制动大型有刷电机的运动

尽管无刷直流电机效率高且扭矩大，但在许多工业应用中，大型有刷电机和伺服电机仍然非常常见。这主要是因为有刷电机更简单控制，通常购买成本也更低，因此驱动它们的需求并未消失。对于需要高电压、高电流或两者兼备的较大工业电机或伺服电机，小型有刷电机驱动集成电路是不够的。这就必须使用离散元件来构建H桥。这并不应被视为一项艰巨的任务，因为它并不是一个非常复杂的电路图；它归结为4个带保护二极管的FET，一组门驱动器，以及一个确保你不会短路任何东西的控制器IC。如果你愿意，门驱动器和控制器IC甚至可以在单一封装中找到。

构建H桥

这是一个典型的H桥设计，不包括门驱动器。构建桥的方法有两种，要么使用P通道MOSFET作为高侧，N通道作为低侧，要么全用N通道。正如你所知，P通道MOSFETS的RDS(on)（内阻）显著高于N通道，这在传导高电流时会因电阻中耗散的功率产生更多的热量。然而，P通道FET非常方便用于高侧，因为N通道FET只有在栅极电压高于源电压时才会导通。这就是门驱动器的用武之地，因为它们能够通过足够提升输入电压来驱动N通道FET的栅极，从而降低成本和电路板上的热负荷。

门驱动器的另一个优点是能够将更多的电流移入MOSFET的栅极并迅速从中排出电荷，这比典型的微控制器引脚能做的要多。如果你仅仅使用H桥来使电机在任一方向上运转，这对你来说可能没什么大优势。然而，如果你正在使用高频PWM来变化电机的速度，或者构建伺服，这种向FET的栅极驱动和排出大量电流的能力可以让你构建一个非常高性能的解决方案。

由于N通道FET在内阻和栅极电容方面的巨大优势，我们将专注于仅使用N通道构建高侧和低侧的H桥。

控制H桥

双驱动器

如果你正在处理高电压、高PWM速度或两者兼备，你可能会考虑为H桥使用两个独立的驱动器。虽然单个MOSFET门驱动器很棒，但高电压和电流会因封装限制超出单个IC的操作限制。如果你正在构建直流伺服控制器，并需要对电机位置进行许多小的调整，你可能会运行高PWM频率的驱动器。这样的频率要求快速充放电MOSFET的栅极电荷，这反过来需要显著的电流。

在这个原理图中，我使用了两个来自EiceDriver门驱动器系列的英飞凌2EDL05N06PFXUMA1。真值表信号需要通过微控制器良好管理，以确保不会出现会立即烧毁H桥的穿通条件。与集成的全桥驱动器包相比，这种对糟糕编程的保护不足的权衡是高达600V的驱动能力和显著的源/汇电流，用于快速切换门。

上面的原理图截图来自我的GitHub上的重负载伺服仓库。这个开源项目基于Citrus CNC在他们的Tarocco直流伺服驱动器中的开源工作。这个100V直流伺服驱动器被用于控制西门子SiPlace改造项目中的电机。

单一驱动器

如果你正在处理较低的电压，使用集成电路来处理H桥的两侧变得可行，并且可以提供一些空间节省以及集成穿通保护的安心。当我需要单一驱动器时，我通常转向来自长期工业质量控制器系列的瑞萨HIP4081A。

HIP4081A和大多数其他驱动器的实现非常简单，只需要几个无源元件用于解耦和为高侧门电压引导。上面的原理图来自于石油和天然气行业使用的12V，100A电机控制器。

需要考虑的规格

无论你是使用单个、双重还是四重门驱动器用于你的H桥，基本规格的考虑将会是相同的。你的主要关注点可能会转向桥中使用的MOSFET，以及与之配套的保护二极管。然而，一旦你选择了每个部件，你将需要回过头来检查其他选定的部件以确保系统是最优的。这里的关键点是MOSFET的栅极对源电压与FET驱动器输出电压之间的关系，以及保护二极管的钳位电压与MOSFET的最大漏源电压之间的关系。如果你在H桥中运行高频PWM，你还需要考虑FET驱动器电流与MOSFET的栅极电荷/输入电容。然而，我们将详细讨论H桥中每个部分的规格，作为你部件选择过程的指南。

