【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 被加入到控制器內(nèi)部的比較器輸入端，當(dāng)電壓大時(shí)，控制器會(huì)減小輸出脈寬，通過減小輸出電流的方式來降低電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而達(dá)到速度閉環(huán)的目的。下面將具體介紹系統(tǒng)硬件的各個(gè)模塊的設(shè)計(jì)方案以及所實(shí)現(xiàn)的主要功能。主電路主要由逆變電路構(gòu)成，與電動(dòng)機(jī)的聯(lián)結(jié)關(guān)系如圖32 所示，圖中直流無刷電機(jī)額定功率為 50W，電樞繞組 Y 連接。功率逆變電路采用三相全橋逆變電路 在直流無刷電動(dòng)機(jī)的控制系統(tǒng)里，開關(guān)器件一般都選用全控型器件如 GTR、GTO、功率 MOSFET、IGBT 等。它們?cè)谀蛪骸⑷萘?、開關(guān)速度等方面的差異很大，需要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行選取。首先逆變器的開關(guān)頻率很高，功率開關(guān)元件不宜采用晶閘管，而雙極型大功率晶體管雖然在大電流導(dǎo)通時(shí)其導(dǎo)通電阻很小，但卻要求較大的驅(qū)動(dòng)功率，其開關(guān)速度也要比 MOSFET、IGBT 低。MOSFET 是一種多數(shù)載流子器件，無少數(shù)載流子的存儲(chǔ)效應(yīng)，因此開關(guān)速度快，而且 MOSFET 是一種理想的電壓控制器件，驅(qū)動(dòng)電路較為簡(jiǎn)單，MOSFET 沒有二次擊穿現(xiàn)象，工作安全區(qū)大，因此 MOSFET 特別適于高頻變流裝置，只是在高壓大電流的情況下導(dǎo)通電阻較大，器件發(fā)熱稍大。絕緣基極雙極型大功率晶體管（IGBT）則是集 MOSFET 的電壓控制與雙極型大功率晶體管的大電流、低導(dǎo)通電阻的特點(diǎn)于一體的新型復(fù)合場(chǎng)控器件，它還保持了高速、低開關(guān)損耗、對(duì)溫度不敏感等特點(diǎn)。相同面積芯片制作的 IGBT，其最大輸出電流可比MOSFET 的輸出電流增加兩倍以上。根據(jù)電路要求，電機(jī)電源為24V,功率為50W,屬于小功率電動(dòng)機(jī)。本設(shè)計(jì)選用型號(hào)為RF540的MOSFET，耐壓 200V，在保證參數(shù)余量的前提下降低了使用成本。圖32 主功率電路 MOSFET的驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)盡管功率MOSFET較其他功率開關(guān)器件容易驅(qū)動(dòng)，但為了避免器件受損，同時(shí)也為了得到最佳控制性能，設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電路時(shí)應(yīng)具備以下要求:1. 柵極電壓的限制如果柵極電壓超過20V,即使電流被限制到很小值，柵源間的氧化層也很容易被擊穿。由于該氧化層的擊穿是器件失效的最常見原因之一，應(yīng)該注意使柵源電壓不超過最大額定電壓。而且，即使所加?xùn)艠O電壓保持低于柵源間的的最大額定電壓，柵極連線的寄生電感和柵極電容藕合也會(huì)產(chǎn)生使該氧化層毀壞的振蕩電壓。通過漏柵自身電容，還能把漏極電路瞬變?cè)斐傻倪^電壓藕合過來。柵源電壓不能過高的另一個(gè)原因是:隨著柵源電壓的升高，功率MOSFET開通關(guān)斷的充放電的時(shí)間就會(huì)加長(zhǎng)，開關(guān)速度就會(huì)降低。但是柵源電壓也不能太低，原因有2個(gè):一是功率MOSFET的通態(tài)電阻是柵源電壓的函數(shù)，隨著柵源電壓的下降而增大，通態(tài)電阻的增大使得通態(tài)損耗增大。二是柵源電壓過低，抗干擾能力差，容易誤關(guān)斷。根據(jù)以上綜合考慮，一般選擇柵源電壓為1018V，本文取15V。2. 