使用IR2112驱动芯片及功率场效应晶体管驱动电机

IR2112是高电压、高放大率MOSFET（MOS场效应晶体管），带独立的推挽放大器，为自举工作方式，门驱动器供电范围为10～20V。IR2112采用HVIC和闩锁抗干扰CMOS制造工艺，双列直插14脚封装。具有独立的低端和高端输入通道；悬浮电源采用自举电路，其高端工作电压可达500V，dv/dt=±50V/ns，15V下静态功耗仅116mW；输出的电源端（脚3，即功率器件的栅极驱动电压）电压范围为10～20V；逻辑电源电压范围（脚9）为5～15V，可方便地与TTL、CMOS电平相匹配，而且逻辑电源地和功率地之间允许有±5V的偏移量；工作频率高，可达500kHz；开通、关断延迟小，分别为120ns和94ns；图腾柱输出峰值电流为2A。

IR2112的内部功能框图如图11-7所示。由三部分组成：逻辑输入、电平平移及输出保护。IR2112的特点可以为装置的设计带来许多方便，尤其是高端悬浮自举电源的成功设计，可以大大减少驱动电流。具体电路如图11-8所示。

场效应晶体管（FET）属于电压控制型半导体器件，具有输入电阻高（108～109Ω）、噪声小、功耗低、没有二次击穿现象、安全工作区域宽等优点，现已成为双极型晶体管和功率晶体管的强大竞争者。场效应晶体管分结型、绝缘栅型两大类。结型场效应晶体管（JFET）因有两个PN结而得名，绝缘栅型场效应晶体管（JGFET）则因栅极与其他电极完全绝缘而得名。

目前在绝缘栅型场效应晶体管中，应用最为广泛的是MOS场效应晶体管，简称MOS管（即金属-氧化物-半导体场效应晶体管MOSFET）。MOS场效应晶体管的主要特点是在金属栅极与沟道之间有一层二氧化硅绝缘层，因此具有很高的输入电阻。MOSFET可分成两类：N沟道管和P沟道管，符号如图11-9所示。它有三个极：漏极（D）、源极（S）及栅极（G）。这两类MOSFET的工作原理相同，仅电源电压控制电压的极性相反。一些功率MOSFET内部在漏源极之间并接了一个二极管或肖特基二极管，这是为了在接电感负载时，防止反电势损坏MOSFET。

图11-7 IR2112的内部功能框图

图11-8 功率驱动管与驱动芯片IR2112电机驱动电路

图11-9 MOS场效应晶体管 a）NMOS b）PMOS

若按导电方式来划分，场效应晶体管又可分成耗尽型与增强型。结型场效应晶体管均为耗尽型，绝缘栅型场效应晶体管既有耗尽型的，也有增强型的。所谓增强型是指：当V_GS=0时管子是呈截止状态，加上正确的V_GS后，多数载流子被吸引到栅极，从而“增强”了该区域的载流子，形成导电沟道。耗尽型则是指：当V_GS=0时即形成沟道，加上正确的V_GS时，能使多数载流子流出沟道，因而“耗尽”了载流子，使管子转向截止。

MOS管极限参数有：最大漏源电压V_DS、最大栅源电压V_GS、最大漏极电流I_D和最大功耗P_D。在使用中不能超过极限值，否则会损坏器件。

MOS管主要电气特性有：开启电压V_GS（T_h）；栅极电压为零时的电流I_DSS；在一定的V_GS条件下的导通电阻R_DS（ON）。

电路中使用的是比较常用的功率IRF540，它是一种N沟道功率场效应晶体管。

在工作温度T_C=25℃时，IRF540的参数如下：

●最大漏源电压V_DS=100V。

●最大栅源电压V_GS=±20V。

●最大漏极电流I_D=33A（当T_C=25℃、V_GS=10V时）、I_D=23A（当T_C=100℃、V_GS=10V时）。

●最大功耗P_D=120W（当T_C＞25℃，温度每上升1℃时P_D减少0.8W）。

●开启电压V_GS（T_h）为2～4V（当I_D=250μA、V_GS=V_DS时）。

●导通电阻R_DS（ON）约为0.04Ω（当I_D=33A、V_GS=10V时）。

●IDSS最大值为1μA（V_DS=95V、V_GS=0V时）。

●导通时间T_ON最大为100ns。

●关断时间T_OFF最大为145ns。

功率MOSFET对栅极驱动电路的要求主要有：

●触发脉冲要具有足够快的上升和下降速度，即脉冲前后沿要求陡峭。

●开通时以低电阻对栅极电容充电，关断时为栅极电荷提供电阻放电回路，以提高功率MOSFET的开关速度。(www.xing528.com)

