【文章內(nèi)容簡介】 動方式。 逆變電路的驅動電路：弱電控制強電，接收 CPLD 主控芯片對于各功率管的控制信號 ，生成相應的信號驅動對應的三相橋的功率管。 逆變電路的保護電路：采樣檢測流過 MOS功率管的電流，防止由于某種原因而使功率管過流燒毀。 CPLD：系統(tǒng)的主控芯片及其基本外設 電源管理：把總電源變換成各模塊需要的額定工作電壓，分配給各個模塊；并包含對電源的過壓和欠壓檢測電路。 人機接口：通過 LED 指示燈，顯示系統(tǒng)當前的運行狀態(tài)；接收用戶的控制指令，生成相應的信號傳遞給主控芯片。 電機的 3 路霍爾輸出：直接接入 CPLD 主控芯片 C P L D逆 變 電 路 的驅 動 電 路三 相 橋 逆變 電 路逆 變 電 路 的保 護 電 路電 機 的 3 路 霍 爾 輸 出電 源 管 理人 機 接 口B L D C 圖 21 基于 CPLD的 BLDC控制器結構框圖 10 各模塊解析 三相橋逆變電路 逆變電路采用三相六臂全橋結構，其簡化的原理圖如下圖 22所示。 213Q1PWM1213Q2PWM2213Q3PWM3213Q4PWM4213Q5PWM5213Q6PWM6VCCAB C 圖 22 三相橋逆變電路原理圖 其三個橋臂都是完全相同的結構，通過門極輸入的 PWM控制信號，實現(xiàn)每相的 PWM 電壓輸出，實現(xiàn)對電機的調(diào)壓驅動。 下面以采用 H_PWM_L_ON 的方式生成 PWM 波，來驅動電機為例，說明電路的工作過程。這種驅動方式，具體的說是，對于電機的三相連接線 A、 B、 C 端口，其中懸空相端口：與其相 連的兩個 MOS 管全部高阻；其中需要高電平的相端口：與其相連的上端的 MOS 管柵極接收 PWM 控制信號，間歇性的導通關斷，而另一個下端 MOS 管完全高阻，即是使這相受到電源的 PWM 驅動；而剩下的需要低電平的端口：與其相連的上端 MOS 管高阻，下端 MOS 管完全導通接地。 比如，在 AB 相導通時，給 Q1 柵極的是 PWM 信號，給 Q4 的是完全導通信號（柵極高電平），而其余 MOS 管全部高阻（柵極低電平）。這樣既可通過調(diào)節(jié) PWM信號的占空比，調(diào)節(jié) AB 相的驅動電壓。但在這存在一個問題，由于電機繞組電感的存在，相電流不能突變，這就導致 在上端的 MOS 管 PWM 周期關短時刻，在 A端將產(chǎn)生很大的逆感應電動勢。故 MOS 中已經(jīng)集成的這個穩(wěn)壓二極管發(fā)揮著延續(xù)相電流流動，防止擊穿 MOS 管的作用。 對電路實際應用時的幾個問題的分析： 11 1） MOS管的選型 P（ positive）溝道 MOSFET 的載流子是空穴，與電子相比，它的?活動性?差，且有?少數(shù)載流子生存時間?短的缺陷，這些都是影響半導體器件性能的重要參數(shù)。通常 P 溝道 FET 的性能較差，他有較高的柵極門限電壓、較高的 onR 以及較低的飽和電流 [9]。 所以方案中，采用 全 N（ negative）溝道的 MOSFET 構成逆變橋。實際選用的型號為 IRFP2907。 2） MOS 管的驅動 在選擇全 N 溝道 MOSFET 后，由其工作特性可知，當給柵源極間加一個正向電壓，并且其值超過數(shù)據(jù)手冊上的閾值電壓 GSV （以 IRFP2907 為例， 100A 的導通飽和電流對應 VVGS 5? ）時 , 場效應管的 D極和 S 極就會導通 (IV特性曲線 )，且一般 N 型功率型場效應管的閾值電壓都會在 3~20V 之間。 依舊以 AB 相導通為例，此時 Q1和 Q4 管導通，一般場效應管的導通電阻 onR都在毫歐級，所以 B點的電位近似為 0V， A點的電位就近似為 VCC。這就使得要驅動這兩個 MOS 管， Q1 管的柵極電壓要大于（ GSVVCC? ）， Q4 管的柵極電壓要大于 GSV 。