大功率隔離式全橋直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

本文介紹了一種大功率隔離式全橋(H橋)直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)，適用于高性能與多場(chǎng)景應(yīng)用。該驅(qū)動(dòng)器采用四個(gè)IRF3205 N溝道MOSFET，其導(dǎo)通電阻R_DS(on)低至8mΩ，可實(shí)現(xiàn)高效的大電流開關(guān)；此外，還使用了兩個(gè)帶有內(nèi)部死區(qū)時(shí)間控制的IR2104 MOSFET驅(qū)動(dòng)IC。低成本的CA-IS3720數(shù)字隔離器芯片實(shí)現(xiàn)了電氣隔離，增強(qiáng)了隔離側(cè)的安全性并最大限度地降低了噪聲干擾。

PCB布局經(jīng)過優(yōu)化，可實(shí)現(xiàn)低噪聲和大電流處理能力。該驅(qū)動(dòng)器最大電機(jī)供電電壓為45V_DC，控制器側(cè)采用12V_DC穩(wěn)壓電源，因此足以驅(qū)動(dòng)供電電壓低于12V的電機(jī)。對(duì)于工作電壓為12V或更高的電機(jī)，控制側(cè)電源可采用直接從電機(jī)電源獲取的低電流線性穩(wěn)壓器或降壓穩(wěn)壓器。該設(shè)計(jì)非常適合工業(yè)和機(jī)器人系統(tǒng)中需要可靠、大電流電機(jī)控制的應(yīng)用。

電路分析

圖1顯示了電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的原理圖。該電路由3個(gè)主要元器件組成：兩個(gè)IR2104半橋MOSFET驅(qū)動(dòng)器、CA-IS3720數(shù)字隔離器和IRF3205 MOSFET。

圖1：大功率隔離式全橋直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的原理圖。

根據(jù)IRF3205 MOSFET的數(shù)據(jù)手冊(cè)：“國際整流器公司(IR，現(xiàn)為TI)的先進(jìn)HEXFET功率MOSFET采用先進(jìn)的加工技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了極低的單位硅面積導(dǎo)通電阻。這一優(yōu)勢(shì)，結(jié)合HEXFET功率MOSFET眾所周知的快速開關(guān)速度和堅(jiān)固耐用的器件設(shè)計(jì)，為設(shè)計(jì)人員提供了一種極其高效可靠的器件，可用于各種應(yīng)用。”

圖2顯示，通過在柵極引腳施加至少8－10V_DC的電壓，IRF3205 MOSFET可達(dá)到最大電流處理能力(漏源電流)。在我們的電路中，柵極(柵源)引腳的峰值電壓為12V，這足以發(fā)揮MOSFET的全部開關(guān)潛能。圖2還顯示了脈沖占空比與MOSFET熱響應(yīng)之間的關(guān)系。

圖2：IRF3205 MOSFET的V_GS與電流處理能力(漏源電流)之間的關(guān)系。

MOSFET的熱響應(yīng)是指器件在工作過程中如何處理和散發(fā)產(chǎn)生的熱量，特別是傳導(dǎo)損耗和開關(guān)損耗。圖3表明，PWM頻率的選擇必須謹(jǐn)慎，否則，過高的開關(guān)速度會(huì)降低驅(qū)動(dòng)器效率，不僅沒有任何益處，反而會(huì)導(dǎo)致發(fā)熱增加，進(jìn)而需要更大的散熱器。

圖3：IRF3205 MOSFET的占空比(脈沖持續(xù)時(shí)間)與熱響應(yīng)之間的關(guān)系。

根據(jù)IR2104數(shù)據(jù)手冊(cè)：“IR2104(S)是高壓、高速功率MOSFET和IGBT驅(qū)動(dòng)器，具有獨(dú)立的高邊和低邊參考輸出通道。專有的HVIC和抗鎖存CMOS技術(shù)實(shí)現(xiàn)了堅(jiān)固的單片結(jié)構(gòu)。邏輯輸入兼容標(biāo)準(zhǔn)CMOS或LSTTL輸出，邏輯電壓低至3.3V。輸出驅(qū)動(dòng)器具有高脈沖電流緩沖級(jí)，旨在最大限度地減少驅(qū)動(dòng)器交叉導(dǎo)通。浮動(dòng)通道可用于驅(qū)動(dòng)高邊配置的N溝道功率MOSFET或IGBT，工作電壓范圍為10至600V。”

IN引腳上的下拉電阻(R1和R8)是必需的，因?yàn)樾酒瑑?nèi)部的下拉電阻提供的下拉點(diǎn)“不夠強(qiáng)”，無法防止MOSFET意外觸發(fā)(我在實(shí)際應(yīng)用中遇到過這種情況)。

