MOSFET的驱动保护电路的设计
MOSFET的驱动保护电路的设计
功率场效应晶体管由于具有诸多优点而得到广泛
的应用；但它承受短时过载的能力较弱，使其应用受到一定的限制。分析了MOSFET器件驱动与保护电路的设计要求；计算了MOSFET驱动器的功耗及MOSFET驱动器与MOSFET的匹配；设计了基于IR2130驱动模块的MOSFET 驱动保护电路。该电路具有结构简单，实用性强，响应速度快等特点。在驱动无刷直流电机的应用中证明，该电路驱动能力及保护功能效果良好。功率场效应晶体管（Power MOSFET）是一种多数载流子导电的单极型电压控制器件，具有开关速度快、高频性能好、输入阻抗高、噪声小、驱动功率小、动态范围大、无二次击穿现象和安全工作区域（SOA）宽等优点，因此，在高性能的开关电源、斩波电源及电机控制的各种交流变频电源中获得越来越多的应用。但相比于绝缘栅双极型晶体管IGBT或大功率双极型晶体管GTR等，MOSFET管具有较弱的承受短时过载能力，因而其实际使用受到一定的限制。如何设计出可靠和合理的驱动与保护电路，对于充分发挥MOSFET功率管的优点，起着至关重要的作用，也是有效利用MOSFET管的前提和关键。文中用IR2130驱动模块为核心，设计了功率MOSFET 驱动保护电路应用与无刷直流电机控制系统中，同时也阐述
了本电路各个部分的设计要求。该设计使系统功率驱动部分的可靠性大大的提高。1、功率MOSFET保护电路设计功率场效应管自身拥有众多优点，但是MOSFET管具有较脆弱的承受短时过载能力，特别是在高频的应用场合，所以在应用功率MOSFET对必须为其设计合理的保护电路来提高器件的可靠性。功率MOSFET保护电路主要有以下几个方面：1）防止栅极di/dt过高：由于采用驱动芯片，其输出阻抗较低，直接驱动功率管会引起驱动的功率管快速的开通和关断，有可能造成功率管漏源极间的电压震荡，或者有可能造成功率管遭受过高的di/dt而引起误导通。为避免上述现象的发生，通常在MOS驱动器的输出与MOS管的栅极之间串联一个电阻，电阻的大小一般选取几十欧姆。
2）防止栅源极间过电压由于栅极与源极的阻抗很高，漏极与源极间的电压突变会通过极间电容耦合到栅极而产生
相当高的栅源尖峰电压，此电压会使很薄的栅源氧化层击穿，同时栅极很容易积累电荷也会使栅源氧化层击穿，所以要在MOS管栅极并联稳压管以限制栅极电压在稳压管稳压值以下，保护MOS管不被击穿，MOS管栅极并联电阻是为了释放栅极电荷，不让电荷积累。3）防护漏源极之间过电压虽然漏源击穿电压VDS一般都很大，但如果漏源极不加保护电路，同样有可能因为器件开关瞬间电流的突变而产生漏极尖峰电压，进而损坏MOS管，功率管开关
速度越快，产生的过电压也就越高。为了防止器件损坏，通常采用齐纳二极管钳位和RC缓冲电路等保护措施。
当电流过大或者发生短路时，功率MOSFET漏极与源极之间的电流会迅速增加并超过额定值，必须在过流极限值所规定的时间内关断功率MOSFET,否则器件将被烧坏，因此在主回路增加电流采样保护电路，当电流到达一定值，通过保护电路关闭驱动电路来保护MOSFET管。图1是MOSFET管的保护电路，由此可以清楚的看出保护电路的功能。
图1 功率管的保护电路
2、功率MOSFET驱动电路的设计功率场效应晶体管的栅极对驱动电路的要求主要有以下几个方面：1）产生的栅极驱动脉冲必须具有足够的上升和下降速度，脉冲的前后沿要陡峭：2）开通时以低电阻对栅极电容充电，关断时为栅极电荷提供低电阻放电回路，以提高功率MOSFET 的开关速度；3）为了使功率MOSFET可靠导通，栅极驱动脉冲应有足够的幅度和宽度；4）功率MOSFET开关时所需的驱动电流为栅极电容的充放电电流，为了使开关波形有足够的上升下降陡度，驱动电流要大。MOSFET 驱动器在驱动MOSFET功率管的功耗主要包括3个方面：
1）MOSFET栅极电容的充电放电产生的功耗为：Pc=CG×F ×V2DD （1）其中：CG为MOSFET栅极电容；VDD为MOSFET驱动器电源电压；F为开关频率。2）MOSFET驱动器吸收静态电流产生的功耗为：PQ=（IQH ×D+IQL（1-D））×VDD （2）其中：IQH为驱动器输入为高电平状态的静态电流；D为开关波形的占空比；IQL为驱动器输入为低电平状态的静态电流。3）MOSFET驱动器交越导通电流产生的功耗为：PS=CC×F×VDD （3）其中：CC为交越常数。从上述公式可以推导出，在3部分功耗中其中栅极电容充放电功耗在MOSFET驱动器功耗中占的比例最高，特别是在很低的开关频率时。同时根据公式减小栅极驱动电压可以显著减少驱动器的功耗。在应用中使MOS管驱动器与MOS管匹配主要是根据功率MOS管导通和截止的速度快慢即栅极电压的上升和下降时间，也即是MOS管栅极电容的充放电速度。MOS管栅极电容导通与截止的时间与MOS管驱动器的驱动电流的关系可以表示为：T=（VxC）/I （4）其中：T表示导通与截止时间，V表示MOS管栅极源极两端的电压，C表示栅极电容，I表示驱动器峰值驱动电流。根据栅极电压与栅极电容的乘积为栅极电荷Q则上式可转
化为T=Q/I.本设计中功率MOSFET采用IR公司的IRF3710S 功率MOSFET芯片，从其datasheet可以得到MOSFET的栅
极电荷为26 nC,导通/截止时间为106 ns,可以得到峰值驱动电流为，驱动电压为12 V,本设计驱动芯片采用IR公司的
