為低壓電機設(shè)計合理的驅(qū)動器

電機應(yīng)用呈上升趨勢，過去十年中功率 MOSFET 器件的成本顯著降低，特別是用于低壓(小于 100 伏)電機驅(qū)動應(yīng)用的 MOSFET 柵極驅(qū)動 IC 以及微控制器，簡化了實施離散設(shè)計。以下是您需要了解的基礎(chǔ)知識，以便讓經(jīng)濟高效的高性能有刷直流、無刷直流、開關(guān)磁阻和步進電機設(shè)計為您工作。

所需的門驅(qū)動功能

如典型的電機驅(qū)動系統(tǒng)、，控制器從各種傳感器獲取輸入，為電機生成適當(dāng)?shù)拈T脈沖。

柵極驅(qū)動電路需要：

? 在輸出開關(guān)的柵極和源極之間產(chǎn)生 5 到 15 伏的電平轉(zhuǎn)換輸出。

? 在開啟和關(guān)閉期間具有足夠的電流能力來對開關(guān)電容進行充電和放電。

典型的柵極驅(qū)動電路：為低側(cè)開關(guān)生成柵極電壓很簡單，因為它以地為參考。但高端開關(guān)存在問題。來自軌到軌的柵極控制電壓必須以 MOSFET 的源極端子為參考，在這種情況下，它不接地。

我們可以使用浮柵電源、脈沖變壓器或電荷泵來克服這個問題。引導(dǎo)技術(shù)是最便宜和最常用的一種。

其他所需特性

提供連續(xù)柵極驅(qū)動： 在典型操作中，自舉電容最終會放電以關(guān)閉高側(cè)開關(guān)。有時，高端設(shè)備必須無限期地保持開啟，例如在停止運行期間。當(dāng)使用無刷直流電機和開關(guān)磁阻電機時，這種設(shè)計考慮尤為重要。在這種情況下，自舉電容器中的電荷可能不足以保持高側(cè)開關(guān)處于開啟狀態(tài)。與高端開關(guān)一起激活的低電流補足電荷泵是一種維持自舉電容電壓的廉價方法。

死區(qū)時間調(diào)整： 電機驅(qū)動電路通常包括一個高阻值柵極電阻器來驅(qū)動大電流 MOSFET，以降低 EMI、噪聲和壓擺率。結(jié)果，切換時間更長。如果逆變器支路中的一個開關(guān)在另一個完全關(guān)閉之前打開，則會發(fā)生擊穿。為避免這種情況，您需要在驅(qū)動器電路中構(gòu)建死區(qū)邏輯。

無刷直流電機 (BLDC) 正在整個應(yīng)用范圍內(nèi)取代有刷直流電機，因為它們提供更好的扭矩-速度特性、更高的功率密度、低維護(無機械接觸刷)和更高的效率。與兩相 BLDC 相比，三相 BLDC 具有更高的功率密度并產(chǎn)生更平滑的扭矩。三相 BLDC 需要一個逆變器。

開關(guān)磁阻電機 (SRM) 需要一個雙正激變換器電橋。當(dāng)一個支路中的兩個開關(guān)都打開時，一個相通電。BLDC 和 SRM 拓撲之間的一個區(qū)別是，用于 BLDC 的轉(zhuǎn)換器需要有死區(qū)時間保護，而用于開關(guān)磁阻電機的雙正激轉(zhuǎn)換器沒有死區(qū)時間要求。

保護： 設(shè)計人員喜歡輸出禁用功能，以在發(fā)生故障時關(guān)閉所有電源開關(guān)。當(dāng)有運動部件時，安全很重要，電機也不例外。在某些應(yīng)用中，還需要欠壓和過溫關(guān)斷保護。

低傳播延遲： 通常優(yōu)選小于 100 ns 的傳播延遲。

選擇正確的驅(qū)動程序IC

設(shè)計師有廣泛的選擇成本效益的集成電路來簡化門驅(qū)動的設(shè)計。但要明智地選擇芯片，以避免主要的陷阱。一個常見的錯誤是選擇了被高估的組件。例如，一個驅(qū)動IC額定工作與600伏的負載大約比一個80伏的應(yīng)用程序慢。選擇前者進行低壓應(yīng)用會增加開關(guān)損耗，降低效率，并降低系統(tǒng)的可控性。對于低壓應(yīng)用，門驅(qū)動集成電路，如Intersil的HIP4086，提供了與TTL和CMOS邏輯輸入的兼容性，這擴展了其在不同處理器上的可用性。圖5顯示了如何將其應(yīng)用于三階段操作。

連接在芯片的 RDEL 和 V DD 引腳之間的電阻控制頂部和底部開關(guān)之間的死區(qū)時間。電容器 C RFSH 控制在首次向 IC 供電時初始化自舉電容器上的電荷的脈沖持續(xù)時間。高側(cè)輸入為低電平有效，而低側(cè)輸入為高電平有效。因此，我們可以將它們捆綁在一起，從而減少此類應(yīng)用中的外部組件數(shù)量，例如，使用空間矢量調(diào)制。為三相應(yīng)用使用三個半橋驅(qū)動器是另一種選擇。然而，這增加了元件數(shù)量和電路板復(fù)雜性。

對于電機僅提供幾瓦功率的應(yīng)用，有刷直流電機可能是最經(jīng)濟實用的選擇。我們可以使用分立電路，但使用集成電機驅(qū)動器 IC 將大大降低成本。例如，Intersil 的 HIP4020 是一款驅(qū)動器加轉(zhuǎn)換器 IC，可為低功率有刷直流或步進電機控制提供單步解決方案。它提供四象限操作，并且有針對故障和過熱條件的關(guān)閉選項。對于更高功率的有刷直流電機，可以使用一個全橋或兩個帶有外部 MOSFET 的半橋驅(qū)動器 IC。