一种实用的功率ＭＯＳ管电机驱动电路 康少华王爱荣解 亚杨成禹吴学深 军事交通学院 天津３００１６１ 摘要：在分析了ＭＯＳ管导通原理的基础上，结合功率放大电路的原理，提出了一种电机ＭＯＳ管的驱动电 路，该电路适合高频信号开关控制电路。利用Ｍｕｌｔｉｓｉｍ仿真软件仿真分析，并经过实际的运用，该电路达到了 良好的效果。 关键词：ＭＯＳ管；功率放大；驱动电路 中图分类号：ＴＭ１３１．４ １ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００１—０７８５（２０１２）０１～００４３—０４ Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｔｈｅ ＭＯＳＦＥＴ ｃｏｎｄｕｃｔｉｏｎ ｔｈｅｏｒｙ ａｎｄ ｃｏｍｂｉｎｉｎｇ ｔｈｅ ｐｏｗｅｒ ａｍｐｌｉｆｉｅｒ ｃｉｒｃｕｉｔ ｐｆｉｎｅｉ－ ｐｌｅ，ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｐｕｔｓ ｆｏｒｗａｒｄ ａ ｄｒｉｖｅ ｃｉｒｃｕｉｔ ｏｆ ｍｏｔｏｒ ＭＯＳＦＥＴ ｗｈｉｃｈ ｉｓ ｓｕｉｔａｂｌｅ ｆｏｒ ｈｉｉｇｈ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｓｉｇｎａｌ ｓｗｉｔｃｈ ｃｏｎｔｒｏｌ ｃｉｒ－ ｃｕｌｔ．Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ａｎａｌｙｓｉｓ ｂｙ Ｍｕｌｔｉｓｉｍ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｓｏｆｔｗａｒｅ ａｎｄ ｐｒａｃｔｉｃａｌ印ｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｉｓ ｃｉｒｃｕｉｔ ａｃｈｉｅｖｅｄ ｇｏｏｄ ｅｆｆｅｃｔ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＭＯＳＦＥＴ；ｐｏｗｅｒ ａｍｐｌｉｆｉｃａｔｉｏｎ；ｄｒｉｖｅ ｃｉｒｃｕｉｔ 功率场效应晶体管简称功率ＭＯＳ管，是电压 控制型器件。主要特点是电压控制，输入阻抗高， 功率增益高，驱动功率小，开关的速度快，开关 ４Ｏ 时间由寄生电容决定，因此其应用广泛。但是， ３Ｏ 由于其本身寄生电容的存在，会影响ＭＯＳ管的导 《 通、关断的时间，使其控制的可靠性降低，烧坏 要２０ 的可能性增大。由于漏电流的存在，在驱动多个 １Ｏ ＭＯＳ管时，需要有一定的功率输出。本文为电机 ０ 驱动控制设计提出一种电路，利用光耦器件，达 Ｕａｓ＝Ｕ产３Ｖ 到可靠导通、关断ＭＯＳ管，并且为电机的驱动提 ＵＤｓＮ 供大电流的效果。 图１功率ＭＯＳ管输出特性曲线 １功率ＭＯＳ管的主要特性 Ｉ 。 １．１ ＭｏＳ管输出特性 当Ｕ。 ＝Ｕ。。 时，处于饱和区，漏端沟道反型 图１所示为功率ＭＯＳ管的输出特性曲线，是 层消失，沟道在漏端被夹断，，Ｄ基本不随 。 而变 以栅源电压 为参变量、反映漏极电流，。与漏源 化，达到饱和。 电压 间关系的曲线族。输出特性可分成非饱和 当ＵＤ ＞ＵＧ 一 时，沟道区压降仍为 ｓ。 ， 区、饱和区和截止区３个区域。 。 一 。 这部分电压降落在沟道夹断点与漏区之 当０＜ＵＤｓ＜Ｕｐ‰ 时处于非饱和区，其中 Ｄｓ 间的耗尽层上，，Ｄ 保持不变。 为饱和漏源电压，具体又分为２段。当Ｕ。 很小 当０＜ＵＧ。＜ＵＴ时处于截止区，栅源电压低于 时，从源到漏的压降差很小，可以忽略不计，沟 阈值电压，半导体表面处于弱反型状态，，Ｄ很小， 道可等效为电阻，，。