IR2130驱动模块，该芯片可用来驱动工作在母电压不高于600 V的电路中的功率MOS门器件，其可输出的最大正向峰值驱动电流为250mA,输出驱动电压为10~20V而反向峰值驱动电流为500 mA.它内部设计有过流、过压及欠压保护、封锁和指示网络，使用户可方便的用来保护被驱动的MOS门功率管，加之内部自举技术的巧妙运用使其可用于高压系统，它还可对同一桥臂上下2个功率器件的门极驱动信号产生2μs互锁延时时间。它自身工作和电源电压的范围较宽（3~20 V），在它的内部还设计有与被驱动的功率器件所通过的电流成线性关系的电流放大器，电路设计还保证了内部的3个通道的高压侧驱动器和低压侧驱动器可单独使用，亦可只用其内部的3个低压侧驱动器，并且输入信号与TTL及COMS电平兼容。IR2130管脚如图2所示。图2 IR2130管脚
图2中HIN1~HIN3、LIN1~LIN3:逆变器上桥臂和下桥臂功率管的驱动信号输入端，低电平有效。CA-、CAO、VSO:内部放大器的反相端、输出端和同相端，可对主电路的电流进行检测。ITRIP:过流信号检测输入端，可通过输入电流信号来完成过流或直通保护。FAULT:过流、直通短路、过压、
欠压保护输出端，该端提供一个故障保护的指示信号。它在芯片内部是漏极开路输出端，低电平有效。VB1~VB3:是悬浮电源连接端，通过自举电容和快速恢复二极管为3个上桥臂功率管的驱动器提供内部悬浮电源，其中快速恢复二极管的作用是防止母线电压倒流损坏器件，VS1~VS3是其对应的悬浮电源地端。HO1~HO3、LO1~LO3:逆变器上下桥臂功率开关器件驱动器信号输出端。在实际应用中，IR2130的设计也有一些不合理之处，在使用中应特别注意。1）IR2130的故障输出只有一个通道，在实际应用中很难判断是过流还是欠压故障，特别是在上电过程中，控制电源必然从0上升至某值，在此过程中，IR2130的故障输出端因内部欠压而动作，将此信号作为过电流信号去触发前级保护电路时，如果前级保护电路具有自锁功能，可能使电路无法起动。2）由于IR2130的电流检测输入端直接与主电路连接，很容易引入干扰而使系统停机或出现异常，因此，电流检测电阻应采用无感电阻。3）由于IR2130采用了不隔离的驱动方式，若主电路功率器件损坏，高压将直接串入IR2130,引起IR2130永久性损坏，严重时还会将IR2130前级电路击穿。4）当IR2130的输入信号来自微处理器时必须采取隔离措施，由于IR2130具有高侧驱动功能，因此可使用普通光耦，以降低成本。 3 、应用实例永磁无刷直流电机是随着高性能永磁材料、电机控制技术和电力电子技术发展而
出现的一种新型电机，它既具有交流电机结构简单、运行可靠、维护方便、寿命长等优点，又具备直流电机运行效率高、无励磁损耗及调速性能好等诸多优点，且还具有功率密度高，低转速，大转矩的特点。它的应用已从最初的军事工业，向航空航天、医疗、信息、家电以及工业自动化等领域迅速发展。图3是由IR2130组成的无刷直流电机驱动原理图为便于表示只画出其中一个桥臂的电路示意图，通过IR2130输入信号控制MOSFET的开关，由此驱动无刷直流动机。C1是自举电容，为上桥臂功率管驱动的悬浮电源存储能量，D1的作用是防止上桥臂导通时母线电压倒流到IR2130的电源上而使器件损坏，因此D1应有足够的反向耐压，当然D1与C1串联也是为了满足主电路功率开关频率的要求，D1应选快速恢复二极管。R1、R2、R10、R11、R12、C4组成过流检测电路。R5、R6为栅极驱动电阻，D4、D5为功率管提供了一个低阻抗的放电回路，使功率管能够快速的泄放电荷。
图3 无刷直流电机驱动原理图
功率场效应管的栅极与源极之间并联了一个电阻和一
个齐纳二极管，电阻的作用是降低栅极与源极间的阻抗，齐纳二极管的作用是防止栅极与源极间尖端电压击穿功率管。同时在功率场效应管的漏极与源极之间并联了一个RC电路和齐纳二极管，由于器件开关瞬间电流的突变而产生漏极尖峰电压，所以必须加上RC缓冲电路和齐纳二极管对其进行保护。在实际应用中栅极的驱动波形如图4所示，此波形是在电机3000RPM时的驱动波形，可以看出此波形完全能够满足要求，同时进行了短路、电机堵转等试验，图3电路也能过很好地保护功率MOSFET管。
图4 栅极驱动波形
4 、结束语功率MOSFET驱动保护电路的设计可直接决定系统对执行机构的驱动品质。文中针对具体的微电机驱动保护系统，有针对性地功率驱动保护电路进行计算分析与设计。实验证明该电路设计简单可靠，驱动与保护效果良好，完全可以满足控制系统对执行机构的驱动要求。
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
IR2181S驱动芯片在全桥电路中应用设计和注意事项
具体设计电路时如将 MOSFET或IGBT作为高压侧开关 （漏极直接接在高压母线上）需在应用的时候需要注意以下几点: （1）栅极电压一定要比漏极电压高10-15V作为高压侧开 关时 ,栅极电压是系统中电压最高的。 （2）栅极电压从逻辑上看必须是可控制的 ,低压侧一般是 以地为参考点的 ,但在高端是就必须转换成高压侧的源极电 位,相当于将栅极驱动的地悬浮在源极上,所以在实际应用栅极控制电压是在母线电压之间浮动的。 （3）栅极驱动电路吸收的功率不会显著影响整个电路的 效率。 图2是以IR2181S驱动芯片设计的三相全桥电路图2中应用到三个IR2181S驱动芯片每路驱动一组桥臂 提供高端和低端两路驱动信号（HO*,LO*）,以第一路桥臂为例（其它同理）:IR2181S输入是由DSP或其他专用驱动信号发生 芯片产生的高端和低端两路驱动信号,经过 2181 输出同样也
IR2104 + IRF540 MOS电机驱动全桥
