一种高可靠电机功率驱动电路

以分立器件为核心，基于H桥PWM控制原理，采用厚膜混合集成电路工艺实现，设计一款大功率直流电机驱动电路，该电路可以较好满足直流电机的正反转控制和速度大小控制需要，产品质量等级高。经过实际应用表明，产品具有导热性能好、驱动能力强、效率高、环境适应性强等特点。

直流电机具有优良的调速特性，过载能力强，可实现频繁的快速启动、制动和反转。因此直流电机得到广泛的应用。

而同时，直流电机驱动方式及设计也是各式各样，大部分采用电机专用驱动芯片进行设计，而本文主要介绍一款基于厚膜混合集成电路工艺进行制作，采用分立器件进行设计的H桥厚膜功率驱动电路，而且通过三极管的开通关断时间来控制死区时间。产品适应性强，广泛运用与运动控制[1]领域。

1电机功率驱动器的总体设计

电路通过栅极驱动电路控制H桥中四个功率开关管的导通截止时序，并通过调节TTL信号的占空比，控制输出回路电流的大小和方向，从而达到控制电机转动方向和转动速度的目的。电路分为信号隔离电路、栅极驱动电路、死区控制电路、H桥电路。

图 1 总体设计

2 H桥功率驱动器的控制原理

直流电机驱动使用最广泛的就是H桥驱动方式，这种驱动电路方便实现直流电机的四象限运行，分别对应正反转、制动等[2]。H桥驱动电路的原理如图2所示，组成H桥驱动电路的4只开关管工作在斩波状态，K1、K3是一组，K2、K4是一组，这两组状态交替发生，当一组导通时，另外一组必须截止。当K1、K3导通时，K2、K4截止，电机两端施加正向电压实现电机的正转或反转制动；当K2、K4导通时，K1、K3截止，电机两端施加反向电压，电机反转或正转制动。

图 2 H桥工作原理 图 3 H桥设计 图 4 驱动电路设计

组成H桥驱动电路的4只开关管工作在斩波状态，K1、K3是一组，K2、K4是一组，这两组状态交替发生，当一组导通时，另外一组必须截止。当K1、K3导通时，K2、K4截止，电机两端施加正向电压实现电机的正转或反转制动；当K2、K4导通时，K1、K3截止，电机两端施加反向电压，电机反转或正转制动。

此文介绍的电路针对H桥设计，主要采用NMOSFET和PMOSFET的思路，上桥臂采用PMOSFET，下桥臂采用NMOSFET。具体见图3。

驱动部分是采用分立器件搭建，具体见图4。

驱动电路部分与前级逻辑信号部分采用光耦隔离，可降低功率部分对信号部分的干扰。

输入信号通过隔离进入后级，并经过电阻、三极管、稳压管等进一个放大信号，从而驱动后级的MOSFET。输入1为低电平时，光耦输出为低，T2截止，M2导通，同时，T1由于施加电压而导通，M1截止。当输入1为高电平时，光耦输出为高电平，T2导通，M2截止，同时，T1截止，M1导通。而电路的另一半，刚好相反。

3 死区时间控制

理论上，K1和K2不可能同时导通，但实际上，由于输入逻辑信号的不稳定性和工艺上可能存在的偏差，K1和K2可能同时开启而发生同桥臂共通的现象，即在极短时间内将有一个很大的电流直接从电源流经到地。为了避免同桥臂共通的现象发生，在状态转换期间应从设计上引入一段时间，在该段时间内，K1和K2同时关断，这个时间就是死区时间[3]。死区时间的设置主要考虑两种状态，主要是K1上升沿和K2下降沿的死区时间，K1下降沿和K2上升沿的死区时间。

在此电路设计中，死区时间主要通过T1、T2、K1、K2共同作用来产生。T1和T2的开通关断时间、K1和K2的上升沿和下降沿共同决定死区时间的大小。而K1和K2的上升沿和下降沿基本都在ns级别，相对较小，所以在电路设计中主要通过T1和T2控制死区时间。要求T1开通慢、关断快，T2开通快、关断慢，这样才能有利于死区时间的设置。

