電動舵機功率MOS電機驅動電路分析與計算

摘 要：由MOSFET開關組成的H電橋電路是電動機驅動電路的重要形式之一。本文闡述了該驅動電路的各個組成部分及相應功能，通過對實際控制電路各部分的具體分析，從電路內部詳細研究了MOS電動機驅動電路。

關鍵詞：電動舵機 功率MOS 驅動電路

中圖分類號：TM33 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2012）10（a）-0130-02

1 MOSFET H電橋電路

功率MOS管又稱功率場效應晶體管，是電壓控制型器件。主要特點是電壓控制，驅動功率小，輸入阻抗高，功率增益高，開關的速度快，開關時間由寄生電容決定，因此其應用廣泛。H電橋電路是電動機正轉/逆轉驅動電路結構中最為常見的一種形式，只用一個電源和四個開關的不同搭配來控制電機的各種工作形式[1]。

將H電橋電路中的開關用功率MOS管代替，構成MOSFET H電橋電路（如圖1所示）。

H電橋中得S1和S3用P溝MOSFET源極接地型開關電路代替，S2和S4用N溝MOSFET源極接地型開關電路代替。

由于P溝MOSFET管品種少及性能相比N溝器件差，下文中S1～S4均采用N溝MOSFET。

2 H電橋電動機驅動電路

擬控制的電動機是15V/1A的小型DC電動機。電動機的驅動模式設定為由兩個控制信號控制的4種模式。

圖2是電路框圖。控制電路是由兩個0V/5V的邏輯信號分別控制H電橋各開關形成4種驅動模式的部分。電源電路是為了驅動N溝MOSFET開關的電源部分，是DC-DC變換器升壓電路。

2.1 DC-DC變換器升壓電路

由于N溝MOSFET源極跟隨器型開關電路需要柵極電位比源極電位高出3.5V才能夠完全導通，所以實際電路中需要另外一個VCC+3.5V的電源。構造該電源電路的特點就是在內部制作了一個比H電橋電源電壓高的電源VD，使電路更加簡潔清晰。

其原理圖如圖3所示。電路通過SW把直流變換為交流，通過把交流成分加載在VCC上整流得到平滑的高電壓。

其中SW開關使用的是施密特觸發變換器的方波振蕩電路，得到占空比約50%的方波，在這里不作詳細介紹。

如圖3所示，得出的新電源VD=VCC+ VDD-2VF。

2.2 控制電路

圖4是實際的控制電路。MOSFET的柵極是由NPN晶體管的發射極接地型開關電路驅動。如果這個驅動電路的電源是VCC+3.5V，就可以使Tr1和Tr3完全導通。

發射極接地開關從邏輯上可認為是倒相器。所以在驅動Tr2和Tr4的電路中，組合倒相器使邏輯一致。

驅動Tr1和Tr3的電路是把兩個發射極接地性開關電路的集電極與集電極連接進行NOR運算[2]。這樣，只有兩個晶體管都截止時輸出才為H。

控制電路的邏輯如圖5所示。

2.3 同時采用P溝和N溝MOSFET的電路

如第一部分介紹時所述，Tr1和Tr3采用P溝MOSFET源極接地型開關電路時，驅動電壓就沒必要高于電源電壓，這樣電路就會變得稍微簡單。

但是N溝FET和P溝FET器件導通時所需的驅動電壓極性相反，電動機的驅動電路就與圖4的構成有所不同。為了Tr1和Tr3的柵極驅動電壓，必須進行NAND運算（圖4電路中進行的是NOR運算）。當兩個晶體管都導通（即兩個輸入均為H電平）時，輸出才為L電平。具體控制電路如圖6所示。

3 結語

該控制電路通過合理的選擇MOSFET種類及相應導通電壓，根據不同MOSFET開關電路設計不同的控制邏輯及電路，使得MOS管具有良好的開關特性，也使得電路非常簡單、實用和可靠[3]。

參考文獻

[1] 馬瑞卿，劉衛國.自舉式IR2110集成驅動電路的特殊應用[J].電力電子技術，2000（1）.

[2] 逄海萍.IR2111和IR2130在PWM直流伺服系統中的應用[J].電氣傳動自動化，2001（3）.

[3] 畢慶，張純江，閆朝陽.高性能六輸出MOS柵極驅動器IR2130及應用[J].信息技術，2000（3）.