R2104 + IRF540 MOS电机驱动全桥学习与实践过程 https://www.360docs.net/doc/c3323353.html,/bbs/article_1012_130178.html 使用L293或L298等全桥芯片来控制直流电机虽然简便而且成本低廉，但由于它们的内阻较大，在控制大电流的马达时芯片常常过热，导致系统的整体效率较低。在电动车上，马达控制芯片的内阻过大会导致车子的加速度变小。 本人设想在暑假制作一个大的轮式或者履带式机器人，并且希望它能跑到公交车那么快，于是开始研究如何使用MOS管来控制更大电流的电机。 首先，本人参考了《大功率直流马达的驱动——ABU ROBOCON 2005比赛之动力方案》一文中的电路图（原文地址 https://www.360docs.net/doc/c3323353.html,/article.php?sid=192 ） 按照这个原理图，我热转印制作了单个全桥的实验电路。个别的电阻电容值有所变动。 上电并给予有效的持续高电平信号后发现电路不能驱动马达，而2104开始发烫，540没有任何反应。于是更换2104，但仍出现同样的现象。通过示波器检测发现，高端MOS没有被驱动，而低端MOS的G端信号正常，因而桥没有被导通。更换信号方向，另外半桥仍然出现相同的现象。 本人开始怀疑是BOOTSTRAP电容的问题，于是实验了不同的电容值。但无论怎么变换，问题仍然没有被解决。由于手头没有4148，使用了IN5819作为续流二极管，按道理5819只会比4148更好，不应该成为问题的原因。 由于手头2104只有6片，而所有的都上电并且发热过，于是重新购买了一批2104。在这里感谢周顺同学，那天刚好他毕业考考好，帮我到科技京城买了2104。 更换2104后，电路工作正常。周顺看了看我原来的2104，恍然大悟：原来的芯片是97年前的旧货。 马达欢快地转了起来。由于540的内阻要比298小很多，马达的加速度明显提高，变向时电刷更是发出了闪亮的火星。 回到家后用示波器开始研究高端MOS的G端驱动电压波形。发现在EN端为高的初期，高端MOS的驱动电压突然升至比VCC高10V。此时强推动作用起效。但随着时间的流逝，该电压逐渐衰减为VCC，MOS的导通程度越来越不完全。直到下一个脉冲到来，G端电压又恢复为VCC+10V，但又逐渐衰减。也就是说，用持续的高电平信号来驱动MOS会导致MOS不能被完全导通，致使MOS 发热，马达的实际功率低下。使用PWM信号则可以解决这个问题，它使BOOTSTRAP电容反复充电放电，使高端驱动电压始终维持在一个比较高的水平。倘若想让马达全速前进，不能使用持续的高
IR2110驱动MOS IGBT组成H桥原理与驱动电路分析
IR2110驱动MOS IGBT组成H桥原理与驱动电路分析 3.3 电机驱动模块设计 3.3.1 H桥工作原理及驱动分析
3.3.2 前级PWM信号和方向控制信号逻辑处理电路设计分析 由于H桥控制MOS管的开关需要4路控制信号，对于由NMOS管组成H桥的一侧而言，一般情况下，上下两管共用一个控制信号，并且其中一只NMOS管的控制信号是将共用的控制信号反向得到的，如图3-7所示，74HC14的作用是将输入的控制信号反向作为下管的控制信号，从而保证上下两个MOS管不会同时导通,那么对于一个完整的H桥就要2路PWM信号来控制电机的速度和正反转，而且两路PWM信号还必须保证同步且极性相反，对于低端单片机而言这一点不是很容易做到。
图3-7 一般控制信号处理原理图 本设计在上面所述的思想上做了改进和延伸，通过一路PWM信号、一路DIR方向控制信号、74HC00、74HC08数字芯片，实现四路控制信号的输出，上下两管的逻辑控制信号具有有互锁保护功能，从而保证同侧桥臂的上下NMOS管不会同时导通造成能量浪费甚至烧毁MOS管和电源。如图3-8所示，HIN1、LIN1、HIN2、LIN2分别为两侧上下管的控制信号，HIN1、LIN1不能同时为1，HIN2、LIN2不能同时为1。DIR=1时，电机正转，DIR=0时，电机反转。当DIR=1正转时，LIN2恒为1，图3-9中Q3始终导通，HIN1、LIN1通过PWM 控制导通时间调节转速，当DIR=0反转时，LIN1恒为1，图3-9中Q4始终导通，HIN2、LIN2通过PWM控制导通时间调节转速。DIR=0或1，两桥臂下管始终导通，这也为自举电容的快速充电提增加了一条回路，也就是说不管是正转还是反转，当上管关闭时两侧下管可同时提供充电回路，而不是单侧的下管，因为电机阻抗的存在，起主要充电作用的还是单侧的下管。当PWMZ占空比为0时，LIN1、LIN2都为1时，两侧下管同时导通将电机两端接地，这样可以实现电机快速制动。当DIR=1时，HIN、LIN控制信号仿真图和实际波形分别如图3-10和图3-11所示。
P-N MOS管 H桥驱动原理
P-N MOS管H桥原理 所谓的H桥电路就是控制电机正反转的。下图就是一种简单的H桥电路，它由2个P 型场效应管Q1、Q2与2个N型场效应管Q3、Q3组成，所以它叫P-NMOS管H桥。 桥臂上的4个场效应管相当于四个开关，P型管在栅极为低电平时导通，高电平时关闭；N型管在栅极为高电平时导通，低电平时关闭。场效应管是电压控制型元件，栅极通过的电流几乎为“零”。 正因为这个特点，在连接好下图电路后，控制臂1置高电平（U=VCC）、控制臂2置低电平（U=0）时，Q1、Q4关闭，Q2、Q3导通，电机左端低电平，右端高电平，所以电流沿箭头方向流动。设为电机正转。 高 低 控制臂1置低电平、控制臂2置高电平时，Q2、Q3关闭，Q1、Q4导通，电机左端高电平，右端低电平，所以电流沿箭头方向流动。设为电机反转。 高 低 Liang110034@https://www.360docs.net/doc/c3323353.html,
