基于IR2136的無刷直流電機(jī)驅(qū)動電路的設(shè)計(jì)

摘要：實(shí)現(xiàn)了一個(gè)基于IR2136的適用于無刷直流電機(jī)的三相全橋驅(qū)動電路的設(shè)計(jì)。詳細(xì)介紹了電路的信號隔離模塊、邏輯綜合電路、三相逆變驅(qū)動電路和過流保護(hù)電路，并對電路中的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行了計(jì)算分析和選擇，最后通過Saber仿真分析軟件對設(shè)計(jì)完成的電路進(jìn)行了仿真。仿真分析結(jié)果證明，電路的設(shè)計(jì)性能完全滿足使用要求。
關(guān)鍵詞：三相全橋驅(qū)動；信號隔離模塊；三相逆變驅(qū)動；Saber

    隨著電力電子技術(shù)和高性能永磁材料的發(fā)展，無刷直流電機(jī)的應(yīng)用在航空航天、醫(yī)療、家電及自動化領(lǐng)域獲得了迅猛的發(fā)展。無刷電機(jī)驅(qū)動電路是數(shù)字控制電路和無刷直流電機(jī)聯(lián)系的紐帶，它采用功率電子開關(guān)和霍爾位置傳感器代替有刷電機(jī)中的電刷和換相器，接收來自數(shù)字電路的控制信號，將電流分配給無刷電機(jī)定子上的U、V、W三相繞組。相對于數(shù)字控制部分，驅(qū)動電路是電機(jī)控制系統(tǒng)中的薄弱環(huán)節(jié)。因此，電機(jī)功率驅(qū)動模塊電路性能的好壞將直接關(guān)系到系統(tǒng)的整體性能和可靠性。
    以IR公司的專用驅(qū)動功率芯片IR2136為中心，采用MOSFET作為功率開關(guān)器件，完成了三相全橋逆變電路的設(shè)計(jì)，選用的MOSFET管為RFP2 60N。驅(qū)動電路接收電機(jī)輸出的代表轉(zhuǎn)子位置的3個(gè)霍爾信號HA、HB、HC，并接收經(jīng)過隔離處理過的PWM波和控制電機(jī)轉(zhuǎn)向的方向信號DIR，經(jīng)過組合邏輯運(yùn)算，輸出按一定次序控制6個(gè)功率MOSFET導(dǎo)通與關(guān)斷的信號。在MOSFET的應(yīng)用中，驅(qū)動、保護(hù)這兩個(gè)問題必須全面考慮。文中詳細(xì)介紹了功率驅(qū)動電路中驅(qū)動部分和保護(hù)部分的設(shè)計(jì)，并在分析計(jì)算的基礎(chǔ)上對電路的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行了選擇。

1 功率驅(qū)動電路
    采用的驅(qū)動電路原理框圖如圖1所示，共包括4個(gè)部分：信號隔離部分、驅(qū)動部分、三相逆變橋部分及過流保護(hù)部分。

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1．1 信號隔離部分
    電機(jī)控制信號PWM和DIR產(chǎn)生電路為數(shù)字電路，工作頻率比較高，工作電壓及電流都比較低。而功率驅(qū)動模塊的電壓和電流比較大，如果驅(qū)動模塊的高壓大電流串入前端控制數(shù)字電路，將會對數(shù)字控制電路造成干擾。為了保證DSP可靠工作，必須實(shí)現(xiàn)弱信號的DSP硬件系統(tǒng)與大電流的功率放大電路之間進(jìn)行隔離與匹配。本設(shè)計(jì)中采用集成光耦HCPL2231模塊，外圍電路如圖2所示，該模塊由兩通道獨(dú)立光耦組成。光耦隔離實(shí)現(xiàn)了單方向傳遞信號，寄生反饋極小，傳輸信號帶寬為6 MHz，完全可以滿足需要傳輸?shù)腜WM和DIR信號帶寬要求。通過信號隔離，避免DSP的運(yùn)行受到功率放大電路的干擾，提高了整個(gè)控制系統(tǒng)的可靠性。另外，通過光耦將隔離后的PWM和DIR信號提高至15 V，從而提高了控制信號抗干擾毛刺的能力。