這使得采用 CPLD 端口直驅（或加三極管信號放大直驅）的方式將不可行。 故方案中采用了三片 MOS 管的專用驅動芯片（ IR2181），來驅動各自的 MOS管橋臂。詳見逆變電路 MOS 管的驅動電路。 3） 選用的 IRFP2907 MOSFET 的基本參數(shù)： 1. 額定參數(shù)（ Absolute Maximum Ratings） 參數(shù)名稱 最大值 單位 C25T @ I c ??D 持續(xù)漏極電流， 10V @V GS 209 A DMI 漏極峰值電流 840 A C25T @ P CD ?? 功耗 470 W GSV 柵源極擊穿電壓 20 ? V 方案實際采用的逆變電路原理圖如下圖 23所示。 12 213Q1IRFP290710KR310KR720KR51D5IN4744D1HER104D3HER104213Q2IRFP290710KR410KR820KR6D6IN47441D2HER104D4HER104213Q3IRFP290710KR910KR1320KR11D11IN4744D7HER104D9HER104213Q4IRFP290710KR1010KR1420KR12D12IN4744D8HER104D10HER104213Q5IRFP290710KR1510KR1920KR17D17IN4744D13HER104D15HER104213Q6IRFP290710KR1610KR2020KR18D18IN4744D14HER104D16HER104VS1VS2VS3FAULT_1FAULT_2FAULT_3FAULT_4FAULT_5FAULT_6HO1LO1HO2 HO3LO2LO3VCC 圖 23 方案實際采用的逆變電路 213Q2IRFP290710KR410KR820KR6D6IN47441D2HER104D4HER104FAULT_2LO1 213Q2IRFP290710KR410KR820KR6D6IN47441D2HER104D4HER104FAULT_2LO1 圖 24 構成逆變橋的基本 MOS模塊 圖 25 MOS管外圍驅動電路 從圖中不難發(fā)現(xiàn)，逆變電路由如圖 24所示的完全相同的 MOS 模塊構成。由于電勢的相對性，故對于每個模塊來說，他們的工作原理也是完全一致的。故下面只對其中一個做分析 此驅動電路中， MOSFET工作在開關管狀態(tài) DSTGS VVV ?? )( ,可以用 SR開關模型對其建模，結合柵極電容， 可描述為 SRC模型 [10]，如下圖 26所示： DSGCGSTGS VV ?DSGCGSTGS VV ?關斷狀態(tài) 導通狀態(tài)onR 圖 26 MOSFET的開關 電阻 電容（ SRC）模型 其中，查表可知， ?? ， 13 模型也可用代數(shù)方式描述為：???????? VV 0 VV TGSTGSONDSDS RVi （ 1） 如圖 25 所示，模塊中用虛線包圍的這部分電路，是驅動 MOS 管的輔助電路。此模塊用 MOS 管的 SRC 模型可等價描述為如圖 27 所示的電路。 10KR820KR6D6IN4744LO1CGS 圖 27 MOS管外圍驅動電路的等效電路 其中各元器件的作用如下： R6的 4 個 作用： 1）防止震蕩： 上級的 I/O輸出口及連接導線都會帶點分布電感，這使得在電壓突變的情況下可能和柵極電容 issC 形成 LC 振蕩，當它們之間串上 R6后，可增大阻尼而減小振蕩效果。 2）減小柵極充電峰值電流： 當柵極電壓拉高時，首先會對柵極電容充電，充電峰值電流可大致計算為： Ansns nCtt QI rd( on ) g 410 ????? （ 2） 可見驅動脈沖電流很大，串上 R6后可放慢充電時間而減小柵極充電電流 3）保護 場效應管的 DS極不被擊穿： 當柵極關斷時， DS從導通狀態(tài)變?yōu)榻刂範顟B(tài)時，漏源極電壓 VDS會迅速增加，如果過快，就會擊穿器件，所以添加 R6可以讓柵極電容慢慢放電，而不至于使器件擊穿。 