柵極電路的阻抗對(duì)一于一個(gè)己導(dǎo)通的器件，不管在線性區(qū)還是飽和區(qū)，必定是要有一定的電荷被送到柵極上，使其達(dá)到預(yù)期的電壓。理想上，達(dá)此目的的最好辦法就是借助一個(gè)電壓源，它能在盡可能短的時(shí)間內(nèi)提供任何量值的電流。如果器件用作開關(guān)運(yùn)行，驅(qū)動(dòng)電路具有供出大的瞬態(tài)電流的能力，這將減小處于線性區(qū)的時(shí)間，因而減小開關(guān)損耗。另一方面，如果器件工作在線性模式，柵極驅(qū)動(dòng)電路具有比較大的電流容量將把與“密勒”效應(yīng)相關(guān)的現(xiàn)象減至最小，從而改善本極帶寬和減小協(xié)波失真。在某些電路結(jié)構(gòu)中，即使其性能無關(guān)緊要，使柵極驅(qū)動(dòng)電路的阻抗減至最小也是重要的。在功率MOSFET的應(yīng)用中，經(jīng)常是上下橋臂串聯(lián)，同一橋臂上的另一個(gè)器件的漏極或源極施加一個(gè)階躍電壓，此電壓經(jīng)柵漏電容藕合到柵極上，該電壓可以大到使下常工作在關(guān)斷狀態(tài)時(shí)的功率MOSFET誤導(dǎo)通，或使正常工作在導(dǎo)通狀態(tài)的功率MOSFET誤關(guān)斷。減小驅(qū)動(dòng)電阻的內(nèi)阻抗，這種危險(xiǎn)就會(huì)減小，直至消失?！暗亍笨筛?dòng)的直流電源柵極驅(qū)動(dòng)電壓是對(duì)功率MOSFET源極的電壓，而不是對(duì)“地”的電壓。在功率MOSFET的應(yīng)用中，功率MOSFET經(jīng)常連接成橋臂的形式。上橋臂的功率MOSFET的源極是連接在下橋臂的功率MOSFET的漏極上，這樣上橋臂的功率MOSFET的驅(qū)動(dòng)電路的“地”就不能連在下橋臂的“地”上。這就需要一個(gè)獨(dú)立的直流電源給上橋臂的驅(qū)動(dòng)電路供電。由于本系統(tǒng)采用橋式電路，所以后面將對(duì)其做詳細(xì)介紹。，關(guān)斷時(shí)為柵極提供低電阻放電回路，以提高功率MOSFET的開關(guān)速度。，在其截止時(shí)應(yīng)提供負(fù)的柵源電壓。，功率管極間電容越大，所需電流越大，即帶負(fù)載能力越大。，電路除了滿足通常的驅(qū)動(dòng)要求外，還應(yīng)特別注意:具有足夠的峰值驅(qū)動(dòng)功率，較高的開通關(guān)斷速度。 .1驅(qū)動(dòng)電路分類按驅(qū)動(dòng)電路與柵極的連接方式可分為:直接驅(qū)動(dòng)和隔離驅(qū)動(dòng)。直接驅(qū)動(dòng)分為TTL驅(qū)動(dòng)、互補(bǔ)輸出驅(qū)動(dòng)和CMOS驅(qū)動(dòng)三種方式。隔離驅(qū)動(dòng)分為電磁隔離和光電隔離兩種。直接驅(qū)動(dòng)中常用互補(bǔ)輸出驅(qū)動(dòng)，它們被稱為圖騰柱，如圖33所示，由一對(duì)NPNPNP晶體管組成的互補(bǔ)輸出電路，采用這種電路不但可以提高開通時(shí)的速度，還可以提高關(guān)斷速度。在這種電路中，晶體管是作為射極跟隨器工作的，不會(huì)出現(xiàn)飽和，因而不影響功率MOSFET的開關(guān)頻率。圖33 互補(bǔ)驅(qū)動(dòng)電路 在實(shí)際線路中，驅(qū)動(dòng)信號(hào)與MOSFET的連接一般要做電氣上的隔離，如主回路為橋型結(jié)構(gòu)時(shí)，上、下橋臂的驅(qū)動(dòng)信號(hào)是不共地的。驅(qū)動(dòng)信號(hào)的隔離方式有多種，其中最主要的是脈沖變壓器隔離和光電禍合器隔離。采用變壓器隔離的驅(qū)動(dòng)電路一般為無源驅(qū)動(dòng)電路，它具有信號(hào)傳輸時(shí)延小，適合于高頻開關(guān)的特點(diǎn)。但是，這種隔離方式的最大缺點(diǎn)是驅(qū)動(dòng)信號(hào)的寬度受變壓器飽和限制。要解決這一問題必須增加線路的復(fù)雜程度，而且脈沖變壓器的制作工藝要求較高。