CN107800337B - 互补死区带隔离的单电源供电集成h桥直流电机驱动模块 - Google Patents

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Abstract

本发明属于机电伺服驱动领域，具体公开一种互补死区带隔离的单电源供电集成H桥直流电机驱动模块，该模块包括光耦隔离单元、互补死区电路和场效应管输出单元，光耦隔离单元的输入端连接模块的外部管脚，接收TTL控制信号或使用DSP控制信号直接进行电机控制，光耦隔离单元的输出端与互补死区电路的输入端相连，互补死区电路输出端与场效应管输出单元的输入端相连。该模块具有集成度高、体积小、重量轻、工作电流大、功率密度高、单电源供电、死区保护功能等优点。

Description

互补死区带隔离的单电源供电集成H桥直流电机驱动模块
技术领域
本发明属于机电伺服驱动领域，具体涉及一种硬件互补死区带隔离的单电源供电集成H桥直流电机驱动模块。
背景技术
有刷直流电机的运动控制需要采用驱动直流电机运动的驱动电路，为实现电机的运动通常需要采用桥式驱动电路进行驱动。另外为了防止驱动电路中同侧场效应管直通导致电机时产生的大电流烧毁电机、电源或者其他部件，需要进行死区设计。采用分离元器件进行构建实现这些功能，电路结构比较复杂，电路体积较大，难以满足航天伺服产品小型化要求。目前市场成型的直流有刷驱动模块有的内置不具有死区保护功能，须外部使用配置；有的具备死区保护功能，但是硬件电路复杂，内置板层主要以PCB为主或者尺寸较大。
发明内容
本发明的目的在于提供一种带硬件互补死区带隔离的单电源供电集成H桥直流电机驱动模块，该模块具有高可靠性、集成度高、工作电流较大、功率密度高、生产周期短。
实现本发明目的的技术方案：一种互补死区带隔离的单电源供电集成H桥直流电机驱动模块，该模块包括光耦隔离单元、互补死区电路和场效应管输出单元，光耦隔离单元的输入端连接模块的外部管脚，接收TTL控制信号或使用DSP控制信号直接进行电机控制，光耦隔离单元的输出端与互补死区电路的输入端相连，互补死区电路输出端与场效应管输出单元的输入端相连，场效应管输出单元的输出端连接模块的外部管脚V+、V-，管脚V+、V-分别连接直流电机的两相绕组来控制直流电机的转速和正反转；光耦隔离单元将控制信号进行功率放大为信号Vo，互补死区电路接收光耦隔离单元输出的放大信号Vo；互补死区电路根据放大信号Vo的占空比来控制电路中同侧上下两个三极管的轮流开断并向场效应管输出单元输入脉冲宽度调制信号；场效应管输出单元接收互补死区电路输出的脉冲宽度调制信号，来控制场效应管输出单元中全桥驱动电路的同侧上、下两个场效应管的轮流开关；模块外部管脚V+、V-分别接收场效应管输出单元的两路脉宽调制信号，并分别连接直流电机的两相绕组来控制直流电机的转速和正反转。
所述的光耦隔离单元由电阻R10、电容C10和光耦U7构成，光耦U7副边引脚8连接电阻R10的一端，电阻R10的另一端连接+28V电平Vs，光耦U7的7脚输出控制信号Vo，光耦U7的信号输出端Vo1连接互补死区电路，光耦U7副边引脚8、电阻R10的一端与光耦U7副边引脚5之间连接有电容C10，光耦U7副边引脚5、电容C10均接地GND。
所述的光耦U7信号输入引脚2直接接入控制信号，当控制指令信号到来，光耦U7导通，光耦U7的7脚输出幅值控制信号Vo，通过光耦U7的信号输出端Vo1向互补死区电路传输控制信号Vo；C10为高频滤波电容，去除毛刺。
所述的互补死区电路由电阻R1、电阻R2、限流电阻R3、电阻R4、电阻R5、三极管Q1、三极管Q2组成，电阻R1、电阻R2、电阻R4、电阻R5依次串联，电阻R1的一端与三极管Q1的发射极连接，电阻R1和电阻R2的连接端与三极管Q1的基极连接；电阻R5的一端与三极管Q2的发射极连接，电阻R4和电阻R5的连接端与三极管Q2的基极连接；三极管Q1的集电极与限流电阻R3的一端连接，限流电阻R3的另一端与三极管Q2的集电极连接；电阻R1与三极管Q1的发射极的连接端接+28V电压，电阻R5与三极管Q2的发射极的连接端接地；电阻R2与电阻R4的连接端与光耦U7的信号输出端Vo1连接。
