【導讀】采用鋰離子電池供電的高功率密度，高效率，三相無(wú)刷直流（BLDC）電機可實(shí)現無(wú)繩電動(dòng)工具，真空吸塵器和電動(dòng)自行車(chē)的開(kāi)發(fā)。然而，為了節省更緊湊的機電設備的空間，設計人員面臨著(zhù)進(jìn)一步縮小其電機控制電子設備的壓力。
采用鋰離子電池供電的高功率密度，高效率，三相無(wú)刷直流（BLDC）電機可實(shí)現無(wú)繩電動(dòng)工具，真空吸塵器和電動(dòng)自行車(chē)的開(kāi)發(fā)。然而，為了節省更緊湊的機電設備的空間，設計人員面臨著(zhù)進(jìn)一步縮小其電機控制電子設備的壓力。
這不是一項簡(jiǎn)單的任務(wù)。除了將驅動(dòng)器組件擠壓到狹小空間的明顯困難之外，將所有部件推得更緊密地增加了熱管理，當然還有電磁干擾（EMI）問(wèn)題。
電機控制電路設計人員可以做出更纖薄的設計通過(guò)轉向新一代高度集成的柵極驅動(dòng)器，這是電機控制系統中關(guān)鍵的元件。
本文將介紹BLDC電機在引入合適的柵極驅動(dòng)器之前的操作以及如何使用它們來(lái)克服緊湊型電機控制系統的設計挑戰。
構建更好的電動(dòng)機
由于能源效率和節省空間的雙重商業(yè)壓力，電動(dòng)機設計迅速發(fā)展。數字控制的BLDC電機代表了這一演變的一個(gè)方面。電機的普及是由于使用電子換向，與傳統（電刷換向）直流電機相比，效率更高，對于以相同速度和負載運行的電機，效率提高了20％到30％。
這種改進(jìn)使BLDC電機能夠在給定的功率輸出下更小，更輕，更安靜。 BLDC電機的其他優(yōu)點(diǎn)包括出色的速度與轉矩特性，更動(dòng)態(tài)的響應，無(wú)噪音運行以及更高的速度范圍。工程師們還推動(dòng)設計在更高的電壓和頻率下運行，因為這樣可以使緊湊型電動(dòng)機完成與更大的傳統電機相同的工作。
BLDC電機成功的關(guān)鍵是電子開(kāi)關(guān)模式電源和電機控制電路產(chǎn)生一個(gè)三相輸入，進(jìn)而產(chǎn)生旋轉磁場(chǎng)，拉動(dòng)電機的轉子。由于磁場(chǎng)和轉子以相同的頻率旋轉，電機被歸類(lèi)為“同步”?；魻栃獋鞲衅鱾鬟f定子和轉子的相對位置，使控制器可以在適當的時(shí)刻切換磁場(chǎng)。 “無(wú)傳感器”技術(shù)可監測反電動(dòng)勢（EMF）以確定定子和轉子位置。
順序向三相BLDC電機施加電流的常見(jiàn)配置包括三對功率MOSFET安排在橋梁結構中。每對充當逆變器，將來(lái)自電源的直流電壓轉換為驅動(dòng)電機繞組所需的交流電壓（圖1）。在高壓應用中，通常使用絕緣柵雙極晶體管（IGBT）代替MOSFET。
圖1：數字三相BLDC電機控制通常使用三對MOSFET，每對MOSFET為電機的一個(gè)繞組提供交流電壓。 （圖像：德州儀器）
晶體管對包括一個(gè)低端器件（源極接地）和一個(gè)高端器件（源極在地和高壓電源軌之間浮動(dòng)）。
在典型的布置中，使用脈沖寬度調制（PWM）來(lái)控制MOSFET柵極，其有效地將輸入DC電壓轉換為調制的驅動(dòng)電壓。應該使用比預期的電動(dòng)機轉速高至少一個(gè)數量級的PWM頻率。每對MOSFET控制電機一相的磁場(chǎng)。有關(guān)驅動(dòng)BLDC的更多信息，請參閱庫文章“如何為無(wú)刷直流電機供電和控制。”
