如何選擇Mosfet驅(qū)動(dòng)程序進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制

工程師經(jīng)常使用柵極驅(qū)動(dòng)器或“預(yù)驅(qū)動(dòng)器” IC以及N溝道功率MOSFET來提供驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)所需的高電流。重要的是要考慮與選擇驅(qū)動(dòng)器IC，MOSFET以及在某些情況下相關(guān)的無源組件有關(guān)的所有設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)。通常，對(duì)該過程的了解不多，實(shí)現(xiàn)方式也不盡人意。讓我們開始討論為預(yù)驅(qū)動(dòng)器/功率MOSFET電路選擇組件的簡(jiǎn)單方法，以及由此產(chǎn)生的系統(tǒng)性能。

從電機(jī)規(guī)格開始

設(shè)計(jì)直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器（無論是有刷電動(dòng)機(jī)還是三相無刷電動(dòng)機(jī)），電動(dòng)機(jī)的特性將決定驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)。有助于定義驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)的兩個(gè)主要因素是電動(dòng)機(jī)的工作電壓和電流要求。

但是，這些參數(shù)并不像人們最初想到的那么簡(jiǎn)單。電機(jī)通常具有給定的電壓和電流額定值，實(shí)際運(yùn)行值可能會(huì)根據(jù)應(yīng)用情況而與這些額定值不同。施加的電壓決定了電動(dòng)機(jī)的速度。電動(dòng)機(jī)所需的電流取決于施加在電動(dòng)機(jī)上的轉(zhuǎn)矩。因此，驅(qū)動(dòng)器可能需要設(shè)計(jì)也可能不需要按照電動(dòng)機(jī)的完整規(guī)格進(jìn)行設(shè)計(jì)。

您可以使用通常在電機(jī)數(shù)據(jù)表中給出的速度常數(shù)和轉(zhuǎn)矩常數(shù)來估算特定應(yīng)用所需的電壓和電流。驅(qū)動(dòng)器必須使用至少與從電動(dòng)機(jī)上獲得所需速度所需的電壓一樣高的電壓供電，但是電源電壓通常取決于系統(tǒng)可用的電壓。通常，最大電流需求由使用機(jī)械負(fù)載啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)所需的轉(zhuǎn)矩來設(shè)置。

選擇MOSFET

確保選擇額定功率至少為電源電壓和電機(jī)所需最大電流的功率MOSFET。請(qǐng)記住，有必要留一些余量。

選擇一個(gè)漏極至源極額定電壓（VDS）至少比電源電壓高20％的MOSFET。在某些情況下，尤其是在電流較大，轉(zhuǎn)矩步長(zhǎng)較大且電源控制不佳的系統(tǒng)中，您可能需要的裕度是電源電壓的兩倍。

當(dāng)然，MOSFET的額定電流必須足夠高，以提供電動(dòng)機(jī)所需的峰值電流，但通常在散熱方面占主導(dǎo)地位。MOSFET會(huì)耗散功率并在漏極-源極電阻RDS（ON）中產(chǎn)生熱量。包括環(huán)境溫度和MOSFET可用的任何散熱在內(nèi)的熱約束設(shè)定了可以消耗多少功率的限制。該最大允許功耗驅(qū)動(dòng)基于RDS（ON）值的MOSFET選擇。

一旦找到必要的額定電壓和RDS（ON），請(qǐng)務(wù)必考慮總柵極電荷（QG）。柵極電荷是衡量打開和關(guān)閉MOSFET需要多少電荷的度量。QG較低的MOSFET更易于驅(qū)動(dòng)。與較低的QG相比，它在較低的柵極驅(qū)動(dòng)電流下切換速度更快。

柵極驅(qū)動(dòng)電流和上升/下降時(shí)間

可以將功率MOSFET的柵極視為柵極和源極端子之間的非線性電容。即使柵極不傳導(dǎo)直流電流，它也確實(shí)需要電流來對(duì)柵極電容進(jìn)行充電和放電，從而導(dǎo)通和關(guān)斷MOSFET。提供給柵極的電流量決定了完全導(dǎo)通MOSFET所花費(fèi)的時(shí)間。同樣，當(dāng)電流從柵極拉出時(shí)，該電流量將設(shè)置MOSFET的關(guān)斷時(shí)間。

要了解驅(qū)動(dòng)?xùn)艠O所需的條件，您需要知道MOSFET的開關(guān)速度。您必須在低開關(guān)損耗（需要快速的上升和下降時(shí)間）和低EMI（需要緩慢的上升和下降時(shí)間）之間進(jìn)行設(shè)計(jì)權(quán)衡。此外，脈寬調(diào)制（PWM）頻率以及所需的最小和最大占空比限制了開關(guān)速度的時(shí)間。例如，在20 kHz PWM頻率下，占空比為1％時(shí)需要產(chǎn)生500 ns的脈沖。這需要數(shù)百納秒或更短的上升和下降時(shí)間。

