摘要：本文在介绍MOSFET器件和IGBT器件作为电子开关基本原理的基础上，讲述了Pico与MOSFET&IGBT器件驱动控制24V直流电机硬件接口技术，最后给出了Pico开发板GP15端口控制24V直流电机启停的MicroPython测试程序。
一、实验设备和元器件清单
• PC机(或笔记本)×1
• 树莓派Pico开发板×1
• 24V直流电源×1
• USB Type-C电缆线×1
• JGB37-520(或其他型号)24V直流电机×1
• FQP30N06L(MOSFET)×1
• STGF3NC120HD(IGBT)×1
• 2N2222(BJT)×1
• 1N4007×1
• 1kΩ色环电阻×1
• 10kΩ色环电阻×1
• 20kΩ色环电阻×1
• 面包板×1
• 杜邦线若干
二、MOSFET器件和IGBT器件介绍
(1) MOSFET器件介绍
MOSFET器件属于单极性三极管（单极性晶体管），中文全称是金属氧化物场效应晶体管（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）。当MOSFET器件用作电子开关时，它与双极性三极管（BJT，双极性晶体管）的最大不同在于，BJT器件是使用电流控制开关，MOSFET则是使用电压控制开关。
MOSFET器件按其工作状态的不同又可分为增强型（Enhancement）MOSFET和耗尽型（Depletion）MOSFET两种类型。以常见的增强型MOSFET为例，它可分为N沟道和P沟道两种，N沟道MOSFET管简称NMOS管，P沟道MOSFET管简称PMOS管。
MOS管有栅极（Gate）、源极（Source）和漏极（Drain）三个引脚，图1是一种常用型号为FQP30N06L的N沟道功率MOSFET器件封装及其电路图符号，它属于增强型NMOS管。FQP30N06L最后一个字母L表示使用+5V TTL逻辑的MCU开发板GPIO（如Arduino Uno开发板GPIO）能直接对其进行驱动控制。该型号MOS管内部有一只续流二极管(寄生二极管)与D引脚和S引脚相连，其作用是避免MOS管遭受静电放电（Electro-Static Discharge，简称ESD）而受损。

图1 FQP30N06L MOSFET器件封装及其电路图符号
MOSFET主要技术参数如下：
•开启电压UGS(th)：当漏源极电压UDS为一确定值时，使MOS管出现导通，开始有漏极电流ID的电压。NMOS管的开启电压为正电压，即UGS(th)>0；PMOS管的开启电压为负电压，即UGS(th)<0。
•漏源导通电阻RDSon：MOS管完全导通时的漏源极电阻，RDSon值越小越好。RDSon阻值接近于零，但无论多小都会有一个阻值。
•最大漏极电流IDM：漏极允许通过的最大电流，有最大持续漏极电流和最大脉冲漏极电流两种取值。
•最大漏源极电压ＵDＳＳ：允许的最大漏源极电压。
•最大漏极功耗PDM：可由 决定，与双极性三极管的 相当，MOS管正常使用时不得超过此值，否则将会由过热而造成MOS管的损坏。
型号为FQP30N06L的的NMOSFET的开启电压为2.5V(实际驱动电压为4~10V)，最大漏极电流电流为32A，最大最大漏源极电压为60V。
(2) IGBT器件简介
IGBT绝缘栅双极性晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor）的简称，它是由MOSFET和双极型三极管复合而成的一种功率半导体器件，其输入极为MOSFET，输出极为PNP三极管，它融合了这两种器件的优点，既具有MOSFET器件驱动功率小和开关速度快的优点，又具有双极型三极管器件饱和压降低而容量大的优点，其频率特性介于MOSFET与功率三极管之间，可正常工作于几十kHz~200kHz频率范围，在中大功率电力电子技术应用中占据主导地位。
图2是型号为STGF3NC120HD的IGBT器件封装及IGBT电路图符号。

