选择用于运动控制的 Mosfet 驱动程序

工程师通常使用栅极驱动器或“预驱动器”IC 以及 N 沟道功率 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器 IC、MOSFET 以及在某些情况下相关的无源元件相关的所有设计注意事项。通常，人们对这个过程知之甚少，而且实现也不是最佳的。让我们首先讨论为前置驱动器/功率 MOSFET 电路选择组件的简单方法，以及由此产生的系统性能。

从电机规格开始

设计直流电机驱动器——无论是用于有刷电机还是三相无刷电机——电机特性将决定驱动器的设计细节。有助于定义驱动器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。电机通常具有额定电压和电流，实际工作值可能会因应用而异。施加的电压决定了电机速度。电机所需的电流取决于施加到电机的扭矩。因此，驱动器可能需要也可能不需要按照电机的完整规格进行设计。

您可以使用速度常数和扭矩常数（通常在电机数据表中给出）来估计特定应用中所需的电压和电流。驱动器的供电电压必须至少与从电机获得所需速度所需的电压一样高，但电源电压通常由系统可用的电压决定。最大电流要求通常由启动带有机械负载的电机所需的扭矩设置。

选择 MOSFET

请务必选择额定功率至少为电机所需的电源电压和最大电流的功率 MOSFET。请记住，有必要留出一些余量。

选择漏源电压额定值 (V DS ) 至少比电源电压高 20%的 MOSFET 。在某些情况下——尤其是在具有大电流、大扭矩阶跃和电源控制不佳的系统中——您可能需要两倍于电源电压的裕量。

当然，MOSFET 的额定电流必须足够高以提供电机所需的峰值电流，但通常热考虑占主导地位。MOSFET 在漏源电阻 R DS(ON) 中耗散功率并产生热量。热约束，包括环境温度和任何可用于 MOSFET 的散热器，对可以耗散的功率设置了限制。此最大允许功耗会根据 R DS(ON)值驱动 MOSFET 的选择。

一旦找到必要的额定电压和 R DS(ON)，一定要考虑总栅极电荷 (Q G )。栅极电荷用于衡量打开和关闭 MOSFET 所需的电荷量。具有较低 Q G 的MOSFET更容易驱动。与具有高 Q G 的栅极驱动电流相比，它的开关速度更快，栅极驱动电流更低。

栅极驱动电流和上升/下降时间

将功率 MOSFET 的栅极视为栅极和源极端子之间的非线性电容。即使栅极不传导直流电流，它也需要电流来对栅极电容进行充电和放电，从而开启和关闭 MOSFET。提供给栅极的电流量决定了完全导通 MOSFET 所需的时间。类似地，当电流从栅极拉出时，该电流量设置了 MOSFET 的关断时间。

要了解驱动栅极需要什么，您需要知道开关 MOSFET 的速度。您必须在低开关损耗（需要快速上升和下降时间）和低 EMI（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) 频率以及所需的最小和最大占空比对开关速度施加了时间限制。例如，对于 20 kHz PWM 频率，1% 的占空比需要生成 500 ns 的脉冲。这需要几百纳秒或更短的上升和下降时间。

确定所需的上升/下降时间后，计算所需的栅极驱动电流。这可以估计为Q G / t，其中Q G是总栅极电荷，t 是所需的上升/下降时间。请注意，这是在整个上升/下降时间内需要驱动的电流量——实际上，栅极驱动电流通常在这段时间内会有所不同，因为大多数栅极驱动器不提供恒定电流。

如果向栅极输送恒定电流，则栅极电压不是线性斜率；它在 MOSFET 开关期间达到一个平台（图 1）。这被称为“米勒高原”，由栅漏电容引起。当漏极转换时，该电容需要电流充电，因此栅极-源极电容的充电速度减慢。提供给栅极充电的电流越低，完成转换所需的时间就越长。

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

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

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

选择前置驱动器 IC

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

许多制造电源管理产品的半导体供应商都提供预驱动器 IC，包括 MPS。这些供应商提供各种专为直流电机驱动设计的单通道和三通道前置驱动器 IC，包括三通道 60V 和 100V 系列，以及单相 100V 设备。

一些前置驱动器 IC 使用线性稳压器、电荷泵和/或自举电容器从主电机电源内部生成所需的栅极驱动电压。其他需要单独的栅极驱动电源。要在 100% 占空比下运行（长时间输出为高电平），请选择带有内部电荷泵的前置驱动器，以保持高侧栅极长时间开启。仅依赖高端自举的预驱动器只能在有限的时间内保持高端 MOSFET 开启，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上升和下降时间所需的电流量，但也可以使用具有更大电流能力的驱动器。一些驱动器 IC 通过改变部件内部的栅极驱动量，提供了一种调整上升和下降时间（也称为“压摆率调整”）的方法。当使用没有内置压摆率调整的部件时，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。

审核编辑 黄昊宇