无刷直流电动机功率驱动电路设计
时间：07-31
来源：现代电子技术
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0 引 言
无刷直流电动机是随着电力电子技术和高性能永磁材料而迅速发展并得到广泛应用的新机种。无刷直流电动机不仅保持了传统直流电动机良好的动、静态调速特性，且结构简单，运行可靠，易于控制，维护方便，寿命长。它的应用从最初的军事工业，向航空航天、医疗、信息、家电以及工业自动化领域迅速发展。无刷直流电动机已经不是专指具有电子换相的直流电机，而是泛指有刷直流电动机外部特性的电子换相电机。
1 无刷直流电机功率驱动电路
无刷直流电动机一般由电子换相电路、转子位置检测电路和电动机本体3部分组成，电子换相电路一般由控制部分和驱动部分组成，而对转子位置的检测一般用位置传感器完成。工作时，控制器根据位置传感器测得的电机转子位置有序地触发驱动电路中的各个功率管，进行有序换流，以驱动直流电动机。
无刷直流电动机的功率驱动电路采用以IR公司的专用驱动芯片IR2130为中心的6个N沟道的MOS-FET管组成的三相全桥逆变电路，其输入是以功率地为地的PWM波，送到IR2130的输入端口，输出控制N沟道的功率驱动管MOSFET，由此驱动无刷直流电动机。采用这种驱动方式主要是功率驱动芯片 IR2130对"自举"技术形成悬浮的高压侧电源的巧妙运用，简化了整个驱动电路的设计，提高了系统的可靠性，而且IR2130驱动芯片内置死区电路，以及过流保护和欠压保护等功能，大大降低了电路设计的复杂度，进一步提高了系统的可靠性。
2 IR2130驱动芯片的特点
IR2130可用来驱动母线电压不高于600 V电路中的功率MOS门器件，其可输出的最大正向峰值驱动电流为250 mA，而反向峰值驱动电流为500 mA。由于它内部设计有过流、过压及欠压保护、封锁和指示网络，可使用户方便地用来保护被驱动的MOS门功率管。加之巧妙地运用内部的自举技术使其用于高压系统，还可对同一桥臂上下2个功率器件的门极驱动信导产生2μs互锁延时时间。由于它自身工作和电源电压的范围较宽(3～20 V)，在它的内部还设计有与被驱动的功率器件所通过的电流成线性关系的电流放大器，电路设计还保证了内部的3个通道的高压侧驱动器与低压侧驱动器可单独使用，亦可只用其内部的3个低压侧驱动器，并 且输入信号与TTL及COMS电平兼容。
电机控制的驱动器采用IR2130芯片。IR2130是一种高电压、高速度的功率MOSFET和IGBT、驱动器，工作电压为10～20 V，分别有3个独立的高端和低端输出通道。逻辑输入与CMOS或LSTTL输出兼容，最小可以达到2．5 V逻辑电压。外围电路中的参考地运行放大器，通过外部的电流检测电位器来提供全桥电路电流的模拟反馈值，如果超出设定或调整的参考电流值，则IR2130 驱动器的内部电流保护电路就启动关断输出通道，实现电流保护的作用。IR2130驱动器反映高脉冲电流缓冲器的状态，传输延迟和高频放大器相匹配，浮动通道能够用来驱动N沟道功率MOSFET和IGBT，最高电压可达到600 V。
IR2130芯片可同时控制6个大功率管的导通和关断顺序，通过输出H01～H03分别控制三相全桥驱动电路的上半桥Q1，Q3，Q5导通关断；而 IR2130的输出L01～L03分别控制三相全桥驱动电路的下半桥Q4，Q6，Q2导通关断，从而达到控制电机转速和正反转的目的。IR2130芯片内部有电流比较电路，可以进行电机比较电流的设定。设定值可以作为软件保护电路的参考值，这样可以使电路能够适用于对不同功率电机的控制。IR2130的典型电路如图1所示。
