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本文讨论了用于低压（<100V）电机传动应用的MOSFET栅极驱动IC。图1显示了一个电机驱动系统的典型框图。
控制器对来自各个传感器的输入作必要的计算，生成适当的选通脉冲（门脉冲，gating pulse）。由于微控制器和其它处理器的价格下跌，低成本应用亦开始采用嵌入式控制。 栅极驱动需要的功能 控制器与功率开关之间接口的正确设计很重要。这一接口就叫栅极驱动，必须对其仔细选择，优化并提供一个安全系统。栅极驱动电路一般提供下列功能： • 在输出开关的栅极和源极之间生成从5V至15V经电平转换的输出驱动电压。 • 开和关时有足够的电流，用于开关电容的充放电。 在100V以下区间中最常见的电机种类是有刷直流、无刷直流、开关磁阻和步进电机。在设计栅极驱动时，电机的类型、应用及其控制方法都是重要的因素。 图2显示了一个栅极驱动电路的典型功能。如图所示，为低边开关生成栅极电压比较简单，因为它以地为基准。但高边开关就会有问题。栅极控制电压必须以MOSFET的源极为基准，这种情况下它不为地，而是随电压轨变化。解决这一问题有多种方法，如采用一种悬浮的栅极供电，用一个脉冲变压器，或用一个电荷泵。自举技术也许是最廉价和常见的方法。 |
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栅极驱动的其它特性
当提供连续栅极驱动时，决定如何使用自举技术时还必须考虑电机的类型。在采用较长的“on”时间时，自举电容最终会放电到使高边开关关闭。有时可能需要将高边器件保持一个不定的导通时间，如在堵转情况下。这对无刷直流电机和开关磁阻电机尤为重要。在这些情况下，自举电容中的电荷也许不足以保持高边开关导通。一个随高边开关而变得有效的小电流注入电荷泵是一种保持自举电容电压的廉价方法。 死区时间调节 在电机驱动电路中，常见的方法是在驱动大电流MOSFET时带一个大的栅极电阻，以降低EMI、噪声和压摆率。但这会增加开关时间。如果一个换流器支路中的开关在其它支路完全关闭前导通，则会发生同时导通（shoot-through）问题。 为避免这种情况，驱动IC中最好有死区时间逻辑。无刷直流电机现在是各种广泛应用的优先选择。它们正替换掉各领域中的有刷直流电机，因为它们有类似的转矩-速度特性、更高的功率密度、低维护（没有机械式接触电刷），以及更高的效率。这一趋势也源于控制器和功率开关的价格下降。三相BLDC有更高的功率密度，能提供比两相BLDC更平滑的转矩。一个三相BLDC需要一个像图3那样的换流器。 开关磁阻电机需要一个如图4所示的双正激转换桥。当一个支路中的两个开关都导通时，一个相就被赋能。上述两种拓扑结构之间的差异是，用于BLDC的转换器需要有死区时间保护，而用于SRM的双正激转换器则不需要死区时间。最好将这一功能包含在驱动IC中。 对于保护来说，设计者还希望有一个输出禁止功能，当出现故障时能关断所有功率开关。当存在移动部件时，安全最重要，对电机也没有区别。在某些应用中，欠压关断和过热关断保护也是必要的功能。要减少开关损耗，提高系统效率，低传播延迟也非常重要。一般来说，传播延迟最好小于100ns。如果一款驱动IC既能完成所需功能，又具有上述想要的功能，那就再合适不过了。 |
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根据应用选用正确的驱动IC
现在有一系列高性价比IC可用于简化栅极驱动的设计。在确定了与应用相关的驱动器功能以后，设计工程师就应选择一款合适的IC。 在决定使用的部件时，常见的错误是选择了过高额定值的元件。例如，一款额定工作在600V负载下的驱动IC要比一款用于80V应用的驱动器慢一个数量级。对低压应用，选择前者会增加开关损耗，降低效率，以及系统的控制能力。对于低压应用，Intersil公司的高性能HIP4086栅极驱动IC除了有上述特性以外，还提供与TTL和CMOS逻辑输入的兼容性，扩展了自己与不同处理器的可用性。 图5是HIP4086在三相负载工作下的应用配置。RDEL与VDD脚之间连接的电阻用于控制上部开关和底部开关之间的死区时间。电容CRFSH在IC第一次加电时，控制自举电容电荷初始化脉冲的持续时间。高边输入为低有效，低边输入为高有效。 有刷直流电机是实用选择 当使用如空间矢量调制等方案时，可以将它们捆绑在一起，以减少外接元件的数量。另一种选择是对三相应用采用三个半桥驱动器。不过，这会增加元件数量，以及电路板的复杂性。对于只有数瓦电机功率的应用，有刷直流电机是一种更经济和实用的选择。使用集成式电机驱动IC可以降低这类应用的成本。 例如，Intersil公司的HIP4020是一款驱动器与转换器组合IC，它为低功率有刷直流电机或步进电机控制提供了一个单步式解决方案。它可以作四象限运算，也提供故障与高温关断选项。对于较大功率的有刷直流电机，可以采用外接MOSFET的一个全桥或两只半桥驱动IC。Intersil公司提供一系列针对低压应用的半桥（ISL21xx、ISL89400/1、HIP2100/1、ISL6700）和全桥（HIP4080/1/2/3）驱动器，适用于很多不同的应用需求。 |
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