中心論題：

• H橋功率驅動電路適用於要求雙極性電源供電的電機驅動
• 簡介步進電機H橋驅動電路設計原理
• 實際電路設計中要注意的問題：驅動電流前後沿的改善和電路的保護功能

解決方案：

• 提高電壓電源以改進步進電機的頻率特性
• 利用集電極開路器件U14改善驅動電路的前後沿
• 用反並聯二極管提供續流通路和遏製反向電流
  
  ，保證電路的正常工作
• 另加邏輯延時電路避免晶體管直通導致的電源短路

H橋功率驅動電路可應用於步進電機
、交(jiao)流(liu)電(dian)機(ji)及(ji)直(zhi)流(liu)電(dian)機(ji)等(deng)的(de)驅(qu)動(dong)。永(yong)磁(ci)步(bu)進(jin)電(dian)機(ji)或(huo)混(hun)合(he)式(shi)步(bu)進(jin)電(dian)機(ji)的(de)勵(li)磁(ci)繞(rao)組(zu)都(dou)必(bi)須(xu)用(yong)雙(shuang)極(ji)性(xing)電(dian)源(yuan)供(gong)電(dian)，也(ye)就(jiu)是(shi)說(shuo)繞(rao)組(zu)有(you)時(shi)需(xu)正(zheng)向(xiang)電(dian)流(liu)
，有(you)時(shi)需(xu)反(fan)向(xiang)電(dian)流(liu)，這(zhe)樣(yang)繞(rao)組(zu)電(dian)源(yuan)需(xu)用(yong)H橋驅動。本文以兩相混合式步進電機驅動器為例來設計H橋驅動電路。

電路原理
圖1給出了H橋驅動電路與步進電機AB相繞組連接的電路框圖。

 
4個開關K1和K4，K2和K3分別受控製信號a，b的控製
，當控製信號使開關K1
，K4合上，K2，K3斷開時，電流在線圈中的流向如圖1(a)，當控製信號使開關K2
，K3合上，K1
，K4斷開時，電流在線圈中的流向如圖1(b)所示。4個二極管VD1，VD2
，VD3，VD4為續流二極管
，它們所起的作用是：以圖1(a)為例，當K1，K4開關受控製由閉合轉向斷開時

，由於此時線圈繞組AB上的電流不能突變

，仍需按原電流方向流動(即A→B)，此時由VD3
，VD2來提供回路。因此
，電流在K1，K4關斷的瞬間由地→VD3→線圈繞組AB→VD2→電源+Vs形成續流回路。同理，在圖1(b)中，當開關K2
，K3關斷的瞬間，由二極管VD4
，VD1提供線圈繞組的續流，電流回路為地→VD4→線圈繞組BA→VD1→電源+Vs。步進電機驅動器中
，實現上述開關功能的
元件在實際電路中常采用功率MOSFET管。

由步進電機Hqiaoqudongdianluyuanlikezhi，dianliuzairaozuzhongliudongshilianggewanquanxiangfandefangxiang。tuidongjidexinhaoluojiyingshiduijiaoxianjingtiguanbunengtongshidaotong，yimianzaochenggaodiyaguandezhitong。

