大功率直流電機驅動電路的設計與實現

圖5NMOS 管組成的H 橋中， 首先分析由Q1 和Q4 組成的通路， 當Q1 和Q4 關斷時， A 點的電位處于懸浮狀態(不確定電位為多少)(Q2 和Q3 也關斷)。 在打開Q4 之前， 先打開Q1, 給Q1 的G 極15V 的電壓， 由于A 點懸浮狀態， 則A 點可以是任何電平， 這樣可能導致Q1 打開失敗;在打開Q4 之后， 嘗試打開Q1, 在Q1 打開之前， A 點為低電位， 給Q1 的G 極加上15V 電壓， Q1 打開， 由于Q1 飽和導通， A 點的電平等于電源電壓(本系統中電源電壓為24V)， 此時Q1 的G 極電壓小于Q1 的S 極電壓， Q1 關斷， Q1 打開失敗。 Q2 和Q3 的情況與Q1 和Q4 相似。 要打開由NMOS 構成的H 橋的上管， 必須處理好A 點(也就是上管的S 極)懸浮的問題。 由于NMOS的S 極一般接地， 被稱為浮地. 要使上管NMOS 打開， 必須使上管的G 極相對于浮地有10-15V 的電壓差， 這就需要采用升壓電路。

2.3 H 橋控制器

在H橋的驅動中， 除了考慮上管的升壓電路外， 還要考慮到在H橋同臂的上管和下管(如圖5 中的Q1 和Q3)不能同時導通。 如果上管和下管同時導通， 相當于從電源到地短路， 可能會燒毀MOS 管或電源， 即使很短時間的短路現象也會造成MOS的發熱。 在功率控制中一般采用在兩次狀態轉變中插入死區的方法來防止瞬時的短路。在選擇H 橋控制器的時候最好滿足上述兩種邏輯條件， 又用足夠大的驅動電流來驅動NMOS。

本系統中采用IR2103 作為NMOS 控制器， IR2103 內部集成升壓電路， 外部僅需要一個自舉電容和一個自舉二極管即可完成自舉升壓。 IR2103 內部集成死區升成器， 可以在每次狀態轉換時插入死區, 同時可以保證上、下兩管的狀態相反。 IR2103 和NMOS 組成的H 橋半橋電路如下圖6 所示：

圖6 IR2103 和NMOS 管構成的H 橋半橋電路

由IR2103 的應用手冊中得知自舉電容選擇取決于以下幾個因素：1. 要求增強 MGT 的門電壓， 2. 用于高端驅動電路的 IQBS –靜態電流， 3. 電平轉換器的內部電流， 4. MGT-柵-源正向漏電流， 5. 自舉電容漏電流。 其中因素 5 僅與自舉電容是電解電容時有關， 如果采用其他類型的電容， 則可以忽略。 最小自舉電容值可以通過以下公式(1)計算得到：

其中： Qg = 高端 FET 的門電荷， f = 工作頻率， ICbs (leak) =自舉電容漏電流， Iqbs (max) = 最大 VBS 靜態電流，VCC = 邏輯電路部分的電壓源， Vf = 自舉二極管的正向壓降， VLS = 低端 FET 或者負載上的壓降， VMin = VB 與VS 之間的最小電壓， Qls = 每個周期的電平轉換所需要的電荷(對于 500V/600V MGD 來說， 通常為 5nC, 而1200 V MGD 為 20 nC。

圖中D1 為自舉二極管， C4 為自舉電容。 并不是電容的值越大就越好， 電容的取值和IR2103 的工作頻率密切相關， 電容取值越大工作頻率越低。 電容的漏電流對系統的性能有很大影響。 自舉二極管要承受系統所有的電壓， 自舉二極管的前向壓降也影響著自舉電容的選擇， 同時自舉二極管的開關速度也直接影響系統的工作頻率， 一般選用超快恢復二極管。 由示波器獲得自舉電路升壓波形如下圖7 所示：

圖7 自舉電路升壓波形

圖中B部分為自舉升壓后VB端的電壓， 圖中A部分是由于在上管關斷的過程中， 由于下管中的寄生二極管，會產后續流， 使VS 端產生負電壓， 從而使電容過充。 要削弱電容的過充可采用0.47uF 以上的自舉電容， 同時可以在地與VS 端加入續流二極管。 如下圖所示：

圖8 在IR2103 中加入續流二極管電路。

圖中D2即為續流二極管， 續流二極管采用普通二極管即可， 但VS電壓恢復越快， 自舉電容過充現象越不明顯， 本系統采用1N4148 作為續流二極管。

由于驅動器和MOSFET 柵極之間的引線、地回路的引線等所產生的電感， 以及IC 和FET 內部的寄生電感，在開啟時會在MOSFET 柵極出現振鈴， 一方面增加MOSFET 的開關損耗， 同時EMC 方面不好控制。 在MOSFET 的柵極和驅動IC 的輸出之間串聯一個電阻(如圖9 中B 所示)。 這個電阻稱 為柵極電阻, 其作用是調節MOSFET 的開關速度， 減少柵極出現的振鈴現象， 減小EMI, 也可以對柵極電容充放電起限流作用。 該電阻的引入減慢了MOS 管的開關速度， 但卻能減少EMI, 使柵極穩定。

圖9 消除振鈴電路。

MOS 管的關斷時間要比開啟時間慢(開啟充電， 關斷放電)， 因此就要改變MOS 管的關斷速度， 可以在柵極電阻上反向并聯一個二極管(如圖9 中A 所示)， 當MOS 管關斷時， 二極管導通， 將柵極電阻短路從而減少放電時間。 由于VS 端可能出現負電壓， 在VS 端串入一個合適的電阻， 可以在產生負電壓時起到限流作用， 針對負載電機為感性器件， 在H 橋的輸出端并一個小電容， 并在局部供電部分加一個去藕電容十分必要。 其電路如下圖所示：

圖10 限流去耦電路。

圖中C7 為局部去藕電容， 可以取100uF, C6 為輸出電容， 根據負載取值。 由于采用電容式自舉電路， 電容在工作的過程中會自行放電， 所以PWM波的占空比接近100%但不能達到100%. 但這不影響電機的正常工作， 因為電機本身固有的特性， 電機有一個較小的飽和區， 即或占空比增大， 其轉速也不會有明顯的變化。 因此上述電路完全滿足工作的需要。