電動(dòng)機控制系統
完整的電機控制系統包括電源，主機微控制器，柵極驅動(dòng)器和半橋拓撲結構的MOSFET（圖2）。微控制器設置PWM占空比并負責開(kāi)環(huán)控制。在低壓設計中，柵極驅動(dòng)器和MOSFET橋有時(shí)集成在一個(gè)單元中。然而，對于高功率單元，柵極驅動(dòng)器和MOSFET橋接器是分開(kāi)的，以便于熱管理，使得不同的工藝技術(shù)可用于柵極驅動(dòng)器和橋接器，并限度地降低EMI。
圖2：基于TI MSP 430微控制器的BLDC電動(dòng)機控制原理圖。 （圖像：德州儀器）
MOSFET橋可以由分立器件或集成芯片組成。將低端和高端MOSFET集成在同一封裝中的關(guān)鍵優(yōu)勢在于，即使MOSFET具有不同的功耗，它也允許頂部和底部MOSFET之間的自然熱均衡。無(wú)論是集成還是離散，每個(gè)晶體管對都需要一個(gè)獨立的柵極驅動(dòng)器來(lái)控制開(kāi)關(guān)時(shí)序和驅動(dòng)電流。
也可以使用分立元件設計柵極驅動(dòng)器電路。這種方法的優(yōu)勢在于它允許工程師調整柵極驅動(dòng)器以匹配MOSFET特性并優(yōu)化性能。缺點(diǎn)是需要高水平的電機設計經(jīng)驗和適應分立解決方案所需的空間。
模塊化電機控制解決方案提供了另一種選擇，市場(chǎng)上有各種各樣的集成柵極驅動(dòng)器。更好的模塊化門(mén)驅動(dòng)解決方案包括：
高集成度以限度地減少器件所需的空間
高驅動(dòng)電流可降低開(kāi)關(guān)損耗并提高效率
高柵極驅動(dòng)電壓，確保MOSFET導通內阻（“RDS（ON）”）
高電流過(guò)流，過(guò)壓和過(guò)溫保護，可在惡劣的條件下實(shí)現可靠的系統運行
德州儀器（TI）的DRV8323x系列三相柵極驅動(dòng)器可降低系統元件數量，降低成本和復雜性，同時(shí)滿(mǎn)足高效BLDC電機的需求。
DRV8323x系列有三種型號。每個(gè)都集成了三個(gè)獨立的柵極驅動(dòng)器，能夠驅動(dòng)高側和低側MOSFET對。柵極驅動(dòng)器包括一個(gè)電荷泵，用于為高端晶體管產(chǎn)生高柵極電壓（具有高達100％的占空比支持），以及一個(gè)用于為低端晶體管供電的線(xiàn)性穩壓器。
TI柵極驅動(dòng)器包括讀出放大器，如果需要，還可以配置為放大低端MOSFET上的電壓。這些器件可提供高達1安培的電流，具有2安培吸收峰值柵極驅動(dòng)電流，并可通過(guò)單電源供電，輸入電源范圍為6至60伏。
DRV8323R版本，適用于例如，集成三個(gè)雙向電流檢測放大器，使用低側分流電阻監控每個(gè)MOSFET橋的電流水平?？赏ㄟ^(guò)SPI或硬件接口調整電流檢測放大器的增益設置。微控制器連接到DRV8323R的EN_GATE，因此它可以啟用或禁用柵極驅動(dòng)輸出。
DRV8323R器件還集成了一個(gè)600毫安（mA）降壓穩壓器，可用于為外部控制器供電。該穩壓器可以使用柵極驅動(dòng)器電源或單獨的一個(gè)（圖3）。
圖3：高度集成的柵極驅動(dòng)器，如TI的DRV8323R在節省空間的同時(shí)減少系統組件數量，成本和復雜性。 （圖像：德州儀器）
