基于MOS管的大功率驱动电路设计

邵可,刘申,李福生

中冶宝钢技术服务有限公司 上海 201941

摘要：冶金及矿用装备机械多处于高温、潮湿、粉尘等恶劣特种工况下长期作业，炉下清渣机、抱罐车、铁水车等设备灯光、及大功率控制阀组、风扇电源控制多数采用直流中间继电器或接触器作为通断开关，此控制方法有一定安全隐含。针对该现象，本论文研究一种集成开关电路，其电路原理由防反接、集成开关、电流检测等电路组成。实现控制大电流电路通断，同时具备电流检测、反接及过热保护，提高了冶金及矿用机械在复杂环境下的驱动电路的安全可靠性性。

关键词：高边开关、MOS管；电流检测；电源保护

1前言

冶金及矿山特种机械中常常需要使用大功率照明灯具及电冷却系统。通常额定功率超过300W。传统的通断控制方法一般采用中间继电器的方法。实际使用过程中，由于继电器缺乏有效的电流检测回路造成故障率高、易引发火灾等安全生产事故，过载的电流容易因为线路短路而继电器无法脱开，引起电气火灾，存在极大的安全隐患[1]。

20实际后期期，随着科技的进步、及飞速的发展，功率MOS场效应管，以及后续升级开发的高边开关、低边开关迅速发展起来。这种集成电路开关以速度快、损耗小、不会存在二次击穿等不可恢复现象获得大批量应用，尤其是商用汽车工业，因而，功率MOS管及其应用，引起了人们的重视[2]。本文介绍了大功率直流开关线路控制方法。

2 电路组成

为了克服直接直流接触器的弊端，本文设计了一种MOS管高边开关。

其电路组成包括：电源保护电路、开关电路、电流检测及限流电路。

MOS管高边开关电路保护过程的主要工作原理见图1。

图1大功率驱动线路保护过程

MOS管或集成高边开关开关的通断信号，由MCU发出的触发信号驱动控制；其中电路的输入电源反接保护电路串联在电源回路中；在电路原理中，电路中加设电流采样电阻、以及差分放大器等元器件，形成回路电流测量方法；并设计峰值电流，保存电路通路时的峰值电流。最后将峰值电流与设定的允许最大值比较，若超出限流值，反馈单片机，MCU控制将切断MOS管开关。

3详细电路设计

3.1 电源保护电路

目前，多数防反接电路均采用二极管来实现单向保护。通过串联二极管实现电路反接保护，但这种方法不适用于大功率电路。第二种方法是利用整流桥对电路就行整流。从而避免出现极性错误，接线方便；缺点是二极管上的压降存在大量能量损耗。

图1 电源保护电路

使用MOS管开关特性设计而成的电源保护电路，可以有效的实现电源反接防护，避免因电源外置线路接线错误导致的系统烧穿、损坏、甚至引起火灾事故。由于功率MOS管的内阻很小（毫欧级），可有效规避现有二极管电源防反接存在的压降和功耗过大的问题[3]。

如图1所示，Q1、R1、R2、ZD1组成防反接电路。Q1选择为P沟道增强型场效应管，ZD1为稳压二级管， ZD1使MOS管SG电压保持在12V。稳压二极管之间并联的电阻R2是为了防止当MOS管栅极悬空时，出现误输出，确保MOS管处于关断状态。

3.2 MOS管驱动开关电路设计

MOS管驱动开关电路由ZD2、R4、Q3、R3、R7、Q2、R11组成。稳压二极管ZD1与ZD2。R7、Q3、R11形成驱动信号电路，配合单片机IO口形成驱动电路。

单片机输出高电平时，Q3接通，ZD2通过Q3、R4导通电路。当信号端输入低电平时，晶体管Q3关断，Q2的GS两端通过R3相连接，GS两端压差几乎为零，Q2截止。

3.3 高边电流检测电路设计

电流检测回路是关键控制回路，单片机通过电流检测回路测量的数据，实现对线路中电流值的监控、与线路通断的控制，如图2所示，电流检测回路主要由电路运放MC33502和检测电阻组成。

电流检测的原理为通过采样电阻，将采集电路中的电流转换成电压信号[4]，并通过放大器放大至检测所需信号范围。

图2 差分放大电路

基于MOS管高边开关的设计，是为了解决直流接触器故障率高，存在安全隐患的问题。依据MOS管技术特性选择功率控制器件，可以实现无触点通。本设计中的MOS管高边开关，还设置了电源保护电路，不仅可以有效的防止电源极性接反，而且功耗小增加了电路的安全性。

参考文献

[1]王宜海.MOS管在电动车窗开关上的应用[J].汽车电器,2011,08:17-18.

[2]刘增金.电力电子技术的发展及应用探究[J].电子世界.2011(09).

[3]王欣.场效应管高压宽脉宽双快沿脉冲源技术研究[D].中国工程物理研究院,2005.

[3]聂剑.一种软启动与防反接保护电路[J].电子产品世界,2015,Z1:56-59.

[4]谢治中,丁扣宝,何杞鑫.基于高边电流检测的大功率LED驱动芯片研究[J]. 电力电子技术,2008,12:8-9+7.

[5]惠卫民.5A限流器电路的设计[J].中国西部科技,2011,28:29-30.