CN103560728A

CN103560728A - 一种带死区延时的电机驱动电路

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Publication number: CN103560728A
Application number: CN201310569879.7A
Authority: CN
Inventors: 黄艳辉; 于春香; 房建峰; 董冀; 杨侃
Original assignee: China North Industries Group Corp No 214 Research Institute Suzhou R&D Center
Current assignee: China North Industries Group Corp No 214 Research Institute Suzhou R&D Center
Priority date: 2013-11-13
Filing date: 2013-11-13
Publication date: 2014-02-05

Abstract

本发明公开了带死区延时的电机驱动电路，包括与电机连接的H桥电路，H桥电路由光电隔离电路、死区延时控制电路和半桥驱动控制电路控制，通过调整MOS管的导通与截止时序控制电机的转向；一对互补的输入信号经双路光电耦合器后输出的两路信号进入死区延时控制电路中，分别经两路级连的与非门输出两路互补的控制信号；死区延时控制电路输出的信号分别输入至半桥驱动控制电路中的两个对称单元中。通过死区延时控制电路控制死区时间，防止同臂的两个MOS管同时导通，死区时间可以灵活调整；光电隔离电路增加了抗干扰能力，减少了H桥瞬态输出大电流或电机启动时H桥控制信号对前级电路的干扰；可单电源供电工作。

Description

一种带死区延时的电机驱动电路

技术领域

本发明涉及一种电机驱动电路，尤其涉及一种带死区延时的电机驱动电路，属于电路技术领域。

背景技术

电机的功率驱动电路通常采用H桥式结构电路进行驱动，H桥电路由四个功率开关MOS管构成，通过一种控制结构来控制四个开关管的导通与截止，使电机正转、反转或者停止。对H桥驱动电路上下桥臂功率开关MOS管加互补信号后，在带载情况下，功率开关MOS管的关断时间通常比开通时间长，这样，当下桥臂功率开关MOS管未及时关断而上桥臂抢先开通时，就会出现所谓“桥臂直通”故障。这样会使桥臂直通时电流迅速变大，从而造成功率开关损坏。所以设置导通延时及死区时间必不可少。当前较多采用在控制器MCU中增加软件延时的方法，这需要进行大量的运算和适时控制，消耗大量的计算时间和硬件资源，而且很难保证死区时间以及均匀调节电机速度的功能。

发明内容

本发明的目的：

本发明提供了一种死区时间可灵活调整、系统单电源供电、输入控制信号与驱动控制电路进行光电隔离的低成本电路结构。目的是克服已有技术中存在双电源供电、可能出现的上下桥臂直通、抗干扰能力低等缺陷。

实现本发明目的的技术解决方案为：

一种带死区延时的电机驱动电路，包括与电机连接的H桥电路，H桥电路内部具有四个功率开关MOS管构成的上下桥臂，其特征是，H桥电路由光电隔离电路、死区延时控制电路和半桥驱动控制电路控制，通过调整MOS管的导通与截止时序控制电机的转向；

光电隔离电路采用双路光电耦合器，输出与输入同相；

一对互补的输入信号经双路光电耦合器后输出的两路信号进入死区延时控制电路中，分别经两路级连的与非门输出两路互补的控制信号，其中每路级连的与非门中包括两个级连的与非门，两个与非门之间经一电阻连接，后一个与非门经一电容与电源电压连接；

死区延时控制电路输出的信号分别输入至半桥驱动控制电路中的两个对称单元中，每个对称单元中包含一半桥驱动芯片、一自举二极管和一自举电容，半桥驱动芯片工作电压端与自举二极管阳极连接，自举二极管阴极与自举电容一端连接，自举电容另一端连接在H桥电路与电机相连的其中一端，即H桥电路上桥臂上的第一MOS管的源极和下桥臂上的第四MOS管的漏极。

死区延时控制电路中，包括第一路级连的与非门分别为第一与非门、第二与非门，第二路级连的与非门分别为第三与非门、第四与非门；第一与非门、第二与非门之间连接第三电阻，第二与非门两个输入端共连，并经第二电容与电源电压连接；第三与非门、第四与非门之间连接第四电阻，第四与非门两个输入端共连，并经第三电容与电源电压连接；

双路高速光电耦合器输出的两路信号分别作为第一与非门、第三与非门的一路输入信号，第三与非门的输出端作为第一与非门的另一路输入信号，第一与非门的输出端作为第三与非门的另一路输入信号；

