MOS管半桥驱动芯片事理_电压_栅极

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一、芯片IR210x系列是驱动MOS半桥电路的专用芯片，通过外部二极管D1与电容C1得到自举电源（二极管可以防止升压后电源倒灌），用来驱动上端MOS管，浮地端对应VS,升压后电源正极对应VB。

从半桥驱动芯片功能框图可以看到，实际输出MOS驱动脚类似推挽输出构造，驱动上端MOS的引脚HO，输出高电平时，其引脚实际高电平电压为VB脚电压，输出低电平时，其引脚实际低电平电压为VS脚电压。

MOS管半桥驱动芯片事理_电压_栅极 MOS管半桥驱动芯片事理_电压_栅极科学

输出电平—> 高电平低电平

（图片来自网络侵删）

HO VB VS

LO VCC COM

由于MOS管的导通电压为Vgs(th)（一样平常小于VCC）,那么下端MOS管Q4导通只须要在Q4的G极输出高电平（S极接地为0V），即LO引脚输出的VCC要大于即是Vgs(th)即可；

对付上端MOS管Q2，如果HO引脚输出的VB即是VCC，Q2在导通一瞬间，VBUS电压导通至A+点（Q2的S极），Q2的Vgs = VCC - VBUS ，一样平常VBUS大于VCC，此时Vgs 小于Vgs(th)导致Q2断开。

以是上端MOS管Q2不能大略的和下端MOS管Q4一样施加大于即是Vgs(th)的办法，须要通过自举升压电路，不会由于上端MOS管Q2导通后S极电压升高而关断，这就哀求其G极与S极的压差始长年夜于即是Vgs(th)。

对付上端MOS管Q2，自举升压后，VB点电压可抬高至VCC+VBUS，HO引脚输出高电平VB，Vgs 始长年夜于即是VCC，且VCC大于Vgs(th) ，可实现Q2导通。

须要把稳的是，外部半桥中高下MOS管不能同时导通，避免VBUS直接施加到地导致短路。
该类半桥驱动芯片常日会自带去世区保护韶光，即一个MOS管关闭后，须要打开另一个MOS管时，芯片不会立即相应，会延时一定韶光再打开，参数deadtime。
选型时可以关注是否自带去世区韶光，减轻编程包袱；去世区韶光是否大于MOS管的关断韶光，避免短路。

二、接下来两幅图分别为半桥驱动芯片FAN73933的范例运用电路和内部功能框图，图中R_Boot、D_Boot以及C_Boot分别为自举电阻、二极管和自举电容。

假定自举电容C_Boot在上桥开关管关断期间已经充到足够的电压（约15V），当HIN高电平时，VM1开通、VM2关断，自举电容上的电压直接加到上桥开关管的门极和发射极，自举电容通过VM1、R1和上桥开关管的门极-集电极电容放电（上桥开关管的门极-集电极电容被充电），此时，自举电容的电压可以看做一个电压源。

当HIN低电平时，VM2开通、VM1关断，上桥开关管门极的电荷通过R1和VM2迅速开释，上桥开关管关断。

经由短暂的去世区韶光之后，LIN为高电平，下桥开关管开通，15V电源通过R_Boot、D_Boot和下桥开关管给C_Boot充电，迅速为C_Boot补充能量。
如此循环反复。

注：驱动电阻的选取直接关系到开关管的开通和关断速率，进而影响到其开关损耗（开通损耗和关断损耗），进一步地影响功率模块的温升。

三、搭建的H桥驱动电路详解

1.简介

在学习此部分之前，须要先节制根本H桥驱动的事情事理，详细可参看此篇博客：电机驱动芯片（H桥、直流电机驱动办法）

自行搭建的H桥驱动电路一样平常都包括两个部分：半桥/全桥驱动芯片和MOS管。
自行搭建的H桥驱动所能通过的电流险些由MOS管的导通漏极电流所决定。
因此，选择适当的MOS管，即可设计出驱动大电流电机的H桥驱动电路。

2.NMOS管IRLR7843

在选择MOS管搭建H桥时，紧张需把稳以下一些参数：

★1.漏极电流（Id）：该电流即限定了所能接入电机的最大电流（一样平常要选择大于电机堵转时的电流，否则可能在电机堵转时烧毁MOS管），LR7843的最大漏极电流为160A旁边，完备可以知足绝大部分电机的须要。

★2.栅源阈值电压/开启电压（Vth）：该电压即MOS管打开所需的最小电压，也将决定后续半桥驱动芯片的选择和设计（即芯片栅极掌握脚的输出电压）。
LR7843的最大栅源阈值电压为2.3V。

★3.漏源导通电阻（Rds）：该电阻是MOS管导通时，漏极和源极之间的损耗内阻，将会决定电机迁徙改变时，MOS管上的发热量，因此一样平常越小越好。
LR7843的漏源导通电阻为3.3mΩ。

★4.最大漏源电压（Vds）：该电压是MOS管漏源之间所能承受的最大电压，必须大于加在H桥上的电机驱动电压。
LR7843的最大漏源电压为30V。
知足7.4V的设计须要。

3.半桥驱动芯片IR2104S

在H桥驱动电路中，一共须要4个MOS管。
而这四个MOS管的导通与截止则须要专门的芯片来进行掌握，即要先容的半桥/全桥驱动芯片。

★所谓半桥驱动芯片，便是一块驱动芯片只能用于掌握H桥一侧的2个MOS管（1个高端MOS和1个低端MOS，在前述推举的博客中有先容）。
因此采取半桥驱动芯片时，须要两块该芯片才能掌握一个完全的H桥。

