如何使用BLDC電機(jī)克服緊湊電機(jī)控制系統(tǒng)面臨的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)

如何使用BLDC電機(jī)克服緊湊電機(jī)控制系統(tǒng)面臨的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)由鋰離子供電的高功率密度、高能效、三相無(wú)刷直流（BLDC）電機(jī)可用于開(kāi)發(fā)無(wú)線電動(dòng)工具、真空吸塵器和電動(dòng)自行車(chē)。然而，為了給更緊湊的機(jī)電產(chǎn)品節(jié)省出空間，設(shè)計(jì)人員面臨進(jìn)一步縮小電機(jī)控制電子器件的壓力。這項(xiàng)任務(wù)并不簡(jiǎn)單。除了將驅(qū)動(dòng)元件壓縮到狹小空間這個(gè)顯著的難題外，還有因所有器件靠的更近而造成的熱管理問(wèn)題，當(dāng)然還有電磁干擾（EMI）問(wèn)題。電機(jī)控制電路設(shè)計(jì)人員可以采用新一代高度集成的柵極驅(qū)動(dòng)器來(lái)實(shí)現(xiàn)更纖薄的設(shè)計(jì)。它是電機(jī)控制系統(tǒng)最關(guān)鍵的元件。本文將先探討B(tài)LDC電機(jī)的運(yùn)行，然后再介紹合適的柵極驅(qū)動(dòng)器以及如何使用它們來(lái)克服緊湊電機(jī)控制系統(tǒng)所面臨的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。打造更好的電機(jī)由于在商業(yè)上面臨著能效和節(jié)省空間的雙重壓力，電機(jī)設(shè)計(jì)得到了迅猛的發(fā)展。數(shù)控BLDC電機(jī)代表了這一發(fā)展的一個(gè)分支。這種電機(jī)的普及要?dú)w功于電子換向技術(shù)的應(yīng)用。在該技術(shù)的幫助下，BLDC電機(jī)的效率要遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)（有刷換向）直流電機(jī)。如果兩種電機(jī)以相同速度和負(fù)載運(yùn)行，BLDC電機(jī)的效率會(huì)比傳統(tǒng)電機(jī)高20％-30％。這種改進(jìn)使得BLDC電機(jī)能夠在給定功率輸出條件下變得更小、更輕、更安靜。此外，BLDC電機(jī)還擁有其他多種優(yōu)勢(shì)，包括更好的速度比扭矩特性、更快的動(dòng)態(tài)響應(yīng)、無(wú)噪聲運(yùn)行以及更高的速度范圍。與此同時(shí)，工程師們也在推動(dòng)設(shè)計(jì)向著更高電壓和更高頻率發(fā)展，因?yàn)檫@可讓緊湊型電機(jī)完成與大型傳統(tǒng)電機(jī)同樣的功能。BLDC電機(jī)成功的關(guān)鍵在于其電子開(kāi)關(guān)模式電源以及電機(jī)控制電路，這種電路可以產(chǎn)生一個(gè)三相輸入，進(jìn)而產(chǎn)生能夠拉動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。由于磁場(chǎng)和轉(zhuǎn)子以相同頻率旋轉(zhuǎn)，因此這種電機(jī)被歸類為“同步”電機(jī)?；魻栃?yīng)傳感器可傳達(dá)定子和轉(zhuǎn)子的相對(duì)位置，確保了控制器能夠在適當(dāng)時(shí)刻切換磁場(chǎng)。此外，它還采用了“無(wú)傳感器”技術(shù)，通過(guò)監(jiān)控反電動(dòng)勢(shì)（EMF）來(lái)確定定子和轉(zhuǎn)子的位置。在三相BLDC電機(jī)中，依序施加電流的最常見(jiàn)配置是以橋式結(jié)構(gòu)排列三對(duì)功率MOSFET。每對(duì)功率MOSFET均充當(dāng)逆變器，用于將來(lái)自電源的DC電壓轉(zhuǎn)換為驅(qū)動(dòng)電機(jī)繞組所需的AC電壓（圖1）。在高壓應(yīng)用中，通常使用絕緣柵雙極晶體管（IGBT）代替MOSFET。數(shù)控三相BLDC電機(jī)通常使用三對(duì)MOSFET進(jìn)行控制，一對(duì)MOSFET為一個(gè)電機(jī)繞組提供AC電壓。晶體管對(duì)包括低壓側(cè)器件（源極接地）和高壓側(cè)器件（源極在接地和高壓電源軌之間浮動(dòng)）。