MOS管驱动直流电机要点
直流电机驱动课程设计题目：MOS管电机驱动设计
摘要
直流电动机具有优良的调速特性，调速平滑，方便，调速范围广，过载能力大，能承受频繁的冲击负载，可实现频繁的无级快速起动、制动和反转；能满足生产过程中自动化系统各种不同的特殊运行要求。
本文介绍了直流电机驱动控制装置（H桥驱动）的设计与制作，系统采用分立元件搭建H桥驱动电路，PWM调速信号由单片机提供，信号与H桥驱动电路之间采用光电耦合器隔离，电机的驱动运转控制由PLC可编程逻辑控制器实现。
关键词：直流电动机，H桥驱动，PWM
目录
一、直流电机概述 (4)
二、直流电机驱动控制 (6)
三、直流电机驱动硬件设计 (8)
四、直流电机驱动软件设计 (9)
五、程序代码 (12)
六、参考文献 (18)
一、概述
19世纪70年代前后相继诞生了直流电动机和交流电动机，从此人类社会进入了以电动机为动力设备的时代。以电动机作为动力机械，为人类社会的发展和进步、工业生产的现代化起到了巨大的推动作用。在用电系统中，电动机作为主要的动力设备而广泛地应用于工农业生产、国防、科技及社会生活等各个方面。电动机负荷约占总发电量的70％，成为用电量最多的电气设备。对电动机的控制可分为简单控制和复杂控制两种。简单控制对电动机进行启动、制动、正反转控制和顺序控制。这类控制可通过继电器、可编程控制器和开关元件来实现。复杂控制是对电动机的转速、转角、转矩、电压、电流等物理量进行控制，而且有时往往需要非常精确的控制。以前对电动机的简单控制应用较多，但是，随着现代化步伐的迈进，人们对自动化的需求越来越高，使电动机的复杂控制变成主流，其应用领域极其广泛。电动机控制技术的发展得力于微电子技术、电力电子技术、传感器技术、永磁材料技术、自动控制技术、微机应用技术的最新发展成就。正是这些技术的进步，使电动机控制技术在近二十多年内发生了翻天覆地的变化。其中电动机控制部分已由模拟控制让位给以单片机为主的微处理器控制，形成数字与模拟的混合控制系统和纯数字控制系统的应用，并向全数字控制系统的方向快速发展。电动机驱动部分所用的功率器件经历了几次更新换代，目前开关速度更快，控制更容易的
全控型功率器件MOSFE和TIGBT成为主流。功率器件控制条件的变化和微电子技术的应用也使新型的电动机控制方法能够得以实现。脉宽调制控制方法（PWM和SPWM），变频技术在直流调速和交流调速中获得了广泛的应用。永磁材料技术的突破与微电子技术的结合又产生了一批新型的电动机，如永磁直流电动机、交流伺服电动机，开关磁阻电动机、超声波电动机、专为变频调速设计的交流电动机等。直流电动机是人类最早发明和应用的一种电机。与交流电机相比，直流电动机因结构复杂、维护困难、价格较贵等去诶按制约了它的发展，应用不如交流电机广泛。但由于直流电动机具有优良的起动、调速和制动性能，因此在工业领域中仍再有一席之地。
二、直流电机驱动控制概述
直流电机调速方法通常有机械的、电气的、液压的、气动的几种，仅就机械与电气调速方法而言，也可采用电气与机械配合的方法来实现速度的调节。电气调速有许多优点，如可简化机械变速机构，提高传动效率，操作简单，易于获得无极调速，便于实现远距离控制和自动控制，因此在生产机械中广泛采用电气方法调速。
由于直流电动机具有极好的运动性能和控制特性，尽管它不如交流电动机那样结构简单、价格便宜、制造方便、维护容易，但是长期以来，直流调速系统一直占据垄断地位。所以，直流调速系统仍然是自动调速系统的主要形式。在我国许多工业部门，如轧钢、矿山采掘、海洋
钻探、金属加工、纺织、造纸以及高层建筑等需要高性能可控电力拖动的场合，仍然广泛采用直流调速系统。而且，直流调速系统在理论上和实践上都比较成熟，从控制技术的角度来看，它又是交流调速系统的基础。
2.1直流电机的工作原理
根据电磁学基本知识可知，载流导体在磁场中要受到电磁力的作用。如果导体在磁场中的长度l，其中流过的电流为i，导体所在处的磁通密度为B，那末导体受到的电磁力的值为式（2-1）