MOSFET规格

在数据表中，您可能会看到几个与温度相关的列表，这些列表可能会导致某些规格的降额，如果不经常处理，这可能会令人困惑。您通常会看到T_A、T_C和T_J：

• T_A是指设备在除PCB外没有任何冷却的环境温度下的状态，通常列为25°C。

• T_C是外壳温度，假设通过大型散热器和强制风扇或液体冷却将外壳温度强制冷却到此温度。

• T_J是闸极结温度，即封装内的硅。没有拆开IC是无法测量这个温度的，所以您需要使用设备的热特性来计算这个温度。

如果您没有使用大型散热器和主动（强制风扇或液体）冷却，您应该基于T_A等级来创建初选列表，然后拿出计算器实际计算哪个设备最适合您的特定电路。MOSFET可以在您可能认为对电路板上其他设备来说过高的温度下继续良好工作。它们在结温达到或超过175°C的情况下仍能在规定参数内工作，这为MOSFET提供了很大的灵活性。然而，电路板上附近的其他组件可能不会对长时间的高温感到满意。以下是一些最重要的MOSFET参数及其对您的控制器的影响。

Vdss - 漏源电压

MOSFET的电压应该是显而易见的，但如果您过于专注于优化其他规格，可能会不小心选择了一个电压略低于您需要的部件。电压至少应为电机供电电压，但实际上应该高出至少25%，因为在电机快速移动时刹车会看到很大的电压尖峰。因此，一旦您选择了保护二极管，就应该回过头来重新检查这个规格。确保Vdss高于二极管的箝位电压，否则您的MOSFET将会迅速烧毁。

VGS - 栅源电压

一些MOSFET驱动器会产生比其他驱动器更高的电压；虽然这通常不是问题，但值得注意。例如，如果您的驱动器产生的电压比源电压高出10V，但MOSFET只能承受8V，那么它可能不会持续很长时间。同样，一些MOSFET可能需要更高的驱动电压才能达到最小的RDS(on)，而您的驱动器可能不提供该电压。因此，在查看MOSFET驱动IC时，应评估VGS和MOSFET的RDS(on)在VGS下的情况，以确保系统的最佳性能。

RDS(on) - 导通漏源电阻/内部串联电阻

FET电阻是一个关键规格，因为它直接关系到集成电路中作为热量损失的能量量。如果封装不能足够快地移除热量，集成电路可能会进入自我保护模式，或者释放出它的魔法烟。通过降低RDS(on)，你也可以使用更小的散热片或围绕IC的铜区域。不管设备的额定电流如何，热量是真正的限制因素。如果你在驱动周围的区域有限，需要铜浇铸充当散热器，你将需要优先考虑RDS(on)规格，以便驱动器尽可能少地产生热量。

ID - 电流耗尽

除非你只是不规律地脉冲驱动电机，或者有一个非常大的散热片，否则漏电流可能是比较MOSFET时最不关键的规格之一。像Vdss一样，你需要确保你选择的设备有足够高的ID，以允许你的电机运行，包括启动和停滞电流。ID可能不会是设备的限制因素，因为能够从结/封装中移除足够的热量可能是你能通过设备传递多少电流的真正限制。一些制造商，如Infineon，会在他们的数据表中列出在各种条件下的ID（VGS电压，铜区域等），以给你一个降额的概念。例如，IPT004N03LATMA1数据表显示，在大多数条件下，该设备能够承受300A。然而，仅有6cm2的铜区域，它只能承受72A。

