一种实用的功率MOS管电机驱动电路
康少华，王爱荣，解亚，康少华
（1. 军事交通学院 研究生三队，天津 300161；2. 军事交通学院 军事物流系，天津 300161）
摘要：在分析了MOS 管导通原理的基础上，结合功率放大电路的原理，提出了一种电机MOS管的驱动电路，该电路适合高频信号开关控制电路。利用multisim仿真软件仿真分析，并经过实际的运用，该电路达到了良好的效果。
关键词：MOS管；功率放大；驱动电路
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A Practical Motor Driving Circuit for PowerMOSFET
YANG Chengyu1，WU Xueshen1, ZHAO Lei1，KANG Shaohua2
（1. No.2 Postgraduate Training Brigade, Academy of Military Transportation, Tianjin 300161; 2. Military Logistics Department, Academy of Military Transportation, Tianjin 300161）
Abstract: After analyzing the principle of mosfet conductivity,based on the principle of combining power amplifier circuit,this paper puts forward a kind of motor driving circuit mosfet,the circuit is suitable for high frequency signal swich control circuit,using multisim simulation software simulation analysis,and through practical use,this circuit achieved good effect. Key words: Mosfet;Power amplifier;Motor driving circuit
前言
功率场效应晶体管（PowerMOSFET），简称功率MOS管，是一种电压控制型器件。其主要的特点是，电压控制，输入阻抗高，功率增益高，驱动功率小，开关的速度快，开关时间由寄生电容决定，因此其应用广泛。但是由于其本身寄生电容的存在，会影响MOS管的导通、关断的时间，使其控制的可靠性降低，烧坏的可能性增大；由于漏电流的存在，在驱动多个MOS管的时候，需要有一定的功率输出。本文为电机驱动控制设计提出一种电路，利用光耦器件，达到可靠导通、关断MOS管，并且为电机的驱动提供大电流的效果。 1 功率MOS管的主要特性 1.1 MOS管输出特性
图1所示为功率MOS管的输出特性曲线，它是以栅源电压UGS为参变量、反映漏极电流ID与漏源电压UDS间关系的曲线族。输出特性可分成非饱和区、饱和区和截止区3个区域。
ID/mA非饱和区40饱和区30UGS=7VUGS=6VUGS=8V?1?当0 当UDS=DSsat时，处于饱和区，漏端沟道反型层消失，沟道在漏端被夹断，ID基本不随UDS而变化，达到饱和。 当UDS>UGS - UT时，沟道区压降仍为DSsat，（UDS - DSsat）这部分电压降落在沟道夹断点与漏区之间的耗尽层上，IDSsat保持不变。 当0 图2所示为功率MOS管的开关过程。 90%UGS 10%tONtdtrtbUDS 10%tf10%toff20UGS=5V10UGS=4V截止区010203040UGS=UT=3VUDS/V 90?%图1 功率MOS管输出特性曲线 图2 MOS管的开关过程的波形 对于开通过程，从UGS上升到峰值的10%的时刻起，到UDS下降10%的时刻止，称为开通延时时间，记为td（on）；UDS从下降10%到下降90%对应的时间段称为上升时间，记为tr；开通延时时间与上升时间之和称为开通时间，记为ton，即有ton=td(on)+tr。 对于关断过程，从UGS下降到峰值的90%的时刻起，到UDS上升10%的时刻起，称为关断延时时间，记为td（off）；从UDS上升10%到上升90%对应的时间段称为下降时间，记为tf；关断延时时间与下降时间之和称为关断时间，记为toff，即有toff= td（off）+tf。 功率MOS管的开关速度和输入电容Cin充放电有很大关系。在开关管高频的时候，会影响到开关的可靠性和开关的精准度。MOS管在静态式几乎不输入电流，但是在开关的过程中需要对输入电容充放电，仍需一定的驱动功率，而且开关的频率越高，所需的驱动功率越大。 1.3功率放大器 T1+VCCUIUC+A+--UTC+VCC/22RLUO-Oωt(a)(b)T1+VUCCC-++-UT+2Uie2C+RLUO+-+-U-ie1RLUO(c)-(d) 图3 如图3(a)为OTL互补对称式功率放大器，由两只特性相近的NPN和PNP型晶体管构成（称为互补管），通常工作在乙类和甲乙类状态。图(b)所示的输入信号UI可使两个晶体管轮流导通，调整UI中的直流分量，使两个晶体管射极连接点A的静态电位VA=VCC/2(图3(b)中的波形，忽略了晶体管T1、T2发射结的正向压降)，则电容C被充电，端电压UC=VCC/2。UI的正半周期，UI>VA，T1发射结正偏而导通，T2发射结反偏而截止，T1发射极电流iE1经负载电阻RL给电容C充电，如图3(c)所示；UI的负半周，T2导通而T1截止，电容C经T2、RL放电，放电电流iE2反向流过负载电阻RL，如图3(d)所示。iE1、iE2都只是半个正弦波，但流过负载电阻RL的电流io和产生的压降uo都是完整的正弦波，即实现了波形的合成，如图4所示，在工作的过程中，虽然电容C有时充电，有时放电，但因容量足够大，所以可近似认为UC基本不变，保持 静态值VCC/2。 