半桥电路设计与周边元件选型指南及典型应用案例
一、引言
该应用手册的目的是,指导如何在电机应用中正确地设计半桥电路,并围绕NCE8295AK的周边电路选型进行分析,最后提出一款典型应用以供参考。
在后文中,将会依次讨论以下内容:
1. 自举电路设计;
2. 栅极电阻的选择;
3. 电路上寄生参数的影响和解决方案;
4. PCB设计指导;
所有讨论内容会以新洁能产品为例,除非另做特殊说明。
二、自举电路设计
一般半桥电路中的结构如图1所示,包含有自举电阻,自举二极管和自举电容这三部分。这种方案是当前电机驱动中最常用的且成本最低廉的方案。
图1 自举电路基本结构
1. 自举电路电容选择
为了确定自举电容的大小,我们首先需要评估以下几点:
-MOSFET开启所需要的栅极电荷Qg;
-MOSFET的GS漏电ILK_GS;
-驱动的静态工作电流IQBS;
-自举二极管的漏电ILK_DIODE;
-自举电容漏电ILK_CAP;
-上桥置高时间THON.
当自举电容使用电解电容时ILK_CAP才会纳入计算值,其他类型的电容均不需要考虑。这里推荐至少使用一颗低ESR的陶瓷电容,并联电解电容和低ESR陶瓷电容可以实现更好的电路工作特性。
通过计算,我们能得出一次开启所需损耗的电容值:
在自举过程中,VBS可以下降的范围△VBS:
在此过程中,需要保证:
VF MOSFET的反向二极管压降
VGEmin 保持MOSFET管导通的最小栅极电压
VDSon 下桥MOSFET的导通压降
用以上结果,可以计算得出:
以NCE8295AK作MOSFET,NSG2020作驱动芯片为例:
Qg=109.3nC;
ILK_GS=100nA;
IQBS=40uA;
ILK_DIODE=100uA
(反向恢复时间<100nS);
ILK_CAP=0;
THON=100uS;
Vcc=12V;
Vf=1.2V;
Vdson=0.1V;
Vgsmin=10V。
按照留有10%以上的余量规则,建议电容值为220nf左右。
注意:此处计算自举电容的过程中,仅仅计算了一次脉冲过程所需的电荷量,没有考虑PWM的占空比与频率等问题。如果是使用PWM波控制的信号,请以上述计算方式为基础,经过一定的等效换算得到其实际所需要的自举电容大小。
2. 自举电路的注意事项
A. 自举电阻
自举电阻会在部分自举电路中使用,并不是必须元器件。在启动时HO与LO可能会发生异常跳变,此时增加自举电阻,自举电阻会在自举电路启动时,会限制从自举二极管经过的电流,能够非常有效地抑制这些不良信号,起到保护电路的功能。
B. 自举电容
在上桥臂长时间开启的电路设计中,使用电解电容作为自举电容的设计必须考虑ESR。上桥臂长时间开启需要一个容值较大的自举电容,一般选用电解电容较多。但是电解电容有一定的内阻,会使自举电阻分压降低,无法实现其功能。此时并联一个低ESR的陶瓷电容,能够有效避免这种情况发生。
C. 自举二极管
自举二极管用于维持自举电路的电压稳定,需要保证二极管的反向耐压能力大于驱动电源电压,并在此基础上尽可能地选择快恢复二极管,如肖特基二极管等。
三、 选择栅极电阻
栅极电阻用于控制所驱动MOS的开关速度快慢和上升下降沿的斜率,这可能会影响到应用上的多项性能,如损耗,可靠性等。该段落会叙述如何选择驱动电阻,并对驱动电阻带来的影响进行讨论。栅极电阻的选择与所使用的驱动芯片,MOSFET甚至电路设计息息相关,不同环境中均需要根据实际情况重新选择。
常用的 MOSFET 驱动电路如下图所示:
其中,Rg 为驱动电阻;LK 是驱动回路的感抗,一般在几十 nH;Rpd 的作用是给MOSFET栅极积累的电荷提供泄放贿赂,一般取值在10K~几十K;Cgd、Cgs、Cds 是 MOSFET 的三个寄生电容。
驱动电阻下限值的计算原则为:驱动电阻必须在驱动回路中提供足够的阻尼,来阻尼MOSFET开通瞬间驱动电流的震荡。
实际设计时,一般先计算出Rg下限值的大致范围,然后再通过实验,以驱动电流不发生震荡作为临界条件,得出Rg的下限值。
MOSFET电阻驱动电阻上限值的设计原则为:防止MOSFET关断时产生很大的dV/dt,使MOSFET管再次误开通。
Vth 为MOSFET门槛电压,Cgd和 dV/dt 在手册中可查。
通常MOSFET 电阻驱动的取值范围在5~100欧姆之间,在这个范围内如何进一步优化阻值的选取,这是由以下两点所决定的:
(1)MOSFET的开关损耗。MOSFET的损耗一部分为开关损耗,另一部分为导通损耗,栅极电阻则主要影响了开关过程的损耗,阻值越大,开关过程越慢,电压电流的交叠区域越大,损耗也就越大。损耗过大最直接的影响就是会使芯片温度迅速上升,在高于150℃的条件下则会使器件面临失效的风险。
图2 阻性负载条件下的MOS开关损耗
(2)可靠性。与损耗相反,栅极电阻的阻值越小,MOSFET的开关速度就会越快。在实际应用中,功率端电流较大,对寄生参数较为敏感,过高的开关速度会增加信号的不稳定性,轻则使电机的EMI过大,重则使电路发生损坏。其中最常见的有:
1)栅极信号振铃,导致MOS损坏(如图3所示);
2)dv/dt过快,VS端口承受过高或者过低的电压信号,导致驱动损坏(在第四小节会详细叙述)。
图3 栅极振铃现象
四、寄生参数的影响
前文讲解了如何选择电机驱动的周边电路参数,这一章则会讲述如何合理地设计PCB,使最终得到的PCB工作在一个较为理想的环境中。
1. 旁路电容
无刷电机常见于24-60V的应用环境中,所以驱动电源往往是通过BUCK电路降压得到的10-15V,并不能设计在驱动电路周边附近,设置旁路电容除了起到滤波作用外,也有供电作用。因此,旁路电容一般需要自举电容的10倍容值以上才能够保持VCC电压不发生突变。
除此之外在PCB设计上,则建议旁路电容要紧邻VCC与COM端,可用贴片电容与电解电容并联达到最小的ESR值,并且在BUCK电路的输出端需要另外设置电容,这样才能保证电源供电处于最稳定的状态。
