在設(shè)計(jì)具有各種電壓和功率要求的產(chǎn)品組合時(shí)，找到一個(gè)單一的驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)解決方案來(lái)服務(wù)于整個(gè)產(chǎn)品組合可以顯著節(jié)省時(shí)間和資源。能夠處理各種電池電壓的設(shè)計(jì)需要高效運(yùn)行，能夠驅(qū)動(dòng)各種 MOSFET 柵極電流和電壓，適應(yīng)高熱耗散，并承受非常大的負(fù)瞬變。
    本文討論了在單個(gè)驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)中嘗試適應(yīng)寬范圍電池電壓和電機(jī)功率時(shí)遇到的這些挑戰(zhàn)，并提供了一個(gè)商用解決方案作為設(shè)計(jì)研究。
    為了驅(qū)動(dòng)高電壓、高功率應(yīng)用的電機(jī)或驅(qū)動(dòng)器，其中低噪聲和高效率是關(guān)鍵的設(shè)計(jì)因素，持續(xù)的設(shè)計(jì)趨勢(shì)是使用永磁同步電機(jī) (PMSM) 驅(qū)動(dòng)器和/或無(wú)刷直流 (BLDC) 驅(qū)動(dòng)器. 對(duì)于許多其他應(yīng)用，例如機(jī)械處理的噪聲通常會(huì)蓋過(guò)電機(jī)噪聲的應(yīng)用，可以使用簡(jiǎn)單的半橋架構(gòu)驅(qū)動(dòng)的簡(jiǎn)單直流電機(jī)仍然足夠。
    然而，在寬功率范圍內(nèi)運(yùn)行電機(jī)/驅(qū)動(dòng)器會(huì)導(dǎo)致功耗和開關(guān)效應(yīng)，這對(duì)三相驅(qū)動(dòng)器和直流驅(qū)動(dòng)器都構(gòu)成了重大挑戰(zhàn)，因此此處的考慮對(duì)兩者都有效。
    高壓大功率直流電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)
    運(yùn)行直流電機(jī)似乎是一項(xiàng)簡(jiǎn)單的任務(wù)。然而，它仍然存在挑戰(zhàn)，包括需要維持高壓運(yùn)行以支持在制動(dòng)時(shí)耗散電機(jī)電感能量。為了在驅(qū)動(dòng)級(jí)必須適用于寬功率范圍的應(yīng)用中應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)，設(shè)計(jì)人員需要能夠同時(shí)支持高壓操作和處理巨大負(fù)瞬變的解決方案。
    寬范圍電源解決方案還需要能夠?yàn)橹泄β实礁吖β?MOSFET 驅(qū)動(dòng)寬范圍的柵極電流，這會(huì)在器件內(nèi)部引入高功率耗散。為了應(yīng)對(duì)這一功耗挑戰(zhàn)，設(shè)計(jì)人員可能會(huì)在具有低驅(qū)動(dòng)阻抗的驅(qū)動(dòng)器中找到解決方案。
    首先，驅(qū)動(dòng) MOSFET 需要了解 MOSFET 開關(guān)波形，下面將對(duì)此進(jìn)行討論。
    了解 MOSFET 開關(guān)行為
    對(duì)于電機(jī)等感性負(fù)載，開關(guān)周期可分為四個(gè)階段：
    t 0到t 1 → 柵極電壓上升到閾值電壓。
    t 1至 t 2 → 漏極電流 (i D ) 上升，柵極電壓根據(jù) MOSFET 的跨導(dǎo)上升。
    漏源電壓 (V DS ) 下降 - 非線性下降，因?yàn)檩斎腚娙?(C ISS )、輸出電容 (C OSS ) 和反向傳輸電容 (C RSS ) 取決于 V DS - 并且柵極電流為米勒充電電容（V GS），在此期間，V GS是穩(wěn)定的。
    t 3至 t 4 → V DS飽和低，V GS上升至其終值。

 