所述的互补死区电路接收到光耦隔离单元输出的放大的信号Vo，当信号Vo为高电平时，经过电阻R1、电阻R2、电阻R4、电阻R5的分压得到电阻R1与电阻R2之间的第一分压电压V1、电阻R4与电阻R5之间的第二分压电压V2，此时，三极管Q1无法开启，三极管Q2开启；反之，当信号Vo为低电平时，经过电阻R1、电阻R2、电阻R4、电阻R5的分压得到电阻R1与电阻R2之间的第一分压电压V1、电阻R4与电阻R5之间的第二分压电压V2，此时，三极管Q1和三极管Q2均无法开启；通过三极管Q1、三极管Q2的开断时间，实现死区时间间隔。
所述的场效应管输出单元中的全桥驱动电路中一侧桥臂驱动电路由稳压管D1、稳压管D2、P沟道场效应管Q3和N沟道场效应管Q4组成，互补死区电路的三极管Q1的发射极与稳压管D1的阴极、P沟道场效应管Q3的漏极、+28V电压均连接，三极管Q1的集电极、限流电阻R3的一端均与稳压管D1的阳极、P沟道场效应管Q3的栅极连接；互补死区电路的三极管Q2的发射极与稳压管D2的阳极、P沟道场效应管Q4的源极、地GND均连接，三极管Q2的集电极、限流电阻R3的另一端均与稳压管D2的正极、N沟道场效应管Q4的栅极连接；P沟道场效应管Q3的源极与P沟道场效应管Q4的漏极连接。
所述的当互补死区电路的三极管Q1开启时，N沟道场效应管Q4开管；当互补死区电路的三极管Q2开启时，P沟道场效应管Q3开管。
所述的当信号Vo为高电平时，第一分压电压V1＝27.5V、第二分压电压V2＝4.1V，三极管Q1电压，三极管Q1无法开启，三极管Q2电压，三极管Q2开启；当信号Vo为低电平时，第一分压电压V1＝23.3V、第二分压电压V2＝0V，三极管Q1电压，三极管Q1无法开启，三极管Q电压，三极管Q2无法开启。
所述的稳压管D1、稳压管D2的稳压电压为12V，当互补死区电路的三极管Q1开启时，N沟道场效应管Q4的电压，N沟道场效应管Q4开管；当互补死区电路的三极管Q2开启时，P沟道场效应管Q3的电压，P沟道场效应管Q3开管。
本发明的有益技术效果在于：通过本发明的驱动模块即可代替原有的功率电路和驱动电路，可以实现输入控制地与功率输出地隔离、单电源供电、死区保护功能，显著增加产品组装密度、缩短互连长度、减少信号延迟时间、减轻重量、提高可靠性、大大缩小了模块的体积、具有集成度高、工作电流较大、功率密度高等优点，可满足功率电压工作范围20V-40V和功率1Kw以下的有刷直流电机的驱动模块选型，可满足航天机电伺服等使用要求。光耦隔离单元可实现控制信号的功率放大和输入控制地与功率输出地隔离，互补死区电路通过三极管的开断时间的大小，可实现负载在第一个边沿的零电平到第二个边沿的零电平形成死区时间间隔，从而避免了场效应管的直通。场效应管输出单元输出硬件电路无需专用驱动芯片，成本低、占用空间小，只需稳压管的稳压作用来实现场效应管(MOSFET)的开断。
附图说明
图1为本发明所提供的一种硬件互补死区带隔离的单电源供电集成H桥直流电机驱动模块原理框图；
图2为本发明所提供的光耦隔离电路图；
图3为本发明所提供的互补死区电路图；
图4为本发明所提供的上升死区时间示意图；
图5为本发明所提供的下降死区时间示意图；
图6为本发明所提供的场效应管功率输出单相桥臂驱动电路图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。
如图1所示，一种带硬件互补死区带隔离的单电源供电集成H桥直流电机驱动模块，该模块包括光耦隔离单元101、互补死区电路102和场效应管输出单元103。光耦隔离单元101的输入端连接模块的外部管脚，接收TTL控制信号或使用DSP控制信号直接进行电机控制，光耦隔离单元101的输出端与互补死区电路102的输入端相连，互补死区电路102输出端与场效应管输出单元103的输入端相连，场效应管输出单元103的输出端连接模块的外部管脚V+、V-，管脚V+、V-分别连接直流电机的两相绕组来控制直流电机的转速和正反转。光耦隔离单元101将控制信号进行功率放大为信号Vo，互补死区电路102接收光耦隔离单元101输出的放大信号Vo；互补死区电路102根据放大信号Vo的占空比来控制电路中同侧上下两个三极管的轮流开断并向场效应管输出单元103输入脉冲宽度调制信号；场效应管输出单元103接收互补死区电路102输出的脉冲宽度调制信号，来控制场效应管输出单元103中全桥驱动电路的同侧上、下两个场效应管的轮流开关，由于模块的输入为两路互补的控制信号，所以场效应管输出单元103中的全桥电路可输出两路互补的脉宽调制信号；模块外部管脚V+、V-分别接收场效应管输出单元103的两路脉宽调制信号，并分别连接直流电机的两相绕组来控制直流电机的转速和正反转。