F (2-1)
Bli
如图2-1中N、S极下各根导体所受电磁力的方向，如图中箭头所示。电磁力对转轴形成顺时针方向的转矩，驱动转子而使其旋转。由于每个磁极下元件中电流方向不变，故此转矩方向恒定，称为直流电动机的电磁转矩。如果直流电动机轴上带有负载，它便输出机械能，可见直流电动机是一种将电能够转化成机械能的电气装置。
直流电动机是可逆的，他根据不同的外界条件而处于不同的运行状态。当外力作用使其旋转，驶入机械能时，电机处于发电机状态，输出电能；当在电刷两端施加电压输入电能时，电机处于电动机状态，带动负载旋转输出机械能。
N
S
F
F
图一： 直流电动机工作原理图
2.2直流电机的调速特性
根据直流电机的结构分析可得到等效的模型，包括电枢绕组及其等效的电阻等。直流电动机的转速n 和其它参数的关系可用下式来表示：
Φ-=C R I U n e a
N N (2-2)
(2-2)式中：UN 是电枢电压，IN 是电枢电流，Ra 是电枢回路总电阻，Ce 是电势常数，Φ是励磁磁通。
a PN
C e 60= (2-3)
(2-3)式中：p-磁极对数，N 是导体数，a 是电枢支路数。
K C e =Φ (2-4)
(2-4)式中：当电机型号确定后，Ce Φ为常数，故式式(2-1)改为
K R a I U n N N -= (2-5)
在中小功率直流电机中，电枢回路电阻非常小，式(2-5)中INRa 项可省略不计，由此可见，当改变电枢电压时，转速n 随之改变，达到直
流电机的调速的目的。改变直流电机电枢电压，可通过PWM控制的降压斩波器进行斩波调压。
2.3直流电机的几种调速方法
根据直流电机的基本原理，由感应电势、电磁转矩以及机械特性方程式可知，直流电动机的调速方法有三种：
（1）调节电枢供电电压U。改变电枢电压主要是从额定电压往下降低电枢电压，从电动机额定转速向下变速，属恒转矩调速方法。对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说，这种方法最好。变化遇到的时间常数较小，能快速响应，但是需要大容量可调直流电源。（2）改变电动机主磁通。改变磁通可以实现无级平滑调速，但只能减弱磁通进行调速（简称弱磁调速），从电机额定转速向上调速，属恒功率调速方法。变化时间遇到的时间常数同变化遇到的相比要大得多，响应速度较慢，但所需电源容量小。
（3）改变电枢回路电阻。在电动机电枢回路外串电阻进行调速的方法，设备简单，操作方便。但是只能进行有级调速，调速平滑性差，机械特性较软；空载时几乎没什么调速作用；还会在调速电阻上消耗大量电能。
改变电阻调速缺点很多，目前很少采用，仅在有些起重机、卷扬机及电车等调速性能要求不高或低速运转时间不长的传动系统中采用。弱磁调速范围不大，往往是和调压调速配合使用，在额定转速以上作小范围的升速。因此，自动控制的直流调速系统往往以调压调速为主，
必要时把调压调速和弱磁调速两种方法配合起来使用。
调节电枢供电电压或者改变励磁磁通，都需要有专门的可控直流电源，常用的可控直流电源有以下三种：
（1）旋转变流机组。用交流电动机和直流发电机组成机组，以获得可调的直流电压。
（2）静止可控整流器（简称V-M系统）。用静止的可控整流器，如汞弧整流器和晶闸管整流装置，产生可调的直流电压。
（3）直流斩波器（脉宽调制变换器）。用恒定直流电源或不可控整流电源供电，利用直流斩波或脉宽调制的方法产生可调的直流平均电压。
旋转变流系统由交流发电机拖动直流电动机实现变流，由发电机给需要调速的直流电动机供电，调节发电机的励磁电流即可改变其输出电压，从而调节电动机的转速。改变励磁电流的方向则输出电压的极性和电动机的转向都随着改变，所以G-M系统的可逆运行是很容易实现的。该系统需要旋转变流机组，至少包含两台与调速电动机容量相当的旋转电机，还要一台励磁发电机，设备多、体积大、费用高、效率低、维护不方便等缺点。且技术落后，因此搁置不用。
三、直流电机驱动硬件设计
