如何使用高度集成的柵極驅(qū)動器實現(xiàn)緊湊型電機控制系統(tǒng)的設計

采用鋰離子電池供電的高功率密度，高效率，三相無刷直流(BLDC)電機可實現(xiàn)無繩電動工具，真空吸塵器和電動自行車的開發(fā)。然而，為了節(jié)省更緊湊的機電設備的空間，設計人員面臨著進一步縮小其電機控制電子設備的壓力。

這不是一項簡單的任務。除了將驅(qū)動器組件擠壓到狹小空間的明顯困難之外，將所有部件推得更緊密地增加了熱管理，當然還有電磁干擾(EMI)問題。

電機控制電路設計人員可以做出更纖薄的設計通過轉(zhuǎn)向新一代高度集成的柵極驅(qū)動器，這是電機控制系統(tǒng)中最關(guān)鍵的元件。

本文將介紹BLDC電機在引入合適的柵極驅(qū)動器之前的操作以及如何使用它們來克服緊湊型電機控制系統(tǒng)的設計挑戰(zhàn)。

構(gòu)建更好的電動機

由于能源效率和節(jié)省空間的雙重商業(yè)壓力，電動機設計迅速發(fā)展。數(shù)字控制的BLDC電機代表了這一演變的一個方面。電機的普及是由于使用電子換向，與傳統(tǒng)(電刷換向)直流電機相比，效率更高，對于以相同速度和負載運行的電機，效率提高了20%到30%。

這種改進使BLDC電機能夠在給定的功率輸出下更小，更輕，更安靜。 BLDC電機的其他優(yōu)點包括出色的速度與轉(zhuǎn)矩特性，更動態(tài)的響應，無噪音運行以及更高的速度范圍。工程師們還推動設計在更高的電壓和頻率下運行，因為這樣可以使緊湊型電動機完成與更大的傳統(tǒng)電機相同的工作。

BLDC電機成功的關(guān)鍵是電子開關(guān)模式電源和電機控制電路產(chǎn)生一個三相輸入，進而產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，拉動電機的轉(zhuǎn)子。由于磁場和轉(zhuǎn)子以相同的頻率旋轉(zhuǎn)，電機被歸類為“同步”?；魻栃獋鞲衅鱾鬟f定子和轉(zhuǎn)子的相對位置，使控制器可以在適當?shù)臅r刻切換磁場。 “無傳感器”技術(shù)可監(jiān)測反電動勢(EMF)以確定定子和轉(zhuǎn)子位置。

順序向三相BLDC電機施加電流的最常見配置包括三對功率MOSFET安排在橋梁結(jié)構(gòu)中。每對充當逆變器，將來自電源的直流電壓轉(zhuǎn)換為驅(qū)動電機繞組所需的交流電壓(圖1)。在高壓應用中，通常使用絕緣柵雙極晶體管(IGBT)代替MOSFET。

圖1：數(shù)字三相BLDC電機控制通常使用三對MOSFET，每對MOSFET為電機的一個繞組提供交流電壓。 (圖像：德州儀器)

晶體管對包括一個低端器件(源極接地)和一個高端器件(源極在地和高壓電源軌之間浮動)。

在典型的布置中，使用脈沖寬度調(diào)制(PWM)來控制MOSFET柵極，其有效地將輸入DC電壓轉(zhuǎn)換為調(diào)制的驅(qū)動電壓。應該使用比預期的最大電動機轉(zhuǎn)速高至少一個數(shù)量級的PWM頻率。每對MOSFET控制電機一相的磁場。有關(guān)驅(qū)動BLDC的更多信息，請參閱庫文章“如何為無刷直流電機供電和控制。”

電動機控制系統(tǒng)

完整的電機控制系統(tǒng)包括電源，主機微控制器，柵極驅(qū)動器和半橋拓撲結(jié)構(gòu)的MOSFET(圖2)。微控制器設置PWM占空比并負責開環(huán)控制。在低壓設計中，柵極驅(qū)動器和MOSFET橋有時集成在一個單元中。然而，對于高功率單元，柵極驅(qū)動器和MOSFET橋接器是分開的，以便于熱管理，使得不同的工藝技術(shù)可用于柵極驅(qū)動器和橋接器，并最大限度地降低EMI。

圖2：基于TI MSP 430微控制器的BLDC電動機控制原理圖。 (圖像：德州儀器)

MOSFET橋可以由分立器件或集成芯片組成。將低端和高端MOSFET集成在同一封裝中的關(guān)鍵優(yōu)勢在于，即使MOSFET具有不同的功耗，它也允許頂部和底部MOSFET之間的自然熱均衡。無論是集成還是離散，每個晶體管對都需要一個獨立的柵極驅(qū)動器來控制開關(guān)時序和驅(qū)動電流。

