端,該端提供一個(gè)故障保護(hù)的指示信號。它在芯片內(nèi)部是漏極開路輸出端,低電平有效。VB1~VB3:是懸浮電源連接端,通過自舉電容和快速恢復(fù)二極管為3個(gè)上橋臂功率管的驅(qū)動器提供內(nèi)部懸浮電源,其中快速恢復(fù)二極管的作用是防止母線電壓倒流損壞器件,VS1~VS3是其對應(yīng)的懸浮電源地端。HO1~HO3、LO1~LO3:逆變器上下橋臂功率開關(guān)器件驅(qū)動器信號輸出端。
 
在實(shí)際應(yīng)用中,IR2130的設(shè)計(jì)也有一些不合理之處,在使用中應(yīng)特別注意。
 
1)IR2130的故障輸出只有一個(gè)通道,在實(shí)際應(yīng)用中很難判斷是過流還是欠壓故障,特別是在上電過程中,控制電源必然從0上升至某值,在此過程中,IR2130的故障輸出端因內(nèi)部欠壓而動作,將此信號作為過電流信號去觸發(fā)前級保護(hù)電路時(shí),如果前級保護(hù)電路具有自鎖功能,可能使電路無法起動。
 
2)由于IR2130的電流檢測輸入端直接與主電路連接,很容易引入干擾而使系統(tǒng)停機(jī)或出現(xiàn)異常,因此,電流檢測電阻應(yīng)采用無感電阻。
 
3)由于IR2130采用了不隔離的驅(qū)動方式,若主電路功率器件損壞,高壓將直接串入IR2130,引起IR2130永久性損壞,嚴(yán)重時(shí)還會將IR2130前級電路擊穿。
 
4)當(dāng)IR2130的輸入信號來自微處理器時(shí)必須采取隔離措施,由于IR2130具有高側(cè)驅(qū)動功能,因此可使用普通光耦,以降低成本。
 
3 應(yīng)用實(shí)例
 
永磁無刷直流電機(jī)是隨著高性能永磁材料、電機(jī)控制技術(shù)和電力電子技術(shù)發(fā)展而出現(xiàn)的一種新型電機(jī),它既具有交流電機(jī)結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行可靠、維護(hù)方便、壽命長等優(yōu)點(diǎn),又具備直流電機(jī)運(yùn)行效率高、無勵(lì)磁損耗及調(diào)速性能好等諸多優(yōu)點(diǎn),且還具有功率密度高,低轉(zhuǎn)速,大轉(zhuǎn)矩的特點(diǎn)。它的應(yīng)用已從最初的軍事工業(yè),向航空航天、醫(yī)療、信息、家電以及工業(yè)自動化等領(lǐng)域迅速發(fā)展。
 
圖3是由IR2130組成的無刷直流電機(jī)驅(qū)動原理圖為便于表示只畫出其中一個(gè)橋臂的電路示意圖,通過IR2130輸入信號控制MOSFET的開關(guān),由此驅(qū)動無刷直流動機(jī)。C1是自舉電容,為上橋臂功率管驅(qū)動的懸浮電源存儲能量,D1的作用是防止上橋臂導(dǎo)通時(shí)母線電壓倒流到IR2130的電源上而使器件損壞,因此D1應(yīng)有足夠的反向耐壓,當(dāng)然D1與C1串聯(lián)也是為了滿足主電路功率開關(guān)頻率的要求,D1應(yīng)選快速恢復(fù)二極管。 R1、R2、R10、R11、R12、C4組成過流檢測電路。R5、R6為柵極驅(qū)動電阻,D4、D5為功率管提供了一個(gè)低阻抗的放電回路,使功率管能夠快速的泄放電荷。
 
典型功率MOSFET驅(qū)動保護(hù)電路設(shè)計(jì)方案
圖3 無刷直流電機(jī)驅(qū)動原理圖
 
功率場效應(yīng)管的柵極與源極之間并聯(lián)了一個(gè)電阻和一個(gè)齊納二極管,電阻的作用是降低柵極與源極間的阻抗,齊納二極管的作用是防止柵極與源極間尖端電壓擊穿功率管。同時(shí)在功率場效應(yīng)管的漏極與源極之間并聯(lián)了一個(gè)RC電路和齊納二極管,由于器件開關(guān)瞬間電流的突變而產(chǎn)生漏極尖峰電壓,所以必須加上RC緩沖電路和齊納二極管對其進(jìn)行保護(hù)。
 
在實(shí)際應(yīng)用中柵極的驅(qū)動波形如圖4所示,此波形是在電機(jī)3000RPM時(shí)的驅(qū)動波形,可以看出此波形完全能夠滿足要求,同時(shí)進(jìn)行了短路、電機(jī)堵轉(zhuǎn)等試驗(yàn),圖3電路也能過很好地保護(hù)功率MOSFET管。
 
典型功率MOSFET驅(qū)動保護(hù)電路設(shè)計(jì)方案
圖4 柵極驅(qū)動波形
 
4 結(jié)束語
 
功率MOSFET驅(qū)動保護(hù)電路的設(shè)計(jì)可直接決定系統(tǒng)對執(zhí)行機(jī)構(gòu)的驅(qū)動品質(zhì)。文中針對具體的微電機(jī)驅(qū)動保護(hù)系統(tǒng),有針對性地功率驅(qū)動保護(hù)電路進(jìn)行計(jì)算分析與設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)證明該電路設(shè)計(jì)簡單可靠,驅(qū)動與保護(hù)效果良好,完全可以滿足控制系統(tǒng)對執(zhí)行機(jī)構(gòu)的驅(qū)動要求。


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