在典型布局中，使用脈寬調(diào)制（PWM）控制MOSFET柵極，可以有效地將輸入DC電壓轉(zhuǎn)換為調(diào)制驅(qū)動(dòng)電壓。其中應(yīng)使用至少比預(yù)期最大電機(jī)轉(zhuǎn)速高一個(gè)數(shù)量級(jí)的PWM頻率。一對(duì)MOSFET可以控制一個(gè)電機(jī)相位的磁場(chǎng)。有關(guān)驅(qū)動(dòng)BLDC的更多信息，請(qǐng)參閱資料庫(kù)文章《如何對(duì)無(wú)刷直流電機(jī)進(jìn)行供電和控制》。電機(jī)控制系統(tǒng)一個(gè)完整的電機(jī)控制系統(tǒng)包括電源、主機(jī)微控制器、柵極驅(qū)動(dòng)器以及采用半橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的MOSFET（圖）。微控制器用于設(shè)置PWM占空比并負(fù)責(zé)開(kāi)環(huán)控制。在低壓設(shè)計(jì)中，柵極驅(qū)動(dòng)器和MOSFET橋有時(shí)會(huì)集成在一個(gè)單元中。然而，對(duì)于高功率單元，為方便熱管理，柵極驅(qū)動(dòng)器和MOSFET橋會(huì)分開(kāi)布置，這樣可以針對(duì)柵極驅(qū)動(dòng)器和橋采用不同的工藝技術(shù)并最大限度地降低EMI。圖：基于TIMSP430微控制器的BLDC電機(jī)控制示意圖。（圖片來(lái)源：TexasInstruments）MOSFET橋可由分立器件或集成芯片組成。將低壓側(cè)和高壓側(cè)MOSFET集成到同一封裝的關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)是，即使兩個(gè)MOSFET存在不同的功率耗散，集成后也可以使上下MOSFET之間實(shí)現(xiàn)自然熱平衡。無(wú)論是集成式還是分立式，每對(duì)晶體管都需要獨(dú)立的柵極驅(qū)動(dòng)器來(lái)控制開(kāi)關(guān)時(shí)序和驅(qū)動(dòng)電流。此外，可以使用分立元件來(lái)設(shè)計(jì)柵極驅(qū)動(dòng)器電路。這種方法的優(yōu)勢(shì)在于，工程師可以根據(jù)MOSFET特征精確調(diào)整柵極驅(qū)動(dòng)器并對(duì)性能進(jìn)行優(yōu)化。不過(guò)，這種方法也存在缺點(diǎn)，它需要高水平的電機(jī)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)以及容納分立解決方案所需的空間。模塊化電機(jī)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式柵極驅(qū)動(dòng)器。較好的模塊化柵極驅(qū)動(dòng)解決方案包括：高度集成解決方案，可最大限度地減少器件所需的空間高驅(qū)動(dòng)電流解決方案，可降低開(kāi)關(guān)損耗并提高效率高柵極驅(qū)動(dòng)電壓解決方案，可確保以最小內(nèi)阻（“RDS（ON）”）導(dǎo)通MOSFET高水平過(guò)流、過(guò)壓和過(guò)熱保護(hù)解決方案，可確保系統(tǒng)能夠在最壞情況下可靠運(yùn)行像TexasInstruments的DRV8323x三相柵極驅(qū)動(dòng)器系列之類的器件不僅能滿足高能效BLDC電機(jī)的要求，還能減少系統(tǒng)的元件數(shù)量，同時(shí)降低成本和復(fù)雜性。DRV8323x系列有三種型號(hào)。每種型號(hào)都集成了三個(gè)獨(dú)立的柵極驅(qū)動(dòng)器，能夠驅(qū)動(dòng)高壓側(cè)和低壓側(cè)的MOSFET對(duì)。柵極驅(qū)動(dòng)器包含一個(gè)電荷泵，可為高壓側(cè)晶體管產(chǎn)生高柵極電壓（最高支持100%占空比），還包含一個(gè)線性穩(wěn)壓器，可為低壓側(cè)晶體管供電。TI柵極驅(qū)動(dòng)器包括感應(yīng)放大器。如果需要，可以對(duì)放大器進(jìn)行配置，以放大通過(guò)整個(gè)低壓側(cè)MOSFET的電壓。這些器件可拉出最高1A和灌入2A的峰值柵極驅(qū)動(dòng)電流，其采用單電源供電并具有6V至60V的超寬輸入電源范圍。例如，DRV8323R版驅(qū)動(dòng)器集成了三個(gè)雙向電流檢測(cè)放大器，利用低壓側(cè)分流電阻器通過(guò)每個(gè)MOSFET橋來(lái)監(jiān)控電流水平。