也可以使用分立元件設計柵極驅(qū)動器電路。這種方法的優(yōu)勢在于它允許工程師精確調(diào)整柵極驅(qū)動器以匹配MOSFET特性并優(yōu)化性能。缺點是需要高水平的電機設計經(jīng)驗和適應分立解決方案所需的空間。

模塊化電機控制解決方案提供了另一種選擇，市場上有各種各樣的集成柵極驅(qū)動器。更好的模塊化門驅(qū)動解決方案包括：

高集成度以最大限度地減少器件所需的空間

高驅(qū)動電流可降低開關(guān)損耗并提高效率

高柵極驅(qū)動電壓，確保MOSFET導通最小內(nèi)阻(“RDS(ON)”)

高電流過流，過壓和過溫保護，可在最惡劣的條件下實現(xiàn)可靠的系統(tǒng)運行

德州儀器(TI)的DRV8323x系列三相柵極驅(qū)動器可降低系統(tǒng)元件數(shù)量，降低成本和復雜性，同時滿足高效BLDC電機的需求。

DRV8323x系列有三種型號。每個都集成了三個獨立的柵極驅(qū)動器，能夠驅(qū)動高側(cè)和低側(cè)MOSFET對。柵極驅(qū)動器包括一個電荷泵，用于為高端晶體管產(chǎn)生高柵極電壓(具有高達100%的占空比支持)，以及一個用于為低端晶體管供電的線性穩(wěn)壓器。

TI柵極驅(qū)動器包括讀出放大器，如果需要，還可以配置為放大低端MOSFET上的電壓。這些器件可提供高達1安培的電流，具有2安培吸收峰值柵極驅(qū)動電流，并可通過單電源供電，輸入電源范圍為6至60伏。

DRV8323R版本，適用于例如，集成三個雙向電流檢測放大器，使用低側(cè)分流電阻監(jiān)控每個MOSFET橋的電流水平。可通過SPI或硬件接口調(diào)整電流檢測放大器的增益設置。微控制器連接到DRV8323R的EN_GATE，因此它可以啟用或禁用柵極驅(qū)動輸出。

DRV8323R器件還集成了一個600毫安(mA)降壓穩(wěn)壓器，可用于為外部控制器供電。該穩(wěn)壓器可以使用柵極驅(qū)動器電源或單獨的一個(圖3)。

圖3：高度集成的柵極驅(qū)動器，如TI的DRV8323R在節(jié)省空間的同時減少系統(tǒng)組件數(shù)量，成本和復雜性。 (圖像：德州儀器)

柵極驅(qū)動器具有多種保護功能，包括電源欠壓鎖定，電荷泵欠壓鎖定，過流監(jiān)控，柵極驅(qū)動器短路檢測和過溫關(guān)斷。

每個DRV832x都封裝在尺寸僅為5 x 5到7 x 7毫米(mm)的芯片中(取決于選項)。這些產(chǎn)品可以節(jié)省超過24個分立元件所需的空間。

使用集成柵極驅(qū)動器進行設計

為了使設計人員能夠正常運行，TI提供了參考設計TIDA-01485。這是一款99%效率，1千瓦(kW)功率級參考設計，適用于三相36伏BLDC電機，適用于使用十節(jié)鋰離子電池供電的電動工具等應用。

參考設計展示了如何使用高度集成的柵極驅(qū)動器(如DRV8323R)，通過在此功率級別形成最小電機控制電路之一的基礎(chǔ)，節(jié)省電機控制設計的空間。參考設計實現(xiàn)了基于傳感器的控制。 (參見圖書館文章“為什么以及如何正弦控制三相無刷直流電機”。)

參考設計的主要元件是MSP430F5132微控制器，DRV8323R柵極驅(qū)動器和三個CSD88599 60伏特半橋MOSFET功率模塊(圖4)。

圖4：TIDA-01485是1 kW，99%效率的功率級參考設計用于三相36伏BLDC電機，可由十節(jié)鋰離子電池供電。 (圖像：德州儀器)

雖然柵極驅(qū)動器是高度集成的模塊化解決方案，消除了分立設計的許多復雜性，但仍需要一些設計工作來創(chuàng)建完全工作的系統(tǒng)。參考設計通過展示一個全面的解決方案幫助設計人員繪制原型。

例如，柵極驅(qū)動器需要多個去耦電容才能正常工作。在參考設計中，1微法(μF)電容(C13)將低端MOSFET的驅(qū)動電壓(DVDD)去耦，該電壓源自DRV8323R的內(nèi)部線性穩(wěn)壓器(圖5)。該電容必須盡可能靠近柵極驅(qū)動器放置，以盡量減小環(huán)路阻抗。需要一個值為4.7μF(C10)的第二個去耦電容來將直流電源輸入(PVDD)與36伏電池去耦。

圖5：DRV8323R柵極驅(qū)動器的應用電路。應盡量減少走線長度以限制EMI。 (圖片：德州儀器)

