一種用于無刷直流電動機控制系統(tǒng)的mosfe柵極驅(qū)動電路

一種用于無刷直流電動機控制系統(tǒng)的mosfe柵極驅(qū)動電路

無刷能源廣泛應(yīng)用于多個領(lǐng)域，產(chǎn)量巨大。這是電機的主要發(fā)展方向。現(xiàn)已成功應(yīng)用于軍事、航空、計算機、數(shù)控機床、機器人和電動自行車等多個領(lǐng)域。本文將結(jié)合三相無刷直流電動機在電動自行車上的應(yīng)用介紹一種MOSFET柵極驅(qū)動電路。三相無刷直流電動機具有直流電動機的特點和交流電動機的本質(zhì)。三相橋式MOSFET柵極驅(qū)動電路作為逆變器驅(qū)動電動機,其性能決定了電動機能否正確可靠運行。電路結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。電路中每一支路都有一功率MOSFET作為高壓側(cè)開關(guān)管,要使其能夠?qū)ū仨毑捎米耘e原理工作或是加浮動電源。這樣的方法有多種,如自舉法、隔離電源法、脈沖變壓器法、充電泵法、載波驅(qū)動法等。本論文中研究的電路采用自舉法驅(qū)動高壓側(cè)開關(guān)管,結(jié)構(gòu)簡單,功能可靠,工作頻率可由數(shù)十赫茲到數(shù)百千赫茲。整個驅(qū)動電路利用分立元件構(gòu)成,較之其他利用專用集成驅(qū)動電路的方法,大大降低了成本,具有很高的實用價值。出于對電路安全性、可靠性的考慮,該電路合理地設(shè)置了導(dǎo)通的死區(qū)時間,避免了在換流時發(fā)生橋臂導(dǎo)通的危險。同時,設(shè)置合適的緩沖電阻,以減小柵極控制信號的振蕩。另外,通過合理配置功率MOSFET的門極驅(qū)動電壓,降低了損耗,使整個驅(qū)動電路的效率得到了提高。1工作原則1.1橋臂導(dǎo)通控制為了便于理解本電路的原理及后面的測試方法,有必要首先將直流電動機控制系統(tǒng)的部分內(nèi)容做一下簡單介紹。如圖1所示,三相橋式電路中六只功率MOSFET作為功率開關(guān)器件使用,按照一定的組合方式和頻率開關(guān)六只功率MOSFET,A、B、C作為逆變器三相輸出驅(qū)動無刷直流電動機。在三條支路中,其中同一橋臂上的兩個功率MOSFET同時導(dǎo)通的現(xiàn)象稱為橋臂導(dǎo)通,橋臂導(dǎo)通時電源被短路,功率MOSFET流過非常大的電流,造成事故。這就對驅(qū)動電路提出了嚴(yán)格的要求:保證功率MOSFET的開通時間和關(guān)斷時間,保證器件開通和關(guān)斷的可靠性,避免橋臂直通?？刂菩盘柕牟ㄐ稳鐖D2所示,虛線部分為PWM信號(由單片機提供)。由波形圖可知,系統(tǒng)采用三相六拍制單極控制,電動機每轉(zhuǎn)一周都要經(jīng)過六次換相。PWM控制采用Hpwm_Lon的方式,即上橋臂的各個功率器件在導(dǎo)通的120°進(jìn)行PWM調(diào)制,與其配合導(dǎo)通的下橋臂的功率器件在導(dǎo)通的120°采用恒通的方式。當(dāng)上橋臂的MOSFET進(jìn)行PWM調(diào)制時,同一橋臂上的另一個MOSFET也接受PWM信號,由于柵極驅(qū)動電路的作用,在邏輯上使同一橋臂上的兩只管子交替導(dǎo)通。