第三电阻和第二电容、第四电阻和第三电容分别组成两路RC延时控制电路，通过改变RC延时控制电路的时间常数控制死区时间。

还包括一电源转换电路，电源转换电路中包括一三级管，三极管基极连接稳压管的阴极，稳压管阳极接地，三极管的基极与集电极间跨接第五电阻；三极管的集电极接电机工作电压，发射极作为光电隔离电路、死区延时控制电路、半桥驱动控制电路的工作电压。

电机工作电压为40V，光电隔离电路、死区延时控制电路、半桥驱动控制电路的工作电压为12V，稳压管的稳定电压为13V。

半桥驱动芯片具有一死区时间，大小为10ns。

本发明创造的优点以及达到的有益效果：

1.本电路的可靠性高，利用电路各个点的电位特点，设计了死区延时电路，通过死区延时控制电路（RC延时电路）控制死区时间，减轻了控制器MCU的设计难度和负担，防止同臂的两个MOS管同时导通，同时死区时间可以灵活调整；

2. 本电路抗干扰能力强。设计了光电隔离单元增加了抗干扰能力，减少了H桥瞬态输出大电流或电机启动时H桥控制信号对前级电路的干扰；

3.本电路可单电源供电工作。通过对光电隔离单元与驱动控制单元的特殊结构设计，H桥控制电源可采用电机工作电源进行控制，实现了H桥的控制和驱动各部分的单一电源工作方式。

附图说明

图1 电机驱动电路原理框图；

图2 电机驱动电路原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

本发明带死区延时的电机驱动电路主要包括光电隔离电路、死区延时控制电路、半桥驱动控制电路、H桥驱动电路及电源变换电路，其原理框图如图1所示。

各部分具体电路图如图2所示，图中VinN，VinP为两路输入控制信号，端子M1、M2分别接电机的两端。各部分电路的原理如下：

A部分为光电隔离电路，采用双路高速光电耦合器N1，输出与输入同相，隔离后级电路对前级电路的干扰。经双路高速光电耦合器N1后输出的两路信号进入死区控制电路B中。

B部分为死区延时控制电路，包括第一路级连的与非门分别为第一与非门D1A、第二与非门D1B，第二路级连的与非门分别为第三与非门D1C、第四与非门D1D；第一与非门D1A、第二与非门D1B之间连接第三电阻R3，第二与非门D1B两个输入端共连，并经第二电容C2与电源电压VCC连接；第三与非门D1C、第四与非门D1D之间连接第四电阻R4，第四与非门D1D两个输入端共连，并经第三电容C3与电源电压VCC连接；

双路高速光电耦合器输出的两路信号分别作为第一与非门D1A、第三与非门D1C的一路输入信号，第三与非门D1C的输出端作为第一与非门的另一路输入信号，第一与非门D1A的输出端作为第三与非门D1C的另一路输入信号；

图中D1A、D1B、D1C、D1D为CMOS与非门，可以增加电路的输出驱动能力，第三电阻R3和第二电容C2、第四电阻R4和第三电容C3分别组成两路RC延时控制电路，输入信号经过此部分电路时，输出电压有个上升的过程，通过改变RC延时控制电路的时间常数可以控制死区时间，防止桥臂直通故障。

C部分为电源转换电路，电源转换电路中包括一三级管V3，三极管V3基极连接稳压管V4的阴极，稳压管V4阳极接地，三极管V3的基极与集电极间跨接第五电阻R5；三极管V3的集电极接电机工作电压VDD，发射极作为光电隔离电路A、死区延时控制电路B、半桥驱动控制电路D的工作电源电压VCC。由于电机工作电压为40V，而光耦和桥路驱动芯片等的工作电压为12V，所以首先要进行电压转换得到12V电源，如图2中C部分所示，图中稳压管V4的稳定电压为13V。