当控制臂1、2均为低电平时，Q1、Q2导通，Q3、Q4关闭，电机两端均为高电平，电机不转； 当控制臂1、2均为高电平时，Q1、Q2关闭，Q3、Q4导通，电机两端均为低电平，电机也不转， 所以，此电路有一个优点就是无论控制臂状态如何（绝不允许悬空状态），H桥都不会出现“共态导通”（短路），很适合我们使用。 （另外还有4个N型场效应管的H桥，内阻更小，有“共态导通”现象，栅极驱动电路较复杂，或用专用驱动芯片，如MC33883，原理基本相似，不再赘述。）下面是由与非门CD4011组成的栅极驱动电路，因为单片机输出电压为0~5V，而我们小车使用的H桥的控制臂需要0V或7.2V电压才能使场效应管完全导通，PWM输入0V或5V 时，栅极驱动电路输出电压为0V或7.2V，前提是CD4011电源电压为7.2V。切记！！ 故CD4011仅做“电压放大”之用。之所以用两级与非门是为了与MC33886兼容。 单片机0~5V 0~7.2V 两者结合就是下面的电路：调试时两个PWM输入端其中一个接地，另一个悬空（上拉置1），电机转为正常。监视MOS管温度，如发热立即切断电源检查电路。 CD4011的14引脚接7.2V，７引脚接地。
H桥式电机驱动电路
本文摘自：《机器人探索》 一、H桥式电机驱动电路 图4.12中所示为一个典型的直流电机控制电路。电路得名于“H桥式驱动电路”是因为它的形状酷似字母H。4个三极管组成H的4条垂直腿，而电机就是H中的横杠（注意：图4.12及随后的两个图都只是示意图，而不是完整的电路图，其中三极管的驱动电路没有画出来）。 如图所示，H桥式电机驱动电路包括4个三极管和一个电机。要使电机运转，必须导通对角线上的一对三极管。根据不同三极管对的导通情况，电流可能会从左至右或从右至左流过电机，从而控制电机的转向。 图4.12 H桥式电机驱动电路 要使电机运转，必须使对角线上的一对三极管导通。例如，如图4.13所示，当Q1管和Q4管导通时，电流就从电源正极经Q1从左至右穿过电机，然后再经Q4回到电源负极。按图中电流箭头所示，该流向的电流将驱动电机顺时针转动。 当三极管Q1和Q4导通时，电流将从左至右流过电机，从而驱动电机按特定方向转动（电机周围的箭头指示为顺时针方向）。
图4.13 H桥电路驱动电机顺时针转动 图4.14所示为另一对三极管Q2和Q3导通的情况，电流将从右至左流过电机。 当三极管Q2和Q3导通时，电流将从右至左流过电机，从而驱动电机沿另一方向转动（电机周围的箭头表示为逆时针方向）。 图4.14 H桥电路驱动电机逆时针转动 二、使能控制和方向逻辑 驱动电机时，保证H桥上两个同侧的三极管不会同时导通非常重要。如果三极管Q1和Q2同时导通，那么电流就会从正极穿过两个三极管直接回到负极。此时，电路中除了三极管外没有其他任何负载，因此电路
上的电流就可能达到最大值（该电流仅受电源性能限制），甚至烧坏三极管。 基于上述原因，在实际驱动电路中通常要用硬件电路方便地控制三极管的开关。 图4.155所示就是基于这种考虑的改进电路，它在基本H桥电路的基础上增加了4个与门和2个非门。4个与门同一个“使能”导通信号相接，这样，用这一个信号就能控制整个电路的开关。而2个非门通过提供 （与本节前面的示意图一样，一种方向输人，可以保证任何时候在H桥的同侧腿上都只有一个三极管能导通。 图4.15所示也不是一个完整的电路图，特别是图中与门和三极管直接连接是不能正常工作的。） 图4.15 具有使能控制和方向逻辑的H桥电路 采用以上方法，电机的运转就只需要用三个信号控制：两个方向信号和一个使能信号。如果DIR－L信号为0，DIR－R信号为1，并且使能信号是1，那么三极管Q1和Q4导通，电流从左至右流经电机（如图4.16所示）；如果DIR－L信号变为1，而DIR－R信号变为0，那么Q2和Q3将导通，电流则反向流过电机。 图4.16 使能信号与方向信号的使用 实际使用的时候，用分立件制作H桥式是很麻烦的，好在现在市面上有很多封装好的H桥集成电路，接上电源、电机和控制信号就可以使用了，在额定的电压和电流内使用非常方便可靠。比如常用的L293D、L298N、TA7257P、SN754410等。 在典型H型驱动电路的基础上,给出了增加两只二极管保护驱动管的改进电路,并对其原理和特点进行了分析和讨论. 驱动电路的性能很大程度上影响整个系统的工作性能。有许多问题需要慎重设计，例如，
型桥式驱动电路
电动小车的电机驱动及控制 【字体：大中小】来源：凌阳大学计划网站 作者：邱国普 一个电动小车整体的运行性能，首 先取决于它的电池系统和电机驱动系统。 电动小车的驱动系统一般由控制器、功率变换器及电动机三个主要部分组成。 电动小车的驱动不但要求电机驱动系统 具有高转矩重量比、宽调速范围、高可靠 性，而且电机的转矩-转速特性受电源功 率的影响，这就要求驱动具有尽可能宽 的高效率区。我们所使用的电机一般为 直流电机，主要用到永磁直流电机、伺服 电机及步进电机三种。直流电机的控制 很简单，性能出众，直流电源也容易实 现。本文即主要介绍这种直流电机的驱 动及控制。 型桥式驱动电路 H 型桥式驱动电路 1．H 型桥式驱动电路 直流电机驱动电路使用最广泛的就 是H型全桥式电路，这种驱动电路可以 很方便实现直流电机的四象限运行，分 别对应正转、正转制动、反转、反转制动。 它的基本原理图如图1所示。 全桥式驱动电路的4只开关管都工 作在斩波状态，S1、S2为一组，S3、S4 为另一组，两组的状态互补，一组导通则 另一组必须关断。当S1、S2导通时，S3、 S4关断，电机两端加正向电压，可以实 现电机的正转或反转制动；当S3、S4导 通时，S1、S2关断，电机两端为反向电 压，电机反转或正转制动。 在小车动作的过程中，我们要不断 地使电机在四个象限之间切换，即在正 转和反转之间切换，也就是在S1、S2导 通且S3、S4关断，到S1、S2关断且S3、 S4导通，这两种状态之间
