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            博客專欄

            EEPW首頁(yè) > 博客 > 電機(jī)控制器功率電路MOS管及驅(qū)動(dòng)芯片選型

            電機(jī)控制器功率電路MOS管及驅(qū)動(dòng)芯片選型

            發(fā)布人:旺材芯片 時(shí)間:2024-06-07 來(lái)源:工程師 發(fā)布文章
            1 緒論


            電機(jī)控制器中功率電路硬件的主要組成部分是開關(guān)器件和驅(qū)動(dòng)芯片,進(jìn)行控制器設(shè)計(jì)時(shí)需對(duì)這兩種芯片進(jìn)行選型,合理的選型關(guān)系到控制器能否正常工作,能否使電機(jī)達(dá)到理想出力,是一個(gè)很重要的環(huán)節(jié),本文對(duì)開關(guān)器件(以MOSFET為例)和驅(qū)動(dòng)芯片選型中的若干問(wèn)題進(jìn)行總結(jié)。


            2 MOS管選型
            2.1 選型參數(shù)簡(jiǎn)述


            MOS管是種電壓驅(qū)動(dòng)型開關(guān)功率器件,一般對(duì)MOS選型時(shí)主要關(guān)注其耐壓值、耐流值、耐溫值、開關(guān)損耗等參數(shù)。表1-1列出了典型MOS管Datasheet中一些需要關(guān)注的參數(shù)及其意義。
            圖片
            圖1-1 MOS管符號(hào)示意圖表1-1 MOS管主要參數(shù)及意義說(shuō)明圖片圖片

            2.2 MOS管原理簡(jiǎn)述


            再來(lái)說(shuō)明一下MOS管Datasheet中比較重要的幾幅曲線圖,包括靜態(tài)輸出特性、溫度特性等。說(shuō)明前要略講解一下MOS管的原理,這也是我做項(xiàng)目中一直比較模糊的點(diǎn),只能說(shuō)做項(xiàng)目的時(shí)候只會(huì)用MOS,對(duì)原理完全是一竅不通。項(xiàng)目做完后,認(rèn)真研讀了科學(xué)出版社的《電力電子技術(shù)》一書,對(duì)MOS管的原理深入了解。
            圖片圖1-2 MOS管原理示意圖
            上圖所示為MOS管原理示意圖,以NMOS為例,簡(jiǎn)述一下MOS管的工作原理:柵極G通電后,P區(qū)電子被吸到柵極的金屬層部分,電子越來(lái)越多,將會(huì)在N區(qū)和P區(qū)之間形成一層電子密度極高的部分,這部分實(shí)際上已經(jīng)從P區(qū)變成了N區(qū),所以叫反型層,或稱為溝道。溝道形成以后,下方的N區(qū)和源極S下面的小N區(qū)就連在了一起,這樣從漏極D到源極S通電,電子可以自由移動(dòng),從而形成電流。MOS管的靜態(tài)輸出特性曲線如圖1-3所示:
            圖片圖1-3 MOS管靜態(tài)工作特性曲線
            以英飛凌公司MOS管產(chǎn)品IRLB4030PBF為例,其靜態(tài)輸出特性曲線如圖1-4所示:
            圖片圖1-4 英飛凌IRLB4030PBF靜態(tài)輸出特性曲線

            基本和書上講的靜態(tài)輸出特性曲線是一致的,這個(gè)曲線分為三個(gè)區(qū)域,非飽和區(qū)(可變電阻區(qū))、飽和區(qū)和截止區(qū)。按照常理,我們將MOS管用作一個(gè)開關(guān)器件,因此其正常應(yīng)該工作在截止區(qū)和可變電阻區(qū),當(dāng)柵極電壓低于一個(gè)閾值時(shí),不管在漏極D加多大電壓,MOS管不會(huì)有電流通過(guò),而過(guò)了一個(gè)閾值之后,MOS管通過(guò)的電流隨著漏源電壓的增大而增大。其中異常的工作狀態(tài)就是飽和區(qū),書上寫的是:


            “當(dāng)漏源電壓過(guò)大時(shí),由于漏極電流在溝道上的壓降會(huì)抵消一部分柵極電壓,器件會(huì)出現(xiàn)溝道夾斷的現(xiàn)象,一旦溝道夾斷,漏極電流會(huì)被限制而不能進(jìn)一步上升?!?/span>


            這段話在圖中倒是被詮釋的很清楚,在任意一個(gè)柵極開通電壓下,如果漏源電壓過(guò)大,可以看到電流增大到一定極限后,再增加的非常緩慢,甚至有變平的趨勢(shì)。溝道夾斷我用通俗一點(diǎn)的方式理解是這樣的:還是從1-2原理圖中來(lái)解釋,如果D端電壓過(guò)大,它對(duì)電子的吸力也越來(lái)越大,如果漏極D施加的電壓遠(yuǎn)大于柵極S施加的電壓,溝道中的電子會(huì)逐漸被向D極吸,到一個(gè)極限狀態(tài),那就是溝道夾斷。


            如果對(duì)上述的原理理解的比較清楚,那么我覺(jué)得自然而然會(huì)出現(xiàn)一個(gè)疑問(wèn),溝道都夾斷了,MOS管漏源極之間為什么還會(huì)有電流呢?