確定所需的上升/下降時(shí)間后，計(jì)算所需的柵極驅(qū)動(dòng)電流?？梢怨烙?jì)為QG/t，其中QG是總柵極電荷，t是所需的上升/下降時(shí)間。請(qǐng)注意，這是在整個(gè)上升/下降時(shí)間內(nèi)需要驅(qū)動(dòng)的電流量-實(shí)際上，由于大多數(shù)柵極驅(qū)動(dòng)器不提供恒定電流，因此柵極驅(qū)動(dòng)電流通常會(huì)在這段時(shí)間內(nèi)有所變化。

如果將恒定電流輸送到柵極，則柵極處的電壓不是線性斜率，而是線性斜率。在MOSFET切換期間，它達(dá)到一個(gè)平穩(wěn)狀態(tài)（圖1）。這被稱為“米勒高原”，是由柵極-漏極電容引起的。當(dāng)漏極過渡時(shí)，此電容需要電流充電，因此柵極-源極電容的充電會(huì)變慢。提供給柵極充電的電流越低，轉(zhuǎn)換完成所需的時(shí)間就越長(zhǎng)。

圖1：1A恒流柵極驅(qū)動(dòng)器（100 nC –紅色=柵極，紫色=漏極，200ns / div。）

圖2顯示了使用具有12Ω串聯(lián)電阻的12 V恒壓柵極驅(qū)動(dòng)器時(shí)的波形。高原仍然存在，柵極達(dá)到12 V所需的時(shí)間更長(zhǎng)，但漏極的開關(guān)時(shí)間幾乎相同。

圖2：具有12串聯(lián)電阻的12V柵極驅(qū)動(dòng)器（100 nC –紅色=柵極，紫色=漏極，200ns / div。）

選擇前置驅(qū)動(dòng)器IC

一旦知道所需的最小柵極驅(qū)動(dòng)電流，就選擇可以支持它的柵極驅(qū)動(dòng)器（預(yù)驅(qū)動(dòng)器）IC。這些零件的種類繁多，具有不同數(shù)量的通道，柵極驅(qū)動(dòng)電流功能和電源電壓范圍。某些部分還提供其他集成功能，例如電流檢測(cè)放大器和保護(hù)電路。

許多半導(dǎo)體供應(yīng)商都提供預(yù)驅(qū)動(dòng)器IC，這些供應(yīng)商生產(chǎn)用于電源管理的產(chǎn)品，包括MPS。這些供應(yīng)商提供了專為DC電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)的各種單通道和三通道預(yù)驅(qū)動(dòng)器IC，包括三通道60V和100V系列以及單相100V器件。

一些預(yù)驅(qū)動(dòng)器IC使用線性穩(wěn)壓器，電荷泵和/或自舉電容器從主電動(dòng)機(jī)電源內(nèi)部生成所需的柵極驅(qū)動(dòng)電壓。其他一些則需要單獨(dú)的柵極驅(qū)動(dòng)電源。要以100％的占空比工作（長(zhǎng)時(shí)間輸出高電平），請(qǐng)選擇帶有內(nèi)部電荷泵的預(yù)驅(qū)動(dòng)器，以使高端柵極長(zhǎng)時(shí)間保持導(dǎo)通狀態(tài)。僅依靠自舉電路驅(qū)動(dòng)高端的預(yù)驅(qū)動(dòng)器只能在有限的時(shí)間內(nèi)保持高端MOSFET的導(dǎo)通，因?yàn)橐欢螘r(shí)間后漏電流會(huì)耗盡自舉電容。

柵極驅(qū)動(dòng)器必須至少能夠提供實(shí)現(xiàn)上述所需的上升和下降時(shí)間所需的電流量，但是也可以使用具有更大電流能力的驅(qū)動(dòng)器。一些驅(qū)動(dòng)器IC提供了一種通過改變零件內(nèi)部柵極驅(qū)動(dòng)的數(shù)量來調(diào)節(jié)上升和下降時(shí)間（也稱為“轉(zhuǎn)換速率調(diào)節(jié)”）的方法。當(dāng)使用不具有內(nèi)置壓擺率調(diào)節(jié)功能的部件時(shí)，用戶可以在柵極驅(qū)動(dòng)器輸出和MOSFET柵極之間插入電阻。這限制了柵極電流，并減慢了上升和下降時(shí)間。

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