(1)驱动芯片IR2130内置了2．5μs的死区时间；防止同一桥臂的上下两个MOSFET同时导通，使电源电压短路，电源不通过电动机。这避免了功率驱动电路在硬件系统上电瞬间IR2130的误输出。
(2)功率驱动电路采用上桥臂功率MOSFET管进行PWM调制的方式控制。
在调制过程中，自举电容只有在高端器件(上桥臂MOSFET管)关断时，VS的电位被拉到功率地时自举电容才被充电。因此，同一桥臂上的下桥臂器件开通时间(上桥臂器件关断时间)应足够长，以保证自举电容的电荷被充满，当上桥臂开通时维持上桥臂有足够的时间导通。
(3)由于功率驱动电路的上桥臂三路高压侧栅极驱动电源是通过自举电容充电来获得的，因此与IR2130供电电源连接的二极管，其反向耐压必须大于被驱动的功率MOSFET管工作的峰值母线电压。为了防止自举电容两端的放电，二极管要选用高频的快恢复二极管，功率驱动电路选用FR104，它的最大反向恢复时间为150 ns，最大反向耐压400 V。
(4)上桥臂高压侧自举电容的容量取决于被驱动的功率MOSFET管开关频率、导通和关断占空比以及栅极充电电流的需要。为了防止自举电容放电后造成其两端电压低于欠压保护动作的门槛电压值，使得IR2130关断，电容取值应较大，此功率驱动电路选择10μF的电解电容。
(5)功率驱动芯片IR2130内部的6个驱动MOS-FET管(RFG40N10)，其输出阻抗较低，导通输出电阻rDS(ON)=0．04 Ω，直接驱动功率MOSFET器件可能造成器件MOSFET漏一源极之间的振荡。
这样会引起射频干扰，也有可能造成器件MOS-FET因承受过高的dv／dt而被击穿。因此在功率管的栅极与IR2130的输出之间串联一个阻值为30 Ω的无感电阻。栅源极间的电阻主要提供放电回路，使自举电容的电压快速放掉。
无刷直流电动机是随着电力电子技术和高性能永磁材料而迅速发展并得到广泛应用的新机种。无刷直流电动机不仅保持了传统直流电动机良好的动、静态调速特性，且结构简单，运行可靠，易于控制，维护方便，寿命长。它的应用从最初的军事工业，向航空航天、医疗、信息、家电以及工业自动化领域迅速发展。无刷直流电动机已经不是专指具有电子换相的直流电机，而是泛指有刷直流电动机外部特性的电子换相电机。
1 无刷直流电机功率驱动电路
无刷直流电动机一般由电子换相电路、转子位置检测电路和电动机本体3部分组成，电子换相电路一般由控制部分和驱动部分组成，而对转子位置的检测一般用位置传感器完成。工作时，控制器根据位置传感器测得的电机转子位置有序地触发驱动电路中的各个功率管，进行有序换流，以驱动直流电动机。
无刷直流电动机的功率驱动电路采用以IR公司的专用驱动芯片IR2130为中心的6个N沟道的MOS-FET管组成的三相全桥逆变电路，其输入是以功率地为地的PWM波，送到IR2130的输入端口，输出控制N沟道的功率驱动管MOSFET，由此驱动无刷直流电动机。采用这种驱动方式主要是功率驱动芯片 IR2130对"自举"技术形成悬浮的高压侧电源的巧妙运用，简化了整个驱动电路的设计，提高了系统的可靠性，而且IR2130驱动芯片内置死区电路，以及过流保护和欠压保护等功能，大大降低了电路设计的复杂度，进一步提高了系统的可靠性。
2 IR2130驱动芯片的特点