另(ling)外(wai)
，步(bu)進(jin)電(dian)機(ji)的(de)繞(rao)組(zu)是(shi)感(gan)性(xing)負(fu)載(zai)，在(zai)通(tong)電(dian)時(shi)，隨(sui)著(zhe)電(dian)機(ji)運(yun)行(xing)頻(pin)率(lv)的(de)升(sheng)高(gao)
，而(er)過(guo)渡(du)的(de)時(shi)間(jian)常(chang)不(bu)變(bian)
，使(shi)得(de)繞(rao)組(zu)電(dian)流(liu)還(hai)沒(mei)來(lai)得(de)及(ji)達(da)到(dao)穩(wen)態(tai)值(zhi)又(you)被(bei)切(qie)斷(duan)，平(ping)均(jun)電(dian)流(liu)變(bian)小(xiao)，輸(shu)出(chu)力(li)矩(ju)下(xia)降(jiang)，當(dang)驅(qu)動(dong)頻(pin)率(lv)高(gao)到(dao)一(yi)定(ding)的(de)時(shi)候(hou)將(jiang)產(chan)生(sheng)堵(du)轉(zhuan)或(huo)失(shi)步(bu)現(xian)象(xiang)。因(yin)此(ci)，步(bu)進(jin)電(dian)機(ji)的(de)驅(qu)動(dong)除(chu)了(le)電(dian)機(ji)的(de)設(she)計(ji)盡(jin)量(liang)地(di)減(jian)少(shao)繞(rao)組(zu)電(dian)感(gan)量(liang)外(wai)，還(hai)要(yao)對(dui)驅(qu)動(dong)電(dian)源(yuan)采(cai)取(qu)措(cuo)施(shi)，也(ye)就(jiu)是(shi)提(ti)高(gao)導(dao)通(tong)相(xiang)電(dian)流(liu)的(de)前(qian)後(hou)沿(yan)陡(dou)度(du)以(yi)提(ti)高(gao)電(dian)機(ji)運(yun)行(xing)的(de)性(xing)能(neng)。

步bu進jin電dian機ji的de缺que陷xian是shi高gao頻pin出chu力li不bu足zu，低di頻pin振zhen蕩dang，步bu進jin電dian機ji的de性xing能neng除chu電dian機ji自zi身shen固gu有you的de性xing能neng外wai，驅qu動dong器qi的de驅qu動dong電dian源yuan也ye直zhi接jie影ying響xiang電dian機ji的de特te性xing。要yao想xiang改gai善shan步bu進jin電dian機ji的de頻pin率lv特te性xing，就jiu必bi須xu提ti高gao電dian源yuan電dian壓ya。

電路設計
圖2給出了驅動器AB相線圈功率驅動部分原理圖。


選用的功率MOSFET元件是IRFP460
，其，ID=20A，VDss= 500 V
，RDS(ON)=0。27Ω。

在圖2中，功率MOSFET管VT1，VT2
，VT3
，VT4和續流二極管 VD11
，VD19
，VD14，VD22相當於圖1中的K1，K2，K3
，K4和VD1
，VD2
，VD3
，VD4。功率MOSFET管的控製信號是由TTL邏輯電平a，a，b
，b來提供的，其中a與a
，b與b在邏輯上互反。

a.驅動電流前後沿的改善
從步進電機的運行特性分析中知道 ，性能較高的驅動器都要求提供的電流前後沿要陡，以便改善電機的高頻響應。本驅動器中由於功率MOSFET管柵極電容的存在，對該管的驅動電流實際表現為對柵極電容的充、放(fang)電(dian)。極(ji)間(jian)電(dian)容(rong)越(yue)大(da)
，在(zai)開(kai)關(guan)驅(qu)動(dong)中(zhong)所(suo)需(xu)的(de)驅(qu)動(dong)電(dian)流(liu)也(ye)越(yue)大(da)
，為(wei)使(shi)開(kai)關(guan)波(bo)形(xing)具(ju)有(you)足(zu)夠(gou)的(de)上(shang)升(sheng)和(he)下(xia)降(jiang)陡(dou)度(du)
，驅(qu)動(dong)電(dian)流(liu)要(yao)具(ju)有(you)較(jiao)大(da)的(de)數(shu)值(zhi)。如(ru)果(guo)直(zhi)接(jie)用(yong)集(ji)電(dian)極(ji)開(kai)路(lu)的(de)器(qi)件(jian)如(ru)SN7407驅動功率MOSFET管，則電路在MOSFET管帶感性負載時
，上升時間過長

