無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)功率驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

　　0 引 言

　　無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)是隨著電力電子技術(shù)和高性能永磁材料而迅速發(fā)展并得到廣泛應(yīng)用的新機(jī)種。無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)不僅保持了傳統(tǒng)直流電動(dòng)機(jī)良好的動(dòng)、靜態(tài)調(diào)速特性，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)行可靠，易于控制，維護(hù)方便，壽命長(zhǎng)。它的應(yīng)用從最初的軍事工業(yè)，向航空航天、醫(yī)療、信息、家電以及工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域迅速發(fā)展。無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)已經(jīng)不是專指具有電子換相的直流電機(jī)，而是泛指有刷直流電動(dòng)機(jī)外部特性的電子換相電機(jī)。

　　1 無(wú)刷直流電機(jī)功率驅(qū)動(dòng)電路

　　無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)一般由電子換相電路、轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)電路和電動(dòng)機(jī)本體3部分組成，電子換相電路一般由控制部分和驅(qū)動(dòng)部分組成，而對(duì)轉(zhuǎn)子位置的檢測(cè)一般用位置傳感器完成。工作時(shí)，控制器根據(jù)位置傳感器測(cè)得的電機(jī)轉(zhuǎn)子位置有序地觸發(fā)驅(qū)動(dòng)電路中的各個(gè)功率管，進(jìn)行有序換流，以驅(qū)動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)。

　　無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的功率驅(qū)動(dòng)電路采用以IR公司的專用驅(qū)動(dòng)芯片IR2130為中心的6個(gè)N溝道的MOS-FET管組成的三相全橋逆變電路，其輸入是以功率地為地的PWM波，送到IR2130的輸入端口，輸出控制N溝道的功率驅(qū)動(dòng)管MOSFET，由此驅(qū)動(dòng)無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)。采用這種驅(qū)動(dòng)方式主要是功率驅(qū)動(dòng)芯片 IR2130對(duì)“自舉”技術(shù)形成懸浮的高壓側(cè)電源的巧妙運(yùn)用，簡(jiǎn)化了整個(gè)驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)，提高了系統(tǒng)的可靠性，而且IR2130驅(qū)動(dòng)芯片內(nèi)置死區(qū)電路，以及過(guò)流保護(hù)和欠壓保護(hù)等功能，大大降低了電路設(shè)計(jì)的復(fù)雜度，進(jìn)一步提高了系統(tǒng)的可靠性。

　　2 IR2130驅(qū)動(dòng)芯片的特點(diǎn)

　　IR2130可用來(lái)驅(qū)動(dòng)母線電壓不高于600 V電路中的功率MOS門器件，其可輸出的最大正向峰值驅(qū)動(dòng)電流為250 mA，而反向峰值驅(qū)動(dòng)電流為500 mA。由于它內(nèi)部設(shè)計(jì)有過(guò)流、過(guò)壓及欠壓保護(hù)、封鎖和指示網(wǎng)絡(luò)，可使用戶方便地用來(lái)保護(hù)被驅(qū)動(dòng)的MOS門功率管。加之巧妙地運(yùn)用內(nèi)部的自舉技術(shù)使其用于高壓系統(tǒng)，還可對(duì)同一橋臂上下2個(gè)功率器件的門極驅(qū)動(dòng)信導(dǎo)產(chǎn)生2μs互鎖延時(shí)時(shí)間。由于它自身工作和電源電壓的范圍較寬(3～20 V)，在它的內(nèi)部還設(shè)計(jì)有與被驅(qū)動(dòng)的功率器件所通過(guò)的電流成線性關(guān)系的電流放大器，電路設(shè)計(jì)還保證了內(nèi)部的3個(gè)通道的高壓側(cè)驅(qū)動(dòng)器與低壓側(cè)驅(qū)動(dòng)器可單獨(dú)使用，亦可只用其內(nèi)部的3個(gè)低壓側(cè)驅(qū)動(dòng)器，并 且輸入信號(hào)與TTL及COMS電平兼容。

　　電機(jī)控制的驅(qū)動(dòng)器采用IR2130芯片。IR2130是一種高電壓、高速度的功率MOSFET和IGBT、驅(qū)動(dòng)器，工作電壓為10～20 V，分別有3個(gè)獨(dú)立的高端和低端輸出通道。邏輯輸入與CMOS或LSTTL輸出兼容，最小可以達(dá)到2．5 V邏輯電壓。外圍電路中的參考地運(yùn)行放大器，通過(guò)外部的電流檢測(cè)電位器來(lái)提供全橋電路電流的模擬反饋值，如果超出設(shè)定或調(diào)整的參考電流值，則IR2130 驅(qū)動(dòng)器的內(nèi)部電流保護(hù)電路就啟動(dòng)關(guān)斷輸出通道，實(shí)現(xiàn)電流保護(hù)的作用。IR2130驅(qū)動(dòng)器反映高脈沖電流緩沖器的狀態(tài)，傳輸延遲和高頻放大器相匹配，浮動(dòng)通道能夠用來(lái)驅(qū)動(dòng)N溝道功率MOSFET和IGBT，最高電壓可達(dá)到600 V。

