较大功率直流电机驱动电路的设计与实现

动的控制端为51 系列单片机， 最大灌电流为30mA. 因此采用MOS管作为H桥的开关器件。 MOS管又有NMOS和PMOS之分， 两种管子的制造工艺不同， 控制方法也不同。 NMOS 导通要求栅极电压大于源极电压（10V-15V）， 而PMOS 的导通要求栅极电压小于源极电压（10V-15V）。 在本设计中， 采用24V 单电源供电， 采用NMOS 管的通断控制的接线如图2 所示， 只要G 极电压在10-15V 的范围内， NMOS 即可饱和导通， G 极电压为0 时， NMOS 管关断。

图2 NMOS 接线图

　　采用PMOS 管实现通断控制时， 其接线如图3 所示， G 极电压等于电源电压VCC 时PMOS 关断。

图3 PMOS 接线图

　　10V<VCC-Vg<15 时PMOS 打开。 当VCC>15V 时， 要使PMOS 导通则G 极电压为VCC-15V. PMOS 的导通与关断， 是在电源电压VCC 与VCC-15V 之间切换， 当电源电压VCC 较大时控制不方便。 比较图2 图3 可知：NMOS位于负载的下方， 而PMOS 位于负载的上方， 用NMOS 和PMOS, 替换掉图1 中的开关， 就可以组成由MOS 管组成的H 桥， 如图4 所示。

图4 PMOS 和NMOS 管构成的H 桥

　　Q1 和Q4 导通， 电机沿一个方向旋转， Q2 和Q3 导通电机沿另一个方向旋转。 在本系统中， 电机的工作电压为24V, 即电源电压为24V, 则要控制H 桥的上管（PMOS）导通和关断的电压分别为24V-15V=9V 和24V, 而对于下管（NMOS）来说， 导通与关断电压分别为15V 和0V, 要想同时打开与关断上、下两管， 所用的控制电路比较复杂。 而且， 相同工艺做出的PMOS 要比NMOS 的工作电流小， PMOS 的成本高。 分别用PMOS 和NMOS 做上管与下管， 电路的对称性不好。 由于上述问题， 在构建H 桥的时候仅采用NMOS 作为功率开关器件。 用NMOS 搭建出的H 桥如图5 所示：

图5 NMOS 管构成的H 桥

　　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D