工程師經(jīng)常使用柵極驅(qū)動器或“預(yù)驅(qū)動器” IC以及N溝道功率MOSFET來提供驅(qū)動電動機所需的高電流。重要的是要考慮與選擇驅(qū)動器IC，MOSFET以及在某些情況下相關(guān)的無源組件有關(guān)的所有設(shè)計注意事項。通常，對該過程的了解不多，實現(xiàn)方式也不盡人意。讓我們開始討論為預(yù)驅(qū)動器/功率MOSFET電路選擇組件的簡單方法，以及由此產(chǎn)生的系統(tǒng)性能。

從電機規(guī)格開始

設(shè)計直流電動機驅(qū)動器（無論是有刷電動機還是三相無刷電動機），電動機的特性將決定驅(qū)動器的設(shè)計細節(jié)。有助于定義驅(qū)動器設(shè)計的兩個主要因素是電動機的工作電壓和電流要求。

但是，這些參數(shù)并不像人們最初想到的那么簡單。電機通常具有給定的電壓和電流額定值，實際運行值可能會根據(jù)應(yīng)用情況而與這些額定值不同。施加的電壓決定了電動機的速度。電動機所需的電流取決于施加在電動機上的轉(zhuǎn)矩。因此，驅(qū)動器可能需要設(shè)計也可能不需要按照電動機的完整規(guī)格進行設(shè)計。

您可以使用通常在電機數(shù)據(jù)表中給出的速度常數(shù)和轉(zhuǎn)矩常數(shù)來估算特定應(yīng)用所需的電壓和電流。驅(qū)動器必須使用至少與從電動機上獲得所需速度所需的電壓一樣高的電壓供電，但是電源電壓通常取決于系統(tǒng)可用的電壓。通常，最大電流需求由使用機械負載啟動電動機所需的轉(zhuǎn)矩來設(shè)置。

選擇MOSFET

確保選擇額定功率至少為電源電壓和電機所需最大電流的功率MOSFET。請記住，有必要留一些余量。

選擇一個漏極至源極額定電壓（VDS）至少比電源電壓高20％的MOSFET。在某些情況下，尤其是在電流較大，轉(zhuǎn)矩步長較大且電源控制不佳的系統(tǒng)中，您可能需要的裕度是電源電壓的兩倍。

當(dāng)然，MOSFET的額定電流必須足夠高，以提供電動機所需的峰值電流，但通常在散熱方面占主導(dǎo)地位。MOSFET會耗散功率并在漏極-源極電阻RDS（ON）中產(chǎn)生熱量。包括環(huán)境溫度和MOSFET可用的任何散熱在內(nèi)的熱約束設(shè)定了可以消耗多少功率的限制。該最大允許功耗驅(qū)動基于RDS（ON）值的MOSFET選擇。

一旦找到必要的額定電壓和RDS（ON），請務(wù)必考慮總柵極電荷（QG）。柵極電荷是衡量打開和關(guān)閉MOSFET需要多少電荷的度量。QG較低的MOSFET更易于驅(qū)動。與較低的QG相比，它在較低的柵極驅(qū)動電流下切換速度更快。

柵極驅(qū)動電流和上升/下降時間

可以將功率MOSFET的柵極視為柵極和源極端子之間的非線性電容。即使柵極不傳導(dǎo)直流電流，它也確實需要電流來對柵極電容進行充電和放電，從而導(dǎo)通和關(guān)斷MOSFET。提供給柵極的電流量決定了完全導(dǎo)通MOSFET所花費的時間。同樣，當(dāng)電流從柵極拉出時，該電流量將設(shè)置MOSFET的關(guān)斷時間。