1.2柵極驅(qū)動電路圖3所示為一條橋臂的驅(qū)動電路,橋臂的上下管一般都采用N管。上管作為高壓側(cè)開關(guān),其漏極接到高壓干線,負(fù)載接在源極。為保證MOSFET飽和導(dǎo)通,要求柵極驅(qū)動電壓比源級電壓高10～15V。由于上管導(dǎo)通時,其源級電壓近似等于漏極電壓,因此柵極電壓必定要高于干線電壓才能驅(qū)動上管。該管的數(shù)字控制信號必須轉(zhuǎn)換電平至10～15V,并能夠浮置在其源極電位上,同時要求柵極驅(qū)動電路的功耗不會影響系統(tǒng)的總效率。該電路通過自舉的方法來實現(xiàn)柵極驅(qū)動信號的高壓浮動。圖3中,VD是48V干線電壓,Vd是15V。當(dāng)N1管基極的PWM信號(如圖4所示)為低電平時,N1管和P2管都不導(dǎo)通,Vd經(jīng)D1向自舉電容C3充電,此時V1管是關(guān)斷的,而V2管是導(dǎo)通的。當(dāng)N1管基極的PWM信號為高電平時,N1管和P2管相繼導(dǎo)通,由于D1的作用,自舉電容C3的電壓通過P2加到V1管的柵極,這就使V1管的柵極電壓高于漏極電壓一個VC3的值(VC3等于Vd),使V1管飽和導(dǎo)通,此時V2管必須是關(guān)斷的,否則將造成橋臂導(dǎo)通。當(dāng)N1管基極的PWM信號再次轉(zhuǎn)為低電平時,P1管導(dǎo)通,使V1管的柵極電容迅速放電,從而使其及時關(guān)斷。對于V2管,當(dāng)N3的基極為低電平時,N3不導(dǎo)通,其集電極為高電位,接到V2管的柵極使其導(dǎo)通,當(dāng)N3的基極為高電平時,N3導(dǎo)通,其集電極電位被拉到地,V2柵極電位為低,V2管關(guān)斷。1.3電路設(shè)計與電壓驅(qū)動正確匹配MOSFET的門極驅(qū)動電壓能夠獲得額外的效率提高。一般來說,采用較高的電壓驅(qū)動MOSFET門極將導(dǎo)致較低的關(guān)聯(lián)導(dǎo)通電阻,直至降低到某一特定值,這在MOSFET導(dǎo)通電阻所造成的功率損耗在總損耗中占主導(dǎo)時是十分有益的。較高的門極驅(qū)動電壓電平可將更多的電荷沖入MOSFET的柵極——源極連接點,從而在MOSFET的驅(qū)動器極造成更大的損耗,較高的門極充電需求還會造成更長的充電時間,這將會影響到開關(guān)損耗。這種矛盾關(guān)系要求門極要使用合適的電壓驅(qū)動,使增加的門極電荷與功率損耗小于其通過降低導(dǎo)通電阻所節(jié)省的功率。對于傾向于開關(guān)損耗的情況,應(yīng)首先考慮較低的門極電荷,其次考慮導(dǎo)通電阻,而對于傾向于導(dǎo)電損耗的情況,應(yīng)首先考慮較低的導(dǎo)通電阻,其次考慮門極電荷。電路采用Hpwm_Lon的PWM驅(qū)動方式,上橋臂的MOSFET在導(dǎo)通的120°用PWM信號驅(qū)動,傾向于開關(guān)損耗,與其配合在120°范圍內(nèi)恒導(dǎo)通的下橋臂MOSFET傾向于導(dǎo)電損耗。對于上管,在保證可以使其飽和導(dǎo)通的前提下,盡量降低門極驅(qū)動電壓的振幅。對于下管,可適當(dāng)抬高門極驅(qū)動電壓以降低導(dǎo)通電阻,從而減少損耗。1.4兩級管路不同時導(dǎo)通的影響為了避免橋臂直通,一般要求柵極控制信號有一個死區(qū)時間T0(如圖5)以確保在換流時兩只管子不同時導(dǎo)通。