3.1 主功率电路
经过前面的探讨，系统采用脉宽调制法来控制电机的端电压。构成直流斩波器的开关器件过去用的较多的是普通晶闸管，它们本身没有
自关断能力，因而限制了斩波器的性能;目前斩波器大都采用既能控制其导通又能控制其关断的全控型器件，如功率晶体管(GTR)、可关断晶闸管(GTO)、场效应管(MOSFET )、绝缘栅双极晶体管(IGBT )等。电力晶体管的优点是饱和压降低、载流密度大，但是驱动电流较大。电力场效应管是用栅极电压来控制漏极电流的，因此它的一个显著特点是驱动电路简单、驱动功率小、开关速度快、工作频率高，但是电力MOSFET的电流容量小、耐压低、导通压降大，适用于小功率电力电子装置。由于功率场效应晶体管(Power MOSFET)是一种单极型电压控制器件，具有开关速度快、高频特性好、输入阻抗高、驱动功率小、热稳定性优良、无二次击穿问题、安全工作区宽和跨导线性度高等显著特点，因而在各类中小功率开关电路中得到了广泛的应用[17]。
因此本控制系统使用功率MOSFET作为功率开关器件。功率开关器件的选取非常关键，如果选择的功率管容量、耐压过大，则将大幅增加控制系统的成本;如果功率管的耐压及电流容量偏小，则在工作过程中经常无端出现管子烧毁的现象。纯硬件原理样机的主功率及其驱动
24主功电路根据系统总体设计方案采用DC-AC三相桥式逆变电路，V
率电路如图二所示：
图二：主功率电路
40，续流二极管选用快速恢复二极管，额定电流为A3，额定电压为V 10。对输入端和输出端接有感性元件时，如控制接触器恢复时间为nS
的线圈等，则在它们两端并联续流二极管（直流电路）和阻容吸收电
路，以抑制电路断开时产生的电弧对功率电路的影响。
RC吸收回路的R值越大，线圈两端的电压越高，要考虑线圈的绝缘
水平是否工作在安全区；R的值越小，线圈（内电阻）要承担部分的
磁能损耗，且回路总电阻值小，能量损耗就慢，电机去磁就较慢（因
为回路电流在断开电源时的大小是一样的），当然，电容器的取值也
致关重要，电容器能否吸收线圈中的磁能。这样分析，电容只是在线
圈工作过程中，起隔离直流（能减去吸收回路中R的损耗）作用，不
会减轻线圈的损耗，使用二极管，能隔离R在线圈工作时的损耗。电
阻和电容参数计算如下：
f I C ??=-810)5~5.2( （4.1） d f I I 367.0=
d I 直流电流值。
由电机电流为 1.8A N I =，24V N U =，15W N P =可以计算
F C μ09.0~045.08.110)5~5.2(8=??=-（4.2） 选用V F 50/1.0μ电容。
电阻的选择：
8.1188~4.594/535)4~2(=?=f I R
选用K 1电阻。
电阻功率选择：
2
/)10)2(5.1(122R f P P c fv R ????=-π （4.3） )0.2~5.1(2U P fv =，c f 为晶闸管或MOSFET 频率。U 为电压的有效值。则 W P R 12/)100010]14.3)2~5.1(242[5.1(122
选用W K 1/1的电阻。
3.2功率驱动电路
根据系统总体设计方案选用美国国际整流器公司最新开发的高性能集成六路输出MOS 门极驱动芯片IR2130作为六只开关功率管的驱动，IR2130的内部结构图如图三所示：
图三： IR2140内部结构图
IR2130的工作原理
正常工作时，当外部电路不发生过电流，直通故障，且IR2130的工作电压源不欠压，以及脉冲处理电路和电平移位器PGLS 输出高压侧栅极驱动信号不发生欠压情况时，则从封锁逻辑CLEAR 故障逻辑处理单元FAULT 及欠电压检测器LVD 和UVDR 来的封锁信号均无效。从脉冲形成部分来的六路脉冲信号，经三个输入信号处理器，按真值表处理后，变为六路输出脉冲，其对应的驱动三路低电压侧功率MOS 管的信号，经三路输出驱动器放大后，直接送往被驱动功率器件的栅源极。
