發布日期：2022-10-09 點擊率：79
許多應用使用低壓電池（2-10 節鋰離子）供電的電機驅動器，如電動工具、園林工具和真空吸塵器。這些工具使用有刷或無刷直流電機(BLDC)。BLDC 電機效率更高，維護更少，噪音更低，使用壽命更長。
驅動這些工具所需的功率級最重要的性能要求是小尺寸、高效率、更好的熱性能、可靠的保護和峰值電流能力。功率級的小尺寸可實現靈活的安裝、更好的電路板布局性能和低成本設計。高效率可提供最長的電池壽命并減少冷卻工作。
為了獲得更高的效率，重要的是分析功率級中的損耗并找到降低總損耗的方法。逆變器中損耗的主要貢獻者來自 MOSFET。
在電動工具、園林工具和真空吸塵器等電池供電的電機驅動應用中，MOSFET傳導損耗約占逆變器總損耗的 60-80%。MOSFET 中的傳導損耗取決于 FET 的通態電阻 (R DS_ON ) 和通過 FET 的 RMS（均方根）電流，使用公式 1 計算得出：
為減少傳導損耗，請選擇具有最小 R DS_ON的 MOSFET 。TI 的 CSD17576Q5B (R DS_ON = 2mΩ)、CSD17573Q5B (R DS_ON = 1mΩ) 和 CSD17570Q5B (R DS_ON = 0.69mΩ) 是具有極低 R DS_ON的 30V、5mm×6mm SMD MOSFET ，可幫助我們設計高效率功率級。
然而，選擇具有最小 R DS_ON的 MOSFET 并不能完全降低傳導損耗。柵極驅動器還在確定 MOSFET 傳導損耗方面發揮作用。讓我們看看如何。
FET的R DS_ON不是一個常數，主要取決于兩個因素：
· MOSFET的可用柵源電壓 (V GS )。
· MOSFET 外殼溫度。
圖 1 顯示了典型 MOSFET（CSD17576Q5B）的 R DS_ON隨 V GS和溫度的變化。
以最小 R DS_ON操作 MOSFET ：
· MOSFET 外殼溫度應盡可能低。我們可以通過更好的冷卻努力來實現這一點：增加 PCB 面積、連接散熱器或提供強制氣流。然而，所有這些努力都需要額外的成本。
· 使用高效智能柵極驅動器以最大 V GS（在 FET 的最大 V GS額定值內）驅動 FET。
如果我們查看 R DS_ON與 V GS曲線，最小 R DS_ON出現在 20V 的 V GS處。對于大多數功率 FET，絕對最大 V GS額定值為 20V，并且應在 V GS中提供良好的設計余量，以實現 MOSFET 和系統的可靠運行。進一步從圖 1(a) 可以看出，從 10V 到 20V，R DS_ON的變化相當小。因此，如果我們考慮 V GS上的安全裕度，則從 10V 到 15V 的任何柵極驅動電壓都應該足以以最小 R DS_ON驅動 FET. 大多數 MOSFET 柵極驅動器具有 10V-15V 的柵極驅動電壓輸出，并提供不同的拓撲配置，如低側或高側、半橋、全橋或三相。
非隔離式柵極驅動器使用集成或外部線性或開關穩壓器從電池電源電壓中獲取柵極驅動電壓。在某些柵極驅動器中，隨著電池直流電壓的下降，柵極驅動電壓也會下降，具體取決于可用的直流總線電壓。
如果我們的應用要求功率級的工作電壓降低到較低的電壓（例如在兩節鋰離子電池的情況下為 5V），則普通柵極驅動器只能在柵極到源極提供 5V 或更低電壓；MOSFET 將以高 R DS_ON導通。這會在低直流總線電壓下大幅降低功率級效率。因此，即使在較低的直流總線電壓下，我們也可能更喜歡具有較高柵極驅動電壓的柵極驅動器。
讓我們看看德州儀器 (TI) 的 DRV8305 三相柵極驅動器如何為我們提供幫助。
DRV8305 是一款三相柵極驅動器，工作電壓范圍為 4.5V 至 45V，內部電荷泵支持 100% 占空比。該器件可以支持低電壓應用，例如由 2 節鋰離子電池供電的電動工具。DRV8305 使用三重電荷泵為高側 N 溝道 MOSFET 生成適當的柵源電壓偏置。與流行的自舉架構類似，電荷泵產生浮動電源電壓以啟用 MOSFET。為支持低電壓運行，DRV8305 a 使用穩壓三電荷泵方案來產生足夠的 V GS以在低電壓瞬變或低直流總線電壓期間驅動逆變器中的標準和邏輯電平高側 MOSFET。
當可用直流輸入電壓為 4.4V 至 18V 時，DRV8305 的電荷泵以三重模式調節電壓。超過 18V 到最大工作電壓時，它會切換到雙倍模式以提高效率。
DRV8305 使用線性穩壓器為低側 N 溝道 MOSFET 生成適當的柵源電壓。線性穩壓器產生一個相對于 GND 的固定 10V 電源電壓。為了支持低電壓操作，線性穩壓器的輸入電壓取自高端電荷泵。這允許 DRV8305在低壓瞬態期間提供足夠的 V GS來驅動標準和邏輯電平 MOSFET。
圖 2 和圖 3 顯示了具有失速電流限制參考設計 (TIDA-00771) 的 10.8V/250W 效率 97% 的緊湊型無刷直流電機驅動器的測試結果，顯示了柵極驅動器輸出波形。圖 2 顯示了輸入直流電源電壓為 10.8V 時的柵極驅動輸出波形。低側和高側柵極驅動輸出電壓約為 10V，以最大效率驅動逆變器。
圖 3 顯示了輸入直流電源電壓為 5V 時的柵極驅動輸出波形。低端柵極驅動輸出電壓約為 10V，高端柵極驅動輸出電壓約為 8V。DRV8305 的內部三重電荷泵可確保提供更高的柵極驅動輸出電壓。從圖 1(a) 可以看出，當可用 V GS從 4.5V 增加到 8V時，R DS_ON降低了 25-30% 。這意味著，借助 DRV8305 的三重電荷泵功能，可以在較低的直流總線電壓 (5V) 下將 MOSFET 傳導損耗降低 25-30%，從而提高效率。
為降低傳導損耗，我們必須同時選擇具有最低 R DS_ON的 MOSFET和能夠為所有可用輸入直流電壓提供最大柵極驅動電壓的適當柵極驅動器。
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