如图2所示，光耦隔离单元101由电阻R10、电容C10和光耦U7构成。光耦U7源边引脚2连接驱动模块输入引脚IN，源边引脚2可直接接入TTL控制信号或使用DSP控制信号直接进行电机控制，光耦U7的信号输入地端G接地。光耦U7副边引脚8连接电阻R10的一端，电阻R10的另一端连接+28V电平Vs，当控制指令信号到来，光耦U7导通，光耦U7的7脚输出幅值为25V的控制信号Vo，光耦U7的信号输出端Vo1连接互补死区电路102，通过光耦U7的信号输出端Vo1向互补死区电路102传输控制信号Vo。光耦隔离单元101即可起到对控制信号的功率放大的作用，又可实现输入控制地和功率输出地隔离。光耦U7副边引脚8、电阻R10的一端与光耦U7副边引脚5之间连接有电容C10，光耦U7副边引脚5、电容C10均接地GND；C10为高频滤波电容，去除毛刺。
如图3所示，互补死区电路102由电阻R1、电阻R2、限流电阻R3、电阻R4、电阻R5、三极管Q1、三极管Q2组成，电阻R1、电阻R2、电阻R4、电阻R5依次串联，电阻R1的一端与三极管Q1的发射极连接，电阻R1和电阻R2的连接端与三极管Q1的基极连接；电阻R5的一端与三极管Q2的发射极连接，电阻R4和电阻R5的连接端与三极管Q2的基极连接；三极管Q1的集电极与限流电阻R3的一端连接，限流电阻R3的另一端与三极管Q2的集电极连接；电阻R1与三极管Q1的发射极的连接端接+28V电压，电阻R5与三极管Q2的发射极的连接端接地；电阻R2与电阻R4的连接端与光耦U7的信号输出端Vo1连接。互补死区电路102接收到光耦隔离单元101输出的放大的信号Vo，信号Vo的幅值为25V，当信号Vo为高电平时，经过电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R5的分压可以得到第一分压电压V1＝27.5V、第二分压电压V2＝4.1V，对于三极管Q1来讲，其电压Vbe＝0.5V＜0.7V，三极管Q1无法开启；对于三极管Q2，其电压Vbe＝4.1V＞0.7V，三极管Q2可以开启，此时输出的脉冲宽度调制信号可开启场效应管输出单元103中全桥驱动电路的一侧上场效应管。反之，当信号Vo为低电平时，经过电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R5的分压可以得到第一分压电压V1＝23.3V、第二分压电压V2＝0V，对于三极管Q1来讲，其电压Vbe＝4.7V＞0.7V，三极管Q1开启；对于三极管Q2，其电压Vbe＝0V＜0.7V，三极管Q2无法开启；此时输出的脉冲宽度调制信号可开启场效应管输出单元103中全桥驱动电路的一侧下场效应管。通过三极管Q1、三极管Q2的轮流开断为场效应管输出单元103输入脉冲宽度调制信号。通过三极管Q1、三极管Q2的开、断时间间隔，可保证脉冲宽度调制信号输入到场效应管输出单元103中全桥驱动电路同侧上下管的开启有一定的死区时间。在第一个上升沿的零电平到第二个上升沿的零电平形成上升死区时间间隔，如图4所示；在第一个下降沿的零电平到第二个下降沿的零电平形成下降死区时间间隔，如图5所示。
