原创 自举型栅驱动IC原理简述及设计注意点

自举型栅驱动IC原理简述及设计注意点<?xml:namespace prefix = o ns = "urn:schemas-microsoft-com:office:office" />

编注：

本文主要描述自举型的驱动IC，些类驱动IC因些简单、实用而被广泛使用。

本文以MOSFET作为目标对象，由于IGBT的栅极使用MOSFET制作，故本文一定程度上适用于IGBT的驱动电路。

什么是MOSFETs驱动器（MOSFET Driver）？

1、  为了使MOSFET能够完全导通，需要在其栅-源极（Vgs）之间施加一定的电压，在电机控制中，常用12~15V。这个电压和很多MCU或控制器的输出电平不兼容。

2、  当驱动桥的上半桥为N沟道MOSFET时，需要附加电路以保证MOSFET的栅-源极（Ugs）之间的电压达到使MOSFET完全导通的电平。

3、  由于MOSFET的结电容（可见MOSFET管的数据手册的相关数据：C、Q等）比较大，为了保护MOSFET的开关速度，施加在栅-源极的电压需要较大的瞬时驱动能力，以减少结电容的充放电时间，保护开关速度。

4、  为了保护驱动桥等，MOSFET的控制信号常需要一定逻辑作硬件保护等，如死区、过流、欠压等保护。

5、  .。。。。。。

综合以上几个因素，应用分立元件搭建电路则需要多个器件完成。而MOSFET驱动器则集成了以上功能，只需外接几个器件即可。

本文仅供参考，且由广州锋驰运控（http://www.rpm-motor.com）的工程笔记整理所得，如发现错误请联系我们：E-mail: support@rpm-motor.com。

为什么要使用MOSFET的驱动电路推动MOSFET？

第一，MOSFET具备一定的驱动能力，因为由于工艺原因，MOSFET的GS间存在是寄生电容。对电容充电（开启MOSFET）和放电（关闭MOSFET）的瞬间需要相当的电流，驱动力不足会降低MOSFET的开关速度，从而增加MOSFET的开关损耗。

第二，用于驱动桥的上半桥(high side) 的MOSFET。工程应用中，多采用NMOS作为桥的高端器件，因为相对PMOS，N沟的MOSFET的导通电阻会更少，且就目前工艺，比PMOS容易生产，换言之，价格便宜。

MOFSET开关条件

对于MOSFET，导通的条件是栅-源极之间的电压(Ugs)大于某个阀值，这个阀值不同的管其值不尽相同。下图所示是一个NMOS的半桥，对于低端的管子Q2，由于其源极接地，所以当要求Q2导通时，只要在Q2的栅极加个一定的电压即可；但是，对于高端的管子Q1，由于其源极的电压Us是浮动的，则不好在其栅极上施加电压以使Q1的Ugs满足导通条件。试想，理想下，Q2的导通电阻为0，即导通时，Q2的Uds为0，则Us=Ud，则要求Q2的栅极电压Ug大于Ud。简单地说，要求升压。

<?xml:namespace prefix = v ns = "urn:schemas-microsoft-com:vml" />

高端管的驱动方法有几个，如用隔离变压器等。自举型驱动IC具有简单、实用的特点，目前被广泛地使用，。下面简要地描述自举的工作过程，目的是理清自举的工作原理，更合理地设计电路、布局布线和器件选型。

电路简图

首先，如下图，是一款MOSFET驱动IC的电路图，值得注意：出于便于分析的初衷，对电路进行了简化。

如上图，这电路并不陌生，二极管D1和电容C1分别被称为自举二极管和自举电容，有些IC把自举二极管集成到IC内部。

把上图的驱动作简化，只留下它的输出级，得到下图：注：此图为示意图，只用于功能的描述。

上图的黄色框内可以看作开关，这样更利于下面的分析和理解。

充电过程

可以理解，半桥的两个禁止同时导通，否则会炸管。下图是半桥的低端管导通的示意图：

如上图所示，半桥的高端管关闭，而低端管开启，这时泵二极管和泵电容组成充电回路。由上图，易得，+15V电源经过泵二极管、泵电容、再经过半桥的低端管、再到地(电源负极)，它们组成回路，对泵电容进行充电，使电容两边的电压为15V，即Uc=15V。

放电过程

这时，再分析半桥低端管关闭的情况，如下图所示：

由于半桥低端管关闭，所以上文所述的回路被截断，泵二极管处于反向截止。由于高端开启，所以Ug=Uc+Us。

易得：Ugs = Ug – Us = Uc。

由于在充电过程中，电容已被充电，所以Uc的电压大概为15V。

即Ugs = 15V。这个电压可以开启MOSFET。

至此，已完成一个PWM周期内，自举电路的工作过程，可以理解为泵电容的充放电机过程。

小结

由其工作过程：可以得到一些设计的注意事项，下面列出其中的几点：

1．由于高端MOSFET的开启需要自举电容，所以为了保证高端管的正常开关，在PWM周期内需要预留一段时间给自举电容充电。故对于自举升压驱动的驱动电路，PWM占空比不能100%；

2．自举电容

自举电容取值一般0.1uF~1uF（方波驱动的无刷电机需要大些），以无感或低感的电容为好。一般地，电感（PCB走线等）和电容的并存可能产生振荡，这是MOSFET栅极上产生振铃的其中一个原因。电容容量选择，一般地，都要保证高端管能够至少开启几个PWM周期。对于无刷直流电机的方波驱动方式，通常要求能够保持电机的一个换相周期以上，所以不能太少。同样地，也不宜太大。

3．自举二极管

自举二极管用于自举二极管的充电，当高端管开启时，它承受着MOSFET漏极相等的电压，所以二极管反向承受电压要大于电机供电电压，由于快恢复二极管的反向耐压和反向恢复电间两者的性能都较好，所以一般选用快恢复二极管作为高压驱动桥电路的泵二极管。

4．布局布线

布局上自举电容的充放电回路要短，减少走线的寄生电感，使自举电容的充放电过程安静。