1 引言
随着微电子技术、半导体材料及制造工艺的进步，半导体技术得到了飞速的发展[1]。现市面上出现了体积小、结构简单、性能好的功率半导体器件，功率半导体已被广泛应用于航空、航天、船舶、机器人、电动汽车及家用电器等众多领域[2]。尽管现在的半导体器件性能很优越，但因为半导体的温度及电磁敏感性，应用在实际电路中很容易出现损坏的现象。故本文提出了一种栅极驱动电路以提高MOS管的工作性能。
2 驱动器的基本结构及工作原理
伺服系统的驱动器主要由霍尔信号处理电路、光耦隔离电路、控制逻辑处理电路、栅极驱动电路、电流采样保护电路及三相功率桥逆变电路等组成，其原理框图如图1所示。驱动器接收外部数字控制器给的脉冲宽度调制控制信号（PWM）、正反转控制信号（F/R）和无刷直流电机输出的三相霍尔信号进行逻辑运算，输出三相六状态的控制信号，控制后级六个MOS管的交替导通，从而实现无刷直流电机按照预设的PWM和F/R进行不同转速和转向的转动。
图1 驱动器原理框图
3栅极驱动电路的设计
栅极驱动电路为驱动器的核心电路，其选用的是英飞凌公司的IRS2186驱动芯片，该芯片是一种双通道、栅极驱动、高压高速功率器件的单片式集成驱动模块，芯片采用了高度集成的电平转换技术，大大简化了逻辑电路对功率器件的控制要求，同时提高了驱动电路的可靠性。尤其是上管外部自举电路上电，使得驱动电源数目较其他IC驱动大大减小，仅需一路10V~20V电源即可工作。在实际的伺服系统上，因为后级需要驱动的MOS管为6个，故需要栅极驱动电路为三路（三路相同），我们以其中一路作为分析，栅极驱动电路如图2 所示。栅极驱动电路主要由驱动芯片、自举电路以及上下桥臂驱动电路组成。
图2 栅极驱动电路
3.1自举电路的设计
图2中，V1（自举二极管）和C17（自举电容）构成自举电路，其参数的选取与开关频率、占空比和后级功率管栅极电容充电时间等因素有关。
自举电容的选择比较关键，下桥臂导通时给自举电容充电,当上桥臂导通时自举电容依靠自身存储的能量维持上桥臂栅极高电平[3]。如果自举电容选取过大，可能使下桥臂关断时自举电容两端未达到相应电压要求；而自举选择较小则会导致电容存储的能量不够维持栅极电压栅极电源电压在上桥臂导通时间内为一定值。有可能的话最好选择非电解电容，自举电容应尽可能靠近驱动芯片。自举电容的容量Cbs可按下式来选取。
3.2驱动电路的设计
图2中，R37、VT1、VT2和R38、VT3、VT4构成上下桥臂的开通回路（关断回路）。下面我们以上桥臂来进行分析，当开通时，即HO为高电平，晶体管VT1开通，VT2不通，自举电容C17放电，驱动电阻约为R37；当关断时，即HO为低电平，管子VT1不通，则根据回路能看出，VT2因为上拉电阻R25原因管子开通，直接将G1-A间的电压拉至为零，故后级MOS管能快速关断，几乎无衰减的将信号快速传递至后级管子，因此以上符合“先关断、后开通”的原则；有效避免上、下桥臂功率管出现直通现象，导致功率管损坏。在设计栅极驱动电路时，驱动电阻R37（R38）选择也很重要，太小，开通太快，电阻太大，可能达不到开通条件。故在设计栅极驱动电路时，要选择合适参数的器件，以延长后级功率管的寿命。
4 防直通问题分析
第3节中介绍了选择自举回路二极管、电容的规则和驱动电路避免直通问题的驱动回路设计，一般情况下驱动电阻RGATE在一定范围内越小越好，但在考虑EMI的话，开通电阻RGATE(ON)可以适当取大。为了保证栅极电荷快速泻放，此时关断阻值尽量小。通常为了保证快速泻放，在驱动电阻上并联一个三极管可以快速达到信号无衰减的传递到后级。经试验验证，当输入50%占空比，3.3V的PWM脉冲波，使用该栅极驱动电路时，上、下桥臂无同时高电平时间出现，上下桥臂完全错开时间为1us，用示波器测得的上下桥臂曲线如图3所示。
图3 示波器测得的上下桥臂曲线
5 结论
本文提出了一种基于IRS2186栅极驱动电路的设计方案，简述了栅极驱动电路的设计框架以及相关的电路分析。应当注意的是驱动器的功率发热器件主要为功率管和采样电阻，故在设计栅极驱动电路时不能将MOS管构成的三相功率桥和驱动电路布板在一块板子上，尤其针对输入功率比较大的伺服系统；为了保证功率板良好的散热性，常常将三相功率桥布局在铝基材料印制板上。
参考文献：
[1] 郭润元. LED路灯驱动电路设计[J]. 通信电源技术,2020,37(6):99-100.
[2] 周泽坤，曹建文，张志坚，等. SiC MOSFET栅极驱动电路研究综述[J]. 电子与封装，2022，22(2):前插1-前插2，1-11.
[3] 吴光旭. 电动伺服机构电机驱动器的设计与改进[J]. 军民两用技术与产品，2018(16):99，195.
作者简介：
马秀，女，助理工程师，2020年毕业于贵州大学大学电子科学与技术专业，硕士学位，现于贵州航天控制技术有限公司技术中心部门担任电路设计员。