功率場效應(yīng)晶體管（Power MOSFET）是一種多數(shù)載流子導(dǎo)電的單極型電壓控制器件，具有開關(guān)速度快、高頻性能好、輸入阻抗高、噪聲小、驅(qū)動功率小、動態(tài)范圍大、無二次擊穿現(xiàn)象和安全工作區(qū)域（SOA）寬等優(yōu)點，因此，在高性能的開關(guān)電源、斬波電源及電機控制的各種交流變頻電源中獲得越來越多的應(yīng)用。但相比于絕緣柵雙極型晶體管IGBT或大功率雙極型晶體管GTR等，MOSFET管具有較弱的承受短時過載能力，因而其實際使用受到一定的限制。如何設(shè)計出可靠和合理的驅(qū)動與保護電路，對于充分發(fā)揮MOSFET功率管的優(yōu)點，起著至關(guān)重要的作用，也是有效利用MOSFET管的前提和關(guān)鍵。文中用IR2130驅(qū)動模塊為核心，設(shè)計了功率MOSFET驅(qū)動保護電路應(yīng)用與無刷直流電機控制系統(tǒng)中，同時也闡述了本電路各個部分的設(shè)計要求。該設(shè)計使系統(tǒng)功率驅(qū)動部分的可靠性大大的提高。

　　1 功率MOSFET保護電路設(shè)計

　　功率場效應(yīng)管自身擁有眾多優(yōu)點，但是MOSFET管具有較脆弱的承受短時過載能力，特別是在高頻的應(yīng)用場合，所以在應(yīng)用功率MOSFET對必須為其設(shè)計合理的保護電路來提高器件的可靠性。功率MOSFET保護電路主要有以下幾個方面：

　　1）防止柵極 di/dt過高：由于采用驅(qū)動芯片，其輸出阻抗較低，直接驅(qū)動功率管會引起驅(qū)動的功率管快速的開通和關(guān)斷，有可能造成功率管漏源極間的電壓震蕩，或者有可能造成功率管遭受過高的di/dt而引起誤導(dǎo)通。為避免上述現(xiàn)象的發(fā)生，通常在MOS驅(qū)動器的輸出與MOS管的柵極之間串聯(lián)一個電阻，電阻的大小一般選取幾十歐姆。

　　2）防止柵源極間過電壓 由于柵極與源極的阻抗很高，漏極與源極間的電壓突變會通過極間電容耦合到柵極而產(chǎn)生相當(dāng)高的柵源尖峰電壓，此電壓會使很薄的柵源氧化層擊穿，同時柵極很容易積累電荷也會使柵源氧化層擊穿，所以要在MOS管柵極并聯(lián)穩(wěn)壓管以限制柵極電壓在穩(wěn)壓管穩(wěn)壓值以下，保護MOS管不被擊穿，MOS管柵極并聯(lián)電阻是為了釋放柵極電荷，不讓電荷積累。

　　3）防護漏源極之間過電壓 雖然漏源擊穿電壓VDS一般都很大，但如果漏源極不加保護電路，同樣有可能因為器件開關(guān)瞬間電流的突變而產(chǎn)生漏極尖峰電壓，進而損壞MOS管，功率管開關(guān)速度越快，產(chǎn)生的過電壓也就越高。為了防止器件損壞，通常采用齊納二極管鉗位和RC緩沖電路等保護措施。

　　當(dāng)電流過大或者發(fā)生短路時，功率MOSFET漏極與源極之間的電流會迅速增加并超過額定值，必須在過流極限值所規(guī)定的時間內(nèi)關(guān)斷功率MOSFET，否則器件將被燒壞，因此在主回路增加電流采樣保護電路，當(dāng)電流到達一定值，通過保護電路關(guān)閉驅(qū)動電路來保護MOSFET管。圖1是MOSFET管的保護電路，由此可以清楚的看出保護電路的功能。