而另外三路高压侧驱动信号1H 、2H 、3H 先经集成于IR2130内部的三个脉冲处理和电平移位器PGLS 中的自举电路进行电位变换，变为三路电位悬浮的驱动脉冲，再经对应的三路输出锁存器锁存，并经严格的驱动脉冲欠压与否检验后，送到输出驱动器进行功率放大，最
半桥电路的工作原理及注意问题
半桥电路的工作原理及注意问题 在PWM和电子镇流器当中，半桥电路发挥着重要的作用。半桥电路由两个功率开关器件组成，它们以图腾柱的形式连接在一起，并进行输出，提供方波信号。本篇文章将为大家介绍半桥电路的工作原理，以及半桥电路当中应该注意的一些问题，希望能够帮助电源新手们更快的理解半桥电路。首先我们先来了解一下半桥电路的基本拓扑： 半桥电路的基本拓扑电路图 电容器C1和C2与开关管Q1、Q2组成桥，桥的对角线接变压器T1的原边绕组，故称半桥变换器。如果此时C1=C2，那么当某一开关管导通时，绕组上的电压只有电源电压的一半。半桥电路概念的引入及其工作原理电路的工作过程大致如下：参照半桥电路的基本拓扑电路图，其中Q1开通，Q2关断，此时变压器两端所加的电压为母线电压的一半，同时能量由原边向副边传递。Q1 关断，Q2关断，此时变压器副边两个绕组由于整流二极管两个管子同时续流而处于短路状态，原边绕组也相当于短路状态。Q1关断，Q2开通。此时变压器两端所加的电压也基本上是母线电压的一半，同时能量由原边向副边传递。副边两个二极管完成换流。半桥电路中应该注意的几点问题偏磁问题原因：由于两个电容连接点A的电位是随Q1、Q2导通情况而浮动的，所以能够自动的平衡每个晶体管开关的伏秒值，当浮动不满足要求时，假设Q1、Q2具有不同的开关特性，即在相同的基极脉冲宽度t=t1下，Q1关断较慢，Q2关断较快，则对B点的电压就会有影响，就会有有灰色面积中A1、A2的不平衡伏秒值，原因就是Q1关断延迟。如果要这种不平衡的波形驱动变压器，将会发生偏磁现象，致使铁心饱和并产生过大的晶体管集电极电流，从而降低了变换器的效
半桥设计经典
摘要：介绍了IR2110的内部结构和特点，高压侧悬浮驱动的原理和自举元件的设计。针对IR2110的不足提出了几种扩展应用的方案，并给出了应用实例。 关键词：悬浮驱动；栅电荷；自举；绝缘门极 1引言 在功率变换装置中，根据主电路的结构，其功率开关器件一般采用直接驱动和隔离驱动两种方式。采用隔离驱动方式时需要将多路驱动电路、控制电路、主电路互相隔离，以免引起灾难性的后果。隔离驱动可分为电磁隔离和光电隔离两种方式。 光电隔离具有体积小，结构简单等优点，但存在共模抑制能力差，传输速度慢的缺点。快速光耦的速度也仅几十kHz。 电磁隔离用脉冲变压器作为隔离元件，具有响应速度快（脉冲的前沿和后沿），原副边的绝缘强度高，dv/dt 共模干扰抑制能力强。但信号的最大传输宽度受磁饱和特性的限制，因而信号的顶部不易传输。而且最大占空比被限制在50％。而且信号的最小宽度又受磁化电流所限。脉冲变压器体积大，笨重，加工复杂。 凡是隔离驱动方式，每路驱动都要一组辅助电源，若是三相桥式变换器，则需要六组，而且还要互相悬浮，增加了电路的复杂性。随着驱动技术的不断成熟，已有多种集成厚膜驱动器推出。如EXB840/841、 EXB850/851、M57959L/AL、M57962L/AL、HR065等等，它们均采用的是光耦隔离，仍受上述缺点的限制。 美国IR公司生产的IR2110驱动器。它兼有光耦隔离（体积小）和电磁隔离（速度快）的优点，是中小功率变换装置中驱动器件的首选品种。 2IR2110内部结构和特点 IR2110采用HVIC和闩锁抗干扰CMOS制造工艺，DIP14脚封装。具有独立的低端和高端输入通道；悬浮电源采用自举电路，其高端工作电压可达500V，dv/dt=±50V/ns，15V下静态功耗仅116mW；输出的电源端（脚3,即功率器件的栅极驱动电压）电压范围10～20V；逻辑电源电压范围（脚9）5～15V，可方便地与TTL，CMOS电平相匹配，而且逻辑电源地和功率地之间允许有±5V的偏移量；工作频率高，可达500kHz；开通、关断延迟小，分别为120ns和94ns；图腾柱输出峰值电流为2A。 IR2110的内部功能框图如图1所示。由三个部分组成：逻辑输入，电平平移及输出保护。如上所述IR2110的特点，可以为装置的设计带来许多方便。尤其是高端悬浮自举电源的成功设计，可以大大减少驱
