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Octopart Staff
Feb 11, 2022
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电力电子应用中的变压器类型
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全桥MOSFET驱动器选择和设计指南
对于电源调节器/转换器、电机驱动器以及照明和脉冲生成电路等其他应用来说，提供稳定的直流电压和电流的电源供应至关重要。许多从事低功率系统设计的设计师可能会尝试将低功率转换器拓扑结构扩展到更高功率的系统中，但这并不符合设计师的利益。尝试使用标准的转换器/调节器拓扑结构供电，不可避免地会导致元件故障、电源供应不足或系统过大且效率低下。
对于中等到高直流功率供应，桥式拓扑结构是更好的选择，特别是采用MOSFET的全桥拓扑结构。作为开关元件的MOSFET提供了低导通电阻、低功耗、高击穿电压和高饱和电流，与相应的IGBT相比具有优势。在此拓扑结构中使用MOSFET需要一个全桥MOSFET驱动器，以PWM信号切换晶体管。这些组件可以高度集成，占用空间小，用于驱动高电流负载，为设计师提供了紧凑的产品选项。
理解全桥MOSFET驱动器
用于商用电机和电源转换器的电源供应的标准拓扑结构是众多开关拓扑结构之一。开关转换器设计师可能熟悉标准的降压、升压、降升压和反激转换器拓扑结构，其中使用一个或多个开关晶体管来调节功率输出并设置输出电压级别。这些组件高度集成，因为这些系统通常不用于高功率直流-直流转换或电机中的电源供应。
要了解这些组件为何重要以及如何使用它们，看看全桥MOSFET驱动器的两个最常见应用：LLC谐振转换器和电机驱动器，会有所帮助。
示例：全桥LLC谐振转换器
相反，高功率转换器和电机驱动器使用半桥或全桥配置的开关晶体管。电机和电源转换器的驱动组件旨在用PWM信号切换全桥或半桥电路的每一侧，为负载提供电源供应。用于高功率MOSFET的全桥门驱动器实际上将多个门驱动IC集成到单个芯片上，用于单个晶体管。下面的电路图显示了一个带有四个MOSFET作为开关元件的LLC谐振转换器中的全桥驱动IC。
在此系统中，全桥驱动器的工作是放大PWM信号，并使用此信号开关四个晶体管的通断；任一时刻只有两个晶体管处于通状态。在这种拓扑结构中，驱动IC在初级线圈侧同时开启左侧高侧和右侧低侧晶体管，而其他晶体管保持关闭状态。在下一个周期，所有4个晶体管的状态切换。最终，在线圈的次级侧，输出电压通过二极管整流，以提供稳定的直流电压。
就像任何其他转换器拓扑一样，输出电流可以被感测并反馈到输入端，然后可以用来调整PWM信号以确保稳定调节。包括全桥MOSFET驱动IC上的任何使能功能在内的任何控制功能，都是在MCU或专用逻辑中实现的。一个非常相似的拓扑可以用来在大型直流电机中提供稳定的电源调节。
在上述电源转换应用中，我们可以实现一个纯半桥（例如，半桥LLC谐振转换器）。半桥和全桥驱动器可以用在电机驱动电路中，正如我们下面将看到的。
示例：单全桥MOSFET驱动器与双半桥用于电机驱动
使用全桥和半桥驱动器实现稳定、可调直流电源的电机驱动的两种常见实现。下面的图表显示了使用半桥和全桥驱动电机的两个示例。
在这个示例中，需要仔细选择双半桥驱动器，以便驱动信号通过到次级驱动IC。某些组件默认启用此功能，例如Maxim Integrated的MAX14871。如果驱动组件中未启用此功能，您将需要将PWM信号并行发送到次级IC。另外，注意半桥配置中MOSFET的状态；每侧的上下MOSFET状态被反转，以提供电机中所需的电流流。
相比之下，右侧的面板显示了相同的实现，但使用了全桥MOSFET驱动器。在这个电路中，来自驱动IC的输出使用单个PWM信号从MCU切换MOSFET对。这种高度集成的选项减少了所需的组件数量，并且仍然可以用于精确反馈以进行速度或功率控制。
全桥驱动器与门驱动器
门驱动IC提供的功能与全桥驱动器相似：它切换MOSFET的通断状态。这些组件在设计中的实现方式有一些差异。虽然全桥驱动器专为固定配置设计，配备四个MOSFET，门驱动器可以切换单个MOSFET，无需与任何其他门驱动器同步。注意，您可以使用四个MOSFET门驱动器创建一个全桥MOSFET驱动电路。您应该选择哪一个取决于您需要切换MOSFET的供电电压，以及组件中需要的集成程度。