　　圖1 功率管的保護電路

　　2 功率MOSFET驅(qū)動電路的設(shè)計

　　功率場效應(yīng)晶體管的柵極對驅(qū)動電路的要求主要有以下幾個方面：

　　1）產(chǎn)生的柵極驅(qū)動脈沖必須具有足夠的上升和下降速度，脈沖的前后沿要陡峭：

　　2）開通時以低電阻對柵極電容充電，關(guān)斷時為柵極電荷提供低電阻放電回路，以提高功率MOSFET的開關(guān)速度；

　　3）為了使功率MOSFET可靠導(dǎo)通，柵極驅(qū)動脈沖應(yīng)有足夠的幅度和寬度；

　　4）功率MOSFET開關(guān)時所需的驅(qū)動電流為柵極電容的充放電電流，為了使開關(guān)波形有足夠的上升下降陡度，驅(qū)動電流要大。

　　MOSFET驅(qū)動器在驅(qū)動MOSFET功率管的功耗主要包括3個方面：

　　1）MOSFET柵極電容的充電放電產(chǎn)生的功耗為：

　　Pc=CG×F×V2DD （1）

　　其中：CG為MOSFET柵極電容；VDD為MOSFET驅(qū)動器電源電壓；F為開關(guān)頻率。

　　2）MOSFET驅(qū)動器吸收靜態(tài)電流產(chǎn)生的功耗為：

　　PQ=（IQH×D+IQL（1-D））×VDD （2）

　　其中：IQH為驅(qū)動器輸入為高電平狀態(tài)的靜態(tài)電流；D為開關(guān)波形的占空比；IQL為驅(qū)動器輸入為低電平狀態(tài)的靜態(tài)電流。

　　3）MOSFET驅(qū)動器交越導(dǎo)通電流產(chǎn)生的功耗為：

　　PS=CC×F×VDD （3）

　　其中：CC為交越常數(shù)。

　　從上述公式可以推導(dǎo)出，在3部分功耗中其中柵極電容充放電功耗在MOSFET驅(qū)動器功耗中占的比例最高，特別是在很低的開關(guān)頻率時。同時根據(jù)公式減小柵極驅(qū)動電壓可以顯著減少驅(qū)動器的功耗。

　　在應(yīng)用中使MOS管驅(qū)動器與MOS管匹配主要是根據(jù)功率MOS管導(dǎo)通和截止的速度快慢即柵極電壓的上升和下降時間，也即是MOS管柵極電容的充放電速度。MOS管柵極電容導(dǎo)通與截止的時間與MOS管驅(qū)動器的驅(qū)動電流的關(guān)系可以表示為：

　　T=（VxC）/I （4）

　　其中：T表示導(dǎo)通與截止時間，V表示MOS管柵極源極兩端的電壓，C表示柵極電容，I表示驅(qū)動器峰值驅(qū)動電流。

　　根據(jù)柵極電壓與柵極電容的乘積為柵極電荷Q則上式可轉(zhuǎn)化為T=Q/I.本設(shè)計中功率MOSFET采用IR公司的IRF3710S功率MOSFET芯片，從其datasheet可以得到MOSFET的柵極電荷為26 nC，導(dǎo)通/截止時間為106 ns，可以得到峰值驅(qū)動電流為，驅(qū)動電壓為12 V，本設(shè)計驅(qū)動芯片采用IR公司的IR2130驅(qū)動模塊，該芯片可用來驅(qū)動工作在母電壓不高于600 V的電路中的功率MOS門器件，其可輸出的最大正向峰值驅(qū)動電流為250mA，輸出驅(qū)動電壓為10~20V而反向峰值驅(qū)動電流為500 mA.它內(nèi)部設(shè)計有過流、過壓及欠壓保護、封鎖和指示網(wǎng)絡(luò)，使用戶可方便的用來保護被驅(qū)動的MOS門功率管，加之內(nèi)部自舉技術(shù)的巧妙運用使其可用于高壓系統(tǒng)，它還可對同一橋臂上下2個功率器件的門極驅(qū)動信號產(chǎn)生2μs互鎖延時時間。它自身工作和電源電壓的范圍較寬（3~20 V），在它的內(nèi)部還設(shè)計有與被驅(qū)動的功率器件所通過的電流成線性關(guān)系的電流放大器，電路設(shè)計還保證了內(nèi)部的3個通道的高壓側(cè)驅(qū)動器和低壓側(cè)驅(qū)動器可單獨使用，亦可只用其內(nèi)部的3個低壓側(cè)驅(qū)動器，并且輸入信號與TTL及COMS電平兼容。IR2130管腳如圖2所示。