半桥驱动电路的作用
半桥驱动电路的作用： 半桥驱动电路的作用主要是通过功率管产生交流电触发信号，从而产生大电流进一步驱动电机。与单片机驱动不同的是，单片机驱动能力有限，一般仅作为驱动信号。 半桥驱动电路工作原理： 半桥电路的基本拓扑电路图 电容器C1和C2与开关管Q1、Q2组成桥，桥的对角线接变压器T1的原边绕组，故称半桥变换器。如果此时C1=C2，那么当某一开关管导通时，绕组上的电压只有电源电压的一半。 电路的工作过程大致如下： 参照半桥电路的基本拓扑电路图，其中Q1开通，Q2关断，此时变压器两端所加的电压为母线电压的一半，同时能量由原边向副边传递。 Q1关断，Q2关断，此时变压器副边两个绕组由于整流二极管两个管子同时续流而处于短路状态，原边绕组也相当于短路状态。 Q1关断，Q2开通。此时变压器两端所加的电压也基本上是母线电压的一半，同时能量由原边向副边传递。副边两个二极管完成换流。 应注意的几点问题 偏磁问题 原因：由于两个电容连接点A的电位是随Q1、Q2导通情况而浮动的，所以能够自动的平衡每个晶体管开关的伏秒值，当浮动不满足要求时，假设Q1、Q2具有不同的开关特性，即在相同的基极脉冲宽度t=t1下，Q1关断较慢，Q2关断较快，则对B点的电压就会有影响，就会有有灰色面积中A1、A2的不平衡伏秒值，原因就是Q1关断延迟。
如果要这种不平衡的波形驱动变压器，将会发生偏磁现象，致使铁心饱和并产生过大的晶体管集电极电流，从而降低了变换器的效率，使晶体管失控，甚至烧毁。 在变压器原边串联一个电容的工作波形图 解决办法：在变压器原边线圈中加一个串联电容C3，则与不平衡的伏秒值成正比的直流偏压将被次电容滤掉，这样在晶体管导通期间，就会平衡电压的伏秒值，达到消除偏磁的目的。 用作桥臂的两个电容选用问题： 从半桥电路结构上看，选用桥臂上的两个电容C1、C2时需要考虑电容的均压问题，尽量选用C1=C2的电容，那么当某一开关管导通时，绕组上的电压只有电源电压的一半，达到均压效果，一般情况下，还要在两个电容两端各并联一个电阻(原理图中的R1和R2)并且R1=R2进一步满足要求，此时在选择阻值和功率时需要注意降额。此时，电容C1、C2的作用就是用来自动平衡每个开关管的伏秒值，(与C3的区别：C3是滤去影响伏秒平衡的直流分量)。 直通问题 所谓直通，就是Q1、Q2在某一时刻同时导通的现象，此时会构成短路。 解决措施 可以对驱动脉冲宽度的最大值加以限制，使导通角度不会产生直通。 还可以从拓扑上解决问题，才用交叉耦合封闭电路，使一管子导通时，另一管子驱动在封闭状态，直到前一个管子关断，封闭才取消，后管才有导通的可能，这种自动封锁对存储时间、参数分布有自动适应的优点，而且对占空比可以满度使用的。
MOSFET半桥驱动电路要点
半桥驱动电路要点 作者：万代半导体元件(上海)有限公司高级应用工程师葛小荣张龙来源:电子设计应用2009年第10期引言 MOSFET凭开关速度快、导通电阻低等优点在开关电源及电机驱动等应用中得到了广泛应用。要想使MOSFET在应用中充分发挥其性能，就必须设计一个适合应用的最优驱动电路和参数。在应用中MOSFET一般工作在桥式拓扑结构模式下，如图1所示。由于下桥MOSFET驱动电压的参考点为地，较容易设计驱动电路，而上桥的驱动电压是跟随相线电压浮动的，因此如何很好地驱动上桥MOSFET成了设计能否成功的关键。半桥驱动芯片由于其易于设计驱动电路、外围元器件少、驱动能力强、可靠性高等优点在MOSFET驱动电路中得到广泛应用。 桥式结构拓扑分析 图1所示为驱动三相直流无刷电机的桥式电路，其中L PCB、L S、L D为直流母线和相线的引线电感，电机为三相Y型直流无刷电机，其工作原理如下。 