中心議題：

• 功率MOSFET保護電路設計
• 功率MOSFET驅動(dòng)電路的設計
• MOSFET的驅動(dòng)保護電路應用實(shí)例

解決方案：

• 基于IR2130驅動(dòng)模塊的MOSFET驅動(dòng)保護電路

功率場(chǎng)效應晶體管由于具有諸多優(yōu)點(diǎn)而得到廣泛的應用；但它承受短時(shí)過(guò)載的能力較弱，使其應用受到一定的限制。分析了MOSFET器件驅動(dòng)與保護電路的設計要求；計算了MOSFET驅動(dòng)器的功耗及MOSFET驅動(dòng)器與MOSFET的匹配；設計了基于IR2130驅動(dòng)模塊的MOSFET驅動(dòng)保護電路。該電路具有結構簡(jiǎn)單，實(shí)用性強，響應速度快等特點(diǎn)。在驅動(dòng)無(wú)刷直流電機的應用中證明，該電路驅動(dòng)能力及保護功能效果良好?！　?br />
功率場(chǎng)效應晶體管（Power MOSFET）是一種多數載流子導電的單極型電壓控制器件，具有開(kāi)關(guān)速度快、高頻性能好、輸入阻抗高、噪聲小、驅動(dòng)功率小、動(dòng)態(tài)范圍大、無(wú)二次擊穿現象和安全工作區域（SOA）寬等優(yōu)點(diǎn)，因此，在高性能的開(kāi)關(guān)電源、斬波電源及電機控制的各種交流變頻電源中獲得越來(lái)越多的應用。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(guò)載能力，因而其實(shí)際使用受到一定的限制。如何設計出可靠和合理的驅動(dòng)與保護電路，對于充分發(fā)揮MOSFET功率管的優(yōu)點(diǎn)，起著(zhù)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驅動(dòng)模塊為核心，設計了功率MOSFET驅動(dòng)保護電路應用與無(wú)刷直流電機控制系統中，同時(shí)也闡述了本電路各個(gè)部分的設計要求。該設計使系統功率驅動(dòng)部分的可靠性大大的提高?！　?br />
1 功率MOSFET保護電路設計　　

功率場(chǎng)效應管自身?yè)碛斜姸鄡?yōu)點(diǎn)，但是MOSFET管具有較脆弱的承受短時(shí)過(guò)載能力，特別是在高頻的應用場(chǎng)合，所以在應用功率MOSFET對必須為其設計合理的保護電路來(lái)提高器件的可靠性。功率MOSFET保護電路主要有以下幾個(gè)方面：　　

1）防止柵極  di/dt過(guò)高：由于采用驅動(dòng)芯片，其輸出阻抗較低，直接驅動(dòng)功率管會(huì )引起驅動(dòng)的功率管快速的開(kāi)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(guò)高的di/dt而引起誤導通。為避免上述現象的發(fā)生，通常在MOS驅動(dòng)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?！　?br />
2）防止柵源極間過(guò)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(huì )通過(guò)極間電容耦合到柵極而產(chǎn)生相當高的柵源尖峰電壓，此電壓會(huì )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(huì )使柵源氧化層擊穿，所以要在MOS管柵極并聯(lián)穩壓管以限制柵極電壓在穩壓管穩壓值以下，保護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?！　?br />
3）防護漏源極之間過(guò)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電路，同樣有可能因為器件開(kāi)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(kāi)關(guān)速度越快，產(chǎn)生的過(guò)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緩沖電路等保護措施?！　?br />
當電流過(guò)大或者發(fā)生短路時(shí)，功率MOSFET漏極與源極之間的電流會(huì )迅速增加并超過(guò)額定值，必須在過(guò)流極限值所規定的時(shí)間內關(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電路，當電流到達一定值，通過(guò)保護電路關(guān)閉驅動(dòng)電路來(lái)保護MOSFET管。圖1是MOSFET管的保護電路，由此可以清楚的看出保護電路的功能。
 

圖1 功率管的保護電路　　

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2 功率MOSFET驅動(dòng)電路的設計　　

功率場(chǎng)效應晶體管的柵極對驅動(dòng)電路的要求主要有以下幾個(gè)方面：　　

1）產(chǎn)生的柵極驅動(dòng)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(kāi)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(kāi)關(guān)速度；　　