Ptot - 功率耗散

通常，你会发现Ptot比ID更具限制性。如果我们看另一个MOSFET，它在一个非常小的封装中，具有比上面那个令人难以置信的Infineon MOSFET更高的RDS(on)，例如Nexperia的PMZB290UNE，我们可以看到最大总功率耗散限制了使用。这个设备的RDS(on)为380毫欧，最大电流为1安培，最大电压为20伏。在1cm2的铜区域和25°C的环境温度下，这个设备的最大功率耗散额定为360mW。我们可以注意到，这个额定值仅在290mA和3.3V时达到，这远低于设备的电压或电流额定值。我们可以得出结论，该设备支持高达20V或高达1A，但由于总功率耗散限制，不能同时支持。

QG - 门电荷

在文章的早期，我提到了驱动器将大量电流移入MOSFET的门是多么重要。门电荷，它负责门电容，是背后的主要原因。每次你打开门时，你需要提供这么多能量，否则门不会打开。你能够越快提供电荷，你就能越快切换门。你切换门的速度越快，频率越高，你的门电流就会越高。这些电荷非常小，但如果你每秒切换门一百万次，为门充电和放电所需的电流会显著增加。你可以在Vishay的一篇深入的应用笔记中详细阅读门电荷如何影响切换时间。通常，当查看驱动器时，你需要考虑它需要提供多少电流，通过计算你的MOSFET在你的系统将运行的频率下需要的电荷量。

Ciss - 输入电容

与栅极电荷非常密切相关的是输入电容。输入电容是栅极-源极电容（Cgs）和栅极-漏极电容（Cgd）的总和。输入电容是从输入端看到的MOSFET的电容，栅极电荷是驱动输入电容所需的电荷量，以便MOSFET操作。

保护二极管规格

MOSFET的二极管功能很好，但并不适合用于钳制由于电机停止或反转而产生的瞬态电压尖峰。这些电压可能非常高，并且可以非常快速地烧毁或降低MOSFET的性能。根据我的经验，使用TVS二极管还是肖特基二极管并不重要，你只需要某种东西来帮助承受电压尖峰的冲击，如果你想要一个耐用的电机控制器。正如我喜欢的一句话“值得做的事情，就值得做得过分”，我通常会在低侧并联一个TVS二极管和一个肖特基二极管，而在高侧只用一个肖特基二极管，以确保H桥能够承受任何抛向它的东西。以下二极管规格在你遇到数据表时可能对你很重要。

TRR - 反向恢复时间

如今市场上销售的大多数肖特基二极管都被认为是快速恢复的。虽然更快更好，但从大局来看，恢复速度不会太影响你的H桥的性能。当你快速启动和停止电机时，电机关闭时二极管将在正向偏置下导通，然后当电机再次开启时立即切换到反向偏置。在这个非常短的恢复时间内，二极管将在反向偏置下导通电流。在这小小的恢复时间内，二极管中的电流将在反向方向上相当大，如果恢复时间太长，可能会导致穿透。然而，市场上的大多数二极管恢复速度都比MOSFET栅极关断的速度要快得多，这使得这个问题不再是问题。

VR - 直流反向电压

反向电压需要高于你期望你的H桥被供电的最大电压。如果你使用电池，确保你考虑到的是最大充电状态而不是标称电压。如果二极管开始在反向导通，你可能会开始在你的电机中看到一些奇怪的行为，在事情开始烧毁之前。反向电流相对较低，但足以给你奇怪的结果，特别是在低功率H桥中。

VF - 直流正向电压

这个规格对于肖特基二极管来说是更为关键的一个，因为需要尽可能地将其最小化。如果你的正向电压高于MOSFET的体二极管，MOSFET将开始内部钳制电压，而不是依赖外部二极管，并且可能最终承受来自电机的电压尖峰的冲击。较低的电压也意味着二极管的加热较少，这在你已经因为MOSFET而处理升高的板温时，对于高频操作来说是方便的。