電流檢測(cè)放大器的增益設(shè)置可通過(guò)SPI或硬件接口進(jìn)行調(diào)整。微控制器連接至DRV8323R的EN_GATE，因此可以啟用或禁用柵極驅(qū)動(dòng)輸出。此外，DRV8323R驅(qū)動(dòng)器還集成了一個(gè)600mA的降壓穩(wěn)壓器，可為外部控制器供電。該穩(wěn)壓器既可以使用柵極驅(qū)動(dòng)器電源，也可以使用單獨(dú)電源（圖）。圖：高集成度柵極驅(qū)動(dòng)器（如TI的DRV8323R）可以減少系統(tǒng)元件數(shù)量，降低成本和復(fù)雜性，同時(shí)節(jié)省空間。（圖片來(lái)源：TexasInstruments）這些柵極驅(qū)動(dòng)器具有多項(xiàng)保護(hù)功能，如電源欠壓鎖定、充電泵欠壓鎖定、過(guò)流監(jiān)控、柵極驅(qū)動(dòng)器短路檢測(cè)以及過(guò)熱關(guān)斷等。每個(gè)DRV832x都封裝在一個(gè)尺寸僅為5x5-7x7mm（取決于選件）的芯片中。這些產(chǎn)品可以節(jié)省24個(gè)以上分立元件所需的空間。采用集成式柵極驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行設(shè)計(jì)為使設(shè)計(jì)人員快速開(kāi)始設(shè)計(jì)，TI提供了參考設(shè)計(jì)TIDA-01485。TIDA-01485是一個(gè)效率達(dá)99%、功率級(jí)為1千瓦（kW）的參考設(shè)計(jì)，適用于各種應(yīng)用的三相36伏BLDC電機(jī)，例如以10芯鋰離子電池供電的電動(dòng)工具等。該參考設(shè)計(jì)通過(guò)構(gòu)建此功率級(jí)最小的電機(jī)控制電路之一，展示了如何使用高度集成的柵極驅(qū)動(dòng)器（如DRV8323R）在電機(jī)控制設(shè)計(jì)中節(jié)省空間。該參考設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了基于傳感器的控制。（請(qǐng)參閱資料庫(kù)文章《正弦控制三相無(wú)刷直流電機(jī)的原因和方法》。）該參考設(shè)計(jì)的主要元件包括MSP430F5132微控制器、DRV8323R柵極驅(qū)動(dòng)器和三個(gè)CSD8859960V半橋MOSFET電源模塊（圖）。圖：TIDA-01485是一個(gè)效率達(dá)99%、功率級(jí)為1kW的參考設(shè)計(jì)，適用于可由10芯鋰離子電池供電的三相36VBLDC電機(jī)。（圖片來(lái)源：TexasInstruments）雖然柵極驅(qū)動(dòng)器是一個(gè)高度集成的模塊化解決方案，能夠消除分立設(shè)計(jì)所帶來(lái)的諸多復(fù)雜性，但仍需要做一些設(shè)計(jì)來(lái)打造能夠充分發(fā)揮其作用的系統(tǒng)。該參考設(shè)計(jì)為設(shè)計(jì)人員展示了一個(gè)全面的解決方案，可幫助其設(shè)計(jì)原型。例如，柵極驅(qū)動(dòng)器需要幾個(gè)去耦電容器才能正常運(yùn)行。在參考設(shè)計(jì)中，1微法（μF）電容器（C13）實(shí)現(xiàn)了低壓側(cè)MOSFET驅(qū)動(dòng)電壓（DVDD）的去耦，而該電壓來(lái)自DRV8323R的內(nèi)部線性穩(wěn)壓器（圖）。該電容器必須放置在盡可能靠近柵極驅(qū)動(dòng)器的位置，才能最大限度地減小回路阻抗。此外，需要第二個(gè)4.7μF電容器（C10）對(duì)36V電池的直流電源輸入（PVDD）去耦。圖：DRV8323R柵極驅(qū)動(dòng)器應(yīng)用電路。應(yīng)盡量減少跡線長(zhǎng)度，以限制EMI。（圖片來(lái)源：TexasInstruments）二極管D6有助于隔離柵極驅(qū)動(dòng)器電源，以防在出現(xiàn)短路情況時(shí)電池電壓驟降。此二極管非常重要，因?yàn)樗拇嬖诳纱_保PVDD去耦電容器（C10）在短時(shí)電壓驟降情況下保持輸入電壓。保持電壓可防止柵極驅(qū)動(dòng)器進(jìn)入不需要的欠壓鎖定狀態(tài)。C11和C12是使電荷能夠正常運(yùn)行的關(guān)鍵器件，也應(yīng)盡可能地將這兩個(gè)器件放置在靠近柵極驅(qū)動(dòng)器的位置。