选择全桥MOSFET驱动器组件
输出电流可能是您需要查看的最重要的规格之一，这个规格应该与您的晶体管规格进行比较。在选择门驱动IC时，您还应该检查以下一些其他重要规格：
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集成。 一些全桥MOSFET驱动器会在芯片上集成MOSFET。这些组件将直接在芯片上耗散功率，并将具有一定的饱和电流额定值。
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供应电压。 供应电压规格决定了MOSFET可以在ON和OFF状态之间切换的深度。
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双半桥选项。 一些全桥门驱动器可以作为两个独立的半桥驱动器使用（参见上面的电机控制应用）。
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PWM频率范围和占空比。 这些参数在任何开关转换器或驱动器中都很重要。特别是，占空比将决定平均功率输出，而频率可以影响负载组件中的增益和阻抗，特别是在电机控制和电力产品中发现的感性负载。
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温度等级。 这些组件可能会在高功率下工作，或者它们可能会靠近其他耗散高功率的组件附近工作。考虑温度等级和您可能需要在系统中实施的任何冷却策略。如果驱动器包括集成的MOSFET，则您的设计中可能需要一定级别的热冷却，以防止组件过热和故障。
确保仔细匹配您的驱动组件、外部MOSFET（如果没有集成在驱动器芯片上）、PWM发生器以及反馈回路中使用的任何组件。
两种全桥MOSFET驱动器的比较
来自STMicroelectronics的L6203全桥MOSFET门驱动器展示了这些组件涉及的集成类型以及它们如何提供高功率。该组件设计用于驱动小型电机，并包括一个集成的H桥MOSFET排列，输出电压高达48V，在适度高的电流下（5A峰值，4A RMS）。L6203包括一个内部电压参考以实现精确调节，热关断电路，以及来自外部控制器的使能引脚。可以连接一个感应电阻以提供电机控制的反馈。输入和使能引脚也可以调制，以为外部电机提供单相或双相切割。
一个可比较的组件是来自Infineon的TLE7181EMXUMA1。从下面的方框图中，我们可以看到这个组件可以配置为双半桥或全桥驱动，分别使用2个或4个MOSFET。这些外部MOSFET用于12V电源网中的高电流直流电机驱动（供应电压高达34V）在高电流下。为了确保可靠性并防止对下游组件造成损害，有一个全面的保护电路，提供欠/过电压、过电流、过温和短路保护。此外，还有一个集成的调节器以确保稳定输出。
这两个组件在集成程度和芯片上功能方面有所不同，但它们是典型的全桥MOSFET驱动组件所能提供的良好示例。L6203将所有功能集成到芯片上，并提供了小尺寸解决方案，但是由于芯片上的MOSFETs，其功率输出受到限制。热量直接在组件中散发，因此可能需要采取冷却措施以防止过热。
相比之下，TLE7181EMXUMA1可以使用一系列功率，这将受到电机的拉力、外部MOSFET的电流限制以及与外部MOSFET一起使用的电源的限制。总的来说，驱动器及其外部桥接电路占用的空间更大，但你可以获得更多的功率。
电机驱动器和电源系统的其他组件
上面展示的组件是高度集成的电机驱动组件，但在为电机或电源转换器提供稳定的电源供应时，你总是需要其他组件。这些组件用于控制/启用驱动电路，提供PWM信号，感测和调节功率输出，以及提供过滤以确保向系统中的负载提供干净、无噪声的电源。
当你在寻找任何集成程度的全桥MOSFET驱动器时，尝试使用Octopart中的高级搜索和过滤功能。你将获得一个包含分销商数据和部件规格的广泛搜索引擎，所有这些都在用户友好的界面中可用。查看我们的电源管理集成电路页面，找到你需要的电源转换、调节和管理组件。
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