IO - 整流电流

对于二极管来说，整流电流不需要特别大，通常情况下，MOSFET电流的5%-20%（对于较小的MOSFET，百分比较大）就足够了。每次停止驱动电机时，二极管都会瞬间承受高电流冲击，因为它会钳制电压。如果你知道电机的电感，你可以计算出这个值；如果你正在构建一个通用的H桥，你可以为一系列电机计算，或者只是估算一个大概值。这是一个很好的规格，可以在你的第一个原型上用示波器测试，看看你的预期是否现实。这里有一个注意事项，如果电流远低于你的预期，这可能意味着MOSFET而不是二极管在导电，这并不好。

FET驱动器规格

你可以购买具有多种驱动计数的门驱动器。然而，对于驱动H桥，你最有可能只对两个或四个驱动模型感兴趣。单个驱动器可能有用，但拥有四个单独的驱动器会占用大量的板空间，所以除非你有非常特别的理由，否则你可能会想要双驱动或四驱动选项。在查看双驱动选项时，你要确保驱动器是为H桥设计的，而不是一个封装中的两个独立的高侧驱动器。

VIN - 供电电压

驱动器的供电电压是用来供电其内部电路、驱动低侧门和产生引导电压的。许多控制器的引导电压等于高侧电压加上供电电压。如果你已经为你的H桥选择了MOSFET，你需要确保驱动器的最小供电电压低于MOSFET的最大栅极电压（VGS）。如果驱动器的最小供电电压高于栅极的最大电压，你将很快破坏MOSFET，当它失败时，你的电路板可能会发生非常糟糕的事情，因为可能有数百安培的电流在H桥上短路。

VBOOT - 引导电压

如果引导电压不同于供电电压，你需要确保这对MOSFET来说不会太高。检查MOSFET上的VGS规格，以确保这不会损坏栅极。

VDD - 逻辑供电电压

现代微控制器通常有1.8v或3.3v的逻辑电平，但一些旧的可能运行在5v上。确保驱动器允许你直接使用微控制器的输出进行逻辑操作，这样你就不需要额外的组件来将信号转换为更高的电压。一些门驱动器的逻辑阈值为4v或更高，这对于低电压微控制器来说是不行的。

IOHH - 峰值上拉电流

正如本文多次提到的，使用门极驱动IC的主要原因是为了能够将大电流快速转移到门极上，以克服门极电容并迅速开启门极。一旦你确定了所使用的MOSFET，基于PWM速度的一些快速计算将给你一个每秒需要移动到门极的能量量的概念，这将让你了解驱动器需要向门极提供的峰值电流。

IOLH - 峰值下拉电流

这本质上与上拉电流相同，只是当你想要MOSFET停止导电时，用来排空门极电容。如果你不想过多地进行计算，你可以大致假设你需要的下拉电流量与上拉电流量相同。如果你运行的是特别高频率的PWM，这两个电流值可能最终成为选择哪个门极驱动器的主要决定因素。

这些是选择你需要构建N沟道MOSFET H桥以驱动一些大电流或高电压电机的基本要素。无论你是在使用5安培、12伏的电机还是80安培、200伏的电机，选择的原则都是相同的，H桥设计将是相同的原理图，只是组件的额定值不同。

记住，选择组件是一个迭代过程。一旦你选择了MOSFET，除非那是唯一的选项，否则在选择了门极驱动器后，你应该重新评估它是否仍然是理想选择。同样，如果你对控制频率的要求发生变化，你可能需要再次回顾组件选择。基本上，如果你的设计或要求中的任何内容发生变化，你可能想要重新审视你的组件选择，以确保这些选择仍然是最佳的。

可能看起来有很多决策要做，很多复杂的规格要考虑。然而，再次看看本文开头的H桥原理图——它很简单，对吧？这里的大多数规格只是常识性的选择，确保每个组件都能处理你的负载所需的电流和电压。事实证明，你可以通过在Octopart^®上使用几个过滤器非常容易地缩小可能的组件列表，然后从更短的列表中选择最适合你应用的组件。

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