随 。 线性增大，称为线性 主要是ＰＮ结的反向泄漏电流。 区。随着Ｕ。 增加，从源到漏的压降差变大，不 １．２动态特性 可忽略，沟道厚度逐渐减薄，相当于沟道电阻增 图２所示为功率ＭＯＳ管的开关过程。对于开 大，，。随 。。增大的速率变慢，称为可调电阻 通过程，从 。 上升到峰值的１０％的时刻起，到 《起重运输机械》 ２０１２（１） 一４３— 。 下降１０％的时刻止，称为开通延时时间，记 反向流过负载电阻Ｒ ，如图３ｄ所示。ｉ 、ｉｒａ都 为ｔｄｆ０ ；Ｕ。 从下降１０％到下降９０％对应的时间 段称为上升时间，记为ｔ ；开通延时时间与上升时 间之和称为开通时间，记为ｔ。 ，即有ｔ。 ７－ｔｄ（０ ）＋ ｔｒｏ 只是半个正弦波，但流过负载电阻Ｒ ．的电流ｉ 和 产生的压降 都是完整的正弦波，即实现了波形 的合成，如图４所示，在工作过程中，虽然电容 有时充电，有时放电，但因容量足够大，可近似 认为 基本不变，保持静态值 ／２。 对于关断过程，从Ｕ。 下降到峰值的９０％的时 刻起，到Ｕ。 上升１０％的时刻起，称为关断延时时 间，记为ｔｄｆ０ｆｆ１；从ｕＤｓ上升１０％到上升９０％对应 的时间段称为下降时间，记为ｔ ；关断延时时间与 下降时间之和称为关断时间，记为ｔ 即有ｔ。 ｍ－ ＋ Ｖｃｃ／２ Ｕｏ ０ （ｄ） 图２ ＭＯＳ管开关过程的波形 图３ ＯＴＬ互补对称式功率放大器及输入信号示意 功率ＭＯＳ管的开关速度和输入电容充放电有 很大关系。在开关管高频时，会影响到开关的可 靠性和精准度。ＭＯＳ管在静态时几乎不输入电流。 但是，在开关的过程中需要对输入电容充放电， 仍需一定的驱动功率，而且开关的频率越高，所 需的驱动功率越大。 １．３功率放大器 ／—’、＼ ＼ ／ Ｏ）ｌ ０ ［／ Ｉ — ∞， ／ ０ 如图３ａ为ＯＴＬ互补对称式功率放大器，由２ 只特性相近的ＮＰＮ和ＰＮＰ型晶体管构成（称为互 补管），通常工作在乙类和甲乙类状态。图３ｂ所 示的输入信号 可使２个晶体管轮流 导通，调整 中的直流分量，使２个 晶体管射极连接点Ａ的静态电位ＶＡ＝ ／２（图３ｂ中的波形，忽略了晶体管 图４波形合成示意 Ｔ 、Ｔ：发射结的正向压降），则电容ｃ 被充电，端电压Ｕ ＝Ｖｃ ／２。Ｕ 的正半 周期，Ｕ ＞ＶＡ，Ｔ 发射结正偏而导通， Ｔ 发射结反偏而截止，Ｔ 发射极电流 经负载电阻Ｒ。．给电容ｃ充电，如图 ３ｃ所示。 的负半周，Ｔ：导通而Ｔ 截 止，电容ｃ经Ｔ：、Ｒ 放电，放电电流 ——图５电机一相ＭＯＳ驱动图 ４４—— 《起重运输机械》 ２０１２（１） ２实用ＭＯＳ管电机驱动电路 电机一相ＭＯＳ驱动图见图５，一对桥臂的 ＭＯＳ管电路见图６。 堂堂 ｓ １０Ｒ 『 ： 高塑 ｍ ｚｓｌ 一ｓ ： 生 ＩＲＦ２１０ Ｒ ｓ生 ｌＩ ——］ ｕ６ Ｉ 生 —— ｌ Ｕ５２ 一ｓ ＢＡ￣＇： Ｉ目 。Ｉ 。厂一 Ｒ５７ Ｉ Ｇ Ｕ５３：： ： ｌｃ２２｝ ７ ＝ ：目 ｌｓ １０Ｒ Ｉ － ｓ 霜 —］ｕ６７ Ｊｌ Ｕ５５ｔ啪…１０Ｒ Ｊ＿ ： ≈塑 Ｕ５６———］ 凸 Ｊ ｌ１ＲＦ １ＲＦ２９０７ＺＳ２９０ ７ＺＵ６８ １ｌ ：二： 尸 ——— ４７ ｎＦ １０Ｒ 昏Ｕｌ ｔ一５７，ｚｓ ：目Ｌ咎 ＢＡＩＴ一 ］ｚｓ 一≈塑 ］．．㈣ 静 ＩＲＦ２９０７Ｚ Ｕ５９… ：目 一ＩＲＦ ｚｓ 一 昏 。厂一 Ｕ６０： ｓ ： 咎 —— 一 ！ 图６一对桥臂的ＭＯＳ管电路 该电路主要有以下特点： １）由２个光耦芯片ＴＬＰ３５０组成隔离电路， 使得主控板电路和ＭＯＳ管的驱动电路光电隔离， 《起重运输机械》 ２０１２（１） 保护主电路。