基于MOS管H橋驅動電路的驅動性能探究

張玉亮 張靜雨 安徽財經大學管理科學與工程學院

引言

MOS管H橋驅動電路，指一路電機的左右連接四個MOS管組成橋臂的電路，其內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與驅動之間的電壓和電路反饋，有效保護單片機，濾波大電容能夠使電路更加穩定。因此，該驅動電路在智能車競賽中受到廣泛應用。

1 MOS管驅動電路設計

金屬-氧化物半導體場效應晶體管簡稱MOS管，分為PMOS和NMOS兩種結構，PMOS指的是以N型雜質半導體為襯底，P型雜質做溝道，靠空穴的流動運送電流的MOS管；而NMOS指的是以P型雜質半導體襯底，N型雜質做溝道，靠自由電子的移動產生電流的MOS管。

1.1 MOS管基本結構

NMOS管的具體工藝是，在晶體管底層注入低摻雜濃度的雜質半導體P-，該層稱為襯底，在襯底上注入兩個高摻雜濃度的N+，在此基礎上形成兩個有源區，從有源區引出兩個金屬電極，源極（Source）和漏極（Drain）。在兩個有源區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生感應電場，通過改變施加在電極上的電壓，改變感應電場的強度來改變MOS管的工作狀態。PMOS管需要在低摻雜濃度的P^-襯底上注入高摻雜濃度的N雜質半導體形成N阱，在N阱注入高摻雜濃度P^+，引出源極和漏極。

1.2 驅動電路設計

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，橋上是與直流電機相連的電機接口。驅動原理是NMOS在柵極為高電平時導通，低電平時截至，當MOS 管Q2和Q5導通時，電流就從Q2流經電機到達Q5流至負極，從而使電機正轉帶動小車前進；當Q3和Q4導通時，電流從Q3流經電機到達Q5流至負極，從而使電機反轉帶動小車后退。

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，達到5~10V時導通，Q2和Q3的柵極電位需要高于電源電壓才能使MOS管完全導通，同時當橋臂上四個MOS管同時導通時，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通的芯片。由此選用兩片專門驅動MOS管地半橋集成芯片IR2104，構成全橋驅動，該芯片柵極驅動電壓范圍從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兩種三極管并聯取代，兩種三極管的主要區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的特性，來防止MOS管的同臂導通。

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，它的驅動原理與方案一中的設計相似，PMOS在柵極高電平時截至，為低電平時導通，MOS管Q1和Q4導通時電機正轉，Q2和Q3導通電機反轉。PMOS在低電平時導通，一般柵極電位低于5V，由于此種特性，電路不會出現同臂導通的現象，電路上端的0.1uF和470uF電容可以對電路進行高頻、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定性。剎車時，電機過快的正反轉會產生很大的倒灌電流，對電路芯片產生很大的損害，采用MIC4424芯片，能夠對單片機和驅動電路起到隔離和保護的作用。

1.3 電路仿真與比較分析

由于驅動電路的輸出電壓與所給的占空比有關，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，兩路驅動電路形成電壓差則可驅動電機旋轉。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，在每個周期內始終有兩路保持高電平，指的是其在每個周期內有兩個MOS導通，不會出現四個MOS管同時導通的情況。在實際的應用過程中也是如此，該電路能夠保證有穩定的輸出，其輸出功率可以和比賽中需要達到的速度匹配，MOS管驅動IC芯片的順時電路可以達到很大，電路達到一定頻率可以減小MOS管狀態改變的時間，減小損耗和發熱。但該電路組成比較復雜，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，升壓電路設計的合理與否直接決定了兩路驅動電路能否正常工作。

圖1 橋臂MOS管導通情況

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四個MOS管共同導通的情況，相比較于四個NMOS驅動的電路，PMOS管的性能直接決定了電機電壓的輸出，其輸出的波形較小，PMOS適合應用在低速和低頻領域，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管導通，而Vgs越大，柵極電流就越大，所以流經MOS管的電流大小被其性能所限制，搭建的H橋的驅動性能也完全被PMOS管限制，應用于智能車驅動的車速控制也被限制。在實際應用過程中也發現其驅動性能不如方案一的驅動性能好，同時這種MOS管聯用的驅動電路，更多的是做成集成芯片BTN、BTS系列，其內部集成高邊PMOS和低邊NMOS以及其他保護電路。

2 結語

本文結合恩智浦智能車競賽，在介紹NMOS管和PMOS管的基本結構的基礎上，分析了兩種驅動電路的驅動原理，通過Multisim軟件對兩種驅動電路仿真，比較兩種電路的驅動效果，進一步總結了上下橋臂位NMOS管驅動電路的優勢。并在實際應用中也發現了方案一驅動電路在快速地加速、減速上的優越性能。