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mos管驱动电机保护电路设计应用

发布时间:2024-11-24编辑:pdmos浏览:0

mosfet(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)是一种电压控制型功率半导体器件,因其在开关速度快、高频性能好、输入阻抗高和热稳定性等方面的优势,被广泛应用于电力电子、电机驱动等领域。然而,尽管mosFET具备许多优异的特性,其承受短时过载的能力较弱,特别是在高频应用中,容易受到静电、过流、短路等因素的影响而导致损坏。因此设计合理的驱动和保护电路对于保证MOSFET的可靠运行至关重要。

本文将探讨基于IR2130驱动模块的MOSFET驱动及保护电路的设计,旨在提供高效、可靠的MOSFET驱动解决方案,确保其在复杂的工作环境中稳定运行。

### 一、MOSFET及其保护电路设计要求

#### 1. 防止栅极di/dt过高

由于驱动芯片输出阻抗较低,直接驱动会引起MOSFET快速开通和关断,有可能造成漏源极间电压震荡或因di/dt过高而误导通。通常在MOSFET驱动器的输出与MOSFET的栅极之间串联一个电阻(R509),一般选择几十欧姆,以减缓di/dt,避免高压情况下元器件被击穿。但过大的电阻值会降低开关速率并增加功耗,需折中考虑。

#### 2. 防止栅源极间过电压

MOSFET的栅源极间阻抗高,漏源极间电压突变易通过极间电容耦合到栅极,产生较高的尖峰电压。为避免此现象,可在栅极并联稳压管(如D903)和泄放电阻(如R516)。稳压管限制栅极电压在安全范围内,泄放电阻释放栅极积累电荷以防止误动作。

#### 3. 防护漏源极之间的过电压

虽然MOSFET的VDS耐压较高,但在高频应用中,开关瞬间电流变化可能引起尖峰电压,导致器件击穿。解决方法是使用齐纳二极管钳位(如D901)和RC缓冲电路(C916, R926)等措施,其中齐纳二极管的效果较好。

#### 4. 电流采样保护电路

当电流过大或发生短路时,MOSFET的漏源极电流迅速增加并超过额定值。此时需通过电流采样保护电路在规定时间内关断MOSFET。例如,在主回路中增加电流采样电阻,通过放大电路检测电流信号并反馈至驱动电路,实现保护功能。

### 二、MOSFET驱动电路设计

MOSFET的驱动电路对其开关性能有着重要影响。驱动电路的设计需满足以下条件:

1. 快速充放电:驱动电路应具备足够的电流能力,使MOSFET的栅极电压迅速上升或下降;
2. 稳定的米勒平台:保证MOSFET在开启和关断期间栅源极间电压稳定;
3. 低阻抗放电路径:在关断瞬间提供低阻抗通路,确保快速放电。

常用的驱动电路结构包括图腾柱放大电路和专用驱动芯片。驱动电路中的栅极电阻用于减缓di/dt,减少震荡并防止高压击穿。典型取值范围为几十欧姆。


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### 三、基于IR2130的驱动保护电路设计

#### 1. IR2130驱动模块介绍

IR2130是一款集成了多种保护功能的高性能驱动模块,适用于驱动工作在母电压不高于600V的MOSFET。该模块具有自举技术,可以实现高压侧和低压侧的独立驱动。其特点包括:

- 内置过流、过压及欠压保护;
- 封锁和指示网络,方便用户进行故障诊断;
- 较宽的工作电压范围(3~20V);
- 兼容TTL和COMS电平输入。

#### 2. 电路设计实例

基于IR2130的驱动保护电路如图所示,包括驱动电路、保护电路和主电路三个部分。具体设计如下:

##### 1. 驱动电路设计

- HIN1~HIN3和LIN1~LIN3分别为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;
- VCC和VSS分别接工作电源正负端,PS1为电流采样电阻,用于检测电流信号。

##### 2. 保护电路设计

- 在栅极添加稳压管和限流电阻,防止过压和di/dt过高;
- 采用RC缓冲电路吸收尖峰电压;
- 在主回路中加入电流采样电阻和放大电路,实现过流保护。

##### 3. PCB布线注意事项

- 尽量缩短栅极电阻到MOS管的距离以减少寄生电感;
- 确保驱动芯片的良好散热;
- 合理布置RC缓冲电路,以最大化抑制尖峰电压。

### 四、实验验证及结果分析

通过在无刷直流电机控制系统中的应用,我们对该驱动保护电路进行了测试。结果显示:

1. 该电路能够有效保护MOSFET免受过压和过流的冲击;
2. 驱动能力强,响应速度快,能够准确控制电机启停;
3. 在高频环境下,MOSFET的温升显著低于未加保护措施的情况,系统更稳定可靠。
本文标签: mos管 驱动 电路
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