电机驱动电路设计与选择方案

图4.30　4N型电机驱动电路结构

N沟道MOSFET制作工艺技术成熟,可选型号与封装非常丰富,且对应的驱动芯片选型也非常多,因此采用4个N沟道MOSFET构成H桥时,可搭建不同电压等级和功率的电机驱动电路,这在智能汽车竞赛中得到了广泛应用。典型的4N型电机驱动电路结构主要包括五大部分:接口电路用于连接电机、电源和单片机的控制信号等;辅助电源用于提供隔离电路和驱动芯片所需电压;隔离/放大电路起到信号隔离、放大作用,单片机产生的PWM控制信号经过隔离放大电路后送至驱动芯片;驱动芯片则将该信号转换为可满足驱动MOSFET导通条件的栅极驱动电压,如图4.30所示。以下将以4N半桥式驱动方案为例进行分析与介绍。

(1)整体电路设计与分析

如图4.31所示的半桥驱动电路为采用了带有自举电容的半桥型驱动芯片,它专为N沟MOSFET构成的半桥电路设计,图中LO为低侧驱动电压输出,其参考电位为功率地PGND;HO为高侧驱动电压输出,其参考电位为浮地端VS。自举电容C可为上管Q1的驱动电压提供能量,当下管Q2导通时,自举电容通过二极管D和下管Q2与供电电源组成的回路进行充电(图4.31中虚线所示),并在Q2断开、Q1导通时放电。

图4.31　半桥驱动电路原理图

由此省去了独立隔离电源,只需使用一路12 V或15 V电源进行供电即可。需要注意的是,在每个开关周期,下管Q2必须导通一定时间,从而保证自举电容有效充电,并可进一步驱动上管。也就是说,在下管完全断开时,上管也将无法有效驱动。因此,自举电容式半桥驱动的缺点是无法实现PWM满占空比(100%)控制,尤其在接近满占空比时,本来需要Q1提供大电流,但是由于其驱动电压不足,可能使Q1进入放大区,导通电阻变大,从而出现开关管发热严重问题,在进行相关软件设计时要格外注意这一点。

如图4.32所示为采用半桥栅极驱动器设计的4N电机驱动电路,这是一种比较通用的电机驱动以及逆变器电路方案。除了串联在开关管栅极的阻尼电阻,以及电源滤波电路与之前独立式方案相同之外,由半桥驱动芯片和自举二极管、自举电容等外围电路组成的栅极驱动器结构也比较固定,可选型号较为丰富,可以根据不同型号的驱动芯片、开关管及电容、二极管组成所需的电路方案。此外,一些方案在各MOSFET体外漏极、源极间额外反并联了一个大电流的肖特基二极管,从而为开关管在续流时提供额外通道,在反向电流较大的情况下可起到降低损耗的作用。同时,还在各MOSFET栅极与源极间并联了一个10 kΩ的电阻,防止开关管栅极开路时出现不确定状态,在高压情况时,可避免开关管及其闭合回路意外烧损。

图4.32　采用半桥型栅极驱动器的4 N驱动电路

(2)栅极驱动器选型

上述方案选用了IR2104芯片,它是一款常见的8引脚半桥驱动器,具有直插和贴片两种封装形式。它支持的系统工作电压可达600 V,自身供电电压范围为10～20 V,输入引脚IN和使能引脚SD同时兼容3.3 V、5 V和15 V逻辑电平。同时,其驱动能力较强,并内置了硬件停滞时间,可以简化PWM相关软件设计。此外,IR2184也是一种常用的半桥驱动器,其与IR2104的参数对比如表4.2所示。

表4.2　IR2084与IR2104典型参数对比

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上述IR半桥驱动芯片内置了固定的停滞时间,同时该系列芯片还拥有停滞时间可调的驱动芯片,如IR21844,但其引脚数为14个,封装体积较大。同时,采用IR2184时,需使用两片芯片对全桥进行驱动,若采用全桥式驱动芯片(同样为自举电容原理),如HIP4082则只需一片即可完成设计,也是一种常见的智能车电机驱动方案。HIP4082拥有16引脚直插和贴片封装,且停滞时间可通过一个外接电阻进行调节。此外,半桥驱动ISL6700具有QFN封装(Quad Flat No-lead Package,方形扁平无引脚封装),尺寸更小,因此适合应用在对尺寸和体积要求较高的场合。如表4.3所示为上述几种N沟MOSFET栅极驱动器的主要参数和封装供选型和参考。

表4.3　智能车常用驱动芯片参数对比

(3)N沟MOSFET选型

关于N沟MOSFET选型,如表4.4所示为智能车比赛中经常用到的几款低压大功率MOSFET。尤其在使用RS380和RS540电机时,大功率的4N驱动方案优势更加明显,可以根据实际情况和各项参数综合选取开关器件。在封装方面,TO220为常见的直插型开关管封装,而IRLR7843和STB100NF04分别使用了T0252和T0263贴片封装,这两种封装又分别称为D-Pak和D2Pak,其体积较小,在电脑板卡的电源管理部分比较常见。而NTMFS4833N采用的是一种贴片扁平引脚封装,比普通SOP封装占用空间更少,但是手工焊接难度也较普通贴片封装高。

表4.4　智能车常用开关管参数对比

通常在选型时,希望开关管的导通电阻越小越好,导通电流越大越好,但是要注意其数据手册所给出数据的测试条件,如表4.4中的各项参数大多是在开关管栅极与源极间电压为Vgs=10 V和温度25℃下测试得到的。不同Vgs对应的漏源间电流Id可以通过查阅其数据手册中的关系曲线图得到。在实际使用时,要结合实际的驱动电压Vgs与漏源间电压Vds确认开关管的导通状态是否工作在较好的区域。

(4)自举电容与二极管参数选取

半桥式栅极驱动器中自举电容和自举二极管的参数选取也很重要,不恰当的参数可能导致自举电压不足,从而无法充分驱动上管工作。在半桥中上管导通时,电池侧电压可以传递到自举二极管的负极,自举二极管必须能够承受住这个反向电压,同时其电流额定值为门极电荷与开关频率的乘积,通常为数十毫安级。而自举电容的容量可由式(4.8)确定。

式中,Qg为促使开关管导通所需的栅极电荷量,可以通过查阅所使用开关管的数据手册获得;Qls为每个周期电平转换所需要的电荷量,当开关管低于500 V时,一般小于5 nC;Iqbs(max)为驱动芯片的最大静态电流,可以查阅所采用的驱动芯片数据手册获得;Icbs(leak)为所选电容的漏电流,通常数值非常小;f为开关频率;分母中Vcc为驱动器供电电压;Vf为自举二极管正向压降;Vls为低侧开关管导通压降;Vmin为Vb与Vc之间的最小电压。这些都可以通过查阅器件数据手册获得。

依据上述公式,以IR2104作为驱动芯片,设驱动供电电压为12 V,驱动频率为10 kHz,将IRF3205的相关参数代入,并保留一定余量,可计算得到所需自举电容容量约为0.3μF,因此选取1μF是合理的。由于IRLR7843的导通栅极电荷Qg为34 nC,低于IRF3205的146 nC,因此上述自举电容同样适用。在更换驱动芯片和开关管型号后,读者可按照式(4.8)自行计算选取。