如图6所示，场效应管输出单元103为无需专用驱动芯片的只需稳压管驱动电路。场效应管输出单元103由全桥驱动电路组成，其一侧的驱动电路由稳压管D1、稳压管D2、P沟道场效应管(MOSFET)Q3和N沟道场效应管(MOSFET)Q4组成，互补死区电路102的三极管Q1的发射极与稳压管D1的阴极、P沟道场效应管Q3的漏极、+28V电压均连接，三极管Q1的集电极、限流电阻R3的一端均与稳压管D1的阳极、P沟道场效应管Q3的栅极连接；互补死区电路102的三极管Q2的发射极与稳压管D2的阳极、N沟道场效应管Q4的源极、地GND均连接，三极管Q2的集电极、限流电阻R3的另一端均与稳压管D2的阴极、N沟道场效应管Q4的栅极连接；P沟道场效应管Q3的源极与N沟道场效应管Q4的漏极连接，且P沟道场效应管Q3的源极和N沟道场效应管Q4的漏极均与驱动模块外部管脚相连；管脚V+、V-分别连接直流电机的两相绕组来控制直流电机的转速和正反转。稳压管D1、稳压管D2的稳压电压为12V，当互补死区电路102的三极管Q1开启时，N沟道场效应管Q4的电压VGS＝VD2＝12V＞VGS(th)，N沟道场效应管Q4开管；当互补死区电路102的三极管Q2开启时，P沟道场效应管Q3的电压VGS＝28-VD1＝16V＞VGS(th)，P沟道场效应管Q3开管。另外一侧驱动电路与该侧驱动电路的原理及实现过程一致，并且模块的输入为两路互补的控制信号，所以场效应管输出单元103中的全桥电路可输出两路互补的脉宽调制信号。全桥驱动电路中每侧驱动电路的P沟道场效应管的源极与N沟道场效应管的漏极连接，且P沟道场效应管的源极和N沟道场效应管的漏极分别与驱动模块外部管脚V+、V-相连，并由外部管脚V+、V-连接直流电机的两相绕组，每侧驱动电路的P沟道场效应管、直流电机绕组和另一侧驱动电路的N沟道场效应管形成电流导通通道。
场效应管输出单元103采用场效应管全桥电路，为满足产品可工作电压高(最高可达40V)、和大电流(最大输出电流30A)的特点，在场效应管选取时选择工作电压高，导通电阻小RDS(ON)的场效应管。
为满足产品小体积，采用小体积元器件裸芯片组装和厚膜电阻，大大减小了芯片尺寸对模块大小的限制。
为满足产品工作电流大的特点，每个MOSFET源极用4根380um的粗铝丝键合设计熔断电流为88A，满足最大输出电流30A降额需求。用键合丝代替传统的漆包线，大大缩短芯片间的互连长度，减少信号的延迟时间，增加了产品的组装密度。
为满足工作温度范围宽，可靠性高，产品采用AL2O3和DBC材料作为基板烧结厚膜浆料、裸芯片组装、PIND检测、全密封金属外壳、平行缝焊、氦质谱检漏等关键工艺技术。
本发明互补死区带隔离的单电源供电集成H桥直流电机驱动模块，采用具有工作电压高(最高可达40V)，工作电流大(最大可达30A)，效率高(>93％)，体积小(55mm×45mm×9mm)，工作温度范围宽(-55℃～125℃)，可靠性高，贮存时间长(采用全密封金属外壳封装)。
上面结合附图和实施例对本发明作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。本发明中未作详细描述的内容均可以采用现有技术。

Claims (4)

1.一种互补死区带隔离的单电源供电集成H桥直流电机驱动模块，其特征在于：该模块包括光耦隔离单元(101)、互补死区电路(102)和场效应管输出单元(103)，光耦隔离单元(101)的输入端连接模块的外部管脚，接收TTL控制信号或使用DSP控制信号直接进行电机控制，光耦隔离单元(101)的输出端与互补死区电路(102)的输入端相连，互补死区电路(102)输出端与场效应管输出单元(103)的输入端相连，场效应管输出单元(103)的输出端连接模块的外部管脚V+、V-，管脚V+、V-分别连接直流电机的两相绕组来控制直流电机的转速和正反转；光耦隔离单元(101)将控制信号进行功率放大为信号Vo，互补死区电路(102)接收光耦隔离单元(101)输出的放大信号Vo；互补死区电路(102)根据放大信号Vo的占空比来控制电路中同侧上下两个三极管的轮流开断并向场效应管输出单元(103)输入脉冲宽度调制信号；场效应管输出单元(103)接收互补死区电路(102)输出的脉冲宽度调制信号，来控制场效应管输出单元(103)中全桥驱动电路的同侧上、下两个场效应管的轮流开关；模块外部管脚V+、V-分别接收场效应管输出单元(103)的两路脉宽调制信号，并分别连接直流电机的两相绕组来控制直流电机的转速和正反转；所述的互补死区电路(102)由电阻R1、电阻R2、限流电阻R3、电阻R4、电阻R5、三极管Q1、三极管Q2组成，电阻R1、电阻R2、