3）為了使功率MOSFET可靠導通，柵極驅動(dòng)脈沖應有足夠的幅度和寬度；　　

4）功率MOSFET開(kāi)關(guān)時(shí)所需的驅動(dòng)電流為柵極電容的充放電電流，為了使開(kāi)關(guān)波形有足夠的上升下降陡度，驅動(dòng)電流要大?！　?br />
MOSFET驅動(dòng)器在驅動(dòng)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驅動(dòng)器電源電壓；F為開(kāi)關(guān)頻率?！　?br />
2）MOSFET驅動(dòng)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為驅動(dòng)器輸入為高電平狀態(tài)的靜態(tài)電流；D為開(kāi)關(guān)波形的占空比；IQL為驅動(dòng)器輸入為低電平狀態(tài)的靜態(tài)電流?！　?br />
3）MOSFET驅動(dòng)器交越導通電流產(chǎn)生的功耗為：　　

PS=CC×F×VDD       （3）　　

其中：CC為交越常數?！　?br />
從上述公式可以推導出，在3部分功耗中其中柵極電容充放電功耗在MOSFET驅動(dòng)器功耗中占的比例最高，特別是在很低的開(kāi)關(guān)頻率時(shí)。同時(shí)根據公式減小柵極驅動(dòng)電壓可以顯著(zhù)減少驅動(dòng)器的功耗。

在應用中使MOS管驅動(dòng)器與MOS管匹配主要是根據功率MOS管導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管柵極電容導通與截止的時(shí)間與MOS管驅動(dòng)器的驅動(dòng)電流的關(guān)系可以表示為：　　

T=（VxC）/I     （4）　　

其中：T表示導通與截止時(shí)間，V表示MOS管柵極源極兩端的電壓，C表示柵極電容，I表示驅動(dòng)器峰值驅動(dòng)電流?！　?br />
根據柵極電壓與柵極電容的乘積為柵極電荷Q則上式可轉化為T(mén)=Q/I.本設計中功率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,導通/截止時(shí)間為106 ns,可以得到峰值驅動(dòng)電流為，驅動(dòng)電壓為12 V,本設計驅動(dòng)芯片采用IR公司的IR2130驅動(dòng)模塊，該芯片可用來(lái)驅動(dòng)工作在母電壓不高于600 V的電路中的功率MOS門(mén)器件，其可輸出的最大正向峰值驅動(dòng)電流為250mA,輸出驅動(dòng)電壓為10~20V而反向峰值驅動(dòng)電流為500 mA.它內部設計有過(guò)流、過(guò)壓及欠壓保護、封鎖和指示網(wǎng)絡(luò )，使用戶(hù)可方便的用來(lái)保護被驅動(dòng)的MOS門(mén)功率管，加之內部自舉技術(shù)的巧妙運用使其可用于高壓系統，它還可對同一橋臂上下2個(gè)功率器件的門(mén)極驅動(dòng)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），在它的內部還設計有與被驅動(dòng)的功率器件所通過(guò)的電流成線(xiàn)性關(guān)系的電流放大器，電路設計還保證了內部的3個(gè)通道的高壓側驅動(dòng)器和低壓側驅動(dòng)器可單獨使用，亦可只用其內部的3個(gè)低壓側驅動(dòng)器，并且輸入信號與TTL及COMS電平兼容。IR2130管腳如圖2所示。
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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動(dòng)信號輸入端，低電平有效。CA-、CAO、VSO:內部放大器的反相端、輸出端和同相端，可對主電路的電流進(jìn)行檢測。ITRIP:過(guò)流信號檢測輸入端，可通過(guò)輸入電流信號來(lái)完成過(guò)流或直通保護。FAULT:過(guò)流、直通短路、過(guò)壓、欠壓保護輸出端，該端提供一個(gè)故障保護的指示信號。它在芯片內部是漏極開(kāi)路輸出端，低電平有效。VB1~VB3:是懸浮電源連接端，通過(guò)自舉電容和快速恢復二極管為3個(gè)上橋臂功率管的驅動(dòng)器提供內部懸浮電源，其中快速恢復二極管的作用是防止母線(xiàn)電壓倒流損壞器件，VS1~VS3是其對應的懸浮電源地端。HO1~HO3、LO1~LO3:逆變器上下橋臂功率開(kāi)關(guān)器件驅動(dòng)器信號輸出端?！　?br />
在實(shí)際應用中，IR2130的設計也有一些不合理之處，在使用中應特別注意?！　?br />
1）IR2130的故障輸出只有一個(gè)通道，在實(shí)際應用中很難判斷是過(guò)流還是欠壓故障，特別是在上電過(guò)程中，控制電源必然從0上升至某值，在此過(guò)程中，IR2130的故障輸出端因內部欠壓而動(dòng)作，將此信號作為過(guò)電流信號去觸發(fā)前級保護電路時(shí)，如果前級保護電路具有自鎖功能，可能使電路無(wú)法起動(dòng)?！　?br />
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停機或出現異常，因此，電流檢測電阻應采用無(wú)感電阻?！　?br />
3）由于IR2130采用了不隔離的驅動(dòng)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，嚴重時(shí)還會(huì )將IR2130前級電路擊穿?！　?br />
4）當IR2130的輸入信號來(lái)自微處理器時(shí)必須采取隔離措施，由于IR2130具有高側驅動(dòng)功能，因此可使用普通光耦，以降低成本?！　?br />
3 應用實(shí)例　　