OωtOωtOωtioOωt 图4 2 设计的实用MOS管电机驱动电路 根据以上原理，设计提出一种电机驱动电路如下： 1Q9R2810RD26PKMUR1602ZTX653C40R27C67D182.2K100uF/25V3100uF/25VPHC18C55R9U50.1uF/63V6.8R8CNF-827R16R10CNF-4CNC-5362.2R533RTLP350D73PKMUR160C54C68Q10100uF/25VD15100uF/25V2ZTX753PHC5V6TF1R29利用开关电源芯片提供电1R50110RR30D241K源，例如Q1210RPKMUR1602ZTX653C41等UC2843,UC3843100uF/25VD10C69R32PHC18100uF/25V2.2K3-BATT-BATTC56R12-BATT-BATTU60.1uF/63V6.8R8CNF-127R33R11CNC-6362.2R-BATT-BATT-BATT533RTLP350D83PKMUR160Q11C57C70D162ZTX753100uF/25V100uF/25VPHC5V6R3110R1图5电机一相MOS驱动图 2+B电源正极2CNF-4U61DU49IRF2907ZSD三相异步电机一端R531G1R66SSG10R-BATTIRF291007ZSR332+B2U62DU50IRF2907ZSDR541G1R67SSG10R-BATTIRF291007ZSR332+B2U63DU51IRF2907ZSDR5511R68GSG10RC17SC21-BATTIRF291007ZSR3347nF2+B247nFU64DU52IRF2907ZSDR561G1R69SSG10R-BATTIRF291007ZSR332+B2U65DU53IRF2907ZSDR571R70GSG110RC18SC22-BATTIRF291007ZSR3347nF2+B247nFU66DU54DR58IRF2907ZS1G1R71SSG10R-BATTIRF291007ZSR332+B2U67DU55DR60IRF2907ZS1G1R73SSG10R-BATTIRF291007ZSR332+B2U68DU56DR61IRF2907ZS1C19G1R74SSG10RC23-BATTIRF291007ZSR3347nF2+B247nFU69DU57DR62IRF2907ZS1G1R75SSG10R-BATTIRF291007ZSR332+B2U70DU58DR63IRF2907ZS1C20G1R76SSG10RC24-BATTIRF291007ZSR3347nF2+B247nFU71DU59DR64IRF2907ZS1G1R77SSG10R-BATTIRF291007ZSR332+B2U72DU60DR65IRF2907ZS1G1R78CNF-1SSG10RR59-BATTR72IRF291007ZSR4.7K334.7KCNF-8 图6 一对桥臂的MOS管电路 该电路是电机的一相桥臂MOS管的驱动电路，该电路主要有以下特点： 1.由两个光耦芯片TLP350组成隔离电路，使得主控板电路和MOS管的驱动电路光电隔离，保护主电路。由于电机驱动的一对桥臂在同一时刻所对应的上下桥臂不能同时导通，设计时使加到光耦芯片上的主控信号CNC-5,CNC-6为相反信号，即当一个光耦U5有正向电压导通工作时，另一个光耦U6能够得到一个反方向的电压，使得其可靠截止，在两个控制信号之间加上一个1k 的R50，起到分流作用，保护光耦。这是这个设计电路的精华所在。 2.三极管ZTX653和ZTX753组成互补对称式功率放大器，能够满足12个MOS管的导通条件。两个三极管轮流导通，当Q9导通时，Q10的发射结反偏而截止，则电容C40两端的电压就会加到MOS管的栅源集，即UGS=UC40,这样MOS管就会导通，从而驱动电机。而当Q9截止时，Q10则会导通，这样MOS管上面的寄生电容所充的电量将会通过这条通路释放，提高了MOS管的关断可靠性。当下一次Q9导通的时候，CNF-4端的电压将达到电源电压48v，要想MOS管再次导通，就需要提供一个可导通的UGS，这里的C40设计的是一个25V的自举电容，在参考电压CNF-4提高的同时，导通后的CNF-8的电压会在此基础上提高25V，从而保证UGS有效。U5单元的栅源电压的参考电压是上桥臂MOS管的源极电压，当MOS管导通后其基准的电压应为电源电压48V，而U6单元栅源电压的参考电压为下桥臂MOS管的源极电压，到其导通后为电源的负极，也即电源地。 3.图6是一对桥臂的MOS管电路，采用12个MOS管并联，可以是通过电机的电流达到几百安，栅极采用10Ω的电阻起到限流和缓冲的作用。 3 实验的结果分析 根据以上电路图上提供的电路参数，用multisim仿真软件进行仿真，设定仿真的开关频率为7khz，得到的波形图如下： 图7直接驱动源极的MOS管开关过程波形 图8 带驱动电路的MOS管开关过程波形 图7是在高频7khz的情况下，MOS管的开关过程波形，可以看出，MOS管在关断的下降沿时(A波型)，还未达到关断的效果时，下一个导通的时刻又来了，这样，MOS管以及完全失去了电子开关的作用。这是由于栅源的寄生电容存在，没有释放回路，导致的不能完全关断。 图8是高频7KHZ带设计驱动电路的MOS管开关波形，这是对时间轴放大了的波形，A波形的下降沿即MOS管的关断过程，可以看出，关断的时刻已经很完全了，在高频情况下，仍然具有良好的开关特性。 4 结论 该电路采用光耦和功率放大器电路，巧妙的设计了光耦输入端的信号控制电路，使得MOS管在高频信号下仍然具有良好开关特性。根据multisim软件仿真结果和实际的运用的效果来看，该电路具有实用，简单，可靠和一定的保护功能。 参考文献 [1] 余岳辉，梁琳.脉冲功率器件及其应用[M].北京：机械工业出版社，2010.3 [2] 刘全忠.电子技术电工学Ⅱ[J].北京：高等教育出版社,2004.7 [3] 张燕宾.电动机变频调速图解[J].北京：中国电力出版社,2005.5 [4]周慧潮.常用电子元器件及典型应用[J].北京：电子工业出版社, 2005.9