★相应的，全桥驱动芯片便是可以直接掌握4个MOS管的导通与截止，一块该芯片便能完成一个完全H桥的掌握。

这里利用的IR2104便是一款半桥驱动芯片，因此在事理图中可以看到每个H桥须要利用两块此芯片。

1.范例电路设计（来源于数据手册）

2.引脚功能（来源于数据手册）

★VCC为芯片的电源输入，手册中给出的事情电压为10~20V。
（这便是须要boost升压到12V的缘故原由）

★IN和SD作为输入掌握，可共同掌握电机的迁徙改变状态（转向、转速和是否迁徙改变）。

★VB和VS紧张用于形成自举电路。
（后续将详细讲解）

★HO和LO接到MOS管栅极，分别用于掌握高端和低端MOS的导通与截止。

★COM脚直接接地即可。

3.自举电路

此部分是理解该芯片的难点，须要进行重点讲解。
从上面的范例电路图和最初的设计事理图中均可创造：该芯片在Vcc和VB脚之间接了一个二极管，在VB和VS之间接了一个电容。
这便构成了一个自举电路。

浸染：在高端和低端MOS管中提到过，由于负载（电机）相对付高端和低真个位置不同，而MOS的开启条件为Vgs>Vth，这便会导致想要高端MOS导通，则其栅极对地所需的电压较大。

补充解释：由于低端MOS源极接地，想要导通只须要令其栅极电压大于开启电压Vth。
而高端MOS源极接到负载，如果高端MOS导通，那么其源极电压将上升到H桥驱动电压，此时如果栅极对地电压不变，那么Vgs可能小于Vth，又关断。
因此想要使高端MOS导通，必须想办法使其Vgs始长年夜于或一段韶光内大于Vth（即栅极电压保持大于电源电压+Vth）。

首先看下IR2104S的内部事理框图（来源于数据手册）。
此类芯片的内部事理基本类似，右侧两个栅极掌握脚（HO和LO）均是通过一对PMOS和NMOS进行互补掌握。

自举电路事情流程图：

以下电路图均只画出半桥，其余一半事情事理相同因此省略。

假定Vcc=12V，VM=7.4V，MOS管的开启电压Vth=6V（不用LR7843的2.3V，缘故原由后续解释）。

（1）.第一阶段：首先给IN和SD对应的掌握旗子暗记，使HO和LO通过左侧的内部掌握电路（使高下两对互补的PMOS和NMOS对应导通），分别输出低电平和高电平。
此时，外部H桥的高端MOS截止，低端MOS导通，电机电流顺着②线流利。
同时VCC通过自举二极管（①线）对自举电容充电，使电容两端的压差为Vcc=12V。

（2）.第二阶段：此阶段由芯片内部自动产生，即去世区掌握阶段（在H桥中先容过，不能使高下两个MOS同时导通，否则VM直接通到GND，短路烧毁）。
HO和LO输出均为低电平，高低端MOS截止，之前加在低端MOS栅极上的电压通过①线放电。

（3）.第三阶段：通过IN和SD使左侧的内部MOS管如图所示导通。
由于电容上的电压不能突变，此时自举电容上的电压（12V）便可以加到高端MOS的栅极和源极上，使得高端MOS也可以在一定韶光内保持导通。
此时高端MOS的源极对地电压≈VM=7.4V，栅极对地电压≈VM+Vcc=19.4V，电容两端电压=12V，因此高端MOS可以正常导通。

（此时，自举二极管两端的压差=VM，因此在选择二极管时，须要担保二极管的反向耐压值大于VM。
）

把稳：由于此时电容在持续放电，压差会逐渐减小。
末了，电容正极对地电压（即高端MOS栅极对地电压）会降到Vcc，那么高端MOS的栅源电压便≈Vcc-VM=12V-7.6V=4.4V < Vth=6V，高端MOS仍旧会关断。

补充总结：

★因此想要使高端MOS连续导通，必须令自举电容不断充放电，即循环事情在上述的三个阶段（高低端MOS处于轮流导通的状态，掌握旗子暗记输入PWM即可），才能担保高端MOS导通。
自举二极管紧张是用来当电容放电时，防止回流到VCC，破坏电路。

★但是，在对上面的驱动板进行实际测试时会创造，不须要令其高低端MOS轮流导通也可以正常事情，这是由于纵然自举电容放电结束，即高端MOS的栅源电压低落到4.4V仍旧大于LR7843的Vth=2.3V。

那么在上述驱动板中，自举电路就没有浸染了吗?当然不是，由于MOS管的特性，自举电路在增加栅源电压的同时，还可令MOS管的导通电阻减小，从而减少发热损耗，因此仍旧建议采取轮流导通的办法，用自举电容产生的大压差使MOS管导通事情。

4.掌握逻辑

时序掌握图：

大略看来，便是SD掌握输出的开关（高电平有效），IN掌握栅极输出脚的高低电平（即H桥MOS管的开关）。

在最上面的驱动板中，SD接到VCC，即处于输出常开状态。
只须要对IN脚输入对应掌握旗子暗记即可进行电机的驱动。

上面为半桥的驱动办法，驱动一个H桥要同时对两个IR2104进行掌握。

以上面设计的电机驱动板为例，驱动真值表：