由于电机驱动的一对桥臂在同一时 刻所对应的上下桥臂不能同时导通，设计时使加 到光耦芯片上的主控信号ＣＮＣ一５、ＣＮＣ一６为相 反信号，即当一个光耦ｕ５有正向电压导通工作 时，另一个光耦Ｕ６能够得到一个反方向的电压， 使得其可靠截止，在２个控制信号之间加上一个 １ ｋ的Ｒ５０，起到分流作用，保护光耦。这是此设 计电路的关键所在。 ２）三极管ＺＴＸ６５３和ＺＴＸ７５３组成互补对称式 功率放大器，能够满足ｌ２个ＭＯＳ管的导通条件。 ２个三极管轮流导通，当Ｑ９导通时，ＱｌＯ的发射 结反偏而截止，则电容Ｃ４０两端的电压就会加到 ＭＯＳ管的栅源集，即Ｕｃ ＝Ｕｃ∞，这样ＭＯＳ管就会 导通，从而驱动电机。而当Ｑ９截止时，ＱｌＯ则会 导通，这样ＭＯＳ管上面的寄生电容所充的电量将 会通过这条通路释放，提高了ＭＯＳ管的关断可靠 性。当下一次Ｑ９导通时，ＣＮＦ一４端的电压将达 到电源电压４８ Ｖ，要ＭＯＳ管再次导通，就需要提 供一个可导通的 。 ，这里的Ｃ４０是２５ Ｖ的自举 电容，在参考电压ＣＮＦ一４提高的同时，导通后的 ＣＮＦ一８的电压会在此基础上提高２５ Ｖ，从而保证 Ｕ鹤有效。ｕ５单元的栅源电压的参考电压是上桥臂 ＭＯＳ管的源极电压，当ＭＯＳ管导通后其基准的电 压应为电源电压４８ Ｖ，而Ｕ６单元栅源电压的参考 电压为下桥臂ＭＯＳ管的源极电压，到其导通后为 电源的负极，也即电源地。 ３）图６是一对桥臂的ＭＯＳ管电路，采用１２ 个ＭＯＳ管并联，可以是通过电机的电流达到几百 安，栅极采用ｌ０ ｎ的电阻起到限流和缓冲的作 用。 ３ 结果分析 根据电路图上提供的电路参数，用ｍｕｈｉｓｉｍ仿 真软件进行仿真，设定仿真的开关频率为７ ｋＨｚ， 得到的波形见图７。 图７是在高频７ ｋＨｚ的情况下，ＭＯＳ管的开关 过程波形。可以看出，ＭＯＳ管在关断的下降沿时 （Ａ波形），还未达到关断时，下一个导通又来， 这样，ＭＯＳ管以及完全失去了电子开关的作用。 这是由于栅源的寄生电容存在，没有释放回路， 导致的不能完全关断。 一４５～ ４结论 该电路采用光耦和功率放大器电路，巧妙地 设计了光耦输入端的信号控制电路，使得ＭＯＳ管 在高频信号下仍然具有良好开关特性。根据Ｍｕｌｔｉ． ｓｉｍ软件仿真结果和实际运用的效果来看，该电路 图７ 直接驱动源极的ＭＯＳ管开关过程波形 具有实用、简单、可靠和保护功能。 参考文献 图８是高频７ ｋＨｚ带设计驱动电路的ＭＯＳ管 开关波形，这是对时间轴放大了的波形，Ａ波形 的下降沿即ＭＯＳ管的关断过程，可以看出，关断 的时刻已经很完全，在高频情况下，仍然具有良 好的开关特性。 ［１］余岳辉，梁琳．脉冲功率器件及其应用［Ｍ］．北京： 机械工业出版社，２０１０． ［２］刘全忠．电子技术电工学Ⅱ［Ｍ］．北京：高等教育出 版社，２００４． ［３］张燕宾．电动机变频调速图解［Ｍ］．北京：中国电力 出版社，２００５． ［４］周慧潮．常用电子元器件及典型应用［Ｍ］．北京：电 子工业出版社，２００５． 作 地 邮 者：王爱荣 址：天津市河东区军事交通学院研究生三队 编：３００１６１ 图８带驱动电路的ＭＯＳ管开关过程波形 收稿日期：２０１１—０４—０８ 炭黑在水平管道中气力输送的数值模拟与分析 李志华 刘凯 李州 夏鹏 １青岛科技大学机电工程学院青岛２６６０６１ ２赛轮股份有限公司 青岛２６６５００ 摘要：建立了炭黑气力输送水平管道气固两相流的数学模型，采用计算流体动力学方法，对炭黑在不同 工况条件下的水平管道中的气力输送进行了模拟。通过模拟与分析，得到了固相的速度和浓度分布、输送气速 对固相速度和固相浓度的影响、输送量对固相速度和固相浓度的影响、各种输送量下的压降和最佳经济速度。 