    圖 1 MOSFET 的電壓和電流隨時(shí)間變化的曲線圖，包括漏源電壓 (V DS )、柵源電壓 (V GS )、漏電流 (i D )、柵極電流 (i G ) 和閾值柵源電壓 (V GS(th) )。資料 Microsystems
    第 1 階段開始時(shí)的柵極至源極電壓 (V GS(t) ) 為零，驅(qū)動(dòng)器需要提供的柵極驅(qū)動(dòng)電流 (i G(t) ) 處于峰值?？傞_關(guān)時(shí)間（t 0到t 4 ）不需要這個(gè)驅(qū)動(dòng)強(qiáng)度，因?yàn)闁艠O電容被連續(xù)充電。
    近似地，典型的開啟時(shí)間可以通過(guò)以下方式獲得：
    t r(HS) = C負(fù)載× R DS(on)UP
    在哪里：
    t r(HS)是從t 0到t 4的時(shí)間，
    C LOAD表示 MOSFET 的柵極電容，并且
    R DS(on)UP是上拉電阻。
    通常，為了保持較低的功率預(yù)算，需要快速切換。另一方面，在大多數(shù)情況下，需要限制柵極驅(qū)動(dòng)電流以控制開關(guān)速度 dV/dt，以滿足電磁兼容性 (EMC) 要求。
    通過(guò)添加?xùn)艠O電阻器 (R GATE )，可以延長(zhǎng)導(dǎo)通時(shí)間，具體如下：
    t r(HS) = C LOAD × (R DS(on)UP + R Gate )
    增加?xùn)艠O電阻時(shí)需要權(quán)衡多種影響。增加?xùn)艠O電阻將：
    增加開關(guān)損耗，導(dǎo)致圖 1 中淺紅色區(qū)域的增加。
    降低柵極驅(qū)動(dòng)器對(duì)驅(qū)動(dòng)功率的需求。這種效果通常是理想的，因?yàn)樗鼤?huì)減少驅(qū)動(dòng)器本身的功耗，從而產(chǎn)生較少的熱量。權(quán)衡是為 MOSFET 的總柵極電容充電需要更長(zhǎng)的時(shí)間，并且柵極電阻器上耗散的功率會(huì)增加，這意味著更高的電壓降會(huì)持續(xù)更長(zhǎng)的時(shí)間。換句話說(shuō)，功率損耗從驅(qū)動(dòng)器轉(zhuǎn)移到柵極電阻器。
    增加死區(qū)時(shí)間。
    需要找到折衷方案來(lái)考慮所有這些影響。
    了解 MOSFET 快速開關(guān)和米勒效應(yīng)
    除了上面討論的 MOSFET 開關(guān)行為和權(quán)衡之外，快速開關(guān)會(huì)導(dǎo)致已知米勒效應(yīng)的另一種表現(xiàn)，在設(shè)計(jì)中必須考慮到這一點(diǎn)。米勒效應(yīng)可導(dǎo)致由柵極浪涌電流引起的感應(yīng) V GS反彈，根據(jù)：
    I G = C GD × dV DS /dt
    該名稱源于 MOSFET 的柵漏電容，也稱為米勒電容。
    為了說(shuō)明米勒效應(yīng)，半橋中的所有 MOSFET 容量如圖 2所示。輸入電容 (C ISS )、輸出電容 (C OSS ) 和反向傳輸電容 (C RSS )——通常在 MOSFET 數(shù)據(jù)表中指示的值——與柵漏電容 (C GS )、柵極相關(guān)源極電容 (C GS ) 和漏源電容 (C DS ) 如下：
    C ISS = C GD + C GS
    C OSS = C DS + C GD
    C RSS = C GD
    這些關(guān)系可以重寫為：
    C GD = C RSS（C GD = 米勒電容）
    C GS = C ISS – C RSS

    C DS = C OSS – C RSS

    圖2這是具有 MOSFET 容量的半橋拓?fù)涞囊晥D。資料 Microsystems

    圖 3顯示了高側(cè)和低側(cè)的理想柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)示例，具有足夠的死區(qū)時(shí)間和在 S 節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)的電機(jī)電壓。與此理想情況相反，在實(shí)踐中可能會(huì)觀察到高側(cè)和低側(cè)柵極電壓，如圖 4所示。理想和實(shí)際之間的差異可以通過(guò)開關(guān)行為來(lái)解釋。

    圖 3該圖顯示了隨時(shí)間變化的低側(cè) (LS) 柵極電壓、高側(cè) (HS) 柵極電壓和電機(jī)電壓。資料 Microsystems

    圖 4另一個(gè)視圖顯示低側(cè) (LS) 柵極電壓、高側(cè) (HS) 柵極電壓和電機(jī)電壓隨時(shí)間的振蕩。資料 Microsystems
    當(dāng)開啟高側(cè)柵極時(shí)，S 節(jié)點(diǎn)的快速 dV/dt 瞬變導(dǎo)致低側(cè)柵極電壓米勒電容 (C GD ) 重新充電，將低側(cè) MOSFET 的 V GS拉至高于低側(cè)柵極閾值電壓 (V GS(th) )。這會(huì)導(dǎo)致交叉?zhèn)鲗?dǎo)，導(dǎo)致 S 節(jié)點(diǎn)振蕩和大量功率損耗。與高側(cè) MOSFET 柵極電阻相比，減小低側(cè) MOSFET 柵極電阻并在 S 節(jié)點(diǎn)上使用足夠的緩沖器可以減輕這種影響。通過(guò)添加一個(gè)與高側(cè)柵極電容并聯(lián)的額外陶瓷電容器可以實(shí)現(xiàn)顯著改善，這將降低 dV/dt。
    利用 MOSFET 容量避免米勒效應(yīng)

