您好, 登录| 注册  
论坛导航
您好, 登录| 注册|
子站:
产品/技术
应用分类

技术文章:为运动控制选择Mosfet驱动器

2019-11-25 16:42 来源:电源网编译 编辑:咩咩

工程师们经常使用栅极驱动器或“前置驱动器”IC以及n通道功率mosfet来提供驱动电机所需的高电流。重要的是要考虑与选择驱动电路、mosfet以及某些情况下相关的无源元件相关的所有设计考虑。通常,这个过程很难理解,实现也不是最优的。让我们开始讨论简单的方法来选择元件的预驱动/功率MOSFET电路,并由此产生的系统性能。

从电机规格开始

设计直流电动机驱动——无论是用于电刷电机还是三相无刷电机——电机特性将决定驱动的设计细节。决定驱动设计的两个主要因素是电机的工作电压和电流要求。

然而,这些参数并不像人们最初想象的那么简单。电动机通常有电压和电流额定值,实际的工作值根据不同的应用而不同。施加的电压决定了电机的转速。电机所需的电流取决于施加在电机上的转矩。因此,驱动器可能需要也可能不需要按照电机的全部规格进行设计。

您可以使用速度常数和扭矩常数(通常在电机的数据表中给出)来估计特定应用程序中所需的电压和电流。驱动器的供电电压必须至少达到从电机获得所需速度所需的电压,但供电电压通常由系统可用的电压决定。最大电流要求通常是由启动电机所需的扭矩来确定的。

选择场效应管

一定要选择功率mosfet,至少额定的电源电压和电机所需的最大电流。记住,留出一些余地是必要的。

选择漏源极极压比电源电压至少高20%的MOSFET。在某些情况下,特别是在具有大电流、大扭矩步骤和控制不好的电源的系统中,可能需要两倍于电源电压的裕度。

当然,MOSFET的电流额定值必须足够高,以提供电机所需的峰值电流,但通常以热因素为主。mosfet在漏源极电阻(RDS)中耗散功率并产生热量。热约束条件,包括环境温度和可用于mosfet的任何散热,限制了可耗散的功率。这种最大允许的功耗驱动基于RDS(on)值的mosfet的选择。

一旦你找到了必要的额定电压和RDS(ON),一定要考虑总栅电荷(QG)。栅极充电是用来测量打开和关闭MOSFET需要多少电量的。QG较低的MOSFET更容易驱动。它的开关速度更快,闸极驱动电流更低,而QG更高。

门驱动电流和上升/下降时间

考虑一个功率mosfet门之间的非线性电容门和源端子。尽管该栅极不传导直流电流,但它确实需要电流来充放电使MOSFET打开和关闭的栅极电容。提供给该栅极的电流量决定了完全打开MOSFET所需的时间。类似地,当电流从栅极拉出时,该电流量设置MOSFET关闭时间。

为了理解驱动栅极需要什么,你需要知道MOSFET的切换速度。您必须在低开关损耗(需要快速上升和下降时间)和低电磁干扰(需要缓慢上升和下降时间)之间进行设计权衡。此外,脉宽调制(PWM)频率和最小和最大所需占空比的时间限制了开关速度。例如,对于20 kHz的PWM频率,1%的占空比需要产生500纳秒的脉冲。这需要几百纳秒或更少的上升和下降时间。

确定所需的上升/下降时间后,计算所需的门驱动电流。这可以被估计为QG/t,其中QG是总的门电荷,t是期望的上升/下降时间。请注意,这是整个上升/下降时间内需要驱动的电流量。实际上,门极驱动电流通常在这段时间内有所变化,因为大多数门极驱动程序不能提供恒定的电流。

如果将恒定电流输送到栅极,则栅极处的电压不是线性斜率,而是线性斜率。在MOSFET切换期间,它达到一个平稳状态(图1)。这被称为“米勒高原”,由栅漏电容引起。当漏极过渡时,此电容需要电流充电,因此栅极-源极电容的充电会变慢。提供给栅极充电的电流越低,转换完成所需的时间就越长。

webp-1

图1:1A恒流栅极驱动器(100 nC –红色=栅极,紫色=漏极,200ns / div。)

图2显示了使用具有12Ω串联电阻的12 V恒压栅极驱动器时的波形。高原仍然存在,栅极达到12 V所需的时间更长,但漏极的开关时间几乎相同。

webp-2

图2:具有12串联电阻的12V栅极驱动器(100 nC –红色=栅极,紫色=漏极,200ns / div。)

选择预驱动器IC

一旦知道所需的最小栅极驱动电流,就选择可以支持它的栅极驱动器(预驱动器)IC。这些零件种类繁多,具有不同数量的通道,栅极驱动电流功能和电源电压范围。某些部分还提供其他集成功能,例如电流检测放大器和保护电路。

许多半导体供应商都提供预驱动器IC,这些供应商生产用于电源管理的产品,包括MPS。这些供应商提供了专为DC电机驱动器设计的各种单通道和三通道预驱动器IC,包括三通道60V和100V系列以及单相100V器件。

一些预驱动器IC使用线性稳压器,电荷泵和/或自举电容器从主电动机电源内部生成所需的栅极驱动电压。其他则需要单独的栅极驱动电源。要以100%的占空比工作(长时间输出高电平),请选择一个带有内部电荷泵的预驱动器,以使高端栅极长时间保持导通状态。仅依靠自举电路驱动高端的预驱动器只能在有限的时间内保持高端MOSFET的导通,因为一段时间后泄漏会耗尽自举电容。

栅极驱动器必须至少能够提供实现上述所需的上升和下降时间所需的电流量,但是也可以使用具有更大电流能力的驱动器。一些驱动器IC提供了一种通过改变零件内部栅极驱动的数量来调节上升和下降时间(也称为“转换速率调节”)的方法。当使用不带内置压摆率调节功能的器件时,用户可以在栅极驱动器输出和MOSFET栅极之间插入电阻。这限制了栅极电流,并减慢了上升和下降时间。

本文编译自powerelectronicsnews。

声明:本网站原创内容,如需转载,请注明出处;本网站转载的内容(文章、图片、视频)等资料版权归原网站所有。如我们采用了您不宜公开的文章或图片,未能及时和您确认,避免给双方造成不必要的经济损失,请电邮联系我们,以便迅速采取适当处理措施;欢迎投稿,邮箱:editor@netbroad.com。

微信关注
技术专题 更多>>
万物互联 与不可能说再见
与世界无线连接5G商用年

头条推荐

2019慕尼黑上海电子展
客服热线
服务时间:周一至周五9:00-18:00
微信关注
免费技术研讨会
获取一手干货分享

互联网违法不良信息举报

Reporting Internet Illegal and Bad Information
editor@netbroad.com
400-003-2006