采用光電禍合器隔離的驅(qū)動(dòng)電路是有源驅(qū)動(dòng)電路，它需要獨(dú)立的電源，驅(qū)動(dòng)電路的時(shí)延可以根據(jù)主回路開關(guān)頻率的要求選擇相應(yīng)工作速度的光電藕合器來達(dá)到要求，驅(qū)動(dòng)信號(hào)的寬度不受限制。但是這種隔離方式由于需要獨(dú)立電源而電路較復(fù)雜，且由于高速光電藕合器的價(jià)格使驅(qū)動(dòng)回路的成本較高。另外，一般光電耦合器初次級(jí)之間的分布電容藕合到控制回路，造成誤觸發(fā)。一個(gè)大電流關(guān)斷電路可以很快的對(duì)輸入電容放電，提供短的開關(guān)時(shí)間因而開關(guān)損耗低。對(duì)于常用的N溝道器件，大的放電電流可以通過低輸出阻抗驅(qū)動(dòng)器或負(fù)的驅(qū)動(dòng)電壓而得到?？斓拈_關(guān)速度可以降低開關(guān)損耗，但關(guān)斷加速電路由于MOSFET高的關(guān)斷di/dt和dv/dt會(huì)使波形產(chǎn)生振鈴。所以在選擇功率器件時(shí)應(yīng)考慮選擇合適的電壓等級(jí)。加速驅(qū)動(dòng)電路有以下幾種方式：（圖33中的D元件）；；3. NPN關(guān)斷電路；4. NMOS關(guān)斷電路。本章對(duì)加速驅(qū)動(dòng)電路不做詳細(xì)介紹，下面重點(diǎn)介紹高端功率MOSFET驅(qū)動(dòng)電路。功率MOSFET因耐壓較高，導(dǎo)通電流大以及低廉的價(jià)格而獲得了廣泛的應(yīng)用。在有些應(yīng)用場(chǎng)合，需要功率MOSFET用作高壓側(cè)開關(guān)，漏極接到高壓干線，負(fù)載或功率器件接在源極，如圖12所示。為保證MOSFET飽和導(dǎo)通，要求柵極驅(qū)動(dòng)電壓比漏極電壓高1015V。柵極控制電壓一般以地為參考點(diǎn)，因此柵極電壓必定高于干線電壓，其可能是系統(tǒng)中最高的電壓，控制信號(hào)必須轉(zhuǎn)換電平，使其為高壓側(cè)源極電位。同時(shí)要求柵極驅(qū)動(dòng)電路功率不會(huì)顯著地影響總效率。 圖34 高壓浮動(dòng)MOSFET應(yīng)用電路 a) 隔離電源法基本電路 b) 脈沖變壓器法基本電路 c) 電荷泵法基本電路 d) 自舉電路法基本電路圖35 高壓浮動(dòng)MOSFET驅(qū)動(dòng)常用技術(shù) 采用隔離電源法對(duì)MOSFET柵極驅(qū)動(dòng)的電路如圖35 a)所示。隔離電源的地與MOSFET源極相接，柵源電壓Ugs為隔離電源電壓，因此能夠保證MOSFET飽和導(dǎo)通。該驅(qū)動(dòng)方法對(duì)控制信號(hào)開關(guān)周期沒有要求，能夠?qū)艠O進(jìn)行連續(xù)驅(qū)動(dòng)。但每個(gè)高壓側(cè)MOSFET需要一個(gè)隔離電源，電路成本較高，同時(shí)需要將以地為參考點(diǎn)的信號(hào)進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，電平轉(zhuǎn)換器必須承受全部電壓，要求低功耗快速開關(guān)。一般要求下可以采用光電隔離器。脈沖變壓器法電路如圖35 b)所示。采用脈沖變壓器隔離驅(qū)動(dòng)，電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。開關(guān)頻率較低時(shí)，脈沖變壓器尺寸顯著增大。開關(guān)頻率較高時(shí)，由于脈沖變壓器的寄生參數(shù)不能忽視，波形變得不夠理想。如果在很寬的占空比范圍內(nèi)工作時(shí)，應(yīng)用技術(shù)復(fù)雜。不能對(duì)柵極做連續(xù)控制。3電荷泵法充電泵式電路結(jié)構(gòu)如圖35 c)所示。利用電平控制MOSFET的開啟，當(dāng)MOSFET被開啟后，以充電泵驅(qū)動(dòng)?xùn)艠O來產(chǎn)生過干線電壓。