图1 桥式拓扑电路 直流无刷电机通过桥式电路实现电子换相，电机工作模式为三相六状态，MOSFET导通顺序为 Q1Q5→Q1Q6→Q2Q6→Q2Q4→Q3Q4→Q3Q5。 系统通过调节上桥MOSFET的PWM占空比来实现速度调节。 Q1、Q5导通时，电流(I on)由VDD经Q1、电机线圈、Q5流至地线，电机AB相通电。 Q1关闭、Q5导通时，电流经过Q5，Q4续流(I F)，电机线圈中的电流基本维持不变。 Q1再次开通时，由于Q3体二极管的电荷恢复过程，体二极管不能很快关断，因此体二极管中会有反向恢复电流(I rr)流过。由于I rr的变化很快，因此在I rr回路中产生很高的di/dt。
半桥驱动电路工作原理 图2所示为典型的半桥驱动电路。 图2 半桥驱动电路原理 半桥驱动电路的关键是如何实现上桥的驱动。图2中C1为自举电容，D1为快恢复二极管。PWM在上桥调制。当 Q1关断时，A点电位由于Q2的续流而回零，此时C1通过VCC及D1进行充电。当输入信号Hin开通时，上桥的驱动由C1供电。由于C1的电压不变，VB随VS的升高而浮动，所以C1称为自举电容。每个PWM周期，电路都给C1充电，维持其电压基本保持不变。D1的作用是当Q1关断时为C1充电提供正向电流通道，当Q1开通时，阻止电流反向流入控制电压VCC。D2的作用是为使上桥能够快速关断，减少开关损耗，缩短MOSFET关断时的不稳定过程。D3的作用是避免上桥快速开通时下桥的栅极电压耦合上升(Cdv/dt)而导致上下桥穿通的现象。 自举电容的计算及注意事项 影响自举电容取值的因素 影响自举电容取值的因素包括：上桥MOSFET的栅极电荷Q G、上桥驱动电路的静态电流I QBS、驱动IC中电平转换电路的电荷要求Q LS、自举电容的漏电流I CBS(leak)。 计算自举电容值 自举电容必须在每个开关周期内能够提供以上这些电荷，才能保持其电压基本不变，否则V BS将会有很大的电压纹波，并且可能会低于欠压值V BSUV，使上桥无输出并停止工作。 电容的最小容量可根据以下公式算出： 其中，V F为自举二极管正向压降，V LS为下桥器件压降或上桥负载压降，f为工作频率。 应用实例
ir2103 半桥驱动器
Half-Bridge Driver Features ? Floating channel designed for bootstrap operation ? Fully operational to +600V ? Tolerant to negative transient voltage ? dV/dt immune ? Gate drive supply range from 10 to 20V ? Undervoltage lockout ? 3.3V, 5V and 15V logic compatible ? Cross-conduction prevention logic ? Matched propagation delay for both channels ? Internal set deadtime ? High side output in phase with HIN input ? Low side output out of phase with LIN input Description The IR2103(S) are high voltage, high speed power MOSFET and IGBT drivers with dependent high and low side referenced output channels. Proprietary HVIC and latch immune CMOS technologies enable ruggedized monolithic construction. The