    這是一個(gè)設(shè)計(jì)研究，用于避免米勒效應(yīng)，同時(shí)使用 APEK89500 演示板來(lái)評(píng)估A89500半橋 MOSFET 驅(qū)動(dòng)器。A89500 快速開關(guān)半橋 MOSFET 驅(qū)動(dòng)器旨在支持高壓操作——例如，高側(cè)和低側(cè)總計(jì) 2.7 A 源電流（典型值）和 5.2 A 灌電流（典型值）。如圖 5所示，它可擴(kuò)展至 100 V 橋式電源并在高側(cè)柵極輸出端子和高側(cè)源極（負(fù)載）端子處處理高達(dá) –18 V 的瞬變。

    A89500 采用雙扁平無(wú)引線 (DFN) 封裝，具有非常低的封裝熱阻結(jié)至環(huán)境 (R ?JA ) — 雙層 3.8 × 3.8 英寸 PCB 為 38°C/W。為了幫助設(shè)計(jì)人員了解驅(qū)動(dòng)強(qiáng)度，驅(qū)動(dòng)器需要在開關(guān)周期的t 0到 t 4的所有階段供電。本文中使用的直接連接到驅(qū)動(dòng)器的電容器充電時(shí)間的近似值也用在數(shù)據(jù)表中，如表 1所示。

    表 1數(shù)據(jù)表摘錄突出顯示了直接連接到驅(qū)動(dòng)器的電容器的充電時(shí)間。資料 Microsystems

    專為評(píng)估 A89500 驅(qū)動(dòng)器而設(shè)計(jì)的 APEK89500 演示板演示了 A89500 避免米勒效應(yīng)并實(shí)現(xiàn)低噪聲、高效率運(yùn)行的能力。該板部署了兩個(gè)帶有電容的 MOSFET，如表 2所示。

    表 2顯示的容量適用于與 A89500 快速開關(guān) 100 V 半橋 MOSFET 驅(qū)動(dòng)器一起使用的 APEK89500GEJ-01-T 或 APEK89500KEJ-01-T 演示板。資料 Microsystems

    APEK89500 演示板未針對(duì)設(shè)計(jì)目標(biāo)的參考設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化。這種故意缺乏優(yōu)化導(dǎo)致易受米勒效應(yīng)影響。盡管缺少針對(duì)設(shè)計(jì)目標(biāo)的參考設(shè)計(jì)，但可以通過(guò)添加與高側(cè)柵極電容 C GS并聯(lián)的 1 nF 電容器來(lái)完全消除米勒效應(yīng)。C GD /C GS比率的降低示于表3中。在實(shí)施使用 A89500 的設(shè)計(jì)時(shí)，完全避免米勒效應(yīng)的一個(gè)好方法是保持相似的減速比。

    表3顯示了與 A89500 快速開關(guān) 100 V 半橋 MOSFET 驅(qū)動(dòng)器一起使用的 APEK89500GEJ-01-T 或 APEK89500KEJ-01-T) 演示板的附加地源電容。資料 Microsystems

    如本設(shè)計(jì)用例所示，添加一個(gè)與高側(cè)柵極電容 C GS并聯(lián)的電容器將導(dǎo)致 S 節(jié)點(diǎn)處的 dV/dt 降低，從而減輕米勒效應(yīng)。也可以通過(guò)降低低側(cè)的 C GD /C GS比率來(lái)利用這一結(jié)果——例如，通過(guò)添加與低側(cè)柵極電容并聯(lián)的電容器。當(dāng)將 C GD和 C GS視為分壓器時(shí)，這種方法變得更加全面（圖 6）。因此，當(dāng)增加 C GS時(shí)，表觀柵極到源極阻抗變小，這進(jìn)一步支持將柵極保持在遠(yuǎn)低于 V GS(th)的努力。

    圖 6柵極處的電容分壓器考慮了表觀阻抗。資料 Microsystems
    當(dāng)然，可以通過(guò)使用適合設(shè)計(jì)的 MOSFET 來(lái)獲得適當(dāng)?shù)?C GD /C GS比率。避免低側(cè)電容性開關(guān)的其他措施包括使用低側(cè) MOSFET 柵極電阻器（與高側(cè) MOSFET 柵極電阻器相比有所降低）和 S 節(jié)點(diǎn)上的緩沖器以減輕交叉?zhèn)鲗?dǎo)的影響。