基于MOS管H橋驅(qū)動電路的驅(qū)動性能探究

張玉亮 張靜雨 安徽財經(jīng)大學(xué)管理科學(xué)與工程學(xué)院

引言

MOS管H橋驅(qū)動電路，指一路電機(jī)的左右連接四個MOS管組成橋臂的電路，其內(nèi)阻較小能夠提供競速需要的大電流，配合使用的光耦隔離芯片能夠在物理上隔斷單片機(jī)與驅(qū)動之間的電壓和電路反饋，有效保護(hù)單片機(jī)，濾波大電容能夠使電路更加穩(wěn)定。因此，該驅(qū)動電路在智能車競賽中受到廣泛應(yīng)用。

1 MOS管驅(qū)動電路設(shè)計

金屬-氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管簡稱MOS管，分為PMOS和NMOS兩種結(jié)構(gòu)，PMOS指的是以N型雜質(zhì)半導(dǎo)體為襯底，P型雜質(zhì)做溝道，靠空穴的流動運送電流的MOS管；而NMOS指的是以P型雜質(zhì)半導(dǎo)體襯底，N型雜質(zhì)做溝道，靠自由電子的移動產(chǎn)生電流的MOS管。

1.1 MOS管基本結(jié)構(gòu)

NMOS管的具體工藝是，在晶體管底層注入低摻雜濃度的雜質(zhì)半導(dǎo)體P-，該層稱為襯底，在襯底上注入兩個高摻雜濃度的N+，在此基礎(chǔ)上形成兩個有源區(qū)，從有源區(qū)引出兩個金屬電極，源極（Source）和漏極（Drain）。在兩個有源區(qū)之間的襯底上有一層薄的二氧化硅絕緣層，稱為氧化層，將襯底與多晶硅分隔開。多晶硅的濃度越高，導(dǎo)電性能越好，在此引出柵極（Gate）。在三個金屬電極上施加電壓，氧化層下方的襯底將產(chǎn)生感應(yīng)電場，通過改變施加在電極上的電壓，改變感應(yīng)電場的強(qiáng)度來改變MOS管的工作狀態(tài)。PMOS管需要在低摻雜濃度的P^-襯底上注入高摻雜濃度的N雜質(zhì)半導(dǎo)體形成N阱，在N阱注入高摻雜濃度P^+，引出源極和漏極。

1.2 驅(qū)動電路設(shè)計

方案一：上下橋臂均用N溝道功率MOS管

四個橋臂上為四個NMOS管，橋上是與直流電機(jī)相連的電機(jī)接口。驅(qū)動原理是NMOS在柵極為高電平時導(dǎo)通，低電平時截至，當(dāng)MOS 管Q2和Q5導(dǎo)通時，電流就從Q2流經(jīng)電機(jī)到達(dá)Q5流至負(fù)極，從而使電機(jī)正轉(zhuǎn)帶動小車前進(jìn)；當(dāng)Q3和Q4導(dǎo)通時，電流從Q3流經(jīng)電機(jī)到達(dá)Q5流至負(fù)極，從而使電機(jī)反轉(zhuǎn)帶動小車后退。

在該電路中，MOS管Q4和Q5的源極接地，柵極電位為低電平時截至，達(dá)到5~10V時導(dǎo)通，Q2和Q3的柵極電位需要高于電源電壓才能使MOS管完全導(dǎo)通，同時當(dāng)橋臂上四個MOS管同時導(dǎo)通時，就會燒壞電路，所以在具體使用中需要能夠提供較大柵極電壓以及防止四個橋臂同時導(dǎo)通的芯片。由此選用兩片專門驅(qū)動MOS管地半橋集成芯片IR2104，構(gòu)成全橋驅(qū)動，該芯片柵極驅(qū)動電壓范圍從10~20V，使用時需要特定的升壓電路供電使其正常工作，同時較大的柵極電壓也提供了較大的柵極驅(qū)動電流，使MOS管更好地工作。IR2104芯片也可以用分立元件替代，使用NPN和PNP兩種三極管并聯(lián)取代，兩種三極管的主要區(qū)別是管壓降和電流流向不同，以此利用晶體管工作時處于飽和或截至狀態(tài)的特性，來防止MOS管的同臂導(dǎo)通。