C1和C10是去耦電容，用于降低電源噪聲；D2、D3、D5和D6用于保護(hù)MOSFET免受電機(jī)瞬態(tài)和電壓尖峰的影響。雖然每個(gè)IRF3205 MOSFET都內(nèi)置反向二極管，但添加外部肖特基二極管(例如SS36)可以增強(qiáng)內(nèi)部二極管的電流處理能力并對(duì)其進(jìn)行保護(hù)。

REG是SOT-89封裝的78L05穩(wěn)壓器，為隔離器芯片的非穩(wěn)壓側(cè)供電。R4和C3構(gòu)成低通濾波器，以最大限度地降低輸入噪聲。C6和C8用于穩(wěn)定穩(wěn)壓器并降低噪聲。D4是一個(gè)SMD 0805 LED，用于指示電源電平是否正確。

根據(jù)CA-IS3720數(shù)據(jù)手冊(cè)：“CA-IS372x系列器件是高性能雙通道數(shù)字隔離器，隔離度高達(dá)3.75kV_RMS(窄體封裝)和5kV_RMS(寬體封裝)，并具有超高速數(shù)據(jù)速率。CA-IS372x系列器件在低功耗下提供高電磁抗擾度和低輻射，同時(shí)隔離CMOS數(shù)字I/O。每個(gè)隔離通道都具有邏輯輸入和輸出緩沖器，兩者之間由電容式二氧化硅(SiO₂)絕緣層隔開，并且每個(gè)通道輸入都集成了施密特觸發(fā)器，以提供出色的抗噪聲能力。CA-IS3720具有兩個(gè)通道，可單向傳輸數(shù)字信號(hào)，適用于隔離數(shù)字I/O等應(yīng)用。CA-IS3721/CA-IS3722器件具有兩個(gè)通道，每個(gè)通道單向傳輸，使其成為隔離收發(fā)器(例如RS485、CAN等通信)的Tx和Rx線的理想選擇。當(dāng)輸入未通電或處于開路狀態(tài)時(shí)，后綴為L(zhǎng)的器件默認(rèn)輸出為低電平，后綴為H的器件默認(rèn)輸出為高電平。”

這款芯片最吸引人的地方在于其價(jià)格低廉，并且支持3.3V和5V兩種電壓電平(VCC電源和PWM邏輯電平均可使用)。其開關(guān)速度最高可達(dá)150Mbps。圖4顯示了該芯片的框圖。

圖4：CA-IS3720芯片的內(nèi)部框圖。

PCB布局

圖5顯示了驅(qū)動(dòng)PCB的布局。這是一個(gè)雙層PCB板，所有元器件均為SMD貼片件。頂層清晰地顯示了用于承載大電流的厚銅層，但請(qǐng)注意銅層的厚度也很重要。如果要驅(qū)動(dòng)大電流電機(jī)，建議訂購比FR-4標(biāo)準(zhǔn)厚度0.35mm更厚的PCB。圖6顯示了PCB板的裝配圖。

圖5：隔離式直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的PCB布局。

圖6：PCB板裝配圖。

裝配與測(cè)試

圖7顯示了已裝配的PCB板，圖8顯示了接線圖。我使用Arduino Uno開發(fā)板生成PWM信號(hào)：占空比50%，頻率500Hz。Arduino的5V輸出引腳為隔離側(cè)的VCC供電(3.3V至5V)。PWM占空比決定了電機(jī)的轉(zhuǎn)速。

電路板通過切換PWM1和PWM2輸入(圖9)來平滑地改變電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向。請(qǐng)注意，兩個(gè)PWM輸入不能同時(shí)處于激活狀態(tài)或同時(shí)有PWM脈沖。當(dāng)輸入端沒有PWM信號(hào)(浮空)時(shí)，電路板不會(huì)像某些類似設(shè)計(jì)那樣出現(xiàn)電機(jī)間歇性或隨機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的情況。不要忘記在盡可能靠近電機(jī)或電機(jī)連接器的位置焊接一個(gè)1μF-100V的MKT電容。

圖7：直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的裝配PCB板。

圖8：PCB板接線圖。

圖9：使用ATM直流電機(jī)測(cè)試電路板。

(原文刊登于EE Times姊妹網(wǎng)站Power Electronics News，參考鏈接：Powerful Isolated H-Bridge DC Motor Driver，由Franklin Zhao編譯。)

本文為《電子工程專輯》2025年12月刊雜志文章，版權(quán)所有，禁止轉(zhuǎn)載。免費(fèi)雜志訂閱申請(qǐng)點(diǎn)擊這里。