柵極驅動(dòng)器具有多種保護功能，包括電源欠壓鎖定，電荷泵欠壓鎖定，過(guò)流監控，柵極驅動(dòng)器短路檢測和過(guò)溫關(guān)斷。
每個(gè)DRV832x都封裝在尺寸僅為5 x 5到7 x 7毫米（mm）的芯片中（取決于選項）。這些產(chǎn)品可以節省超過(guò)24個(gè)分立元件所需的空間。
使用集成柵極驅動(dòng)器進(jìn)行設計
為了使設計人員能夠正常運行，TI提供了參考設計TIDA-01485。這是一款99％效率，1千瓦（kW）功率級參考設計，適用于三相36伏BLDC電機，適用于使用十節鋰離子電池供電的電動(dòng)工具等應用。
參考設計展示了如何使用高度集成的柵極驅動(dòng)器（如DRV8323R），通過(guò)在此功率級別形成電機控制電路之一的基礎，節省電機控制設計的空間。參考設計實(shí)現了基于傳感器的控制。 （參見(jiàn)圖書(shū)館文章“為什么以及如何正弦控制三相無(wú)刷直流電機”。）
參考設計的主要元件是MSP430F5132微控制器，DRV8323R柵極驅動(dòng)器和三個(gè)CSD88599 60伏特半橋MOSFET功率模塊（圖4）。
圖4：TIDA-01485是1 kW，99％效率的功率級參考設計用于三相36伏BLDC電機，可由十節鋰離子電池供電。 （圖像：德州儀器）
雖然柵極驅動(dòng)器是高度集成的模塊化解決方案，消除了分立設計的許多復雜性，但仍需要一些設計工作來(lái)創(chuàng )建完全工作的系統。參考設計通過(guò)展示一個(gè)全面的解決方案幫助設計人員繪制原型。
例如，柵極驅動(dòng)器需要多個(gè)去耦電容才能正常工作。在參考設計中，1微法（μF）電容（C13）將低端MOSFET的驅動(dòng)電壓（DVDD）去耦，該電壓源自DRV8323R的內部線(xiàn)性穩壓器（圖5）。該電容必須盡可能靠近柵極驅動(dòng)器放置，以盡量減小環(huán)路阻抗。需要一個(gè)值為4.7μF（C10）的第二個(gè)去耦電容來(lái)將直流電源輸入（PVDD）與36伏電池去耦。
圖5：DRV8323R柵極驅動(dòng)器的應用電路。應盡量減少走線(xiàn)長(cháng)度以限制EMI。 （圖片：德州儀器）
二極管D6有助于在短路條件下電池電壓下降時(shí)隔離柵極驅動(dòng)器電源。該二極管非常重要，因為它的存在使PVDD去耦電容（C10）能夠在小持續時(shí)間下降時(shí)保持輸入電壓。
保持電壓可防止柵極驅動(dòng)器進(jìn)入不希望的欠壓鎖定狀態(tài)。 C11和C12是使電荷泵工作的關(guān)鍵器件，也應盡可能靠近柵極驅動(dòng)器。
通常，良好的設計做法是盡量減小高端和低端的環(huán)路長(cháng)度側柵極驅動(dòng)器，主要用于降低EMI。高端環(huán)路從DRV8323 GH_X到功率MOSFET，并通過(guò)SH_X返回。低側環(huán)路從DRV8323 GL_X到功率MOSFET，并通過(guò)GND返回。
切換時(shí)序的重要性
MOSFET的選擇是性能和效率的關(guān)鍵BLDC電機由于沒(méi)有兩個(gè)MOSFET系列完全相同，因此每種選擇都取決于所需的開(kāi)關(guān)時(shí)間。即使是稍微錯誤的定時(shí)也會(huì )導致問(wèn)題，包括低效率，高EMI和可能的電機故障。
