基于IR2136的無刷直流電機驅(qū)動電路的設計

摘要：實現(xiàn)了一個基于IR2136的適用于無刷直流電機的三相全橋驅(qū)動電路的設計。詳細介紹了電路的信號隔離模塊、邏輯綜合電路、三相逆變驅(qū)動電路和過流保護電路，并對電路中的關鍵參數(shù)進行了計算分析和選擇，最后通過Saber仿真分析軟件對設計完成的電路進行了仿真。仿真分析結果證明，電路的設計性能完全滿足使用要求。
關鍵詞：三相全橋驅(qū)動；信號隔離模塊；三相逆變驅(qū)動；Saber

    隨著電力電子技術和高性能永磁材料的發(fā)展，無刷直流電機的應用在航空航天、醫(yī)療、家電及自動化領域獲得了迅猛的發(fā)展。無刷電機驅(qū)動電路是數(shù)字控制電路和無刷直流電機聯(lián)系的紐帶，它采用功率電子開關和霍爾位置傳感器代替有刷電機中的電刷和換相器，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)動電路是電機控制系統(tǒng)中的薄弱環(huán)節(jié)。因此，電機功率驅(qū)動模塊電路性能的好壞將直接關系到系統(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作為功率開關器件，完成了三相全橋逆變電路的設計，選用的MOSFET管為RFP2 60N。驅(qū)動電路接收電機輸出的代表轉子位置的3個霍爾信號HA、HB、HC，并接收經(jīng)過隔離處理過的PWM波和控制電機轉向的方向信號DIR，經(jīng)過組合邏輯運算，輸出按一定次序控制6個功率MOSFET導通與關斷的信號。在MOSFET的應用中，驅(qū)動、保護這兩個問題必須全面考慮。文中詳細介紹了功率驅(qū)動電路中驅(qū)動部分和保護部分的設計，并在分析計算的基礎上對電路的關鍵參數(shù)進行了選擇。

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部分。

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1．1 信號隔離部分
    電機控制信號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行隔離與匹配。本設計中采用集成光耦HCPL2231模塊，外圍電路如圖2所示，該模塊由兩通道獨立光耦組成。光耦隔離實現(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的運行受到功率放大電路的干擾，提高了整個控制系統(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，結合電機霍爾位置信號HA、HB、HC，以及過流信號OC，輸出控制6個功率管開通與關斷的控制信號。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)無刷電機換相邏輯真值表，生成逆變橋的6個功率管控制信號的邏輯關系如下：
   
    根據(jù)上述邏輯關系，邏輯綜合電路采用選用集成門電路實現(xiàn)，電路如圖3所示。

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1．2．2 功率驅(qū)動電路
    在電機功率驅(qū)動電路中，三相逆變橋電路有6個功率開關器件，若每個功率開關器件都采用獨立的驅(qū)動電路驅(qū)動，則需要6個驅(qū)動電路，增加了電路的復雜性，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600 V的功率開關器件。它帶有3個獨立的高壓側和低壓側輸出通道，其內(nèi)部采用自舉技術，僅需要一個直流電源，就可輸出6路功率開關器件的驅(qū)動脈沖，僅需要一個直流電源，使其實現(xiàn)了對功率MOSFET和IGBT的最優(yōu)驅(qū)動，簡化了整個驅(qū)動電路的設計。而且IR2136驅(qū)動芯片內(nèi)置死區(qū)電路，以及過流保護和欠壓保護等功能。IR2136的控制邏輯輸入和CMOS、LSTTL電平兼容，同時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用來給高壓側的MOSFET提供懸浮電源。一個半橋的高壓側管在導通前需要先對自舉電容C1充電，當C1兩端電壓超過閾值電壓MOSFET的柵極開啟電壓，高壓側MOSFET導通。
    根據(jù)設計要求，自舉電容必須能夠提供功率管導通時所需要的柵極電荷。自舉電容的最小設計要求一最小電荷要求為：
   
    其中Qg為功率管充分導通時所需要的柵極電荷，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二極管的充放電過程。當高端IRFP260N管開啟時，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。充放電恢復時間極短，應選用快恢復二極管，以減少自舉電容向電源的回饋電荷。這里選用快恢復二極管FR107作為自舉二極管。FR107的反向恢復時間小于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)時間，防止同一橋臂的上下2個MOSF ET管同時導通。[!--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換為可以驅(qū)動無刷電機運行的三相交流電U、V和W。
    通過在IRFP260的柵極串聯(lián)一定電阻，改變MOSFET的開關速度。這里選擇柵極串聯(lián)一適當大小的電阻。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誤導通，導致橋臂直通。因此，為了適當降低柵極驅(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 過流保護部分
    過流保護電路的作用是避免工作過程中電機出現(xiàn)過電流時采取的安全措施，當驅(qū)動電路控制系統(tǒng)出現(xiàn)過電流時，關閉三相逆變橋中的功率管。

    先對母線電流進行采樣檢測，經(jīng)過精密采樣電阻將母線電流信號轉換為電壓信號SAM，然后進行簡單的濾波處理后輸入到比較器中，與設定的基準值進行比較，產(chǎn)生過流信號OC，OC信號輸出到組合邏輯電路中參與運算。當電流過大時時，OC信號為低電平，三相逆變橋的高壓端MOSFET關閉，電機停止工作。本設計中采用LM339芯片實現(xiàn)電路過流保護功能，過流保護電路如圖7所示。

2 仿真結果分析
    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IR2136一個橋臂的輸入控制信號，G1_G，G4_G分別為半橋高壓側MOSFET、低壓側MOSFET的柵極電壓，UA為電機的三相繞組輸入電壓。分析得出IR2136輸入控制信號有效時，MOSFET可靠導通；同時高端MOSFET導通時，低端MOSFET關閉。

3 結論
    文中設計完成了一個基于IR2136的無刷直流電機的功率驅(qū)動電路。該電路集成了輸入欠壓、防直通、過流等保護功能。另外，利用IR21 36片內(nèi)自舉功能，實現(xiàn)了全橋驅(qū)動電路的單一電源供電，并根據(jù)計算分析對電路的關鍵參數(shù)進行選擇。同時利用仿真分析軟件Saber對設計電路進行了仿真，其仿真結果與理論分析相吻合。