转换。在这种 情况下，理论上要求两组控制信号完全 互补，但是，由于实际的开关器件都存在 开通和关断时间，绝对的互补控制逻辑 必然导致上下桥臂直通短路，比如在上 桥臂关断的过程中，下桥臂导通了。这个过程可用图2说明。 因此，为了避免直通 短路且保证各个开关管动作之间的协同 性和同步性，两组控制信号在理论上要 求互为倒相的逻辑关系，而实际上却必须相差一个足够的死区时间，这个矫正过程既可以通过硬件实现，即在上下桥 臂的两组控制信号之间增加延时，也可 以通过软件实现（具体方法参看后文）。 驱动电流不仅可以通过主开关管流通，而且还可以通过续流二极管流通。当电机处于制动状态时，电机便工作在发电状态，转子电流必须通过续流二极管流通，否则电机就会发热，严重时烧毁。 开关管的选择对驱动电路的影响很大，开关管的选择宜遵循以下原则： (1)由于驱动电路是功率输出，要求开关管输出功率较大； (2)开关管的开通 和关断时间应尽可能小； (3)小车使用的电源电压不高，因此开关管的饱和压降应该尽量低。 在实际制作中，我们选用大功率达林顿管TIP122或场效应管IRF530，效果都还不错，为了使电路简化，建议使用集成有桥式电路的电机专用驱动芯片，如L298、LMD18200，性能比较稳定可靠。 由于电机在正常工作时对电源的干扰很大，如果只用一组电源时会影响单片机的正常工作，所以我们选用双电源供电。一组5V给单片机和控制电路供电， 另外一组9V给电机供电。在控制部分和电机驱动部分之间用光耦隔开，以免影响控制部分电源的品质，并在达林顿管的基极加三极管驱动，可以给达林顿管提供足够大的基极电流。图3所示为采用TIP122的驱动电机电路，IOB8口为“0”，IOB9口输入PWM波时，电机正转，通过 改变PWM的占空比可以调节电机的速度。而当IOB9口为“0”，IOB8口输入PWM 波时，电机反转，同样通过改变PWM的占空比来调节电机的速度。
全桥驱动原理
5.2.1 全桥驱动原理 全桥驱动又称H桥驱动，下面介绍一下H桥的工作原理： H桥一共有四个臂，分别为B1~B4，每个臂由一个开关控制，示例中为三极管Q1~Q4。 如果让Q1、Q2导通Q3、Q4关断，如图5-8所示，此时电流将会流经Q1、负载、Q2组成的回路，电机正转。 图5-8 B1、B2工作时的H桥电路简图图5-9 B3、B4工作时的H桥电路简图如果让Q1、Q2关断Q3、Q4导通，如图5-9所示，此时电流将会流经Q3、负载、Q4组成的回路，电机反转。 如果让Q1、Q2关断Q3、Q4也关断，负载Load两端悬空，如图5-10所示，此时电机停转。这样就实现了电机的正转、反转、停止三态控制。 如果让Q1、Q2导通Q3、Q4也导通，那么电流将会流经Q1、Q4组成的回路以及Q2和Q3组成的回路，如图5-11所示，这时桥臂上会出现很大的短路电流。在实际应用时注意避免出现桥臂短路的情况，这会给电路带来很大的危害，严重会烧毁电路
图5-10 B1~B4全部停止工作时的H桥简图图5-11 B1~B4全部工作时的H桥简图 6.2 程序中需要说明的几个问题 在程序中有几个地方不易理解，需要特别说明一下： 首先，小车有没有被训练过是怎么知道的？ 在这里利用了一个特殊的Flash单元，语音模型存储区首单元（该示例程序中为0xe000单元）。当Flash在初始化以后，或者在擦除后为0xffff，在成功训练并存储后为0x0055（该值由辨识器自动生成）。这样就可以根据这个单元的值来判断是否经过训练。 其次，为什么已经训练过的系统在重新运行时还要进行模型装载？ 在首次训练完成之后，辨识器中保存着训练的模型，但是系统一旦复位辨识器中的模型就会丢失，所以在重新运行时必须把存储在Flash中的语音模型装载到辨识器（RAM）中去。 第三，在转弯时为什么前轮要先做一个反方向的摆动？ 这是为了克服车体的限制，由于前轮电机的驱动能力有限，有时会出现前轮偏转不到位的情况，所以在转弯前首先让前轮朝反方向摆动，然后再朝目标方向摆动。这样前轮的摆动范围更大，惯性更大，摆幅也最大，能更好实现转弯。
全桥功率开关驱动电路仿真试验
内燃机测试技术试验 实验 全桥功率开关驱动电路仿真试验 实验学时：2 实验类型：基础型 实验对象：本科生 一．实验目的： 1.了解全桥功率开关驱动电路的工作原理和应用。 2.了解全桥功率开关驱动方式的实现原理和特点。 3.掌握全桥功率开关驱动电路关键元器件选择和电路保护。 二．实验原理及设备说明 1.全桥功率开关驱动电路的工作原理 全桥功率开关驱动电路，又称为H桥驱动电路，其基本原理图如图1所示。形象的说，4个开关或者功率管组成H桥的4条垂直腿，而电机或者负载就是H 中的横杠。通过控制4个开关的导通与截止可以实现负载的正向加电和反向加电，其最广泛的用途就是电机的正反转。H桥驱动电路加电必须是对角线两个开关管同时打开，而半桥臂的上下开关管不能同时打开，否则会造成上下位开关管直接短路，电源直接对地短接，造成瞬态电流过大，开关管损坏。当开关管中的1,4导通时，电流经过开关1－电机－开关4流动，电机向一个方向运动；反之，当开关管中的2,3导通时，电流则经过开关3－电机－开关2流动，电机向相反方向运动。 图1 H桥驱动电路原理