一般來(lái)說(shuō)，好的設(shè)計(jì)思路是盡量減少高壓側(cè)和低壓側(cè)柵極驅(qū)動(dòng)器的回路長(zhǎng)度，其主要目的是減少EMI。高壓側(cè)回路是從DRV8323GH_X到功率MOSFET，并通過(guò)SH_X返回。低壓側(cè)回路是從DRV8323GL_X到功率MOSFET，并通過(guò)GND返回。開(kāi)關(guān)時(shí)序的重要性如何選擇MOSFET是關(guān)系到BLDC電機(jī)性能和效率的關(guān)鍵。由于沒(méi)有兩個(gè)MOSFET系列完全相同，因此每次選擇MOSFET時(shí)都取決于所需的開(kāi)關(guān)時(shí)間。即使是稍微弄錯(cuò)時(shí)序，也會(huì)導(dǎo)致效率低下、EMI升高以及電機(jī)可能出現(xiàn)故障等問(wèn)題。例如，不正確的時(shí)序會(huì)引起擊穿，這種情況會(huì)造成低壓側(cè)和高壓側(cè)MOSFET同時(shí)導(dǎo)通，進(jìn)而導(dǎo)致災(zāi)難性短路。其他定時(shí)問(wèn)題包括寄生電容觸發(fā)瞬變，進(jìn)而可能損壞MOSFET。此外，外部短路、焊料橋或MOSFET在特定狀態(tài)下掛起也會(huì)引起問(wèn)題。TI將其DRV8323稱為“智能”柵極驅(qū)動(dòng)器，原因是這款驅(qū)動(dòng)器可以為設(shè)計(jì)人員提供時(shí)序及反饋控制，來(lái)幫助化解這些問(wèn)題。例如，該驅(qū)動(dòng)器包括一個(gè)內(nèi)部狀態(tài)機(jī)，可以防止柵極驅(qū)動(dòng)器出現(xiàn)短路、控制MOSFET橋的空載時(shí)間（IDEAD）并防止外部功率MOSFET出現(xiàn)寄生導(dǎo)通。此外，DRV8323柵極驅(qū)動(dòng)器還含有一個(gè)用于高壓側(cè)和低壓側(cè)驅(qū)動(dòng)器的可調(diào)節(jié)推挽拓?fù)?，可?shí)現(xiàn)外部MOSFET橋的強(qiáng)力上拉和下拉，從而避免雜散電容問(wèn)題?？烧{(diào)柵極驅(qū)動(dòng)器支持改變即時(shí)柵極驅(qū)動(dòng)電流（IDRIVE）和持續(xù)時(shí)間（tDRIVE）（無(wú)需限流柵極驅(qū)動(dòng)電阻），可對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行微調(diào)（圖）。圖：在某個(gè)三相BLDC電機(jī)的MOSFET橋中，高壓側(cè)（VGHx）和低壓側(cè)晶體管（VGLx）的電壓和電流輸入。IDRIVE和tDRIVE對(duì)于電機(jī)是否正常運(yùn)行及效率非常重要；IHOLD用于將柵極維持在所需狀態(tài)；ISTRONG用于防止低壓側(cè)晶體管的柵極至源極電容出現(xiàn)導(dǎo)通。（圖片來(lái)源：TexasInstruments）IDRIVE和tDRIVE最初應(yīng)根據(jù)外部MOSFET的特性進(jìn)行選擇，如柵極到漏極電荷、所需的上升和下降時(shí)間等。例如，如果IDRIVE太低，MOSFET的上升和下降時(shí)間就會(huì)更長(zhǎng)，從而導(dǎo)致開(kāi)關(guān)損耗過(guò)高。此外，上升和下降時(shí)間還（在某種程度上）決定了每個(gè)MOSFET的續(xù)流二極管恢復(fù)峰值所需的能量和持續(xù)時(shí)間，這兩個(gè)因素可能會(huì)進(jìn)一步降低效率。當(dāng)更改柵極驅(qū)動(dòng)器狀態(tài)時(shí)，IDRIVE會(huì)應(yīng)用于tDRIVE周期，該周期必須足夠長(zhǎng)，才能確保柵極電容完全充電或放電。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，選擇tDRIVE時(shí)應(yīng)確保其大約是MOSFET開(kāi)關(guān)上升和下降時(shí)間的兩倍。請(qǐng)注意，tDRIVE不會(huì)增加PWM時(shí)間。如果在活動(dòng)期間收到PWM命令，還會(huì)終止該周期。在tDRIVE周期之后，一個(gè)固定保持電流（IHOLD）會(huì)用于將柵極維持在所需狀態(tài)（上拉或下拉）。在高壓側(cè)導(dǎo)通期間，低壓側(cè)MOSFET柵極會(huì)受到強(qiáng)力下拉，以防晶體管的柵極至源極電容發(fā)生導(dǎo)通。固定tDRIVE持續(xù)時(shí)間可確