D部分半桥驱动控制电路，由两个对称单元组成。图中N2、N3为半桥驱动芯片 V5、V8为自举二极管，C7、C8为自举电容。

半桥驱动芯片N2、N3依据自举原理工作，驱动高压侧和低压侧两个器件时，不需要独立的驱动电源，因而使电路得到简化。它们具有一定的死区时间，其大小为10ns且不可外调，而实际使用中，功率开关MOS管的关断时间比开通时间有时比10ns还要大，此时就需要外加延时电路来加大死区时间，以防止电路直通。半桥驱动芯片中HIN引脚为高端驱动输出的信号输入端，LIN引脚为低端驱动输出的信号输入端，HIN引脚和LIN引脚分别与B部分的两路输出连接，HO引脚为高端驱动输出端，分别经过一电阻R6、R7分别与MOSFETV15、V17的栅极连接，半桥驱动芯片N2和N3的HO端输出时序相同，一起控制MOS管V15、V17的导通关断，以驱动电机向一个方向运转，LO引脚为低端驱动输出端，连接方式与HO引脚类似，用来驱动电机向反方向运转，VB引脚为高端悬浮电源端，分别与自举二极管V5、V8的阴极和自举电容C7、C8一端连接，VS引脚为高端悬浮地端，与自举电容C7、C8的另一端及一侧桥臂的两个MOS管V15、V16或者MOS管V17、V18连接。VCC引脚、VDD引脚接电源，VSS、COM引脚接电源地，SD引脚为芯片关断端，在此应用中接地。

图中半桥驱动的工作原理如下，假定在MOS管V15关断期间电容C7已经充到足够高的电压，当VinN为高电平，VinP为低电平时，半桥驱动芯片N2的HIN引脚为高电平，HO引脚为高电平，LIN引脚为低电平，LO引脚为低电平，由于自举二极管和自举电容的作用使VB引脚与VS引脚压差约为电源电压，电源电压VCC（+12V）加到MOS管V15的栅极和源极之间，电容C7通过电阻R6和MOS管V15栅极和源极形成回路放电，此时，电容C7就相当于一个电压源，从而使MOS管V15导通。由于VinP与VinN是一对互补输入信号，所以此时VinP为低电平，这时聚集在MOS管V16栅极和源极的电荷在芯片内部通过电阻R8迅速对地放电，由于死区时间影响使MOS管V16在MOS管V15开通之前迅速关断。

同理，当VinN为低电平，VinP为高电平时，半桥驱动芯片N2的LIN引脚为高电平，LO引脚为高电平，HIN引脚为高电平，HO引脚为高电平，聚集在MOS管 V15栅极和源极之间的电荷在芯片内部通过电阻R6迅速放电使MOS管V15关断。经过短暂的死区时间VinP为高电平，使电源电压（+12V）经过电阻R8，MOS管V16 的栅极和源极形成回路，使MOS管V16导通，在此同时电源电压VCC（+12V）经自举二极管、电容C8、开关管V16形成回路，对电容C8进行充电，迅速为电容C8补充能量，如此循环反复。

E部分为H桥驱动电路，H桥驱动单元由4个N沟道功率开关MOS管V15、V16、V17、V18构成，构成两个对称单元，当MOS管V15、V18导通时，电流从电源正极经端子M1从左至右穿过电机，经端子M2回电源负极；当MOS管V16、V17导通时，电流从电源正极经端子M2从右至左穿过电机，经端子M1回电源负极。因此，通过调整MOS管的导通与截止时序可以控制电机的转向，通过调整流过电机的电流大小可以控制电机的转速。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims

1. 一种带死区延时的电机驱动电路，包括与电机连接的H桥电路，H桥电路内部具有四个功率开关MOS管构成的上下桥臂，其特征是，H桥电路由光电隔离电路、死区延时控制电路和半桥驱动控制电路控制，通过调整MOS管的导通与截止时序控制电机的转向；

光电隔离电路采用双路光电耦合器，输出与输入同相；

2.根据权利要求1所述的带死区延时的电机驱动电路，其特征是，死区延时控制电路中，包括第一路级连的与非门分别为第一与非门、第二与非门，第二路级连的与非门分别为第三与非门、第四与非门；第一与非门、第二与非门之间连接第三电阻，第二与非门两个输入端共连，并经第二电容与电源电压连接；第三与非门、第四与非门之间连接第四电阻，第四与非门两个输入端共连，并经第三电容与电源电压连接；

3.根据权利要求1所述的带死区延时的电机驱动电路，其特征是，还包括一电源转换电路，电源转换电路中包括一三级管，三极管基极连接稳压管的阴极，稳压管阳极接地，三极管的基极与集电极间跨接第五电阻；三极管的集电极接电机工作电压，发射极作为光电隔离电路、死区延时控制电路、半桥驱动控制电路的工作电压。

4.根据权利要求3所述的带死区延时的电机驱动电路，其特征是，电机工作电压为40V，光电隔离电路、死区延时控制电路、半桥驱动控制电路的工作电压为12V，稳压管的稳定电压为13V。

5.根据权利要求1所述的带死区延时的电机驱动电路，其特征是，半桥驱动芯片具有一死区时间，大小为10ns。