由于全桥电路采用了两高两低四个开关管的方式，对于开关管采用是N型还是P型，可以有多种实现方式。一般来讲，高位开关管采用P型实现，驱动最为简单方便，但是P型开关管最大电流不能太大，因此适合再小功率的电机或负载中使用。上下位管均采用N型开关管实现的话，高位的N型开关管控制实现困难一些，但是最大电流可以较大，因此功率可以比较高。总的来说，全桥电路的实际实现方式必须和负载特性结合起来，选择正确的配置。 全桥驱动电路在汽车中的典型应用为电子节气门，EGR阀，电动座椅，伺服阀等。 2.全桥功率开关驱动方式的实现原理和特点 由前面全桥功率开关驱动原理知道，全桥功率开关主要实现的是负载中的电流正反向流动，在实际应用中，全桥驱动基本上使用在电机等类负载上，而从电机的特性上来讲，除了正反向运动外，另外就是电机的调速特性。按照电机调速的基本原理，可以采用调节电机两端电压来实现，而现在调节电机两段电压的方式基本上采用PWM脉宽调制实现，因此必须对PWM脉宽调制下的驱动方式和电机中的电流有比较清楚的理解。表1为典型的电子节气门全桥驱动芯片TLE6281的控制真值表，图2为和真值表对应的控制波形。 表1 TLE6281全桥驱动芯片真值表
IR2104_+_IRF540_MOS电机驱动全桥_学习与实践过程
IR2104 + IRF540 MOS电机驱动全桥学习与实践过程 使用L293或L298等全桥芯片来控制直流电机虽然简便而且成本低廉，但由于它们的内阻较大，在控制大电流的马达时芯片常常过热，导致系统的整体效率较低。在电动车上，马达控制芯片的内阻过大会导致车子的加速度变小。 本人设想在暑假制作一个大的轮式或者履带式机器人，并且希望它能跑到公交车那么快，于是开始研究如何使用MOS管来控制更大电流的电机。 首先，本人参考了《大功率直流马达的驱动——ABU ROBOCON 2005比赛之动力方案》一文中的电路图（原文地址 https://www.360docs.net/doc/c3323353.html,/article.php?sid=192 ） 按照这个原理图，我热转印制作了单个全桥的实验电路。个别的电阻电容值有所变动。
上电并给予有效的持续高电平信号后发现电路不能驱动马达，而2104开始发烫，540没有任何反应。于是更换2104，但仍出现同样的现象。通过示波器检测发现，高端MOS没有被驱动，而低端MOS的G 端信号正常，因而桥没有被导通。更换信号方向，另外半桥仍然出现相同的现象。 本人开始怀疑是BOOTSTRAP电容的问题，于是实验了不同的电容值。但无论怎么变换，问题仍然没有被解决。由于手头没有4148，使用了IN5819作为续流二极管，按道理5819只会比4148更好，不应该成为问题的原因。 由于手头2104只有6片，而所有的都上电并且发热过，于是重新购买了一批2104。在这里感谢周顺同学，那天刚好他毕业考考好，帮我到科技京城买了2104。 更换2104后，电路工作正常。周顺看了看我原来的2104，恍然大悟：原来的芯片是97年前的旧货。 马达欢快地转了起来。由于540的内阻要比298小很多，马达的加速度明显提高，变向时电刷更是发出了闪亮的火星。 回到家后用示波器开始研究高端MOS的G端驱动电压波形。发现在EN端为高的初期，高端MOS的驱动电压突然升至比VCC高10V。此时强推动作用起效。但随着时间的流逝，该电压逐渐衰减为VCC，MOS的导通程度越来越不完全。直到下一个脉冲到来，G端电压又恢复为VCC+10V，但又逐渐衰减。也就是说，用持续的高电平信号来驱动MOS会导致MOS不能被完全导通，致使MOS发热，马达的实际功率低下。使用PWM信号则可以解决这个问题，它使BOOTSTRAP电容反复充电放电，使高端驱动电压始终维持在一个比较高的水平。倘若想让马达全速前进，不能使用持续的高电平，而需要用3%左右占空比的PWM，这是驱动2104与驱动298等全桥芯片的最大差别。 不同的BOOTSTRAP电容值适应于不同频率的PWM信号与不同的MOS。电容值大的充电和放电时间都比较大，电压衰减得也比较慢，因而适合较低频率的PWM；电容值小的充电放电时间比较短，适合于较高频率的PWM。虽然IR给出过一个BOOTSTRAP电容的计算公式，但本人更倾向于通过实验来寻找合适的电容值。这样做既避免了繁杂的计算，又可以通过实验来了解它的工作原理，而且还可以适应板载电容。 通过实验，本人确定了1UF的电容值。该电容采用了旦电容，以减少漏电。但如果没有旦电容，其他漏电较大的电容影响也并非很大。相对于高频的PWM，在如此短的时间内漏电的影响是微乎其微的。但从理论上来说，BOOTSTRAP电容漏电会导致高端MOS的导通电阻变大。 总结了以上经验，本人又制作了一块双电机的MOS驱动电路。电路没有太大的改变，只是把续流二极管改为原图所说的4148，把阻容换成了贴片封装，并且采用了1UF旦电容作为BOOTSTRAP电容。 点击此处下载热转印用PCB文档（DXP）
IR2104 + IRF540 MOS电机驱动全桥 学习与实践过程
使用L293或L298等全桥芯片来控制直流电机虽然简便而且成本低廉，但由于它们的内阻较大，在控制大电流的马达时芯片常常过热，导致系统的整体效率较低。在电动车上，马达控制芯片的内阻过大会导致车子的加速度变小。 本人设想在暑假制作一个大的轮式或者履带式机器人，并且希望它能跑到公交车那么快，于是开始研究如何使用MOS管来控制更大电流的电机。 首先，本人参考了《大功率直流马达的驱动——ABU ROBOCON 2005比赛之动力方案》一文中的电路图（原文地址https://www.360docs.net/doc/c3323353.html,/article.php?sid=192 ） 按照这个原理图，我热转印制作了单个全桥的实验电路。个别的电阻电容值有所变动。 分了三路电源，5V给74HC00，10-20V的给2104，还有10-100V的给马达。都没做稳压。这玩意对电源要求比较高。2104一掉电很容易烧。 日本人的图的逻辑不对,我当年犯二,没注意想就抄了,把门去了就对了. 还有,老烧板到最后发现是电源的问题,线性稳压很容易被击穿,要注意防反向电动势!
