大功率直流电机驱动电路的设计与实现

图5NMOS 管组成的H 桥中， 首先分析由Q1 和Q4 组成的通路， 当Q1 和Q4 关断时， A 点的电位处于悬浮状态(不确定电位为多少)(Q2 和Q3 也关断)。 在打开Q4 之前， 先打开Q1, 给Q1 的G 极15V 的电压， 由于A 点悬浮状态， 则A 点可以是任何电平， 这样可能导致Q1 打开失败;在打开Q4 之后， 尝试打开Q1, 在Q1 打开之前， A 点为低电位， 给Q1 的G 极加上15V 电压， Q1 打开， 由于Q1 饱和导通， A 点的电平等于电源电压(本系统中电源电压为24V)， 此时Q1 的G 极电压小于Q1 的S 极电压， Q1 关断， Q1 打开失败。 Q2 和Q3 的情况与Q1 和Q4 相似。 要打开由NMOS 构成的H 桥的上管， 必须处理好A 点(也就是上管的S 极)悬浮的问题。 由于NMOS的S 极一般接地， 被称为浮地. 要使上管NMOS 打开， 必须使上管的G 极相对于浮地有10-15V 的电压差， 这就需要采用升压电路。

2.3 H 桥控制器

在H桥的驱动中， 除了考虑上管的升压电路外， 还要考虑到在H桥同臂的上管和下管(如图5 中的Q1 和Q3)不能同时导通。 如果上管和下管同时导通， 相当于从电源到地短路， 可能会烧毁MOS 管或电源， 即使很短时间的短路现象也会造成MOS的发热。 在功率控制中一般采用在两次状态转变中插入死区的方法来防止瞬时的短路。在选择H 桥控制器的时候最好满足上述两种逻辑条件， 又用足够大的驱动电流来驱动NMOS。

本系统中采用IR2103 作为NMOS 控制器， IR2103 内部集成升压电路， 外部仅需要一个自举电容和一个自举二极管即可完成自举升压。 IR2103 内部集成死区升成器， 可以在每次状态转换时插入死区, 同时可以保证上、下两管的状态相反。 IR2103 和NMOS 组成的H 桥半桥电路如下图6 所示：

图6 IR2103 和NMOS 管构成的H 桥半桥电路

由IR2103 的应用手册中得知自举电容选择取决于以下几个因素：1. 要求增强 MGT 的门电压， 2. 用于高端驱动电路的 IQBS –静态电流， 3. 电平转换器的内部电流， 4. MGT-栅-源正向漏电流， 5. 自举电容漏电流。 其中因素 5 仅与自举电容是电解电容时有关， 如果采用其他类型的电容， 则可以忽略。 最小自举电容值可以通过以下公式(1)计算得到：

其中： Qg = 高端 FET 的门电荷， f = 工作频率， ICbs (leak) =自举电容漏电流， Iqbs (max) = 最大 VBS 静态电流，VCC = 逻辑电路部分的电压源， Vf = 自举二极管的正向压降， VLS = 低端 FET 或者负载上的压降， VMin = VB 与VS 之间的最小电压， Qls = 每个周期的电平转换所需要的电荷(对于 500V/600V MGD 来说， 通常为 5nC, 而1200 V MGD 为 20 nC。

图中D1 为自举二极管， C4 为自举电容。 并不是电容的值越大就越好， 电容的取值和IR2103 的工作频率密切相关， 电容取值越大工作频率越低。 电容的漏电流对系统的性能有很大影响。 自举二极管要承受系统所有的电压， 自举二极管的前向压降也影响着自举电容的选择， 同时自举二极管的开关速度也直接影响系统的工作频率， 一般选用超快恢复二极管。 由示波器获得自举电路升压波形如下图7 所示：

图7 自举电路升压波形

图中B部分为自举升压后VB端的电压， 图中A部分是由于在上管关断的过程中， 由于下管中的寄生二极管，会产后续流， 使VS 端产生负电压， 从而使电容过充。 要削弱电容的过充可采用0.47uF 以上的自举电容， 同时可以在地与VS 端加入续流二极管。 如下图所示：

图8 在IR2103 中加入续流二极管电路。

图中D2即为续流二极管， 续流二极管采用普通二极管即可， 但VS电压恢复越快， 自举电容过充现象越不明显， 本系统采用1N4148 作为续流二极管。

由于驱动器和MOSFET 栅极之间的引线、地回路的引线等所产生的电感， 以及IC 和FET 内部的寄生电感，在开启时会在MOSFET 栅极出现振铃， 一方面增加MOSFET 的开关损耗， 同时EMC 方面不好控制。 在MOSFET 的栅极和驱动IC 的输出之间串联一个电阻(如图9 中B 所示)。 这个电阻称 为栅极电阻, 其作用是调节MOSFET 的开关速度， 减少栅极出现的振铃现象， 减小EMI, 也可以对栅极电容充放电起限流作用。 该电阻的引入减慢了MOS 管的开关速度， 但却能减少EMI, 使栅极稳定。

图9 消除振铃电路。

MOS 管的关断时间要比开启时间慢(开启充电， 关断放电)， 因此就要改变MOS 管的关断速度， 可以在栅极电阻上反向并联一个二极管(如图9 中A 所示)， 当MOS 管关断时， 二极管导通， 将栅极电阻短路从而减少放电时间。 由于VS 端可能出现负电压， 在VS 端串入一个合适的电阻， 可以在产生负电压时起到限流作用， 针对负载电机为感性器件， 在H 桥的输出端并一个小电容， 并在局部供电部分加一个去藕电容十分必要。 其电路如下图所示：

图10 限流去耦电路。

图中C7 为局部去藕电容， 可以取100uF, C6 为输出电容， 根据负载取值。 由于采用电容式自举电路， 电容在工作的过程中会自行放电， 所以PWM波的占空比接近100%但不能达到100%. 但这不影响电机的正常工作， 因为电机本身固有的特性， 电机有一个较小的饱和区， 即或占空比增大， 其转速也不会有明显的变化。 因此上述电路完全满足工作的需要。