永磁無(wú)刷直流電機是隨著(zhù)高性能永磁材料、電機控制技術(shù)和電力電子技術(shù)發(fā)展而出現的一種新型電機，它既具有交流電機結構簡(jiǎn)單、運行可靠、維護方便、壽命長(cháng)等優(yōu)點(diǎn)，又具備直流電機運行效率高、無(wú)勵磁損耗及調速性能好等諸多優(yōu)點(diǎn)，且還具有功率密度高，低轉速，大轉矩的特點(diǎn)。它的應用已從最初的軍事工業(yè)，向航空航天、醫療、信息、家電以及工業(yè)自動(dòng)化等領(lǐng)域迅速發(fā)展?！　?br />
圖3是由IR2130組成的無(wú)刷直流電機驅動(dòng)原理圖為便于表示只畫(huà)出其中一個(gè)橋臂的電路示意圖，通過(guò)IR2130輸入信號控制MOSFET的開(kāi)關(guān)，由此驅動(dòng)無(wú)刷直流動(dòng)機。C1是自舉電容，為上橋臂功率管驅動(dòng)的懸浮電源存儲能量，D1的作用是防止上橋臂導通時(shí)母線(xiàn)電壓倒流到IR2130的電源上而使器件損壞，因此D1應有足夠的反向耐壓，當然D1與C1串聯(lián)也是為了滿(mǎn)足主電路功率開(kāi)關(guān)頻率的要求，D1應選快速恢復二極管。  R1、R2、R10、R11、R12、C4組成過(guò)流檢測電路。R5、R6為柵極驅動(dòng)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。
 

圖3 無(wú)刷直流電機驅動(dòng)原理圖　　

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功率場(chǎng)效應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(chǎng)效應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(kāi)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?！　?br />
在實(shí)際應用中柵極的驅動(dòng)波形如圖4所示，此波形是在電機3000RPM時(shí)的驅動(dòng)波形，可以看出此波形完全能夠滿(mǎn)足要求，同時(shí)進(jìn)行了短路、電機堵轉等試驗，圖3電路也能過(guò)很好地保護功率MOSFET管。
 

圖4 柵極驅動(dòng)波形　　

4 結束語(yǔ)　　

功率MOSFET驅動(dòng)保護電路的設計可直接決定系統對執行機構的驅動(dòng)品質(zhì)。文中針對具體的微電機驅動(dòng)保護系統，有針對性地功率驅動(dòng)保護電路進(jìn)行計算分析與設計。實(shí)驗證明該電路設計簡(jiǎn)單可靠，驅動(dòng)與保護效果良好，完全可以滿(mǎn)足控制系統對執行機構的驅動(dòng)要求。