上电并给予有效的持续高电平信号后发现电路不能驱动马达，而2104开始发烫，540没有任何反应。于是更换2104，但仍出现同样的现象。通过示波器检测发现，高端MOS没有被驱动，而低端MOS的G 端信号正常，因而桥没有被导通。更换信号方向，另外半桥仍然出现相同的现象。 本人开始怀疑是BOOTSTRAP电容的问题，于是实验了不同的电容值。但无论怎么变换，问题仍然没有被解决。由于手头没有4148，使用了IN5819作为续流二极管，按道理5819只会比4148更好，不应该成为问题的原因。 由于手头2104只有6片，而所有的都上电并且发热过，于是重新购买了一批2104。在这里感谢周顺同学，那天刚好他毕业考考好，帮我到科技京城买了2104。 更换2104后，电路工作正常。周顺看了看我原来的2104，恍然大悟：原来的芯片是97年前的旧货。 马达欢快地转了起来。由于540的内阻要比298小很多，马达的加速度明显提高，变向时电刷更是发出了闪亮的火星。 回到家后用示波器开始研究高端MOS的G端驱动电压波形。发现在EN端为高的初期，高端MOS 的驱动电压突然升至比VCC高10V。此时强推动作用起效。但随着时间的流逝，该电压逐渐衰减为VCC，MOS的导通程度越来越不完全。直到下一个脉冲到来，G端电压又恢复为VCC+10V，但又逐渐衰减。也就是说，用持续的高电平信号来驱动MOS会导致MOS不能被完全导通，致使MOS发热，马达的实际功
H桥式电机驱动电路的工作原理
H桥式电机驱动电路的工作原理 一、H桥式电机驱动电路 图4.12中所示为一个典型的直流电机控制电路。电路得名于“H桥式驱动电路”是因为它的形状酷似字母H。4个三极管组成H的4条垂直腿，而电机就是H中的横杠（注意：图4.12及随后的两个图都只是示意图，而不是完整的电路图，其中三极管的驱动电路没有画出来）。 如图所示，H桥式电机驱动电路包括4个三极管和一个电机。要使电机运转，必须导通对角线上的一对三极管。根据不同三极管对的导通情况，电流可能会从左至右或从右至左流过电机，从而控制电机的转向。 图4.12H桥式电机驱动电路 要使电机运转，必须使对角线上的一对三极管导通。例如，如图4.13所示，当Q1管和Q4管导通时，电流就从电源正极经Q1从左至右穿过电机，然后再经Q4回到电源负极。按图中电流箭头所示，该流向的电流将驱动电机顺时针转动。 当三极管Q1和Q4导通时，电流将从左至右流过电机，从而驱动电机按特定方向转动（电机周围的箭头指示为顺时针方向）。
图4.13H桥电路驱动电机顺时针转动 图4.14所示为另一对三极管Q2和Q3导通的情况，电流将从右至左流过电机。 当三极管Q2和Q3导通时，电流将从右至左流过电机，从而驱动电机沿另一方向转动（电机周围的箭头表示为逆时针方向）。 图4.14H桥电路驱动电机逆时针转动 二、使能控制和方向逻辑
驱动电机时，保证H桥上两个同侧的三极管不会同时导通非常重要。如果三极管Q1和Q2同时导通，那么电流就会从正极穿过两个三极管直接回到负极。此时，电路中除了三极管外没有其他任何负载，因此电路上的电流就可能达到最大值（该电流仅受电源性能限制），甚至烧坏三极管。 基于上述原因，在实际驱动电路中通常要用硬件电路方便地控制三极管的开关。 图4.155所示就是基于这种考虑的改进电路，它在基本H桥电路的基础上增加了4个与门和2个非门。4个与门同一个“使能”导通信号相接，这样，用这一个信号就能控制整个电路的开关。而2个非门通过提供一种方向输人，可以保证任何时候在H桥的同侧腿上都只有一个三极管能导通。（与本节前面的示意图一样，图4.15所示也不是一个完整的电路图，特别是图中与门和三极管直接连接是不能正常工作的。） 图4.15具有使能控制和方向逻辑的H桥电路 采用以上方法，电机的运转就只需要用三个信号控制：两个方向信号和一个使能信号。如果DIR－L信号为0，DIR－R信号为1，并且使能信号是1，那么三极管Q1和Q4导通，电流从左至右流经电机（如图4.16所示）；如果DIR－L信号变为1，而DIR－R信号变为0，那么Q2和Q3将导通，电流则反向
H桥式驱动电路原理
一、H桥式电机驱动电路 图4.12中所示为一个典型的直流电机控制电路。电路得名于“H桥式驱动电路”是因为它的形状酷似字母H。4个三极管组成H的4条垂直腿，而电机就是H中的横杠（注意：图4.12及随后的两个图都只是示意图，而不是完整的电路图，其中三极管的驱动电路没有画出来）。 如图所示，H桥式电机驱动电路包括4个三极管和一个电机。要使电机运转，必须导通对角线上的一对三极管。根据不同三极管对的导通情况，电流可能会从左至右或从右至左流过电机，从而控制电机的转向。 图4.12 H桥式电机驱动电路 要使电机运转，必须使对角线上的一对三极管导通。例如，如图4.13所示，当Q1管和Q4管导通时，电流就从电源正极经Q1从左至右穿过电机，然后再经Q4回到电源负极。按图中电流箭头所示，该流向的电流将驱动电机顺时针转动。 当三极管Q1和Q4导通时，电流将从左至右流过电机，从而驱动电机按特定方向转动（电机周围的箭头指示为顺时针方向）。