，會造成動態損耗增大。為改進功率MOSFET管的快速開通時間，同時也減少在前級門電路上的功耗，采用圖2虛線框內的左下臂驅動電路。

集電極開路器件U14是將TTL電平轉換成CMOS電平的緩衝/驅動器，當U14輸出低電平時，功率MOSFET管VT2的柵極電容通過1N4148被短路至地，這時U14吸收電流的能力受U14內部導通管所允許通過的電流限製。而當U14輸出為高電平時，VT2管的柵極通過晶體管V3獲得電壓和電流，充電能力提高，因而開通速度加快。

b.保護功能
圖2虛線框中，1N4744是柵源間的過壓保護齊納二極管，其穩壓值為15 V。由於，功率MOSFET管柵源間的阻抗很高
，故工作於開關狀態下的漏源間電壓的突變會通過極間電容耦合到柵極而產生相當幅度的VCS脈衝電壓。這一電壓會引起柵源擊穿造成管子的永久損壞

，如果是正方向的VCSmaichongdianya，suirandabudaosunhuaiqijiandechengdu，danhuidaozhiqijiandewudaotong。weici
，yaoshidangjiangdizhajiqudongdianludezukang
，zaizhayuanzhijianbingjiezunidianzuhuojieyigewenyazhixiaoyu20 V而又接近20V的齊納二極管1N4744
，防止柵源開路工作。

功率MOSFET管有內接的快恢複二極管。當不接VD11，VD12
，VD13，VD14時，假定此時電機AB相繞組由VT1管(和VT4管)驅動，即VT2管(和VB)截止，VT1管(和VT4管)導通
，電流經VT1管流過繞組。當下一個控製信號使VT1管關斷時，負載繞組的續流電流經VT2的內接快恢複二極管從地獲取。此時，VT2管的漏源電壓即是該快恢複二極管的通態壓降，為一很小的負值。當VT1再次導通時
，該快恢複二極管關斷

，VT2的漏源電壓迅速上升，直至接近於正電源的電壓+VS，這意味著VT2漏源間要承受很高且邊沿很陡的上升電壓，該上升電壓反向加在VT2管內的快恢複二極管兩端，會使快恢複二極管出現恢複效應，即有一個很大的電流流過加有反向電壓的快恢複二極管。為了抑製VT2管內的快恢複二極管出現這種反向恢複效應
，在圖2電路中接人了VD11，VD12，VD13，VD14。其中，反並聯快恢複二極管VD11，VD14的作用是為電機AB相繞組提供續流通路，VD12
，VD13是為了使功率MOSFET管VT1

，VT2內部的快恢複二極管不流過反向電流，以保證VT1
，VT2在動態工作時能起正常的開關作用。VD19，VD20
，VD21，VD22的作用亦是同樣的道理。

對圖2電路的分析可知，信號a=1
，b=1的情況是不允許存在的，否則將因同時導通從而使電源直接連到地造成功率管的損壞
；另外

，根據步進電機運行脈衝分配的要求

，VT1，VT2，VT3
，VT4jingchangchuyujiaotigongzuozhuangtai，youyujingtiguandeguanduanguochengzhongyouyiduancunchushijianhedianliuxiajiangshijian
，zongchengguanduanshijian，zaizheduanshijiannei，jingtiguanbingmeiwanquanguanduan。ruozaiciqijian，lingyigejingtiguandaotong，zezaochengshang、下兩管直通而使電源短路，燒壞晶體管或其他元器件。為了避免這種情況，可采取另加邏輯延時電路，以使H橋電路上、下兩管交替導通時可產生一個“死區時間”
，先關後開，防止上
、下兩管直通現象。

 結論
本(ben)驅(qu)動(dong)器(qi)電(dian)源(yuan)驅(qu)動(dong)部(bu)分(fen)線(xian)路(lu)簡(jian)單(dan)，通(tong)過(guo)對(dui)電(dian)流(liu)前(qian)後(hou)沿(yan)的(de)合(he)理(li)設(she)計(ji)


，降(jiang)低(di)了(le)開(kai)關(guan)損(sun)耗(hao)，改(gai)善(shan)了(le)電(dian)機(ji)的(de)高(gao)頻(pin)特(te)性(xing)，並(bing)具(ju)有(you)多(duo)種(zhong)保(bao)護(hu)功(gong)能(neng)
，實(shi)際(ji)使(shi)用(yong)中(zhong)效(xiao)果(guo)良(liang)好(hao)。