要了解驅(qū)動?xùn)艠O所需的條件，您需要知道MOSFET的開關(guān)速度。您必須在低開關(guān)損耗（需要快速的上升和下降時間）和低EMI（需要緩慢的上升和下降時間）之間進行設(shè)計權(quán)衡。此外，脈寬調(diào)制（PWM）頻率以及所需的最小和最大占空比限制了開關(guān)速度的時間。例如，在20 kHz PWM頻率下，占空比為1％時需要產(chǎn)生500 ns的脈沖。這需要數(shù)百納秒或更短的上升和下降時間。

確定所需的上升/下降時間后，計算所需的柵極驅(qū)動電流?？梢怨烙嫗镼G/t，其中QG是總柵極電荷，t是所需的上升/下降時間。請注意，這是在整個上升/下降時間內(nèi)需要驅(qū)動的電流量-實際上，由于大多數(shù)柵極驅(qū)動器不提供恒定電流，因此柵極驅(qū)動電流通常會在這段時間內(nèi)有所變化。

如果將恒定電流輸送到柵極，則柵極處的電壓不是線性斜率，而是線性斜率。在MOSFET切換期間，它達到一個平穩(wěn)狀態(tài)（圖1）。這被稱為“米勒高原”，是由柵極-漏極電容引起的。當(dāng)漏極過渡時，此電容需要電流充電，因此柵極-源極電容的充電會變慢。提供給柵極充電的電流越低，轉(zhuǎn)換完成所需的時間就越長。

圖1：1A恒流柵極驅(qū)動器（100 nC –紅色=柵極，紫色=漏極，200ns / div。）

圖2顯示了使用具有12Ω串聯(lián)電阻的12 V恒壓柵極驅(qū)動器時的波形。高原仍然存在，柵極達到12 V所需的時間更長，但漏極的開關(guān)時間幾乎相同。

圖2：具有12串聯(lián)電阻的12V柵極驅(qū)動器（100 nC –紅色=柵極，紫色=漏極，200ns / div。）

選擇前置驅(qū)動器IC

一旦知道所需的最小柵極驅(qū)動電流，就選擇可以支持它的柵極驅(qū)動器（預(yù)驅(qū)動器）IC。這些零件的種類繁多，具有不同數(shù)量的通道，柵極驅(qū)動電流功能和電源電壓范圍。某些部分還提供其他集成功能，例如電流檢測放大器和保護電路。

許多半導(dǎo)體供應(yīng)商都提供預(yù)驅(qū)動器IC，這些供應(yīng)商生產(chǎn)用于電源管理的產(chǎn)品，包括MPS。這些供應(yīng)商提供了專為DC電動機驅(qū)動器設(shè)計的各種單通道和三通道預(yù)驅(qū)動器IC，包括三通道60V和100V系列以及單相100V器件。

一些預(yù)驅(qū)動器IC使用線性穩(wěn)壓器，電荷泵和/或自舉電容器從主電動機電源內(nèi)部生成所需的柵極驅(qū)動電壓。其他一些則需要單獨的柵極驅(qū)動電源。要以100％的占空比工作（長時間輸出高電平），請選擇帶有內(nèi)部電荷泵的預(yù)驅(qū)動器，以使高端柵極長時間保持導(dǎo)通狀態(tài)。僅依靠自舉電路驅(qū)動高端的預(yù)驅(qū)動器只能在有限的時間內(nèi)保持高端MOSFET的導(dǎo)通，因為一段時間后漏電流會耗盡自舉電容。

柵極驅(qū)動器必須至少能夠提供實現(xiàn)上述所需的上升和下降時間所需的電流量，但是也可以使用具有更大電流能力的驅(qū)動器。一些驅(qū)動器IC提供了一種通過改變零件內(nèi)部柵極驅(qū)動的數(shù)量來調(diào)節(jié)上升和下降時間（也稱為“轉(zhuǎn)換速率調(diào)節(jié)”）的方法。當(dāng)使用不具有內(nèi)置壓擺率調(diào)節(jié)功能的部件時，用戶可以在柵極驅(qū)動器輸出和MOSFET柵極之間插入電阻。這限制了柵極電流，并減慢了上升和下降時間。

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