H橋電機驅動電路是控制直流電機正反轉、調速的核心拓撲結構，廣泛應用于機器人、電動工具、工業自動化等領域。其核心是利用四個開關元件（通常是MOS管）構成類似字母“H”的橋臂，通過精準控制開關狀態來改變電機兩端的電壓極性和大小，從而實現電機的雙向驅動與調速。

一、H橋電路基本工作原理

一個標準的H橋由四個開關（S1, S2, S3, S4）和一個直流電機組成。電機連接在兩個半橋的中點之間。其控制邏輯如下：

• 正轉：閉合S1和S4，斷開S2和S3。電流從電源正極經S1、電機、S4流回負極。
• 反轉：閉合S2和S3，斷開S1和S4。電流路徑相反，電機兩端電壓極性反轉。
• 制動/剎車：可同時閉合S1和S2，或S3和S4，將電機兩端短路，實現能耗制動。
• 停止/懸空：所有開關斷開，電機自由停止。

為了避免上下橋臂直通導致電源短路（俗稱“穿通”），控制信號必須加入“死區時間”，確保一個橋臂關斷后，另一個橋臂才導通。

二、MOS管在H橋中的關鍵作用與選型

金屬氧化物半導體場效應晶體管（MOSFET，簡稱MOS管）因其開關速度快、導通電阻低、驅動功率小等優點，成為現代H橋的首選開關元件。設計時需重點關注以下參數：

1. 耐壓（Vds）：必須高于電源電壓并留有余量，以應對電機感性負載產生的反電動勢。
2. 最大持續電流（Id）：需大于電機工作電流，并考慮啟動或堵轉時的峰值電流。
3. 導通電阻（Rds(on)）：Rds(on)越低，導通損耗越小，發熱也越少，效率越高。
4. 柵極電荷（Qg）與開關速度：Qg影響驅動電路的電流需求和開關損耗，高速應用需選擇Qg小的MOS管。
5. 封裝與散熱：根據電流大小選擇合適封裝（如TO-220, D2PAK等），并設計良好散熱路徑。

三、KIA（KIA IC）MOS管選型參考

在集成電路設計領域，KIA Semiconductor（其官網為kiaic.com）提供了多種適用于電機驅動的MOS管產品。設計者可在其官網根據以下關鍵參數篩選：

• 電壓等級：如30V, 40V, 60V, 100V等系列，適用于不同電源電壓的電機系統。
• 電流能力：從幾安培到數十安培的型號，滿足不同功率需求。
• 低Rds(on)：KIA的多款MOS管致力于提供極低的導通電阻，以提升整體驅動效率。
• 產品類型：包括N溝道和P溝道MOS管，方便設計者根據電路拓撲（如全N管橋或N+P組合橋）選擇。

四、H橋電機驅動電路設計原理圖要點

一個完整的H橋驅動原理圖不僅包含四個MOS管，還必須集成以下關鍵部分：

1. 柵極驅動電路：通常使用專用的半橋或全橋驅動器IC（如IR2104, DRV8701等）。該電路負責將微控制器（MCU）輸出的低壓邏輯信號，轉換為能夠快速、有力地開啟和關閉MOS管柵極的高壓/大電流驅動信號，并提供必要的死區時間控制。
2. 電源與濾波：為驅動電路和功率級提供穩定、干凈的電源，并加入去耦電容。
3. 保護電路：

• 電流采樣與過流保護：通過采樣電阻檢測電機電流，防止過載。

• 溫度監測：在MOS管附近設置熱敏電阻或利用驅動IC的溫度保護功能。

• 續流二極管：MOS管內部通常有體二極管，但在大電流或高頻場合，可能需要并聯肖特基二極管以提供更好的續流路徑，保護MOS管。

1. 信號隔離（可選）：在高壓或噪聲大的場合，可能需要在MCU與驅動電路間使用光耦或數字隔離器。

五、設計流程與

設計一個可靠的MOS管H橋電機驅動電路，可遵循以下流程：明確電機參數（電壓、電流）→ 計算功率需求 → 選擇合適的MOS管（如從KIA等供應商選型）→ 選擇匹配的柵極驅動器IC → 設計原理圖，集成驅動、保護、電源電路 → PCB布局時特別注意功率回路最小化、良好的接地和散熱設計 → 軟件上實現死區時間與PWM調速控制。

成功的H橋設計是功率器件（如KIA MOS管）、驅動集成電路、保護機制和PCB布局藝術的結合。深入理解原理，并嚴謹地選擇與匹配各個組件，是構建高效、可靠電機驅動系統的關鍵。