新洁能MOS管NCE8295AK的半桥驱动电路应用手册

一、引言

NCE8295AK是新洁能工业级MOSFET,这款TO-252封装82V/95A大电流N沟道mos管转为各类转换器和电源控制而设计，Rds电阻仅6mR，具有良好的散热性。本应用手册的目的是，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

本文由新洁能授MOS管权经销商南山电子转载自新洁能官方公众号，转载时内容略有修改。原文链接：https://mp.weixin.qq.com/s/3s-xLTX2GuRV__KV2Fowiw。