图2 STGF3NC120HD IGBT器件封装及IGBT电路图符号
IGBT用作电子开关的基本工作原理：IGBT开启电压大多为3~8V，当给栅极加上高电平，使管子的栅极与发射极之间的电压大于开启电压，即UGE>UGE(th)，管子导通，集电极与发射极之间的电阻接近于0，相当于开关闭合；若给栅极加上低电平，使管子的栅极与发射极之间电压小于开启电压，即UGE<UGE(th)，管子截止，集电极与发射极之间的电阻为无穷大，相当于开关断开（ICE≈0）。
型号为STGF3NC120HD的IGBT集电极和发射极引脚内部并联了一只续流二极管（寄生二极管），该型号IGBT的开启电压为2～5V(实际驱动电压为5~8V)，最大集电极电流为7A，最大集电极-发射极电压为1200V。
表1给出了功率BJT、功率MOSFET和IGBT主要特性比较。
表1 功率BJT、功率MOSFET和IGBT主要特性比较

三、Pico与MOSFET&IGBT器件驱动控制24V直流电机硬件接口技术
为方便在面包板上分别使用MOSFET和IGBT进行替换实验，本实践都选用了TO-220封装的FQP30N06L MOSFEET器件和STGF3NC120HD IGBT器件。
Pico与FQP30N06L MOSFET驱动控制24V直流电机硬件接口电路原理图如图3(a)所示，Pico与STGF3NC120HD IGBT驱动控制24V直流电机硬件接口电路原理图如图3(b)所示。

(a) Pico与FQP30N06L MOSFET驱动控制24V直流电机硬件接口电路原理图

(b) Pico与STGF3NC120HD IGBT驱动控制24V直流电机硬件接口电路原理图
图3 Pico与MOSFET&IGBT器件驱动控制24V直流电机硬件接口电路原理
这里以图3(a)的Pico与FQP30N06L MOSFET驱动控制24V直流电机硬件接口电路原理为例进行分析说明：在图3(a)中，FQP30N06L MOSFET是电压驱动，其驱动开启电压约为2.5V，树莓派Pico GPIO口输出电压为3.3V的VL TTL逻辑电平，尽管它大于驱动开启电压2.5V，但是Pico GPIO口不能直接通过FQP30N06L驱动较大功率的24V直流电机（当FQP30N06L驱动较大电流负载时，MOSFET管处于半导通状态，其内阻很大并且功耗过大，易损坏MOSFET器件）。功率MOSFET达到饱和导通状态所需实际驱动电压约为4V~10V，Pico GPIO口输出3.3V电压不足以直接驱动MOSFET使其饱和。因此，我们可以在树莓派Pico GPIO15输出端口接一级三极管2N2222(或光耦等)构成反相器。当Pico GP15=0(输出0V低电平)时，三极管2N2222截止，MOSFET输入驱动电压变高，此时UGS=24V×10k/(20k+10k)=8V，MOSFET导通，直流电机M转动；当Pico GP15=1(输出3.3V高电平)时，三极管2N2222导通，MOSFET的输入驱动电压变低，UGS≈0V，MOSFET截止，直流电机M停转。为了避免反电动势损坏电路元件，另外，这里还在直流电机M引脚的两端并联了一只二极管1N4007（二极管阴极接正电源）并与其形成回路，直流电机线圈两端的电压接近于零，从而将线圈产生的反电动势以续电流的方式消耗掉，对电路元件起到保护作用，该二极管称为续流二极管（FWD，Free-Wheel Diode）；当直流电机转动时，续流二极管断开，直流电机停转时，续流二极管导通。
对于图3(b) Pico与STGF3NC120HD IGBT驱动控制24V直流电机硬件接口电路，可以按图3(a)进行类似分析，此略。
由于FQP30N06L和STGF3NC120HD封装相同并且它们的引脚顺序对应(即G-G,D-C,S-E)，因此,对应于图3(a)和图3(b)两个原理图的面包板硬件实验接线图，我们只需将FQP30N06L器件和STGF3NC120HD器件进行替换即可，其他元器件均保持不动，图4所示是Pico开发板与MOSFET&IGBT驱动控制24V直流电机硬件接线实物图。

图4 Pico开发板与MOSFET&IGBT驱动控制24V直流电机硬件接线实物图
四、Pico开发板GP15端口控制直流电机启停MicroPython测试程序
Pico开发板GP15端口控制24V直流电机启停的MicroPython简单测试程序清单如下：

# Filename: Test-mosfet_or_igbt.py
'''
Pico开发板PG15端口控制型号为JGB37-520的24V直流电机启停
'''
import utime
from machine import Pin
pin=Pin(15, Pin.OUT)
pin.value(0)  # 电机转动
utime.sleep(5)   #延时5s
pin.value(1)   # 电机停转

(完)
发布日期：2022年12月12日