　　圖2 IR2130管腳

　　圖2中HIN1~HIN3、LIN1~LIN3：逆變器上橋臂和下橋臂功率管的驅(qū)動信號輸入端，低電平有效。CA-、CAO、VSO：內(nèi)部放大器的反相端、輸出端和同相端，可對主電路的電流進行檢測。ITRIP：過流信號檢測輸入端，可通過輸入電流信號來完成過流或直通保護。FAULT：過流、直通短路、過壓、欠壓保護輸出端，該端提供一個故障保護的指示信號。它在芯片內(nèi)部是漏極開路輸出端，低電平有效。VB1~VB3：是懸浮電源連接端，通過自舉電容和快速恢復(fù)二極管為3個上橋臂功率管的驅(qū)動器提供內(nèi)部懸浮電源，其中快速恢復(fù)二極管的作用是防止母線電壓倒流損壞器件，VS1~VS3是其對應(yīng)的懸浮電源地端。HO1~HO3、LO1~LO3：逆變器上下橋臂功率開關(guān)器件驅(qū)動器信號輸出端。

　　在實際應(yīng)用中，IR2130的設(shè)計也有一些不合理之處，在使用中應(yīng)特別注意。

　　1）IR2130的故障輸出只有一個通道，在實際應(yīng)用中很難判斷是過流還是欠壓故障，特別是在上電過程中，控制電源必然從0上升至某值，在此過程中，IR2130的故障輸出端因內(nèi)部欠壓而動作，將此信號作為過電流信號去觸發(fā)前級保護電路時，如果前級保護電路具有自鎖功能，可能使電路無法起動。

　　2）由于IR2130的電流檢測輸入端直接與主電路連接，很容易引入干擾而使系統(tǒng)停機或出現(xiàn)異常，因此，電流檢測電阻應(yīng)采用無感電阻。

　　3）由于IR2130采用了不隔離的驅(qū)動方式，若主電路功率器件損壞，高壓將直接串入IR2130，引起IR2130永久性損壞，嚴重時還會將IR2130前級電路擊穿。

　　4）當(dāng)IR2130的輸入信號來自微處理器時必須采取隔離措施，由于IR2130具有高側(cè)驅(qū)動功能，因此可使用普通光耦，以降低成本。

　　3 應(yīng)用實例

　　永磁無刷直流電機是隨著高性能永磁材料、電機控制技術(shù)和電力電子技術(shù)發(fā)展而出現(xiàn)的一種新型電機，它既具有交流電機結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠、維護方便、壽命長等優(yōu)點，又具備直流電機運行效率高、無勵磁損耗及調(diào)速性能好等諸多優(yōu)點，且還具有功率密度高，低轉(zhuǎn)速，大轉(zhuǎn)矩的特點。它的應(yīng)用已從最初的軍事工業(yè)，向航空航天、醫(yī)療、信息、家電以及工業(yè)自動化等領(lǐng)域迅速發(fā)展。

　　圖3是由IR2130組成的無刷直流電機驅(qū)動原理圖為便于表示只畫出其中一個橋臂的電路示意圖，通過IR2130輸入信號控制MOSFET的開關(guān)，由