IR2130可用来驱动母线电压不高于600 V电路中的功率MOS门器件，其可输出的最大正向峰值驱动电流为250 mA，而反向峰值驱动电流为500 mA。由于它内部设计有过流、过压及欠压保护、封锁和指示网络，可使用户方便地用来保护被驱动的MOS门功率管。加之巧妙地运用内部的自举技术使其用于高压系统，还可对同一桥臂上下2个功率器件的门极驱动信导产生2μs互锁延时时间。由于它自身工作和电源电压的范围较宽(3～20 V)，在它的内部还设计有与被驱动的功率器件所通过的电流成线性关系的电流放大器，电路设计还保证了内部的3个通道的高压侧驱动器与低压侧驱动器可单独使用，亦可只用其内部的3个低压侧驱动器，并 且输入信号与TTL及COMS电平兼容。
电机控制的驱动器采用IR2130芯片。IR2130是一种高电压、高速度的功率MOSFET和IGBT、驱动器，工作电压为10～20 V，分别有3个独立的高端和低端输出通道。逻辑输入与CMOS或LSTTL输出兼容，最小可以达到2．5 V逻辑电压。外围电路中的参考地运行放大器，通过外部的电流检测电位器来提供全桥电路电流的模拟反馈值，如果超出设定或调整的参考电流值，则IR2130 驱动器的内部电流保护电路就启动关断输出通道，实现电流保护的作用。IR2130驱动器反映高脉冲电流缓冲器的状态，传输延迟和高频放大器相匹配，浮动通道能够用来驱动N沟道功率MOSFET和IGBT，最高电压可达到600 V。
IR2130芯片可同时控制6个大功率管的导通和关断顺序，通过输出H01～H03分别控制三相全桥驱动电路的上半桥Q1，Q3，Q5导通关断；而 IR2130的输出L01～L03分别控制三相全桥驱动电路的下半桥Q4，Q6，Q2导通关断，从而达到控制电机转速和正反转的目的。IR2130芯片内部有电流比较电路，可以进行电机比较电流的设定。设定值可以作为软件保护电路的参考值，这样可以使电路能够适用于对不同功率电机的控制。IR2130的典型电路如图1所示。
(1)驱动芯片IR2130内置了2．5μs的死区时间；防止同一桥臂的上下两个MOSFET同时导通，使电源电压短路，电源不通过电动机。这避免了功率驱动电路在硬件系统上电瞬间IR2130的误输出。
(2)功率驱动电路采用上桥臂功率MOSFET管进行PWM调制的方式控制。
在调制过程中，自举电容只有在高端器件(上桥臂MOSFET管)关断时，VS的电位被拉到功率地时自举电容才被充电。因此，同一桥臂上的下桥臂器件开通时间(上桥臂器件关断时间)应足够长，以保证自举电容的电荷被充满，当上桥臂开通时维持上桥臂有足够的时间导通。
(3)由于功率驱动电路的上桥臂三路高压侧栅极驱动电源是通过自举电容充电来获得的，因此与IR2130供电电源连接的二极管，其反向耐压必须大于被驱动的功率MOSFET管工作的峰值母线电压。为了防止自举电容两端的放电，二极管要选用高频的快恢复二极管，功率驱动电路选用FR104，它的最大反向恢复时间为150 ns，最大反向耐压400 V。
(4)上桥臂高压侧自举电容的容量取决于被驱动的功率MOSFET管开关频率、导通和关断占空比以及栅极充电电流的需要。为了防止自举电容放电后造成其两端电压低于欠压保护动作的门槛电压值，使得IR2130关断，电容取值应较大，此功率驱动电路选择10μF的电解电容。
(5)功率驱动芯片IR2130内部的6个驱动MOS-FET管(RFG40N10)，其输出阻抗较低，导通输出电阻rDS(ON)=0．04 Ω，直接驱动功率MOSFET器件可能造成器件MOSFET漏一源极之间的振荡。
这样会引起射频干扰，也有可能造成器件MOS-FET因承受过高的dv／dt而被击穿。因此在功率管的栅极与IR2130的输出之间串联一个阻值为30 Ω的无感电阻。栅源极间的电阻主要提供放电回路，使自举电容的电压快速放掉。