1．2 驅(qū)動部分
    驅(qū)動部分由組合邏輯電路和功率驅(qū)動電路組成。
1．2．1 組合邏輯電路
    根據(jù)控制信號PWM和DIR方向信號，結(jié)合電機(jī)霍爾位置信號HA、HB、HC，以及過流信號OC，輸出控制6個(gè)功率管開通與關(guān)斷的控制信號。由于IR2136的高端橋臂和低端橋臂的控制信號為低電平有效，根據(jù)無刷電機(jī)換相邏輯真值表，生成逆變橋的6個(gè)功率管控制信號的邏輯關(guān)系如下：
   
    根據(jù)上述邏輯關(guān)系，邏輯綜合電路采用選用集成門電路實(shí)現(xiàn)，電路如圖3所示。

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1．2．2 功率驅(qū)動電路
    在電機(jī)功率驅(qū)動電路中，三相逆變橋電路有6個(gè)功率開關(guān)器件，若每個(gè)功率開關(guān)器件都采用獨(dú)立的驅(qū)動電路驅(qū)動，則需要6個(gè)驅(qū)動電路，增加了電路的復(fù)雜性，可靠性下降。
    IR2136是功率MOSFET和IGBT專用柵極集成驅(qū)動電路，它可以驅(qū)動工作在母線電壓高達(dá)600 V的功率開關(guān)器件。它帶有3個(gè)獨(dú)立的高壓側(cè)和低壓側(cè)輸出通道，其內(nèi)部采用自舉技術(shù)，僅需要一個(gè)直流電源，就可輸出6路功率開關(guān)器件的驅(qū)動脈沖，僅需要一個(gè)直流電源，使其實(shí)現(xiàn)了對功率MOSFET和IGBT的最優(yōu)驅(qū)動，簡化了整個(gè)驅(qū)動電路的設(shè)計(jì)。而且IR2136驅(qū)動芯片內(nèi)置死區(qū)電路，以及過流保護(hù)和欠壓保護(hù)等功能。IR2136的控制邏輯輸入和CMOS、LSTTL電平兼容，同時(shí)輸入帶有噪聲濾波器，使之有很好的噪聲抑制能力。

    IR2136驅(qū)動一個(gè)半橋的電路如圖4所示。其中，C1、VD分別為自舉電容和二極管，Rg為柵極串聯(lián)電阻。自舉電容C1用來給高壓側(cè)的MOSFET提供懸浮電源。一個(gè)半橋的高壓側(cè)管在導(dǎo)通前需要先對自舉電容C1充電，當(dāng)C1兩端電壓超過閾值電壓MOSFET的柵極開啟電壓，高壓側(cè)MOSFET導(dǎo)通。
    根據(jù)設(shè)計(jì)要求，自舉電容必須能夠提供功率管導(dǎo)通時(shí)所需要的柵極電荷。自舉電容的最小設(shè)計(jì)要求一最小電荷要求為：
   
    其中Qg為功率管充分導(dǎo)通時(shí)所需要的柵極電荷，Voc為懸浮電源絕對電壓，Vf自舉二極管的正向壓降，Vl為低壓側(cè)功率管的壓降。這里Qg=234 nC，Voc=15 V，Vf=1．3 V，Vl=0．7 V，C=1．08μF。這里選擇C=1μF。
    自舉二極管用于開關(guān)二極管的充放電過程。當(dāng)高端IRFP260N管開啟時(shí)，自舉二極管必須承受著和IRFP260N漏極相同的電壓，所以二極管的反向承受電壓要大于母線電壓。充放電恢復(fù)時(shí)間極短，應(yīng)選用快恢復(fù)二極管，以減少自舉電容向電源的回饋電荷。這里選用快恢復(fù)二極管FR107作為自舉二極管。FR107的反向恢復(fù)時(shí)間小于500 ns，反向工作峰值電壓1 000 V，正向峰值壓降小于1．3 V，常溫反向電流小于5μA，高溫反向峰值電流小于100μA。