例如，不正確的定時(shí)會(huì )導致直通，導致低壓和高壓的情況側面MOSFET偶然導通，導致災難性的短路。其他時(shí)序問(wèn)題包括由可能損壞MOSFET的寄生電容觸發(fā)的瞬變。外部短路，焊接橋或MOSFET在特定狀態(tài)下掛起也會(huì )引發(fā)問(wèn)題。
TI將其DRV8323標記為“智能”柵極驅動(dòng)器，因為它為設計人員提供了對時(shí)序和反饋的控制以消除這些問(wèn)題。例如，驅動(dòng)器包括一個(gè)內部狀態(tài)機，用于防止柵極驅動(dòng)器中的短路事件，控制MOSFET橋死區時(shí)間（IDEAD），并防止外部功率MOSFET的寄生導通。
DRV8323柵極驅動(dòng)器還包括用于高側和低側驅動(dòng)器的可調節推挽式拓撲結構，可實(shí)現外部MOSFET橋的強大上拉和下拉，以避免雜散電容問(wèn)題?？烧{柵極驅動(dòng)器支持動(dòng)態(tài)柵極驅動(dòng)電流（IDRIVE）和持續時(shí)間（tDRIVE）變化（不需要限流柵極驅動(dòng)電阻）來(lái)微調系統操作（圖6）。
圖6：用于三相BLDC電機的一個(gè)MOSFET橋中的高側（VGHx）和低側晶體管（VGLx）的電壓和電流輸入。 IDRIVE和tDRIVE對于正確的電機運行和效率非常重要; IHOLD用于將柵極維持在所需狀態(tài)，ISTRONG防止低端晶體管的柵極 - 源極電容引起導通。 （圖片：德州儀器）
首先應根據外部MOSFET的特性選擇IDRIVE和tDRIVE，例如柵極 - 漏極電荷，以及所需的上升和下降時(shí)間。例如，如果IDRIVE太低，MOSFET的上升和下降時(shí)間將會(huì )更長(cháng)，從而導致高開(kāi)關(guān)損耗。上升和下降時(shí)間也決定（在一定程度上）每個(gè)MOSFET的續流二極管的恢復尖峰的能量和持續時(shí)間，這可能進(jìn)一步消耗效率。
當改變柵極驅動(dòng)器的狀態(tài)時(shí)， IDRIVE應用于tDRIVE周期，該周期必須足夠長(cháng)，以使柵極電容完全充電或放電。根據經(jīng)驗，選擇tDRIVE使其大約是MOSFET開(kāi)關(guān)上升和下降時(shí)間的兩倍。請注意，tDRIVE不會(huì )增加PWM時(shí)間，如果在有效期間收到PWM命令，則會(huì )終止。
在tDRIVE周期后，使用固定保持電流（IHOLD）將門(mén)保持在期望的狀態(tài)（拉起或拉下）。在高端導通期間，低端MOSFET柵極受到強下拉，以防止晶體管的柵極 - 源極電容導致導通。
固定的tDRIVE持續時(shí)間確保在故障條件下，例如MOSFET柵極短路，峰值電流時(shí)間受到限制。這限制了傳輸的能量并防止損壞柵極驅動(dòng)引腳和晶體管。
結論
模塊化電機驅動(dòng)器通過(guò)消除數十個(gè)分立元件節省空間并增強新一代的優(yōu)勢緊湊型，數字控制，高功率密度BLDC電機。這些“智能”柵極驅動(dòng)器還包括簡(jiǎn)化設置功率MOSFET開(kāi)關(guān)時(shí)序的棘手開(kāi)發(fā)過(guò)程的技術(shù)，同時(shí)減輕寄生電容的影響并降低EMI。
仍然需要注意確保外設精心選擇功率MOSFET和去耦電容等電路。但是，如圖所示，主要的電機驅動(dòng)器供應商提供參考設計，開(kāi)發(fā)人員可以根據這些設計原型。
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