电机控制器功率电路MOS管及驱动芯片选型若干问题总结

1　绪论

电机控制器中功率电路硬件的主要组成部分是开关器件和驱动芯片，进行控制器设计时需对这两种芯片进行选型，合理的选型关系到控制器能否正常工作，能否使电机达到理想出力，是一个很重要的环节，本文对开关器件（以MOSFET为例）和驱动芯片选型中的若干问题进行总结。

2　MOS管选型

2.1　选型参数简述

MOS管是一种电压驱动型开关功率器件，一般对MOS选型时主要关注其耐压值、耐流值、耐温值、开关损耗等参数。表1-1列出了典型MOS管Datasheet中一些需要关注的参数及其意义。

表1-1　MOS管主要参数及意义说明
Symbol	Definition	Meaning
$I_{D}$	最大漏电流	漏电流是MOS管最重要的参数之一，这个参数在工程经验中一般选为电机绕组电流最大值（是相电流还是线电流要看接法，必须是通过MOS的电流）的2~3倍，但是这个倍数并非完全遵循，实际设计中有很大的弹性，很需要注重实际应用场景和成本。原则是电机控制器中流过的最大电流不能超过MOS的漏电流极限值，否则会击穿MOS。且这一参数会随着温度变化。
$V_{DSS}$	最大漏源电压	漏源电压也是MOS管最重要的参数之一，这个参数在工程经验中一般选为母线电压最大值的1.5~2倍。与漏电流一样，这个倍数并非完全遵循，实际设计中有很大弹性。原则是保证系统出现的最大电压不会使MOS管击穿。
$V_{GS}$	最大栅极电压	栅极和源极之间的电压为MOS管的开通电压，这个电压高于某值时MOS管实际已经开通，只是开通的程度不同，这里加载的电压不能超过最大开通电压。
$V_{GS(th)}$	阈值栅极电压	高于阈值栅极电压，MOS管将被开通。阈值栅极电压（开通电压）这一参数与驱动芯片的选型有很强的关联性，后面章节详述，选择驱动芯片是必须提供能使MOS管开通的栅极电压。这一参数在参数表上有最大和最小值，可以理解为，达到最小值时MOS管已经开始开通，达到最大值时MOS管完全开通。
$R_{DS}$	导通电阻	MOS管导通时漏极和源极之间的电阻。
$Q_{rr}$	反向恢复电荷	MOS管在通态和断态两种状态间转换时，需要抽出和灌入的电荷量，这一参数与驱动芯片的选择有关。后面章节详述。

2.2　MOS管原理简述

再来说明一下MOS管Datasheet中比较重要的几幅曲线图，包括静态输出特性、温度特性等。说明前要略讲解一下MOS管的原理，这也是我做项目中一直比较模糊的点，只能说做项目的时候只会用MOS，对原理完全是一窍不通。项目做完后，认真研读了科学出版社的《电力电子技术》一书，对MOS管的原理深入了解。

上图所示为MOS管原理示意图，以NMOS为例，简述一下MOS管的工作原理：栅极G通电后，P区电子被吸到栅极的金属层部分，电子越来越多，将会在N区和P区之间形成一层电子密度极高的部分，这部分实际上已经从P区变成了N区，所以叫反型层，或称为沟道。沟道形成以后，下方的N区和源极S下面的小N区就连在了一起，这样从漏极D到源极S通电，电子可以自由移动，从而形成电流。MOS管的静态输出特性曲线如图1-3所示：

以英飞凌公司MOS管产品IRLB4030PBF为例，其静态输出特性曲线如图1-4所示：

基本和书上讲的静态输出特性曲线是一致的，这个曲线分为三个区域，非饱和区（可变电阻区）、饱和区和截止区。按照常理，我们将MOS管用作一个开关器件，因此其正常应该工作在截止区和可变电阻区，当栅极电压低于一个阈值时，不管在漏极D加多大电压，MOS管不会有电流通过，而过了一个阈值之后，MOS管通过的电流随着漏源电压的增大而增大。其中异常的工作状态就是饱和区，书上写的是：

“当漏源电压过大时，由于漏极电流在沟道上的压降会抵消一部分栅极电压，器件会出现沟道夹断的现象，一旦沟道夹断，漏极电流会被限制而不能进一步上升。”

这段话在图中倒是被诠释的很清楚，在任意一个栅极开通电压下，如果漏源电压过大，可以看到电流增大到一定极限后，再增加的非常缓慢，甚至有变平的趋势。沟道夹断我用通俗一点的方式理解是这样的：还是从1-2原理图中来解释，如果Ｄ端电压过大，它对电子的吸力也越来越大，如果漏极D施加的电压远大于栅极S施加的电压，沟道中的电子会逐渐被向Ｄ极吸，到一个极限状态，那就是沟道夹断。

