如何在直流驅(qū)動電機(jī)中實現(xiàn)更高的系統(tǒng)魯棒性，第 1 部分：負(fù)電壓

1.前言

最近搬到了一個新小區(qū)，為了減少做衛(wèi)生的工作量，所以我決定去買一個吸塵器。當(dāng)我在電器區(qū)走來走去時，我注意到現(xiàn)在有多少真空吸塵器是無繩的，由電池供電，不需要之前長長的電源線。制造商似乎也在宣傳更大的吸力、更長的電池壽命和更長的保修期。

作為客戶的一個收獲是，強(qiáng)大而可靠的解決方案正在促進(jìn)更長的使用壽命，從而提高產(chǎn)品的聲譽。這與使用電動機(jī)的小型家用電器、花園和電動工具以及住宅空調(diào)等應(yīng)用相關(guān)。大多數(shù)這些系統(tǒng)使用直流驅(qū)動器，例如有刷直流電機(jī)（BDC）、三相無刷直流電機(jī)（BLDC） 、或步進(jìn)電機(jī)。三相無刷直流電機(jī)（BLDC）具有高效率、更低的可聽噪聲和更長的使用壽命，因此廣泛用于電器中，以實現(xiàn)更長的電池壽命、減少冷卻工作并實現(xiàn)可靠運行。

      三相無刷直流電機(jī)（BLDC）電機(jī)主要由永磁材料制造的定子、繞有線圈繞組的轉(zhuǎn)子(電樞) 、換向器和電刷等構(gòu)成。只要在電刷的A和B兩端通入一定的直流電流， 電機(jī)的換向器就會自動改變電機(jī)轉(zhuǎn)子的磁場方向，這樣，直流電機(jī)的轉(zhuǎn)子就會持續(xù)運轉(zhuǎn)下去。無刷直流電機(jī)的實質(zhì)是直流電源輸入，采用電子逆變器將直流電轉(zhuǎn)換為交流電，有轉(zhuǎn)子位置反饋的三相交流永磁同步電機(jī)。性能上相較一般的傳統(tǒng)直流電機(jī)有很大優(yōu)勢，是當(dāng)今最理想的調(diào)速電機(jī)。

2.直流電機(jī)驅(qū)動

電子電機(jī)控制是 MOSFET 驅(qū)動器的主要應(yīng)用之一。為直流驅(qū)動器 選擇柵極驅(qū)動器時，需要牢記一些設(shè)計注意事項，以實現(xiàn)更高的系統(tǒng)穩(wěn)健性。本博客系列的第 1 部分將介紹負(fù)電壓處理。

與柵極驅(qū)動器相關(guān)的負(fù)電壓是指承受輸入和輸出電壓的能力。負(fù)電壓是由開關(guān)轉(zhuǎn)換、泄漏或布局不良引起的寄生電感引起的。這些不需要的電壓通常出現(xiàn)在電機(jī)驅(qū)動、電器和開關(guān)模式電源等應(yīng)用中。

在寄生電感引起的所有問題中，電機(jī)控制的主要問題之一是開關(guān)節(jié)點 (HS) 在開關(guān)轉(zhuǎn)換后低于接地的趨勢。圖 1 顯示了任何設(shè)計中存在的內(nèi)部寄生電感和電路板布局電感。

圖 1 還顯示，在高側(cè)關(guān)斷期間，電感中有持續(xù)電流流動，隨著高側(cè)電流下降，低側(cè)電流上升。大多數(shù)情況下會出現(xiàn)這種情況 在體二極管中短時間。寄生電感中的電流會產(chǎn)生相對于 MOSFET 通道和體二極管的負(fù)電壓。結(jié)果是 HS 上出現(xiàn)負(fù)電壓尖峰，這會導(dǎo)致柵極驅(qū)動器故障、D BOOT二極管過流或 V HB-HS過壓。

圖 1：HS 上的負(fù)電壓：di/dt 對柵極驅(qū)動器的影響

柵極驅(qū)動器具有顯著的 HS 負(fù)電壓能力非常重要，以提高您設(shè)計的穩(wěn)健性。例如，UCC27710 600V 驅(qū)動器在圖 2 所示的電壓和時間條件內(nèi)保持正確的輸出狀態(tài)。該解決方案在整個溫度范圍內(nèi)具有 -11V DC的負(fù)電壓能力，可在這些條件下提供穩(wěn)健的運行，這對于可靠的解決方案。

圖 2：UCC27710 HS 負(fù)電壓能力

現(xiàn)在，讓我們討論如何減少那些不需要的負(fù)尖峰。寄生電感主要來自電路板布局。半橋功率器件的布局可能相對緊湊，但是從 FET 到大容量輸入電容器的長走線呢？

圖 3 顯示了典型的半橋驅(qū)動器和動力系統(tǒng)布局。您可以看到 MOSFET 相對靠近，但由于 PCB 板尺寸限制，大容量電容器通常放置在遠(yuǎn)離 FET 的位置。該電路板布局路徑將導(dǎo)致源極到電容器的寄生電感，從而導(dǎo)致大的負(fù) HS 尖峰。

圖 3：導(dǎo)致寄生電感的電路板布局路徑

圖 4 顯示了電路板布局的底層。如果添加高壓陶瓷電容器，則可以將它們放置在非常靠近功率 MOSFET 的位置?，F(xiàn)在，從低側(cè) FET 源極到電容器的路徑顯著減少。假設(shè)寄生電感與路徑長度有關(guān)，您可以減少負(fù)尖峰，如圖 4 所示。

圖 4：改進(jìn)的電路板布局導(dǎo)致負(fù)尖峰減少

如您所見，負(fù)電壓處理是柵極驅(qū)動器的關(guān)鍵功能。在設(shè)計電機(jī)驅(qū)動應(yīng)用時，請牢記這一點，以實現(xiàn)更高的系統(tǒng)穩(wěn)健性。