4）和 IN4744 構成穩(wěn)壓電路，防止 GSV 擊穿： 柵源極擊穿電壓 VVGS 20?? ， IN4744 穩(wěn)壓管穩(wěn)壓值 15V。故可防止由于 MOS管的驅動電路故障或環(huán)境靜電而損壞 MOS 管。 MOS 管外圍的其他的元器件，是 MOS管過流保護模塊的對流過 MOS 管電流 值14 的采樣電路。詳見逆變電路 MOS 管的過流保護電路。 逆變電路 MOS 管的驅動電路 MOSFET的驅動電路設計不當， MOSFET很容易損壞。采用成熟的驅動控制芯片IR2181S組成的電路 ，可有效簡化系統(tǒng)的復雜性。 IR2181S優(yōu)點是可靠性高，外圍電路簡單，兼容 5VLSTTL數(shù)字電路靜態(tài)規(guī)則。浮動驅動端可以驅動 N通道 MOSFET或者 IGBT在高壓側電壓 600V時的場合，最大輸出電流可達到 （高端） （低端）。 1）芯片結構及原理和典型電路 其主要由：輸入邏輯電路，電 平轉換器，低端功率晶體驅動管和高端晶體驅動管組成。結構框圖如下圖 28所示。 圖 28 IR2181的結構框圖 其典型電路如下圖 29所示。 圖 29 IR2181的典型電路 15 2）方案中實際采用電路的分析 如下圖 210所示，即為方案中實際采用的基于 IR2181的 MOS管驅動電路。 VCC5HIN1LIN2COM3LO4Vs6HO7Vb8U13IR2181SD32FR107225C24225C27104C33100uF25VC30D29FR107+15VVS1V_HB1VCC5HIN1LIN2COM3LO4Vs6HO7Vb8U14IR2181SD33FR107225C25225C28104C34100uF25VC311D30FR107+15VVS2V_HB2VCC5HIN1LIN2COM3LO4Vs6HO7Vb8U15IR2181SD34FR107225C26225C29104C35100uF25V12C32D31FR107+15VVS3V_HB3U_HinU_LinV_HinV_LinW_HinW_LinHO1LO1HO2LO2HO3LO3 圖 210 基于 IR2181的 MOS管驅動電路 不難發(fā)現(xiàn)，其由完全相同的三個模塊來分別驅動逆變電路完全相同的三個MOS橋臂。下面以第一橋臂的驅動電路為例，來進行分析說明。 CPLD芯片的兩個端口（ U_Hin、 U_Lin）輸出對應信號控制橋臂，上下端 MOS管的導通邏輯控制 PWM信號，直接接 IR2181驅動芯片的輸出控制端口（ HIN、 LIN輸入引腳）。其中下端 MOS的驅動信號 LO，以地為零電勢參考點，驅動橋臂下端的 MOS管柵極，輸出的驅動信號幅值大概在 15V左右，滿足下端 MOS管的大電流導通要求。而另一個上端 MOS的驅動信號 HO，以 VS點的電勢為零參考點。當 VS點電勢需要從低電勢變?yōu)楦唠妱輹r，由于自舉電容（ C2 C27）的存在，使得上端 MOS管柵極的驅動信號 HO的電勢與源極電勢 VS的差，始終維持在 15V左右。這使得 上端 MOS管滿足大電流導通要求。 16 逆變電路 MOS 管的過流保護電路 由于此 BLDC 控制器，在實際的應用中存在逆變橋功率輸出線短接等的安全隱患。從而存在燒毀控制器 MOS 管的可能。故引入逆變電路 MOS管的過流保護電路，是很有必要的。 1） MOS 管導通電流采樣電路： 依舊取逆變橋的基本構成模塊，進行分析。 213Q2IRFP290710KR410KR820KR6D6IN47441D2HER104D4HER104FAULT_2LO1 圖 211 MOS模塊的 MOS