图4 旁路电容选择
2. VS与COM的周边寄生
与逻辑功能块不同,功率MOSFET部分的电路总是伴随着高额的电流,在这种条件下,线路上的寄生电感就会表现出其干扰特性,使波形发生不良震荡(如图5所示)。此时,VS和COM端口的信号就会受到干扰,对驱动芯片的工作状态造成严重影响。尤其对于承受高压的VS端口,可能会出现正反两相的尖峰,这种尖峰一旦超过了一定的峰值,均可能会损坏驱动芯片。
图5 寄生参数等效电路
图6 VS端口的极端情况
抑制这种现象对电路的干扰,主要有以下两种方式:(1) 寄生电感导致震荡主要由过高的DI/DT引起,因此降低开关速度就是最直接的方法,增加栅极驱动电阻就能够有效降低寄生参数导致的震荡。(2) 这种震荡现象持续时间较短,并且返回电流并不大,因此可以通过增加电阻的方式抑制。在VS端口可以设置一颗1-20Ω的电阻,在COM端口则建议使用铜线单点对地再连接功率地。
图7 VS与COM震荡抑制电阻
五、典型方案与PCB制作
此处例举了一例半桥电路使用的案例,针对不同的芯片选择与不同的方案设计,具体参数要请读者自行调节。
以驱动MOSFET NCE8295AK为例,系统为48V无刷三相电机,所选用的栅极开启电阻为56Ω,关断电阻为10Ω。
图8 G2020典型应用方案
以图8应用方案为例,并通过紧密排布减小寄生参数对应用的影响。
图9 顶层
图10 底层
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产品型号
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品类
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封装/外壳/尺寸
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车规级/工业级
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Technology
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Polarity
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BVDSS(V)
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ID(A)
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VTH(V)
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RDS(ON)@4.5VTyp(mΩ)
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RDS(ON)@4.5VMax(mΩ)
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RDS(ON)@2.5VTyp(mΩ)
|
RDS(ON)@2.5VMax(mΩ)
|
VGS(th)(V)
|
CISS(pF)
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QG(nC)
|
PD(W)
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NCE12P09S
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P-Channel Enhancement Mode Power MOSFET
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SOP-8
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工业级
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Trench
|
P
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-12
|
-9
|
-0.7
|
11.5
|
18
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14
|
22
|
±12
|
2700
|
35
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2.5
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选型表 - NCE 立即选型
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传统EPS系统在使用MOS桥驱动电路时面临诸多挑战,如依赖进口产品导致成本高昂和供应链不稳定,或使用传统MOSFET在高功率、高效率应用中无法提供足够的电压和电流安全边际等。瑶芯N-channel SGT MOSFET AK2G4N008GAM-A低阻值,高效FOM值,是更理想的选择。
【应用】N和P沟道V互补MOSFET HM607K助力缩小H型电桥电机控制电路设计面积,具有超低漏源导通电阻
虹美功率拥有双芯合封的技术,使得一个HM607K芯片内同时包含P-MOS管和N-MOS管,H型电桥的上桥臂用P-MOS管,而下桥臂用N-MOS管,方便简化了控制电路的设计,同时使H型电桥控制电路的设计面积进一步缩小。
瑶芯AK2G4N010TAM-A系列:超低1.05mΩ导通电阻SGT MOSFET,助力中大功率电机应用节能提效