方案二：四路橋臂分別用2個P溝道功率MOS管和2個N溝道功率MOS管

橋臂上方為兩個PMOS管，下方為兩個NMOS管，它的驅(qū)動原理與方案一中的設(shè)計相似，PMOS在柵極高電平時截至，為低電平時導(dǎo)通，MOS管Q1和Q4導(dǎo)通時電機(jī)正轉(zhuǎn)，Q2和Q3導(dǎo)通電機(jī)反轉(zhuǎn)。PMOS在低電平時導(dǎo)通，一般柵極電位低于5V，由于此種特性，電路不會出現(xiàn)同臂導(dǎo)通的現(xiàn)象，電路上端的0.1uF和470uF電容可以對電路進(jìn)行高頻、低頻濾波處理和去耦，來防止電源電壓波動或者工作電流變化影響其工作穩(wěn)定性。剎車時，電機(jī)過快的正反轉(zhuǎn)會產(chǎn)生很大的倒灌電流，對電路芯片產(chǎn)生很大的損害，采用MIC4424芯片，能夠?qū)纹瑱C(jī)和驅(qū)動電路起到隔離和保護(hù)的作用。

1.3 電路仿真與比較分析

由于驅(qū)動電路的輸出電壓與所給的占空比有關(guān)，而占空比是由速度控制算法具體計算得出，電源電壓乘占空比等于輸出電壓，兩路驅(qū)動電路形成電壓差則可驅(qū)動電機(jī)旋轉(zhuǎn)。在用Multisim軟件仿真的過程中，我們采用分立元件替代了IR2104芯片。在該電路中，對橋臂上四個NOMS管采接上示波器觀察其波形，在每個周期內(nèi)始終有兩路保持高電平，指的是其在每個周期內(nèi)有兩個MOS導(dǎo)通，不會出現(xiàn)四個MOS管同時導(dǎo)通的情況。在實際的應(yīng)用過程中也是如此，該電路能夠保證有穩(wěn)定的輸出，其輸出功率可以和比賽中需要達(dá)到的速度匹配，MOS管驅(qū)動IC芯片的順時電路可以達(dá)到很大，電路達(dá)到一定頻率可以減小MOS管狀態(tài)改變的時間，減小損耗和發(fā)熱。但該電路組成比較復(fù)雜，電路板集成元器件較多，配合IR2104芯片使用的12V升壓電路尤為重要，升壓電路設(shè)計的合理與否直接決定了兩路驅(qū)動電路能否正常工作。

圖1 橋臂MOS管導(dǎo)通情況

在方案二仿真時我們同樣采用了分立元件取代了MIC4424芯片，由于電路本身的性能不會出現(xiàn)四個MOS管共同導(dǎo)通的情況，相比較于四個NMOS驅(qū)動的電路，PMOS管的性能直接決定了電機(jī)電壓的輸出，其輸出的波形較小，PMOS適合應(yīng)用在低速和低頻領(lǐng)域，因為PMOS管的特性是柵極和源極間的電壓Vgs的值小于一定值時MOS管導(dǎo)通，而Vgs越大，柵極電流就越大，所以流經(jīng)MOS管的電流大小被其性能所限制，搭建的H橋的驅(qū)動性能也完全被PMOS管限制，應(yīng)用于智能車驅(qū)動的車速控制也被限制。在實際應(yīng)用過程中也發(fā)現(xiàn)其驅(qū)動性能不如方案一的驅(qū)動性能好，同時這種MOS管聯(lián)用的驅(qū)動電路，更多的是做成集成芯片BTN、BTS系列，其內(nèi)部集成高邊PMOS和低邊NMOS以及其他保護(hù)電路。

2 結(jié)語

本文結(jié)合恩智浦智能車競賽，在介紹NMOS管和PMOS管的基本結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，分析了兩種驅(qū)動電路的驅(qū)動原理，通過Multisim軟件對兩種驅(qū)動電路仿真，比較兩種電路的驅(qū)動效果，進(jìn)一步總結(jié)了上下橋臂位NMOS管驅(qū)動電路的優(yōu)勢。并在實際應(yīng)用中也發(fā)現(xiàn)了方案一驅(qū)動電路在快速地加速、減速上的優(yōu)越性能。