這個死區(qū)時間T0既不能太長,又不能太短。太長,則造成輸出電壓諧波成分增加,太短,則不能發(fā)揮應(yīng)起的作用。死區(qū)時間T0的大小可以根據(jù)電路的性能以及功率MOSFET的開通時間和關(guān)斷時間來確定。1.5人為延長器件的開通時間同一橋臂上的兩個功率MOSFET在開通和關(guān)斷的轉(zhuǎn)換過程中,由于較高的dvdtdvdt,柵極驅(qū)動信號會產(chǎn)生振蕩,導(dǎo)致功率MOSFET產(chǎn)生很大的開關(guān)損耗。當(dāng)上管開通時,會在下管柵極產(chǎn)生阻尼衰減振蕩信號。更嚴(yán)重的是若振蕩的幅值達(dá)到MOSFET的門檻電壓,下管將開通,造成上下功率管的直通現(xiàn)象,造成MOSFET的損壞。開通時間是影響驅(qū)動信號振蕩幅值的主要因素,二者成反比列關(guān)系。適當(dāng)延長器件的開通時間,即可在很大程度上減小振蕩幅值。因此需在功率MOSFET的柵極前加一個緩沖電阻R1,人為延長器件的開通時間,在功率MOSFET的柵源極間并聯(lián)電容C1以延長柵極電容的充電時間,降低電壓變化率。緩沖電阻的阻值要設(shè)置適當(dāng),因為過大的電阻會引起更長的開通時間和關(guān)斷時間,不但會與減小死區(qū)時間的要求相違背,而且還會增加功率MOSFET的開關(guān)損耗。因此要根據(jù)電流容量和電壓的額定值以及開關(guān)頻率來選擇合適的緩沖阻值。緩沖電路參數(shù)通常的選取原則為:RC=1(6~10)fRC=1(6~10)f式中:f為MOSFET的工作頻率驅(qū)動電阻選得合適,有利于降低電路損耗和保證驅(qū)動電路的安全運行。圖3中緩沖電阻R1的阻值為150Ω。2柵極控制信號分析從系統(tǒng)的控制方式和電路結(jié)構(gòu)可以看出,避免橋臂導(dǎo)通是重點,對電路可靠性要求最高的一種情況是上下兩個功率MOSFET的柵極驅(qū)動電路的輸入端同時加PWM信號。所以,我們可以在兩個功率MOSFET的驅(qū)動電路輸入端加PWM控制信號進(jìn)行測試。PWM控制信號的頻率不能太高,亦不能太低,頻率太高,將增加功率MOSFET的開關(guān)損耗,頻率太低,電動機的振蕩將會在聽得見的頻率范圍內(nèi)變成噪聲。折中考慮,將該電路PWM測試信號定為頻率20kHz,幅值為5V的方波。如圖6,圖示為V1管柵極驅(qū)動信號,通過自舉的方法,V1管柵極電壓幅值為63V,干線電壓為48V,高于干線電壓15V,高出的15V電壓來源于自舉電容。同一橋臂上下兩管的柵極控制波形如圖7所示。圖中,幅值為63V的方波信號為V1管柵極驅(qū)動信號,幅值為15V的方波信號為V2管柵極驅(qū)動信號,當(dāng)V1管柵極接收高電平時,V2管柵極是低電平,V1管柵極是低電平時,V2管柵極是高電平,顯然,在邏輯上兩管是不會同時導(dǎo)通的。如圖8所示,柵極控制信號的死區(qū)時間T0為1.5μs,由圖可看出,T0保證了上下管在換流時不發(fā)生短路現(xiàn)象。如圖9、圖10所示,功率MOSFET的柵極驅(qū)動信號具有較快的上升時間和下降時間,分別為386.0μs和183.2μs,這對于降低開關(guān)損耗是比較重要的。3