如果对上述的原理理解的比较清楚，那么我觉得自然而然会出现一个疑问，沟道都夹断了，MOS管漏源极之间为什么还会有电流呢？

解答这个问题的关键在于理解沟道夹断的这个区域的状态到底是怎样的。我们可以看出，MOS的本质就是PN结的叠加，沟道夹断这个区域内的电子和空穴已经都被吸走了，形成了空间电荷区，但是由于离子是不会移动的，因此空间电荷区内部有很强的电场，这个电场的方向是N区到P区，也可以看作是漏极D到源极S，所以此时当小N+区内的电子移动到靠近沟道夹断区的边缘时，就会立刻被空间电荷区的电场俘获，瞬间被扫到漏极一端形成电流，这就是沟道夹断后还有漏源电流的原因，但是因为夹断区周围的电子密度非常小，因此虽然有电流，但是这个电流不会再进一步增加，也就是达到了饱和状态。

再说回选型，这个静态特性曲线也是选型中非常重要的一个参考，要保证驱动芯片能够让MOS管工作在开关状态。

3 驱动芯片选型

驱动芯片的存在主要是为了开通MOS管，为了提供MOS管开通所需要的电压，需要自举升压电路，驱动芯片的意义正是自举升压相关的一些电路。以英飞凌高边驱动芯片IR2101S为例进行一些说明，图2-1为IR2101SDatasheet，驱动芯片与MOS管的连接方式如图2-2所示：

可以看出，驱动芯片简单而言就是把单片机产生的PWM波形进行放大输入到MOS管的栅极G，从而达到开通关断MOS管的目的。表2-1列出了驱动芯片选型时需要关注的主要参数：

Sybol	Definition	Meaning
$V_{B}$	高端供电电压	可以理解为上桥臂MOS开通时的栅极电压。
$V_{S}$	高端参考电压	上桥臂MOS开通时的参考电压，供电电压减去参考电压的值就是栅极开通电压，这一电压高于MOS管的开通电压就会开通。
$V_{CC}$	供电电压	关系到控制器的电源管理电路搭建，要能够出一级电压给驱动芯片供电。
$I_{O+}$	灌电流能力	驱动芯片最重要的参数，直接表征了驱动芯片的驱动能力，拉灌电流的能力直接决定了驱动芯片能否给MOS提供足够的电子使其开通，如果这个参数与MOS管不匹配，则会出现MOS不能完全开通的情况。
$I_{O-}$	拉电流（抽电流）能力	驱动芯片最重要的参数，直接表征了驱动芯片的驱动能力，拉灌电流的能力直接决定了驱动芯片能否给MOS提供足够的电子使其开通，如果这个参数与MOS管不匹配，则会出现MOS不能完全开通的情况。
$t_{on}$	开通延迟时间	顾名思义，开通时的延迟时间，这个时间是单片机PWM信号输入到驱动芯片的时间与驱动芯片将PWM信号输出到MOS管端时间的差值。
$t_{off}$	关断延迟时间	与开通延迟时间相似，关断时的延迟时间。

对于拉灌电流能力这一参数需要进一步解释，从等效层面上讲，MOS管的各极之间都存在寄生电容，MOS开通的过程就是对极间电容充电的过程，如图2-3所示为MOS管极间电容的示意图，所谓灌电流就是将电流灌进G极使得MOS开通，拉电流就是将电荷从G极抽出使得MOS关断，拉灌电流的力度决定了MOS开通的程度。

对驱动芯片进行选型时，需要格外注意将驱动芯片拉灌电流能力值与MOS管的参数相匹配，如果不匹配将会出现俗称为“带不动”的情况。那么这一值具体应该怎么匹配呢？还是以IRLB4030和IR2101S为例进行计算：

这之中用到了MOS管的反向恢复电荷 $Q_{rr}$ ，IRLB4030的恢复电荷在125摄氏度时为130nC，我们取为150nC，假设电机控制PWM波的频率为10KHz，即周期为100us，假设PWM电压从零到最大值的阶跃时间为1us，那么MOS管需要的电流值为：

$I={\frac{Q}{T}}={\frac{150nC}{1 \times10-6}=150mA$

那也就是说驱动芯片拉灌电流值应该至少达到150mA才能带的动IRLB4030，IR2101S的拉灌电流值在130mA到270mA之间，基本符合条件，因此这两款驱动芯片和MOS管的匹配使用是合理的。