但总体而言，死区时间不能设置过大，会影响产品的效率，设置过小会造成产品出现共通现象。此电路要求死区时间为1μs～5μs。

4 高可靠质量等级设计要求

功率驱动器工作电流要求达到40A以上。采用传统的pcb工艺设计，也可以满足指标要求，但是产品体积大、可靠性低、适用性受局限。故采用厚膜混合集成电路生产技术制造，主要工艺分为厚膜基板成膜工艺和厚膜微组装工艺。厚膜基板成膜工艺是指采用丝网印刷、烘干、烧结工艺将厚膜浆料印制在基片上形成一定功能电路的技术。其主要工序包括网版制备、丝网印刷、烘干、烧结。厚膜电路微组装工艺，是指采用粘（焊）接、键合、封口、检漏等工艺，在厚膜基板上组装集成电路裸芯片、片式电阻、电容、电感等元器件，再外加金属外壳封装即为厚膜混合集成电路。

1） 结构及热设计。

考虑到产品的功率密度较大，采用钢材质的金属外壳和高导热率的ALN陶瓷基板。长期以来，绝大多数大功率混合集成电路的基板材料一直沿用AL2O3和BeO陶瓷，但AL2O3基板的热导率低，热膨胀系数和Si不太匹配；BeO虽然具有优良的综合性能，但其较高的生产成本和剧毒的缺点限制了它的应用推广。因此，本次高可靠功率驱动器设计采用ALN陶瓷基板。表1 是4种陶瓷基板的性能参数对比情况。

表1 ALN的参数对比

性能指标 BeO AlN Al2O3 （96%） Al2O3 （99.5%）

密度/（g・cm?3） 2.85 3.28 3.75 3.8

热膨胀系数/10?6 ℃?1 6.3 4.3 7.1 7.1

导热率/（W・m?1・K?1） 285 180 21 25.1

介电常数 6.7 10 9.4 10.2

绝缘强度/（kV・mm?1） 10.6 15 15 15

通过厚膜印烧工艺制作厚膜基板，并通过厚膜电路微组装工艺将裸芯片及阻容元件焊接在陶瓷基板上，通过焊接技术将基板焊接在外壳上。合理布局，将功率器件均匀分布在产品内部，如图5、图6所示。

图 5 布局设计 图 6 立体剖面图 图 7 热传递

对于功率器件，热设计是十分重要的，即以最短的导热通路将热量传递出去。热传递的形式主要有热传导、辐射及对流，而对于全密封金属外壳来说，大部分的热量是以热传导的形式传递到外面的。如图7所示，功率芯片产生的热量通过焊料、基板、焊料及外壳传递到外面。运用傅立叶公式来描述热传导的原理，即在热传导过程中，单位时间按内通过给定截面的热量正比与垂直于该截面方向上的温度变化率、导热系数和截面积。

最优的设计即要求在单位时间内通过的热量越多越好，所以要选择导热系数大的导热材料。

图 8 热量分布 图 9 典型应用 图10 输出波形

图8是产品内部温度分布图，从中可以看出，温度最高点为68.6℃，基本呈现均匀分布。

同时采用钢性外壳可提高产品的抗冲击、振动等环境试验。产品内部有源器件采用裸芯片，可以大大缩小产品的尺寸。

2）工艺设计

①禁限用工艺。在工艺实现方面，为达到某领域的高可靠质量等级要求，需对工艺进行改进优化，满足相应的禁限用工艺要求。

②内部气氛含量控制。产品内部含有过多的水汽会影响裸芯片的寿命，导致产品长时间贮存后发生电性能损坏。为更好的控制功率电路的水汽含量，需要在密封前增加密封前老炼试验，对内部残留在焊膏中的水汽含量尽量释放。

5 实验数据

产品的典型应用如图9所示，测试时，采用电阻来代替电机进行测试。测试负载两端的波形如图10所示。死区时间的测试波形见图11和图12

图 11 上升沿死区时间 图 12下降沿死区时间

产品经过高低温贮存、温度冲击、机械冲击、老炼等一系列环境试验，性能稳定、可靠。

经过测试，产品驱动电流可达50A以上，电机速度调节相应快，并采用光耦隔离，减少了驱动电路对逻辑电路的干扰。产品通过厚膜混合集成电路工艺进行制作，可大大缩小体积，提高驱动电路的可靠性；执行某领域专项工程要求，产品的质量等级高，适应性广。

（作者单位：1.深圳市振华微电子有限公司；2. 航天一院18所）