用于电机控制系统的SGT MOSFET不仅要电气特性稳定,还要能够优化电池管理,延长电机使用寿命,同时也要具有节能、高效的特性。瑶芯AK2G4N010TAM-A系列既能满足功率控制的要求,同时提高系统整体性能和可靠性。
【元件】罗姆新开发安装可靠性高的10种型号、3种封装的车载Nch MOSFET,适用于车门、座椅电机及LED前照灯
ROHM开发出具有低导通电阻优势的车载Nch MOSFET “RF9x120BKFRA”、“RQ3xxx0BxFRA”和“RD3x0xxBKHRB”。新产品非常适用于汽车门锁和座椅调节装置等所用的各种电机以及LED前照灯等应用。目前,3种封装10种型号的新产品已经开始销售,未来会继续扩大产品阵容。
HI-SEMICON(深鸿盛)场效应管(MOSFET)选型表
目录- 中低压功率MOSFETs 高压功率MOSFETs 超结MOSFETs
型号- SFU6007T,SFP20N65,SCF60R190C,SFD3006T,SFD6003T,SGP104R5T,SFF10N65R,SFD7N70,SFF4N60E,SFQ0320T4,SFM4009T,SFE6001T2,SFP20N60,SFK2N50,SFF60N06,SFM041R8T,SFD60N06,SFD2N50,SFP4N65,SFP33N10,SFP4N65E,SCP60R190C,SFP20N70,SFS3401,SFD4N60E,SFS3400,SFD6005T,SFD7N65E-Y,SFD7N50,SFM6005ST,SFF18N50,SCA60R280C,SFM4N65,SFD1N65,SCP70R360C6,SFD3015T,SGA855R0T,SFP50N06,SCA65R540T,SCF65R640C,SFQ0322T4,SFU4N65E,SFF12N65,SFD6006T,SFD6N70,SGM10HR14T,SFQ0420T4,SGM062R3T,SFS4525T,SFD3N50-P,SFN3009T,SCD60R360C,SFF6N70,SFU3006T,SCF65R1K15C,SFP9N20,SFF50N06,SFD6007T,SFF3N50-P,SFP10N60,SCF65R380C,SFP7N65E-Y,SCP65R380C,SCP60R280C,SFS4008T2,SFS2300,SFF7N65-Y,SCF60R280C,SFF13N50,SFF7N50,SCF65R540T,SFD50N06,SFP10N70,SCD65R1K2C,SFM4010T,SFD3N50TS,SFF6007T,SCF80R500C,SCD80R500C,SFF2N50,SFD3012T,SFA3018T,SFF7N65,SCF65R310C,SFF7N65E-Y,SCD70R360C6,SFF6006T,SCK65R1K15C,SFD4N65E,SFF15N10,SFU4N65,SFF7N70,SFD4003T,SFU9N65,SFF6005T,SFD7N65-Y,SCP60R160C,SCA60R190C,SCF80R950C,SFK3N50,SCF55R2K7C,SFF12N65-Y,SFE3007T,SFP3006T,SFD5N50,SGM6005DT,SFF9N20,SGF15N10,SFP60N06,SFS2N10,SCF70R600C6,SFD4001PT5,SFP10N65-Y,SFF3N50,SFM4N65E,SCD65R125C,SCF65R125C,SFD4N70,SFP7N65-Y,SFF5N50TS,SFP6005T,SCP65R125C,SGM031R1T,SCF70R420C,SCD70R420C,SFP12N65-Y,SCP65R540T,SCF60R160C,SFD4N65,SFS2N7002,SFF3N50TS,SFF33N10,SCF70R360C6,SFS2302B,SFS2301B,SFD15N10,SFF20N60,SFD6003PT,SGA104R5T,SFF20N65,SFS4606T,SFU4003T,SGD15N10,SFF9N50,SFD10N65-J,SFF4N65E,SFD4004PT,SFD9N65,SFF20N70,SFU10N65R,SCD55R2K7C,SFU6003T,SFF10N70,SCF60R360C,SFD2006T,SFF9N65,SFP13N50,SCD70R600C6,SFU7N70,SCD65R380C,SFD5N50TS,SFAP4580,SFF10N60,SCD65R540T,SCP60R360C,SFF4N65,SFM0320T4,SCF65R1K2C,SCP80R500C,SGP855R0T,SFU6005T,SFD10N65R,SFD3N50,SFP12N65,SFU6N70,SFU4N60E,SFF4N70,SFF10N65-Y,SFF9N90,SGU15N10,SFM3011T,SFF16N65,SFP110N55,SFU6006T,SFP18N50,SFU15N10,SFF5N50,SFF10N65-J,SFN6004T5,SFP59N10,SFD9N20,SCF65R240C,SCD65R640C,SFM3012T,SFS5N10S,SFN0250T2,SCD65R1K15C
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可根据用户的MOSFET管进行参数检测出具报告,静态参数最大电压:7500V、检测最大电流6000A;动态参数最大电压:3300V、检测最大电流:4500A。该测试标准满足GB、IEC及行业标准等,具备可靠性评估及老化实验能力。
实验室地址: 西安 提交需求>
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