典型功率MOSFET驱动保护电路设计方案

MOSFET的栅极电荷为26 nC，导通/截止时间为106 ns，可以得到峰值驱动电流为，驱动电压为12 V，本设计驱动芯片采用IR公司的IR2130驱动模块，该芯片可用来驱动工作在母电压不高于600 V的电路中的功率MOS门器件，其可输出的最大正向峰值驱动电流为250mA，输出驱动电压为10~20V而反向峰值驱动电流为500 mA.它内部设计有过流、过压及欠压保护、封锁和指示网络，使用户可方便的用来保护被驱动的MOS门功率管，加之内部自举技术的巧妙运用使其可用于高压系统，它还可对同一桥臂上下2个功率器件的门极驱动信号产生2μs互锁延时时间。它自身工作和电源电压的范围较宽（3~20 V），在它的内部还设计有与被驱动的功率器件所通过的电流成线性关系的电流放大器，电路设计还保证了内部的3个通道的高压侧驱动器和低压侧驱动器可单独使用，亦可只用其内部的3个低压侧驱动器，并且输入信号与TTL及COMS电平兼容。IR2130管脚如图2所示。

　　图2 IR2130管脚

　　图2中HIN1~HIN3、LIN1~LIN3：逆变器上桥臂和下桥臂功率管的驱动信号输入端，低电平有效。CA-、CAO、VSO：内部放大器的反相端、输出端和同相端，可对主电路的电流进行检测。ITRIP：过流信号检测输入端，可通过输入电流信号来完成过流或直通保护。FAULT：过流、直通短路、过压、欠压保护输出端，该端提供一个故障保护的指示信号。它在芯片内部是漏极开路输出端，低电平有效。VB1~VB3：是悬浮电源连接端，通过自举电容和快速恢复二极管为3个上桥臂功率管的驱动器提供内部悬浮电源，其中快速恢复二极管的作用是防止母线电压倒流损坏器件，VS1~VS3是其对应的悬浮电源地端。HO1~HO3、LO1~LO3：逆变器上下桥臂功率开关器件驱动器信号输出端。

　　在实际应用中，IR2130的设计也有一些不合理之处，在使用中应特别注意。

　　1）IR2130的故障输出只有一个通道，在实际应用中很难判断是过流还是欠压故障，特别是在上电过程中，控制电源必然从0上升至某值，在此过程中，IR2130的故障输出端因内部欠压而动作，将此信号作为过电流信号去触发前级保护电路时，如果前级保护电路具有自锁功能，可能使电路无法起动。

　　2）由于IR2130的电流检测输入端直接与主电路连接，很容易引入干扰而使系统停机或出现异常，因此，电流检测电阻应采用无感电阻。

　　3）由于IR2130采用了不隔离的驱动方式，若主电路功率器件损坏，高压将直接串入IR2130，引起IR2130永久性损坏，严重时还会将IR2130前级电路击穿。

　　4）当IR2130的输入信号来自微处理器时必须采取隔离措施，由于IR2130具有高侧驱动功能，因此可使用普通光耦，以降低成本。

　　3 应用实例

　　永磁无刷直流电机是随着高性能永磁材料、电机控制技术和电力电子技术发展而出现的一种新型电机，它既具有交流电机结构简单、运行可靠、维护方便、寿命长等优点，又具备直流电机运行效率高、无励磁损耗及调速性能好等诸多优点，且还具有功率密度高，低转速，大转矩的特点。它的应用已从最初的军事工业，向航空航天、医疗、信息、家电以及工业自动化等领域迅速发展。

　　图3是由IR2130组成的无刷直流电机驱动原理图为便于表示只画出其中一个桥臂的电路示意图，通过IR2130输入信号控制MOSFET的开关，由驱动无刷直流动机。C1是自举电容，为上桥臂功率管驱动的悬浮电源存储能量，D1的作用是防止上桥臂导通时母线电压倒流到IR2130的电源上而使器件损坏，因此D1应有足够的反向耐压，当然D1与C1串联也是为了满足主电路功率开关频率的要求，D1应选快速恢复二极管。 R1、R2、R10、R11、R12、C4组成过流检测电路。R5、R6为栅极驱动电阻，D4、D5为功率管提供了一个低阻抗的放电回路，使功率管能够快速的泄放电荷。

　　图3 无刷直流电机驱动原理图

　　功率场效应管的栅极与源极之间并联了一个电阻和一个齐纳二极管，电阻的作用是降低栅极与源极间的阻抗，齐纳二极管的作用是防止栅极与源极间尖端电压击穿功率管。同时在功率场效应管的漏极与源极之间并联了一个RC电路和齐纳二极管，由于器件开关瞬间电流的突变而产生漏极尖峰电压，所以必须加上RC缓冲电路和齐纳二极管对其进行保护。

　　在实际应用中栅极的驱动波形如图4所示，此波形是在电机3000RPM时的驱动波形，可以看出此波形完全能够满足要求，同时进行了短路、电机堵转等试验，图3电路也能过很好地保护功率MOSFET管。

　　图4 栅极驱动波形

　　4 结束语

功率MOSFET驱动保护电路的设计可直接决定系统对执行机构的驱动品质。文中针对具体的微电机驱动保护系统，有针对性地功率驱动保护电路进行计算分析与设计。实验证明该电路设计简单可靠，