二極管D6有助于在短路條件下電池電壓下降時隔離柵極驅(qū)動器電源。該二極管非常重要，因為它的存在使PVDD去耦電容(C10)能夠在小持續(xù)時間下降時保持輸入電壓。

保持電壓可防止柵極驅(qū)動器進入不希望的欠壓鎖定狀態(tài)。 C11和C12是使電荷泵工作的關(guān)鍵器件，也應盡可能靠近柵極驅(qū)動器。

通常，良好的設計做法是盡量減小高端和低端的環(huán)路長度側(cè)柵極驅(qū)動器，主要用于降低EMI。高端環(huán)路從DRV8323 GH_X到功率MOSFET，并通過SH_X返回。低側(cè)環(huán)路從DRV8323 GL_X到功率MOSFET，并通過GND返回。

切換時序的重要性

MOSFET的選擇是性能和效率的關(guān)鍵BLDC電機由于沒有兩個MOSFET系列完全相同，因此每種選擇都取決于所需的開關(guān)時間。即使是稍微錯誤的定時也會導致問題，包括低效率，高EMI和可能的電機故障。

例如，不正確的定時會導致直通，導致低壓和高壓的情況側(cè)面MOSFET偶然導通，導致災難性的短路。其他時序問題包括由可能損壞MOSFET的寄生電容觸發(fā)的瞬變。外部短路，焊接橋或MOSFET在特定狀態(tài)下掛起也會引發(fā)問題。

TI將其DRV8323標記為“智能”柵極驅(qū)動器，因為它為設計人員提供了對時序和反饋的控制以消除這些問題。例如，驅(qū)動器包括一個內(nèi)部狀態(tài)機，用于防止柵極驅(qū)動器中的短路事件，控制MOSFET橋死區(qū)時間(IDEAD)，并防止外部功率MOSFET的寄生導通。

DRV8323柵極驅(qū)動器還包括用于高側(cè)和低側(cè)驅(qū)動器的可調(diào)節(jié)推挽式拓撲結(jié)構(gòu)，可實現(xiàn)外部MOSFET橋的強大上拉和下拉，以避免雜散電容問題?？烧{(diào)柵極驅(qū)動器支持動態(tài)柵極驅(qū)動電流(IDRIVE)和持續(xù)時間(tDRIVE)變化(不需要限流柵極驅(qū)動電阻)來微調(diào)系統(tǒng)操作(圖6)。

圖6：用于三相BLDC電機的一個MOSFET橋中的高側(cè)(VGHx)和低側(cè)晶體管(VGLx)的電壓和電流輸入。 IDRIVE和tDRIVE對于正確的電機運行和效率非常重要; IHOLD用于將柵極維持在所需狀態(tài)，ISTRONG防止低端晶體管的柵極 - 源極電容引起導通。 (圖片：德州儀器)

首先應根據(jù)外部MOSFET的特性選擇IDRIVE和tDRIVE，例如柵極 - 漏極電荷，以及所需的上升和下降時間。例如，如果IDRIVE太低，MOSFET的上升和下降時間將會更長，從而導致高開關(guān)損耗。上升和下降時間也決定(在一定程度上)每個MOSFET的續(xù)流二極管的恢復尖峰的能量和持續(xù)時間，這可能進一步消耗效率。

當改變柵極驅(qū)動器的狀態(tài)時， IDRIVE應用于tDRIVE周期，該周期必須足夠長，以使柵極電容完全充電或放電。根據(jù)經(jīng)驗，選擇tDRIVE使其大約是MOSFET開關(guān)上升和下降時間的兩倍。請注意，tDRIVE不會增加PWM時間，如果在有效期間收到PWM命令，則會終止。

在tDRIVE周期后，使用固定保持電流(IHOLD)將門保持在期望的狀態(tài)(拉起或拉下)。在高端導通期間，低端MOSFET柵極受到強下拉，以防止晶體管的柵極 - 源極電容導致導通。

固定的tDRIVE持續(xù)時間確保在故障條件下，例如MOSFET柵極短路，峰值電流時間受到限制。這限制了傳輸?shù)哪芰坎⒎乐箵p壞柵極驅(qū)動引腳和晶體管。

結(jié)論

模塊化電機驅(qū)動器通過消除數(shù)十個分立元件節(jié)省空間并增強新一代的優(yōu)勢緊湊型，數(shù)字控制，高功率密度BLDC電機。這些“智能”柵極驅(qū)動器還包括簡化設置功率MOSFET開關(guān)時序的棘手開發(fā)過程的技術(shù)，同時減輕寄生電容的影響并降低EMI。

仍然需要注意確保外設精心選擇功率MOSFET和去耦電容等電路。但是，如圖所示，主要的電機驅(qū)動器供應商提供參考設計，開發(fā)人員可以根據(jù)這些設計原型。