logic input is compatible with standard CMOS or LSTTL output, down to 3.3V logic. The output drivers feature a high pulse current buffer stage designed for minimum driver cross-conduction. The floating channel can be used to drive an N-channel power MOSFET or IGBT in the high side configuration which operates up to 600 volts. Ordering Information Product Summary Package Options
MOSFET半桥驱动电路设计要领
MOSFET半桥驱动电路设计要领 作者：万代半导体元件(上海)有限公司高级应用工程师葛小荣张龙来源:电子设计应用2009年第10期引言 MOSFET凭开关速度快、导通电阻低等优点在开关电源及电机驱动等应用中得到了广泛应用。要想使MOSFET 在应用中充分发挥其性能，就必须设计一个适合应用的最优驱动电路和参数。在应用中MOSFET一般工作在桥式拓扑结构模式下，如图1所示。由于下桥MOSFET驱动电压的参考点为地，较容易设计驱动电路，而上桥的驱动电压是跟随相线电压浮动的，因此如何很好地驱动上桥MOSFET成了设计能否成功的关键。半桥驱动芯片由于其易于设计驱动电路、外围元器件少、驱动能力强、可靠性高等优点在MOSFET驱动电路中得到广泛应用。 桥式结构拓扑分析 图1所示为驱动三相直流无刷电机的桥式电路，其中L PCB、L S、L D为直流母线和相线的引线电感，电机为三相Y型直流无刷电机，其工作原理如下。 图1 桥式拓扑电路 直流无刷电机通过桥式电路实现电子换相，电机工作模式为三相六状态，MOSFET导通顺序为 Q1Q5→Q1Q6→Q2Q6→Q2Q4→Q3Q4→Q3Q5。 系统通过调节上桥MOSFET的PWM占空比来实现速度调节。 Q1、Q5导通时，电流(I on)由VDD经Q1、电机线圈、Q5流至地线，电机AB相通电。
Q1关闭、Q5导通时，电流经过Q5，Q4续流(I F)，电机线圈中的电流基本维持不变。 Q1再次开通时，由于Q3体二极管的电荷恢复过程，体二极管不能很快关断，因此体二极管中会有反向恢复电流(I rr)流过。由于I rr的变化很快，因此在I rr回路中产生很高的di/dt。 半桥驱动电路工作原理 图2所示为典型的半桥驱动电路。 图2 半桥驱动电路原理 半桥驱动电路的关键是如何实现上桥的驱动。图2中C1为自举电容，D1为快恢复二极管。PWM在上桥调制。当Q1关断时，A点电位由于Q2的续流而回零，此时C1通过VCC及D1进行充电。当输入信号Hin开通时，上桥的驱动由C1供电。由于C1的电压不变，VB随VS的升高而浮动，所以C1称为自举电容。每个PWM周期，电路都给C1充电，维持其电压基本保持不变。D1的作用是当Q1关断时为C1充电提供正向电流通道，当Q1开通时，阻止电流反向流入控制电压VCC。D2的作用是为使上桥能够快速关断，减少开关损耗，缩短MOSFET关断时的不稳定过程。D3的作用是避免上桥快速开通时下桥的栅极电压耦合上升(Cdv/dt)而导致上下桥穿通的现象。 自举电容的计算及注意事项 影响自举电容取值的因素 影响自举电容取值的因素包括：上桥MOSFET的栅极电荷Q G、上桥驱动电路的静态电流I QBS、驱动IC中电平转换电路的电荷要求Q LS、自举电容的漏电流I CBS(leak)。 计算自举电容值 自举电容必须在每个开关周期内能够提供以上这些电荷，才能保持其电压基本不变，否则V BS将会有很大的电压纹波，并且可能会低于欠压值V BSUV，使上桥无输出并停止工作。 电容的最小容量可根据以下公式算出：