在低电压(100V以下)驱动应用中,多使用MOSFET作为功率转换器件。随着电压的提高,MOSFET的优势也随着不明显,所以在高压的应用场合,多使用IGBT作为功能器件,该类器件的耐压可以做得较高,结合了FET和三极管的优点,它的导通电阻和开关速度不比MOSFET,所以器件本身的导通损耗和开关损耗都比较大,一般需要另加散热装置。
MOSFET和IGBT的驱动电路很相似,故下文以MOSFET作为示例,介绍在电机控制中,MOSFET驱动电路中各个元件的用途,因描述内容来源于实际工程应用,故不会对相关知识作刨根式描述,是以实用为主,公式或理论上的描述等请自行查看相关资料。
驱动MOSFET,可以选用专用MOSFET驱动IC完成电平转换和驱动。因为MOSFET的栅-源极之间存在寄生电容,MOSFET的开和关过程,是对电容的充放电过程,如果MOSFET的驱动电路不能提供足够的峰值电流(如1A的输入/输出电流),则会降低MOSFET的开关速度。另一方面,驱动桥臂的上半桥的N沟道管……
如下图,是应用MOSFET驱动IC驱动由两个MOSFET搭建的半桥。
<ignore_js_op>
易注意到:在MOSFET的栅极和驱动IC的输出之间串联了一个电阻。这个电阻称为“栅极电阻”,取值一般为10~100欧姆不等,其作用是调节MOSFET的开关速度,减少栅极出现的振铃现象,减小EMI,也可以对栅极电容充放电的限流作用。
由于驱动器和MOSFET栅极之间的引线、地回路的引线等所产生的电感,和IC和FET内部的寄生电感,在开启时会在MOSFET栅极出现振铃,这是设计者不愿意得到的,一方面增加MOSFET的开关损耗,同时EMC方面不好控制。
栅极电阻的引入虽然影响了MOSFET的开关速度,但得到可靠的栅极波形和减少EMI。两者之间的平衡点视实际应用而定。
因特性决定,MOSFET的关断速度比开启速度慢,并大多应用希望MOSFET的关断速度要尽量快,所以对以上电路,要求改善电路的关断速度,可使用如下图之电路进行改善:
<ignore_js_op>
如上图,引入了二极管,当需要关闭MOSFET时,栅极寄生电容放电时,栅极电阻被二极管短路,所以电流不经过栅极电阻,相当于在关闭时栅极电阻不存在,这样缩短了栅极寄生电容的放电时间,即提高了MOSFET的关断速度。二极管使用一般的型号即可应付。
对于要求更高速的应用,会使用有源主动放电,电机应用中一般不使用,这里不作介绍。
如下电路图,在上图的基础上,在半桥的浮地引入一只电阻R3。
<ignore_js_op>
这个电阻一方面可以设置MOSFET的开、关速度,另一方面,由于电机的线圈为感性负载,在浮地端可能会出现负电压,R3的引入可以作限流作用,从而保护MOSFET驱动IC的VS端。
因此电阻会同时降低MOSFET的开关速度,故其取值不宜太大。
如上所述,电机驱动应用中,电机线圈是感性负载,在VS端可能会出现负电压,这可能使自举电容充电时超过了+15V。
<ignore_js_op>
为了防止以上的情况发生,出于保护MOSFET驱动IC的目的,再次引入一只二极管,用于对VS端电压的钳位。
由于MOSFET为电压敏感器件,如在上电时,MOSFET可能出有效电压,使MOSFET意外地导通,这也是设计者不愿意看到的。
<ignore_js_op>
R4和R5的引入相当于一个下拉电阻,使在驱动电路没有电流输出时,保证MOSFET的Ugs的电压为0,确保MOSFET被关断。
MOSFET的栅-源极电压一般不能承受太高的电压(一般是20V以下),如下电路图所示,在MOSFET的栅极引入电压钳位器件,用于保护MOSFET。
<ignore_js_op>
以上是电机驱动器的常用电机驱动电路的应用笔记,其中的观点存在不妥甚至错误在所难免,但我们尽量减少这样的失误。如果存在这样的情况请联系我们。
不同的应用,部分器件的取舍、器件的选择等有所不同,只有理解电路中每个元件的作用,才能设计出合理的电路,达到设计的最优。除了器件,线路板(PCB)的布局、布线也应得到重视。