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无刷驱动设计——浅谈MOS驱动电路

时间:2023-04-03 19:37:01 cgs传感器plc继电器g628电机电容器

MOS驱动

  • 前言
  • MOS实际电路模型
    • 寄生电容
    • 寄生电感
  • 仿真
    • 模拟1栅极串联小电阻
      • 当R2=2.2Ω,当没有反向并联二极管时
      • 当R2=4.7Ω,当没有反向并联二极管时
      • 当R2=7.56Ω,当没有反向并联二极管时
      • 当R2=10.7Ω,当没有反向并联二极管时
      • 当R2=15Ω,当没有反向并联二极管时
    • 模拟2栅极串联小电阻 反并联二极管
      • 当R2=10.七、并联二极管时
  • 其他方案
  • 总结
  • 参考文献

前言

上周末,在调试无刷电机驱动时,总是莫名其妙地炸管,心态消失了,真的没有办法,不得不CSDNB站大学重新学习了相关的理论知识。以下是作者的学习笔记,仅供参考。如有错误,欢迎批评和纠正。

MOS实际电路模型

MOS作为一个常用的设备,我相信我们并不陌生。作者不会重复它的分类和原理。在模型电气中,老师会教我们以下原理图和符号,很少提到带寄生电容器的等效模型。
在这里插入图片描述

寄生电容

如下图所示,实际MOS由于生产工艺、材料和包装的原因,设备不像书中介绍的那样,MOS器件的栅极(g)源极(s)漏极(d)三个电极之间会有寄生电容,从MOS制作出来的时候自带。这三个寄生电容分别命名为:Cgs、Cgd、Cds,具体值将在数据手册中注明。

以常用的7843为例,记录在其数据手册中。请注意,上述电容器的具体值是否直接标记在数据手册中,但输入电容器、输出电容器和逆导电容器表示,两者之间的关系如下:
输入电容(Input Capacitance)Ciss=Cgd Cgs
输出电容(Output Capacitance) CDSS=Cgd Cds
逆导电容( Reverse Transfer Capacitance) Crss=Cgd

这款7843可以根据上述公式获得。Cgs=4200-770=3430pf,约等于3.5nf。

寄生电感

为了更好地了解以下模拟过程,还需要补充一点,即寄生电感。有关其介绍,请参考本文:寄生电感是如何产生的_寄生电感的原因是什么?

仿真

在了解了寄生电感和寄生电容器后,您可以开始模拟它们。这里只是为了解释现象和定性分析,所以参数设置不是很严格。作者选择的寄生电感值为100nH,寄生电容值为3.5nF,MOS选用NMOS,控制信号为1KHZ,占10%的空比PWM波形。

模拟1栅极串联小电阻

这种模拟旨在解释MOS控制的栅极串联小电阻R根据前面的分析,我们知道2的作用是实用的MOS寄生电感和寄生电容存在于电路中,等效后可得到下图所示的模拟电路。

加入栅极电阻后,可以发现形成了一个RLC根据基尔霍夫定律,在0初始条件下进行拉氏变换可以获得以下传输函数。

其中ωn无阻尼自然振荡角频率;ζ根据传输函数,由于电路固定,元于电路固定,元件也固定,因此ωn是固定的,ζ是可以随着电阻的增加而增加的。在自动控制原理对典型二阶系统的描述中可以知道,ζ系统输出在不同范围内会有不同的状态:

0<ζ<1.欠阻尼状态

ζ=1.临界阻尼状态

ζ>1: 过阻尼状态

最佳阻尼比为ζ=0.707。

当R2=2.2Ω,当没有反向并联二极管时

栅极驱动的实际波形如下:

此时 ζ=0.021属于欠阻尼状态,超调量约50%,调整时间约580ns,有振铃现象。

可以发现,此时上升边缘会有超调量,超调量很大。如果管道的耐压值不够,很可能会因为超调量而损坏。

同样,下降沿位置也出现了超调,如果这个超调量过大,达到了MOS导通电压很可能会使MOS误导通发生在本该关闭的时间,用于使用MOSH桥和三相桥电路是致命的。如果误导时间长度超过设定的死区时间,上桥臂和下桥臂将同时出现,相当于直接短接电源部分的正负电源,一瞬间的电流足以照亮你MOS管。
因此,为了保护电路安全,必须尽量减少过度调量,消除栅极驱动的振铃。

当R2=4.7Ω,当没有反向并联二极管时

栅极驱动的实际波形如下:

此时 ζ=0.4396仍处于欠阻尼状态,超调量约21%,调整时间约370ns。
上升沿:

下降沿:

当R2=7.56Ω,当没有反向并联二极管时

此时ζ=0.707,为自动控制原理中的最佳阻尼比,这里只是单纯展示一下最佳阻尼比时系统输出的状态,需要强调的是此取值并不是实际系统中的最佳值。

此时上升边的超调量为5%,调整时间ts=180ns。

当R2=10.7Ω,当没有反向并联二极管时

栅极驱动的实际波形如下:

此时 ζ=1.仍处于临界阻尼状态,超调量消失,振铃消失,调整时间约为153ns。

沿波形下降:

可以发现此时的电阻值已经满足了我们的期望,没有铃声,没有超调,那么继续增加电阻,使系统变成过阻尼状态,会有什么现象呢?

当R2=15Ω,当没有反向并联二极管时

ζ=1.403,可以发现系统没有超调和振铃,但调整时间ts对我们来说,这也增加了MOS控制不好,上升时间越长,MOS处于半开半关状态的时间越长,MOS发烧会更严重,具体说明可以查看视频:
【让MOS烧的值得 振铃、杂散电感知识讲解-比利比利
没有公式 MOS米勒电容的流行解释-比利比利

模拟2栅极串联小电阻 反并联二极管

除上述电阻外,在栅极驱动电路中R另外,很多方案都会添加反并联二极管,那么增加二极管的作用是什么呢?

模拟电路如下:

当R2=10.七、并联二极管时

栅极驱动的实际波形如下:

上升沿(并联二极管):

上升沿(未并联二极管):

可以发现,增加二极管对上升沿没有影响。
沿波形下降(并联二极管):

下降沿波形(未并联二极管):

观察下降边缘,可以发现下降边缘有反向电压,比没有并联二极管的电路更有利于MOS快速关闭可以进一步保护MOS。

其他方案

除上述处理方法外,还可在栅极加入RC电路消除振铃和超调,详见本视频。【LC串联谐振的经典应用_mos为什么管道驱动电路要加一个小电阻?-比利比利】
MOS管道及其外围电路设计。

总结

有关MOS本文记录了栅极驱动的介绍,如有不妥,欢迎批评指出。

参考文献

模拟电子设计导论 杨艳 傅强
自动控制原理 吴怀宇

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