半桥驱动电路工作原理 自举电容的计算及注意事项

MOSFET半桥驱动电路设计要点

MOSFET凭开关速度快、导通电阻低等优点在开关电源及电机驱动等应用中得到了广泛应用。要想使MOSFET在应用中充分发挥其性能，就必须设计一个适合应用的最优驱动电路和参数。在应用中MOSFET一般工作在桥式拓扑结构模式下，如图1所示。

由于下桥MOSFET驱动电压的参考点为地，较容易设计驱动电路，而上桥的驱动电压是跟随相线电压浮动的，因此如何很好地驱动上桥MOSFET成了设计能否成功的关键。半桥驱动芯片由于其易于设计驱动电路、外围元器件少、驱动能力强、可靠性高等优点在MOSFET驱动电路中得到广泛应用。

桥式结构拓扑分析

图1所示为驱动三相直流无刷电机的桥式电路，其中LpcB、Ls、Lp为直流母线和相线的引线电感，电机为三相Y型直流无刷电机，其工作原理如下。

直流无刷电机通过桥式电路实现电子换相，电机工作模式为三相六状态，MOSFET导通顺序为：

Q1Q5→Q1Q6→Q2Q6→Q2Q4→Q3Q4→Q3Q5。

系统通过调节上桥MOSFET的PWM占空比来实现速度调节。Q1. Q5导通时，电流(I..)由VDD经Q1、电机线圈、Q5流至地线，电机AB相通电。Q1关闭、Q5导通时，电流经过Q5，Q4续流(If)，电机线圈中的电流基本维持不变。

Q1再次开通时，由于Q3体二极管的电荷恢复过程，体二极管不能很快关断，因此体二极管中会有.反向恢复电流(I..)流过。由于I..的变化很快，因此在(I..)回路中产生很高的di/dt.

半桥驱动电路工作原理

图2所示为典型的MOSFET半桥驱动电路。

半桥驱动电路的关键是如何实现上桥的驱动。图2中C1为自举电容，D1为快恢复二极管。PWM在上桥调制。当Q1关断时，A点电位由于Q2的续流而回零，此时CI通过VCC及D1进行充电。

当输入信号H..开通时，上桥的驱动由CI供电。由于C1的电压不变，Vg随Vs的升高而浮动，所以C1称为自举电容。

每个PWM周期，电路都给C1充电，维持其电压基本保持不变。D1的作用是当Q1关断时为.C1充电提供正向电流通道，当Q1开通时，阻止电流反向流人控制电压VCC. 

D2的作用是为使上桥能够快速关断，减少开关损耗，缩短MOSFET关断时的不稳定过程。D3的作用是避免上桥快速开通时下桥的栅极电压耦合.上升(Cdv/dt)而导致上下桥穿通的现象。

自举电容的计算及注意事项

影响自举电容取值的因素

影响自举电容取值的因素包括：上桥MOSFET的栅极电荷QG、上桥驱动电路的静态电流IQBS、驱动IC中电平转换电路的电荷要求QLS、自举电容的漏电流ICBS（leak）。

计算自举电容值

自举电容必须在每个开关周期内能够提供以上这些电荷，才能保持其电压基本不变，否则VBS将会有很大的电压纹波，并且可能会低于欠压值VBSUV，使上桥无输出并停止工作。

电容的最小容量可根据以下公式算出：

其中，VF为自举二极管正向压降，VLS为下桥器件压降或上桥负载压降，f为工作频率。

需注意的问题

偏磁问题

原因：由于两个电容连接点A的电位是随Q1、Q2导通情况而浮动的，所以能够自动的平衡每个晶体管开关的伏秒值，当浮动不满足要求时，假设 Q1、Q2具有不同的开关特性，即在相同的基极脉冲宽度t=t1下，Q1关断较慢，Q2关断较快，则对B点的电压就会有影响，就会有有灰色面积中A1、 A2的不平衡伏秒值，原因就是Q1关断延迟。

如果要这种不平衡的波形驱动变压器，将会发生偏磁现象，致使铁心饱和并产生过大的晶体管集电极电流，从而降低了变换器的效率，使晶体管失控，甚至烧毁。

解决办法：在变压器原边线圈中加一个串联电容C3，则与不平衡的伏秒值成正比的直流偏压将被次电容滤掉，这样在晶体管导通期间，就会平衡电压的伏秒值，达到消除偏磁的目的。

用作桥臂的两个电容选用问题：

从MOSFET半桥驱动电路结构上看，选用桥臂上的两个电容C1、C2时需要考虑电容的均压问题，尽量选用C1=C2的电容，那么当某一开关管导通时，绕组上的电压只有电源电压的一半，达到均压效果，一般情况下，还要在两个电容两端各并联一个电阻(原理图中的R1和R2)并且R1=R2进一步满足要求，此时在选择阻值和功率时需要注意降额。

此时，电容C1、C2的作用就是用来自动平衡每个开关管的伏秒值，(与C3的区别：C3是滤去影响伏秒平衡的直流分量)。

直通问题

所谓直通，就是Q1、Q2在某一时刻同时导通的现象，此时会构成短路。

解决措施：可以对驱动脉冲宽度的最大值加以限制，使导通角度不会产生直通。

还可以从拓扑上解决问题，才用交叉耦合封闭电路，使一管子导通时，另一管子驱动在封闭状态，直到前一个管子关断，封闭才取消，后管才有导通的可能，这种自动封锁对存储时间、参数分布有自动适应的优点，而且对占空比可以满度使用的。

两个电路的选择主要是考虑以下两点：

1、根据输出电压的高低，考虑管子的安全问题;

2、功率损耗的问题，主要是开关管和副边绕组的损耗问题;

半桥电路的驱动问题：

1、原边线圈过负载限制：要给原边的功率管提供独立的电流限制;

2、软启动：启动时，要限制脉宽，使得脉宽在启动的最初若干个周期中慢慢上升;

3、磁的控制：控制晶体管驱动脉冲宽度相等，要使正反磁通相等，不产生偏磁;

4、防止直通：要控制占空比上限缩小;

5、电压的控制和隔离：电路要闭环控制，隔离可以是光电隔离器、变压器或磁放大器等;

6、过压保护：通常是封闭变换器的开关脉冲以进行过压保护;

7、电流限制：电流限制安装在输入或输出回路上，在发生短路时候起作用;

8、输入电压过低保护：规定只有在发挥良好性能的足够高的电压下才能启动;

9、此外，还要有合适的辅助功能：如浪涌电流限制和输出滤波环节等。

半桥电路的驱动特点：

1、上下桥臂不共地，即原边电路的开关管不共地。

2、隔离驱动。

在设计半桥驱动电路时，应注意以下方面:

1.选取适当的自举电容，确保在应用中有足够的自举电压

2.选择合适的驱动电阻，电阻过大会增加MOSFET的开关损耗，电阻过小会引起相线振铃和相线负压，对系统和驱动IC造成不良影响

3.在芯片电源处使用去耦电容

4.注意线路的布线，尽量减小驱动回路和主回路中的寄生电感，使di/dt对系统的影响降到最小

5.选择适合应用的驱动1C，不同IC的耐压及驱动电流等诸多参数都不一样，所以应根据实际应用选择合适的驱动IC。

原文标题：MOSFET半桥驱动电路设计要点

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审核编辑：汤梓红