图 1:数控三相 BLDC 电机通常使用三对 MOSFET 进行控制,一对 MOSFET 为一个电机绕组提供 AC 电压。(图片来源:Texas Instruments)
晶体管对包括低压侧器件(源极接地)和高压侧器件(源极在接地和高压电源轨之间浮动)。 在典型布局中,使用脉宽调制 (PWM) 控制 MOSFET 栅极,可以有效地将输入 DC 电压转换为调制驱动电压。其中应使用至少比预期最大电机转速高一个数量级的 PWM 频率。一对 MOSFET 可以控制一个电机相位的磁场。
电机控制系统一个完整的电机控制系统包括电源、主机微控制器、栅极驱动器以及采用半桥拓扑结构的 MOSFET(图 2)。微控制器用于设置 PWM 占空比并负责开环控制。在低压设计中,栅极驱动器和 MOSFET 桥有时会集成在一个单元中。然而,对于高功率单元,为方便热管理,栅极驱动器和 MOSFET 桥会分开布置,这样可以针对栅极驱动器和桥采用不同的工艺威廉希尔官方网站
并最大限度地降低 EMI。
图 2:基于 ti MSP 430 微控制器的 BLDC 电机控制示意图。(图片来源:Texas Instruments) MOSFET 桥可由分立器件或集成芯片组成。将低压侧和高压侧 MOSFET 集成到同一封装的关键优势是,即使两个 MOSFET 存在不同的功率耗散,集成后也可以使上下 MOSFET 之间实现自然热平衡。无论是集成式还是分立式,每对晶体管都需要独立的栅极驱动器来控制开关时序和驱动电流。
此外,可以使用分立元件来设计栅极驱动器电路。这种方法的优势在于,工程师可以根据 MOSFET 特征精确调整栅极驱动器并对性能进行优化。不过,这种方法也存在缺点,它需要高水平的电机设计经验以及容纳分立解决方案所需的空间。 模块化电机控制解决方案提供了另一种选择,市场上有各种各样的集成式栅极驱动器。较好的模块化栅极驱动解决方案包括:
• 高度集成解决方案,可最大限度地减少器件所需的空间
• 高栅极驱动电压解决方案,可确保以最小内阻(“RDS(ON)”)导通 MOSFET
像 Texas Instruments 的 DRV8323x 三相栅极驱动器系列之类的器件不仅能满足高能效 BLDC 电机的要求,还能减少系统的元件数量,同时降低成本和复杂性。
DRV8323x 系列有三种型号。每种型号都集成了三个独立的栅极驱动器,能够驱动高压侧和低压侧的 MOSFET 对。栅极驱动器包含一个电荷泵,可为高压侧晶体管产生高栅极电压(最高支持 100% 占空比),还包含一个线性稳压器,可为低压侧晶体管供电。
TI 栅极驱动器包括感应放大器。如果需要,可以对放大器进行配置,以放大通过整个低压侧 MOSFET 的电压。这些器件可拉出最高 1 A 和灌入 2 A 的峰值栅极驱动电流,其采用单电源供电并具有 6 V 至 60 V 的超宽输入电源范围。
例如,DRV8323R 版驱动器集成了三个双向电流检测放大器,利用低压侧分流电阻器通过每个 MOSFET 桥来监控电流水平。电流检测放大器的增益设置可通过 SPI 或硬件接口进行调整。微控制器连接至 DRV8323R 的 EN_GATE,因此可以启用或禁用栅极驱动输出。
此外,DRV8323R 驱动器还集成了一个 600 mA 的降压稳压器,可为外部控制器供电。该稳压器既可以使用栅极驱动器电源,也可以使用单独电源(图 3)。
图 4:TIDA-01485 是一个效率达 99%、功率级为 1 kW 的参考设计,适用于可由 10 芯锂离子电池供电的三相 36 V BLDC 电机。(图片来源:Texas Instruments)
虽然栅极驱动器是一个高度集成的模块化解决方案,能够消除分立设计所带来的诸多复杂性,但仍需要做一些设计来打造能够充分发挥其作用的系统。该参考设计为设计人员展示了一个全面的解决方案,可帮助其设计原型。
例如,栅极驱动器需要几个去耦电容器才能正常运行。在参考设计中,1 微法 (μF) 电容器 (C13) 实现了低压侧 MOSFET 驱动电压 (DVDD) 的去耦,而该电压来自 DRV8323R 的内部线性稳压器(图 5)。该电容器必须放置在尽可能靠近栅极驱动器的位置,才能最大限度地减小回路阻抗。此外,需要第二个 4.7 μF 电容器 (C10) 对 36 V 电池的直流电源输入 (PVDD) 去耦。
尽管如此,还是需要精心选择外围电路,如功率 MOSFET 和去耦电容器。不过如上所示,主流的电机驱动器供应商均会提供参考设计,供开发人员设计自己的原型。