【導讀】在電機驅動系統(tǒng)中，柵極驅動器或“預驅動器” IC常與N溝道功率MOSFET一起使用，以提供驅動電機所需的大電流。在選擇驅動器IC、MOSFET以及某些情況下用到的相關無源元件時，有很多需要考量的設計因素。如果對這個過程了解不透徹，將導致實現(xiàn)方式的差強人意。
本文將介紹一些簡單的方法來為預驅動器/功率MOSFET電路選擇組件，并討論由此得到的系統(tǒng)性能。
從電機開始
為直流電機（無論是有刷電機，還是三相無刷電機）設計驅動器，應從電機入手。電機的特性將決定驅動器的設計細節(jié)，而其中兩個主要因素就是電機的工作電壓和電流要求。
這兩個參數(shù)看似簡單，實則不然。一般情況下，電機具有給定的額定電壓和額定電流，但在實際工作中，其值可能與額定值不同。電機實際速度取決于所施加的電壓，電機所需的電流取決于所施加的扭矩。因此，驅動器設計不一定需要完全滿足電機規(guī)格。
電機數(shù)據(jù)手冊中通常會給出速度常數(shù)和扭矩常數(shù)，這兩個參數(shù)可用于估算特定應用所需的電壓和電流。驅動器的供電電壓必須至少與電機獲得所需速度需要的電壓一樣高，但是電源電壓通常取決于系統(tǒng)的可用電壓。而最大電流需求則通常由電機啟動機械負載所需的扭矩來決定。
選擇MOSFET
確保所選功率MOSFET的額定值至少等于電機所需的電源電壓和最大電流。當然，最好還留有一定裕量。
通常情況下，MOSFET的漏源電壓額定值（VDS）應至少比電源電壓高20％。在某些情況下，尤其是在電流大、扭矩步長大、電源控制不良的系統(tǒng)中，所需裕量可能需要高達電源電壓的兩倍。
因此，MOSFET的額定電流必須足夠高，才能提供電機所需的峰值電流。但散熱又是個不得不考量的大問題。MOSFET耗散功率并在漏源電阻RDS(ON)中產(chǎn)生熱量。包括環(huán)境溫度和MOSFET散熱在內的熱條件決定了可以耗散的功率。而最大允許功耗最終決定了如何選擇基于。RDS(ON)值的MOSFET.
一旦確定了必要的額定電壓和RDS(ON)，剩下最重要就是考慮總柵極電荷(QG)了。柵極電荷用于度量導通和關斷MOSFET所需的電荷量。(QG)較低的MOSFET更易于驅動。與具有較高(QG)的MOSFET相比，它可以以較低的柵極驅動電流進行更快的切換。
柵極驅動電流和上升/下降時間
功率MOSFET的柵極可以看作是柵極和源極端子之間的非線性電容。 盡管柵極不傳導直流電流，也需要電流來對柵極電容充電和放電，以導通和關斷MOSFET。提供給柵極的電流量決定了完全導通MOSFET所需的時間。相反，柵極的拉電流量則決定了MOSFET關斷需要的時間。
要了解驅動柵極所需的條件，首先要知道MOSFET的切換速度。低開關損耗需要快速的上升和下降時間，而低EMI需要緩慢的上升和下降時間，設計師必須在二者之間做出權衡。此外，PWM頻率以及所需的最小和最大占空比也給切換速度增加了一層限制。例如，在20kHz PWM頻率下，1％占空比需要產(chǎn)生500ns長的脈沖，這需要幾百納秒或更短的上升和下降時間。
當所需的上升/下降時間確定之后，再來計算必要的柵極驅動電流。我們可以用(QG) / t來估算柵極驅動電流，其中(QG) 是總柵極電荷，t是所需的上升/下降時間。
注意，這個電流是在整個上升/下降時間內所需的驅動電流量。實際中的柵極驅動電流在這段時間內通常會有所變化，因為大多數(shù)柵極驅動器都不是恒流驅動器。