图4.13 H桥电路驱动电机顺时针转动 图4.14所示为另一对三极管Q2和Q3导通的情况，电流将从右至左流过电机。 当三极管Q2和Q3导通时，电流将从右至左流过电机，从而驱动电机沿另一方向转动（电机周围的箭头表示为逆时针方向）。 图4.14 H桥电路驱动电机逆时针转动 二、使能控制和方向逻辑 驱动电机时，保证H桥上两个同侧的三极管不会同时导通非常重要。如果三极管Q1和Q2同时导通，那么电流就会从正极穿过两个三极管直接回到负极。此时，电路中除了三极管外没有其他任何负载，因此电
路上的电流就可能达到最大值（该电流仅受电源性能限制），甚至烧坏三极管。 基于上述原因，在实际驱动电路中通常要用硬件电路方便地控制三极管的开关。 图4.155所示就是基于这种考虑的改进电路，它在基本H桥电路的基础上增加了4个与门和2个非门。4个与门同一个“使能”导通信号相接，这样，用这一个信号就能控制整个电路的开关。而2个非门通过提供一种方向输人，可以保证任何时候在H桥的同侧腿上都只有一个三极管能导通。（与本节前面的示意图一样，图4.15所示也不是一个完整的电路图，特别是图中与门和三极管直接连接是不能正常工作的。） 图4.15 具有使能控制和方向逻辑的H桥电路 采用以上方法，电机的运转就只需要用三个信号控制：两个方向信号和一个使能信号。如果DIR－L信号为0，DIR－R信号为1，并且使能信号是1，那么三极管Q1和Q4导通，电流从左至右流经电机（如图4.16所示）；如果DIR－L信号变为1，而DIR－R信号变为0，那么Q2和Q3将导通，电流则反向流过电机。 图4.16 使能信号与方向信号的使用 实际使用的时候，用分立件制作H桥式是很麻烦的，好在现在市面上有很多封装好的H桥集成电路，接上电源、电机和控制信号就可以使用了，在额定的电压和电流内使用非常方便可靠。比如常用的L293D、L298N、TA7257P、SN754410等。
UBA2032T全桥驱动芯片在PWM中的应用
UBA2032T全桥驱动芯片在PWM中的应用 摘要：介绍了一种新型的全桥电路驱动芯片UBA2032T，重点阐述了芯片的结构特点、基本原理、应用设计中的接线方法。给出了UBA20321T与C805lF330D高速单片机在PWM设计中的应用。利用仿真实验，验证了使用UBA2032T进行该方案设计的正确性。 关键词： UBA2032T；全桥电路；C805lF330D；PWM 飞利浦公司推出的UBA2032T高压单片IC，是采用EZ-HVSOI工艺制造的一种新型高压全桥驱动器。UBA2032T在全桥拓扑中通过外部MOSFET可以驱动任何一种负载，尤其适用于驱动高强度的放电灯(HID)或者全桥电路设计。它可以使用内部的振荡器或者利用外部驱动电路对全桥电路的高电压平移控制，为了保证能够产生精确的50％占空比，在振荡器反馈信号输出驱动器之前，振荡器的信号经过2分频后才能通过驱动器。UBA2032T的主要特点如下： (1)内置自举二极管和高压电平移位器； (2)桥路电压最高可达550 V，并可直接从IC的HV脚输人高压端，为内部电路产生低压，从而无需附加低压电源； (3)输入启动延时，能够使用简单的。RC滤波器或者来自驱动器的控制信号产生延迟，振荡器的频率能够调节； (4)非交叠时间可以由自适应非交叠电路控制，最小非交叠时间可在内部固定。 1 UBA2032T的引脚结构 UBA2032T采用SO24塑料封装形式，引脚排列如图1所示。
UBA2032T内部集成了电压稳压器、振荡器、输入信号延迟和桥路禁止电路、控制逻辑、高／低压电平移位器、高端左／右驱动器和低端左／右驱动器等电路。该芯片集成度高，为全桥电路的设计带来了方便。 1．1 UBA2032T工作原理 使用uBA2032T时，HV端输入高压端(0～550 V)，IC内部将在VDD端输出低压(0～14 V)供内部或者外部电路使用，或者直接使用外部提供的低压直接与VDD进行连接。注意，在与外部低压连接时，一定要保证HV与VDD或者SGND相连接。如果VDD或者HV端的电平高于功率驱动电平时，桥路输出电压将由EXTDR引脚上的控制信号来决定，一旦VDD或者HV上的电平降至功率驱动复位电平以下，IC将再次进人启动状态。当管脚HV的电压穿越释放功率驱动电平时，桥路将按照以下方式确定状态换向： (1)高端左边和低端右边MOSFET，右边和低端左边MOSFET截止； (2)高端左边和低端右边MOSFET，右边和低端左边MOSFET导通。 在该设计中，就是利用UBA2032T的这一互补导通和强大的驱动能力特性，使用单片机产生一定占空比的PWM信号，对负载进行驱动。 1．2 UBA2032T工作模式 UBA2032T有3种不同的振荡工作模式： (1)内部振荡器模式。在该模式下，HV端为IC芯片进行供电，桥路的振荡频率由外部 所接的电阻和电器来决定。如果要实现50％占空比，应该将DD端接SGND使能内部分频器。