　　IR2130芯片可同時(shí)控制6個(gè)大功率管的導(dǎo)通和關(guān)斷順序，通過(guò)輸出H01～H03分別控制三相全橋驅(qū)動(dòng)電路的上半橋Q1，Q3，Q5導(dǎo)通關(guān)斷；而 IR2130的輸出L01～L03分別控制三相全橋驅(qū)動(dòng)電路的下半橋Q4，Q6，Q2導(dǎo)通關(guān)斷，從而達(dá)到控制電機(jī)轉(zhuǎn)速和正反轉(zhuǎn)的目的。IR2130芯片內(nèi)部有電流比較電路，可以進(jìn)行電機(jī)比較電流的設(shè)定。設(shè)定值可以作為軟件保護(hù)電路的參考值，這樣可以使電路能夠適用于對(duì)不同功率電機(jī)的控制。IR2130的典型電路如圖1所示。

　　三相全橋逆變電路選用6個(gè)功率MOSFETRFP40N10、一片IR2130和一些電阻電容而組成。其主要特點(diǎn)為：

　　(1)驅(qū)動(dòng)芯片IR2130內(nèi)置了2．5μs的死區(qū)時(shí)間；防止同一橋臂的上下兩個(gè)MOSFET同時(shí)導(dǎo)通，使電源電壓短路，電源不通過(guò)電動(dòng)機(jī)。這避免了功率驅(qū)動(dòng)電路在硬件系統(tǒng)上電瞬間IR2130的誤輸出。

　　(2)功率驅(qū)動(dòng)電路采用上橋臂功率MOSFET管進(jìn)行PWM調(diào)制的方式控制。

　　在調(diào)制過(guò)程中，自舉電容只有在高端器件(上橋臂MOSFET管)關(guān)斷時(shí)，VS的電位被拉到功率地時(shí)自舉電容才被充電。因此，同一橋臂上的下橋臂器件開(kāi)通時(shí)間(上橋臂器件關(guān)斷時(shí)間)應(yīng)足夠長(zhǎng)，以保證自舉電容的電荷被充滿，當(dāng)上橋臂開(kāi)通時(shí)維持上橋臂有足夠的時(shí)間導(dǎo)通。

　　(3)由于功率驅(qū)動(dòng)電路的上橋臂三路高壓側(cè)柵極驅(qū)動(dòng)電源是通過(guò)自舉電容充電來(lái)獲得的，因此與IR2130供電電源連接的二極管，其反向耐壓必須大于被驅(qū)動(dòng)的功率MOSFET管工作的峰值母線電壓。為了防止自舉電容兩端的放電，二極管要選用高頻的快恢復(fù)二極管，功率驅(qū)動(dòng)電路選用FR104，它的最大反向恢復(fù)時(shí)間為150 ns，最大反向耐壓400 V。

　　(4)上橋臂高壓側(cè)自舉電容的容量取決于被驅(qū)動(dòng)的功率MOSFET管開(kāi)關(guān)頻率、導(dǎo)通和關(guān)斷占空比以及柵極充電電流的需要。為了防止自舉電容放電后造成其兩端電壓低于欠壓保護(hù)動(dòng)作的門檻電壓值，使得IR2130關(guān)斷，電容取值應(yīng)較大，此功率驅(qū)動(dòng)電路選擇10μF的電解電容。

　　(5)功率驅(qū)動(dòng)芯片IR2130內(nèi)部的6個(gè)驅(qū)動(dòng)MOS-FET管(RFG40N10)，其輸出阻抗較低，導(dǎo)通輸出電阻rDS(ON)=0．04 Ω，直接驅(qū)動(dòng)功率MOSFET器件可能造成器件MOSFET漏一源極之間的振蕩。

　　這樣會(huì)引起射頻干擾，也有可能造成器件MOS-FET因承受過(guò)高的dv／dt而被擊穿。因此在功率管的柵極與IR2130的輸出之間串聯(lián)一個(gè)阻值為30 Ω的無(wú)感電阻。柵源極間的電阻主要提供放電回路，使自舉電容的電壓快速放掉。

　　4 結(jié) 語(yǔ)

　　在此介紹的無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)功率驅(qū)動(dòng)電路是采用IR公司的專用驅(qū)動(dòng)芯片IR2130組成的。由于1R2130驅(qū)動(dòng)芯片內(nèi)置了死區(qū)電路，具有過(guò)流保護(hù)和欠壓保護(hù)等功能，大大降低了電路設(shè)計(jì)的復(fù)雜度，簡(jiǎn)化了整個(gè)驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)，提高了系統(tǒng)的可靠性。