如果為柵極提供恒定電流，則柵極上的電壓不是線性斜率變化-它在MOSFET切換期間會有一段平穩(wěn)狀態(tài)（見圖1）。這被稱為“米勒高原”，它是由柵漏電容引起的。在漏極轉換期間，柵漏電容需要電流充電，造成柵源電容的充電速度變慢。
圖1: 1A恒定電流柵極驅動（100nC – 紅色 = 柵極, 紫色= 漏極, 200ns/div）
提供給柵極的充電電流越低，轉換完成所需的時間就越長。
圖2: 具備12?串聯(lián)電阻的 12V柵極驅動（100nC – 紅色 = 柵極, 紫色= 漏極, 200ns/div）
圖2為具有12Ω串聯(lián)電阻的12V恒壓柵極驅動器波形。在這種情況下“米勒高原”仍然存在，柵極達到12V所需的時間更長，但漏極的切換時間幾乎沒變。
選擇預驅動器IC
所需的最小柵極驅動電流一旦確定，就可以選擇支持該電流的柵極驅動器（預驅動器）IC了。這類器件種類繁多，可能具有不同的通道數(shù)、柵極驅動電流能力和電源電壓范圍。有些器件還提供了其他集成功能，例如集成電流采樣放大器和保護電路等。
許多半導體供應商都提供用于電源管理產(chǎn)品（包括MPS的電源管理產(chǎn)品）的預驅動器IC，其中有許多用于直流電機驅動器的單通道和三通道預驅動器IC，包括三通道60V和100V系列以及單相100V器件。
部分預驅動器IC使用線性穩(wěn)壓器、電荷泵和/或自舉電容器從主電機電源內部生成所需的柵極驅動電壓。而另一些則需要單獨的柵極驅動電源。如果要實現(xiàn)100％占空比工作（長時間輸出高電平），則選擇帶有內部電荷泵的預驅動器，這樣才能使上管柵極長時間保持導通。如果僅依靠自舉電路驅動上管，則預驅動器只能在有限的時間內保持上管MOSFET導通，因為漏電流會在一段時間后耗盡自舉電容。
柵極驅動器最低限度需要提供實現(xiàn)上述上升和下降時間所需的電流量，但也可以使用具有更大電流能力的驅動器。
部分驅動器IC通過改變器件內部的柵極驅動量來調節(jié)上升和下降時間（也稱為“斜率調節(jié)”）。當所采用的器件不具備內置斜率調節(jié)功能時，也可以在柵極驅動器輸出和MOSFET柵極之間插入電阻來調節(jié)。但這種方法會限制柵極電流，并減慢上升和下降時間。添加一個二極管，可以獲得獨立的上升和下降時間（見圖3）。
圖3: 添加二極管示意圖
圖4: 柵極和輸出波形
采用這種方法通常是為了確保半橋結構中的一個FET在對面FET導通之前完全關斷，從而確保死區(qū)時間。圖4顯示出，下管柵極（GLA）通過二極管放電時下降非常快，但上管柵極（GHA）由于電阻的存在充電緩慢。其結果是，由上管MOSFET導通控制的輸出（SHA）緩慢上升。
由于柵極具有非線性電容，而且驅動器通常不是真正的電壓或電流源（通常是在線性區(qū)域中工作的FET），因此很難準確計算出實現(xiàn)特定上升或下降時間所需的電阻 。一般情況下，最好通過實驗或仿真得出正確的值。可以從假設柵極驅動電流等于柵極驅動電壓（通常為12V）除以串聯(lián)電阻開始。計算時，確保包含了柵極驅動器的輸出電阻。
結論
本文提供的實用信息可為帶預驅動器IC和功率MOSFET的電機驅動器提供最佳組件選擇，希望可以幫助設計師在電機驅動器設計中選擇到正確的IC和相關組件。
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