    采用IR2136驅(qū)動三相逆變橋的六個(gè)功率MOSFET的電路原理圖如圖5所示。IR2136內(nèi)置了400 ns的死區(qū)時(shí)間，防止同一橋臂的上下2個(gè)MOSF ET管同時(shí)導(dǎo)通。[!--empirenews.page--]
1．3 三相逆變橋部分
    逆變電路的作用是將動力直流電源轉(zhuǎn)換為可以驅(qū)動無刷電機(jī)運(yùn)行的三相交流電U、V和W。
    通過在IRFP260的柵極串聯(lián)一定電阻，改變MOSFET的開關(guān)速度。這里選擇柵極串聯(lián)一適當(dāng)大小的電阻。另外，由于柵源之間的阻抗很高，因此漏源間電壓的突變會通過極間電容耦合到柵極而產(chǎn)生過高的電壓過沖。對于正方向的過沖電壓，會引起MOSFET誤導(dǎo)通，導(dǎo)致橋臂直通。因此，為了適當(dāng)降低柵極驅(qū)動電路的阻抗，可以在柵源間并聯(lián)一大電阻。如圖6所示。

1．4 過流保護(hù)部分
    過流保護(hù)電路的作用是避免工作過程中電機(jī)出現(xiàn)過電流時(shí)采取的安全措施，當(dāng)驅(qū)動電路控制系統(tǒng)出現(xiàn)過電流時(shí)，關(guān)閉三相逆變橋中的功率管。

    先對母線電流進(jìn)行采樣檢測，經(jīng)過精密采樣電阻將母線電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號SAM，然后進(jìn)行簡單的濾波處理后輸入到比較器中，與設(shè)定的基準(zhǔn)值進(jìn)行比較，產(chǎn)生過流信號OC，OC信號輸出到組合邏輯電路中參與運(yùn)算。當(dāng)電流過大時(shí)時(shí)，OC信號為低電平，三相逆變橋的高壓端MOSFET關(guān)閉，電機(jī)停止工作。本設(shè)計(jì)中采用LM339芯片實(shí)現(xiàn)電路過流保護(hù)功能，過流保護(hù)電路如圖7所示。

2 仿真結(jié)果分析
    直接調(diào)用驅(qū)動芯片IR2136、IRFP260的PSPSICE仿真模型，利用Synopsys公司的仿真分析軟件Saber對功率驅(qū)動電路建立仿真分析模型進(jìn)行分析。在仿真模型中，選擇柵極串聯(lián)電阻RG=200 Ω，柵源極并聯(lián)電阻RGS=20 kΩ，直流母線電流精密采樣電阻RSAM=0．05Ω。
    其中S1F和S4F為IR2136一個(gè)橋臂的輸入控制信號，G1_G，G4_G分別為半橋高壓側(cè)MOSFET、低壓側(cè)MOSFET的柵極電壓，UA為電機(jī)的三相繞組輸入電壓。分析得出IR2136輸入控制信號有效時(shí)，MOSFET可靠導(dǎo)通；同時(shí)高端MOSFET導(dǎo)通時(shí)，低端MOSFET關(guān)閉。

3 結(jié)論
    文中設(shè)計(jì)完成了一個(gè)基于IR2136的無刷直流電機(jī)的功率驅(qū)動電路。該電路集成了輸入欠壓、防直通、過流等保護(hù)功能。另外，利用IR21 36片內(nèi)自舉功能，實(shí)現(xiàn)了全橋驅(qū)動電路的單一電源供電，并根據(jù)計(jì)算分析對電路的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行選擇。同時(shí)利用仿真分析軟件Saber對設(shè)計(jì)電路進(jìn)行了仿真，其仿真結(jié)果與理論分析相吻合。