●为了使功率MOSFET可靠触发导通，触发脉冲电压应高于管子的开启电压；为了防止误导通，在其截止时应提供负的栅源电压。

●功率MOSFET开关时所需的驱动电流为栅极电容的充放电电流。功率MOSFET的极间电容越大，在开关驱动中所需的驱动电流也越大。

●通常功率MOSFET的栅极电压最大额定值为±20V，若超出此值，栅极会被击穿。另外，由于器件工作于高频开关状态，栅极输入容抗小，为使开关波形具有足够的上升和下降陡度且提高开关速度，仍需要足够大的驱动电流，这一点要特别注意。

功率MOSFET这种栅控型器件由于具有极高的输入阻抗，因此在静电较强场合难以泄放电荷，容易引起静电击穿。静电击穿有两种形式：一是电压型，即极的薄氧化层发生击穿形成针孔，使栅极和源极短路；二是功率型，即金属化薄铝条被熔断，造成栅极开路或者使源极开路。

防止静电击穿应注意：

●器件应存放在抗静电包装袋、导电材料袋或金属容器中，不能存放在塑料袋中。

●取用功率MOSFET时，工作人员必须通过腕带良好接地，且应拿在管壳部分而不是引线部分。

●接入电路时，工作台应接地，焊接的烙铁也必须良好接地或断电焊接。

●测试器件时，测量仪器和工作台都要良好接地。器件三个电极没有完全接入测试仪器前，不得施加电压。改换测试范围时，电压和电流要先恢复到零。

由MOS管构成的H桥驱动电路如图11-10所示。

图11-10 H桥式驱动电路图

这是在许多资料经常出现的电路，其中的MOSFET也可以换成相应的大功率晶体管。电路原理如下：

当控制信号A为1，B为0时，VU₁和VU₄导通，VU₂与VU₃截止，电机中的电流由左向右流，电机向一个方向转动；当A为0，B为1时，VU₂和VU₃导通，VU₁与VU₄截止，电流由右向左流，电机向相反方向转动；当A、B都为0时，四个MOS管都截止，电机中没有电流流过。

其实分析电路，其原理上是有设计错误的：VU₁（或VU₂）不可能完全导通。如果VU₁完全导通，D、S之间的电压约为0V，即S上应有接近24V/12V的电压，但是同时G、S之间需要2～4V电压，G端电压最高只能达到24V/12V，所以导致VU₁的D、S之间3V左右的压降，也就是VU₁不能完全导通。除非外加电荷泵电路进行升压，这个电路无法使用，但这样会增加电路的复杂度。

可将电路进行修改，如图11-11所示。

图11-11 改进的H桥式驱动电路图

在该电路中，VU₁、VU₂换成了P沟道的MOS管IRF9540。

该电路的工作过程与前者一致。从原理上来讲，MOS管都能够很好的导通，但会经常出现MOS烧毁的现象，这是因为MOS管开通与关断需要一定时间的原因。如果A为1，B为0，电机向一个方向转动，而某一时刻要实现电机的反向转动，把A变0，同时B变为1，由于MOS管存在关断时间，A变为0后，VU₁与VU₄仍有一段时间处于导通状态，如果这时B已经为1，VU₂与VU₃也进入了导通状态，则H桥同一臂的MOS管将出现“直通”现象，两个MOS管流过很大的电流，必然导致烧毁现象的发生。

为了避免这种现象的发生，保护MOS管，应该加入“死区”保护，加入“死区”保护前后的输入信号情况如图11-12和图11-13所示。即当A变为0以后，经过一段时间T_d，等VU₁与VU₄完全关断后，再使B为1，将VU₂与VU₃导通，这样就能避免MOS管的“直通”现象，但这样要么要在软件上加以调整，要么要在硬件上加入死区保护电路，都会增加设计的复杂度。

图11-12 无死区的输入信号情况

图11-13 有死区的输入信号情况