            解答這個(gè)問(wèn)題的關(guān)鍵在于理解溝道夾斷的這個(gè)區(qū)域的狀態(tài)到底是怎樣的。我們可以看出,MOS的本質(zhì)就是PN結(jié)的疊加,溝道夾斷這個(gè)區(qū)域內(nèi)的電子和空穴已經(jīng)都被吸走了,形成了空間電荷區(qū),但是由于離子是不會(huì)移動(dòng)的,因此空間電荷區(qū)內(nèi)部有很強(qiáng)的電場(chǎng),這個(gè)電場(chǎng)的方向是N區(qū)到P區(qū),也可以看作是漏極D到源極S,所以此時(shí)當(dāng)小N+區(qū)內(nèi)的電子移動(dòng)到靠近溝道夾斷區(qū)的邊緣時(shí),就會(huì)立刻被空間電荷區(qū)的電場(chǎng)俘獲,瞬間被掃到漏極一端形成電流,這就是溝道夾斷后還有漏源電流的原因,但是因?yàn)閵A斷區(qū)周圍的電子密度非常小,因此雖然有電流,但是這個(gè)電流不會(huì)再進(jìn)一步增加,也就是達(dá)到了飽和狀態(tài)。


            再說(shuō)回選型,這個(gè)靜態(tài)特性曲線也是選型中非常重要的一個(gè)參考,要保證驅(qū)動(dòng)芯片能夠讓MOS管工作在開關(guān)狀態(tài)。


             3 驅(qū)動(dòng)芯片選型


            驅(qū)動(dòng)芯片的存在主要是為了開通MOS管,為了提供MOS管開通所需要的電壓,需要自舉升壓電路,驅(qū)動(dòng)芯片的意義正是自舉升壓相關(guān)的一些電路。以英飛凌高邊驅(qū)動(dòng)芯片IR2101S為例進(jìn)行一些說(shuō)明, 圖2-1為IR2101SDatasheet,驅(qū)動(dòng)芯片與MOS管的連接方式如圖2-2所示:



            圖片圖2-1 英飛凌IR2101S驅(qū)動(dòng)芯片
            圖片圖2-2 驅(qū)動(dòng)芯片與MOS管連接方式
            可以看出,驅(qū)動(dòng)芯片簡(jiǎn)單而言就是把單片機(jī)產(chǎn)生的PWM波形進(jìn)行放大輸入到MOS管的柵極G,從而達(dá)到開通關(guān)斷MOS管的目的。表2-1列出了驅(qū)動(dòng)芯片選型時(shí)需要關(guān)注的主要參數(shù):
            圖片
            對(duì)于拉灌電流能力這一參數(shù)需要進(jìn)一步解釋,從等效層面上講,MOS管的各極之間都存在寄生電容,MOS開通的過(guò)程就是對(duì)極間電容充電的過(guò)程,如圖2-3所示為MOS管極間電容的示意圖,所謂灌電流就是將電流灌進(jìn)G極使得MOS開通,拉電流就是將電荷從G極抽出使得MOS關(guān)斷,拉灌電流的力度決定了MOS開通的程度。
            圖片
            圖2-3 MOS管極間電容示意圖
             對(duì)驅(qū)動(dòng)芯片進(jìn)行選型時(shí), 需要格外注意將驅(qū)動(dòng)芯片拉灌電流能力值與MOS管的參數(shù)相匹配,如果不匹配將會(huì)出現(xiàn)俗稱為“帶不動(dòng)”的情況。那么這一值具體應(yīng)該怎么匹配呢?還是以IRLB4030和IR2101S為例進(jìn)行計(jì)算:
            這之中用到了MOS管的反向恢復(fù)電荷圖片,IRLB4030的恢復(fù)電荷在125攝氏度時(shí)為130nC,我們?nèi)?50nC,假設(shè)電機(jī)控制PWM波的頻率為10KHz,即周期為100us,假設(shè)PWM電壓從零到最大值的階躍時(shí)間為1us,那么MOS管需要的電流值為:
            圖片
            那也就是說(shuō)驅(qū)動(dòng)芯片拉灌電流值應(yīng)該至少達(dá)到150mA才能帶的動(dòng)IRLB4030,IR2101S的拉灌電流值在130mA到270mA之間,基本符合條件,因此這兩款驅(qū)動(dòng)芯片和MOS管的匹配使用是合理的。
            來(lái)源:電控知識(shí)搬運(yùn)工


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