电阻R4、电阻R5依次串联，电阻R1的一端与三极管Q1的发射极连接，电阻R1和电阻R2的连接端与三极管Q1的基极连接；电阻R5的一端与三极管Q2的发射极连接，电阻R4和电阻R5的连接端与三极管Q2的基极连接，三极管Q1的集电极与限流电阻R3的一端连接，限流电阻R3的另一端与三极管Q2的集电极连接；电阻R1与三极管Q1的发射极的连接端接+28V电压，电阻R5与三极管Q2的发射极的连接端接地；电阻R2与电阻R4的连接端与光耦U7的信号输出端Vo1连接；场效应管输出单元(103)由全桥驱动电路组成，其一侧的驱动电路由稳压管D1、稳压管D2、P沟道场效应管Q3和N沟道场效应管Q4组成，互补死区电路(102)的三极管Q1的发射极与稳压管D1的阴极、P沟道场效应管Q3的漏极、+28V电压均连接，三极管Q1的集电极、限流电阻R3的一端均与稳压管D1的阳极、P沟道场效应管Q3的栅极连接；互补死区电路102的三极管Q2的发射极与稳压管D2的阳极、N沟道场效应管Q4的源极、地GND均连接，三极管Q2的集电极、限流电阻R3的另一端均与稳压管D2的阴极、N沟道场效应管Q4的栅极连接；P沟道场效应管Q3的源极与N沟道场效应管Q4的漏极连接，且P沟道场效应管Q3的源极和N沟道场效应管Q4的漏极均与驱动模块外部管脚相连；管脚V+、V-分别连接直流电机的两相绕组来控制直流电机的转速和正反转；
所述的光耦隔离单元(101)由电阻R10、电容C10和光耦U7构成，光耦U7副边引脚8连接电阻R10的一端，电阻R10的另一端连接+28V电平Vs，光耦U7的7脚输出控制信号Vo，光耦U7的信号输出端Vo1连接互补死区电路(102)，光耦U7副边引脚8、电阻R10的一端与光耦U7副边引脚5之间连接有电容C10，光耦U7副边引脚5、电容C10均接地GND；所述的光耦U7信号输入引脚2直接接入控制信号，当控制指令信号到来，光耦U7导通，光耦U7的7脚输出幅值控制信号Vo，通过光耦U7的信号输出端Vo1向互补死区电路(102)传输控制信号Vo；C10为高频滤波电容，去除毛刺；所述的互补死区电路(102)接收到光耦隔离单元(101)输出的放大的信号Vo，当信号Vo为高电平时，经过电阻R1、电阻R2、电阻R4、电阻R5的分压得到电阻R1与电阻R2之间的第一分压电电压V1、电阻R4与电阻R5之间的第二分压电压V2，此时，三极管Q1无法开启，三极管Q2开启；反之，当信号Vo为低电平时，经过电阻R1、电阻R2、电阻R4、电阻R5的分压得到电阻R1与电阻R2之间的第一分压电压V1、电阻R4与电阻R5之间的第二分压电压V2，此时，三极管Q1开启，三极管Q2无法开启；通过三极管Q1、三极管Q2的开断时间，实现死区时间间隔。
2.根据权利要求1所述的一种互补死区带隔离的单电源供电集成H桥直流电机驱动模块，其特征在于：当所述的互补死区电路(102)的三极管Q1开启时，N沟道场效应管Q4开管；当互补死区电路(102)的三极管Q2开启时，P沟道场效应管Q3开管。
3.根据权利要求2所述的一种互补死区带隔离的单电源供电集成H桥直流电机驱动模块，其特征在于：所述的当信号Vo为高电平时，第一分压电压V1＝27.5V、第二分压电压V2＝4.1V，三极管Q1电压Vbe＝0.5V＜0.7V，三极管Q1无法开启，三极管Q2电压Vbe＝4.1V＞0.7V，三极管Q2开启；当信号Vo为低电平时，第一分压电压V1＝23.3V、第二分压电压V2＝0V，三极管Q1电压Vbe＝4.7V＞0.7V，三极管Q1开启，三极管Q2电压Vbe＝0V＜0.7V，三极管Q2无法开启。
4.根据权利要求3所述的一种互补死区带隔离的单电源供电集成H桥直流电机驱动模块，其特征在于：所述的稳压管D1、稳压管D2的稳压电压为12V，当互补死区电路(102)的三极管Q1开启时，N沟道场效应管Q4的电压VGS＝VD2＝12V＞VGS(th)，N沟道场效应管Q4开管；当互补死区电路(102)的三极管Q2开启时，P沟道场效应管Q3的电压VGS＝28-VD1＝16V＞VGS(th)，P沟道场效应管Q3开管。
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