該電路同樣需要電平轉(zhuǎn)換，同時(shí)MOSFET開啟時(shí)間較長(zhǎng)，可能需要兩級(jí)泵激勵(lì)，才能保證MOSFET飽和驅(qū)動(dòng)。該驅(qū)動(dòng)方法對(duì)控制信號(hào)開關(guān)周期沒有要求，能夠?qū)艠O進(jìn)行連續(xù)驅(qū)動(dòng)，成本較低。但是開關(guān)速度較慢，不適合高頻應(yīng)用場(chǎng)合。自舉法電路如圖35d)所示。通過自舉電容產(chǎn)生過干線電壓。當(dāng)高端功率MOSFET關(guān)斷時(shí)，電源Vcc。通過自舉二極管D向自舉電容C充電，功率MOSFET驅(qū)動(dòng)電路研究C就成為驅(qū)動(dòng)器的浮動(dòng)電源。當(dāng)高端功率MOSFET導(dǎo)通時(shí)，自舉電源將超過直流母線電壓，自舉二極管截止。自舉電容C的值應(yīng)大于功率MOSFET柵極電容的10倍，驅(qū)動(dòng)器向柵極充電后，將使電容上的電壓下降約10%，在導(dǎo)通期間還將繼續(xù)下降，故自舉法不適合靜態(tài)開關(guān)。該方法簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜，但占空比和開啟時(shí)間受自舉電容刷新時(shí)間的限制，要求控制信號(hào)開關(guān)頻率在幾十赫茲以上，而且自舉電容的值必須十分精確?？刂菩盘?hào)需要進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。通過分析和計(jì)算，本系統(tǒng)采用自舉電路法來實(shí)現(xiàn)高端MOSFET驅(qū)動(dòng)，這種電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜，不需要隔離電源，但分立元件搭建的自舉電路穩(wěn)定性不夠好，所以系統(tǒng)采用IR公司生產(chǎn)的集成自舉芯片（圖36）來完成驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)。 a) 分立元件驅(qū)動(dòng)電路 b) 專用驅(qū)動(dòng)集成芯片圖36 MOSFET專用驅(qū)動(dòng)集成芯片圖37 換向電路的一個(gè)橋臂及其驅(qū)動(dòng)電路逆變電路中其中一個(gè)半橋結(jié)構(gòu)原理圖如圖37所示，由2個(gè)功能模塊組成。驅(qū)動(dòng)控制芯片采用IR2110，電力電子器件采用IRF540，續(xù)流二極管采用FER307。（1）電力電子器件的驅(qū)動(dòng) 完成對(duì)逆變電路中電力電子器件的驅(qū)動(dòng)。驅(qū)動(dòng)控制芯片采用IR2110本身具備自具功能，所以上橋驅(qū)動(dòng)信號(hào)不需要隔離。（2）逆變主回路 該全橋結(jié)構(gòu)包含6個(gè)功率MOSFET，為了減小MOSFET中寄生二極管的影響每個(gè)器件分別串并了一個(gè)快速恢復(fù)二極管。根據(jù)技術(shù)要求 控制器是以專用芯片MC33035和 MC33039來進(jìn)行設(shè)計(jì)。位置反饋采用霍爾傳感器。設(shè)計(jì)有轉(zhuǎn)速反饋閉環(huán)控制、正反轉(zhuǎn)、過電流保護(hù)等。根據(jù)技術(shù)要求 , 以 MC33035為核心構(gòu)成的控制系統(tǒng)采用 PWM方式控制電機(jī)的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速 , 采用電機(jī)內(nèi)置的霍爾傳感器檢測(cè)轉(zhuǎn)子位置。由MC33035接收霍爾傳感器的位置信號(hào) , 并對(duì)其進(jìn)行譯碼 , 對(duì)應(yīng)的真值見表31。 表31 三相六步換向表真值表以電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片MC33039作為功率變換元件 , 采用三相全橋驅(qū)動(dòng)。整個(gè)控制系統(tǒng)采用閉環(huán)控制。控制框圖如圖38所示。外