关键词：气力输送；气固两相流；数值模拟；压力损失 中图分类号：ＴＨ２３２ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００１—０７８５（２０１２）０１—００４６—０５ Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｓ ａ ｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｇａｓ—－ｓｏｌｉｄ ｔｗｏ——ｐｈａｓｅ ｆｌｏｗ ｏｆ ｃａｒｂｏｎ ｂｌａｃｋ ｐｎｅｕｍａｔｉｃ ｃｏｎ— ｖｅｙｉｎｇ ｉｎ ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ ｐｉｐｅｌｉｎｅ，ｃｏｎｄｕｃｔｓ ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｓ ｕｎｄｅｒ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｗｏｒｋｉｎｇ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ ｕｓｉｎｇ ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌ ｆｌｕｉｄ ｄｙｎａｍ— ｉｃｓ ｍｅｔｈｏｄ，ａｎｄ ｔｈｕｓ ｏｂｔｍｎｓ ｔｈｅ ｓｐｅｅｄ ａｎｄ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ ｄｉｓｔｉｂｕｔｉｒｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｓｏｌｉｄ ｐｈａｓｅ ｆｒｏｍ ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ａｎｄ ａｎａｌｙｓｉｓ， ｔｈｅ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ ｃｏｎｖｅｙｉｎｇ ｇａｓ ｓｐｅｅｄ ａｎｄ ｃｏｎｖｅｙｉｎｇ ｃａｐａｃｉｔｙ ｏｎ ｔｈｅ ｓｐｅｅｄ ａｎｄ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｓｏｌｉｄ ｐｈａｓｅ，ａｎｄ ｔｈｅ ｍｉｎ— ｉｍｕｍ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｌｏｓｓ ａｎｄ ｔｈｅ ｍｏｓｔ ｅｃｏｎｏｍｉｃ ｓｐｅｅｄ ｕｎｄｅｒ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｃｏｎｖｅｙｉｎｇ ｃａｐａｃｉｔｙ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｐｎｅｕｍａｔｉｃ ｃｏｎｖｅｙｉｎｇ；ｇａｓ－－ｓｏｌｉｄ ｔｗｏ・－ｐｈａｓｅ ｆｌｏｗ；ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌｍｉｏｎ；ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｌｏｓｓ 气力输送是指借助具有一定压力和速度的空 气或其他气体在管道内输送干燥的散状固体颗粒 一或粉料的方法，正日益受到各相关行业的关注， 应用前景广泛。输送过程应体现充分利用资源、 《起重运输机械》 ２０１２（１） ４６一
