如何使用高度集成的栅极驱动器实现紧凑型电机控制系统的设计.doc
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1、如何使用高度集成的栅极驱动器实现紧凑型电机控制系统的设计采用锂离子电池供电的高功率密度,高效率,三相无刷直流(BLDC)电机可实现无绳电动工具,真空吸尘器和电动自行车的开发。然而,为了节省更紧凑的机电设备的空间,设计人员面临着进一步缩小其电机控制电子设备的压力。这不是一项简单的任务。除了将驱动器组件挤压到狭小空间的明显困难之外,将所有部件推得更紧密地增加了热管理,当然还有电磁干扰(EMI)问题。电机控制电路设计人员可以做出更纤薄的设计通过转向新一代高度集成的栅极驱动器,这是电机控制系统中最关键的元件。本文将介绍BLDC电机在引入合适的栅极驱动器之前的操作以及如何使用它们来克服紧凑型电机控制系统
2、的设计挑战。构建更好的电动机由于能源效率和节省空间的双重商业压力,电动机设计迅速发展。数字控制的BLDC电机代表了这一演变的一个方面。电机的普及是由于使用电子换向,与传统(电刷换向)直流电机相比,效率更高,对于以相同速度和负载运行的电机,效率提高了20到30。这种改进使BLDC电机能够在给定的功率输出下更小,更轻,更安静。 BLDC电机的其他优点包括出色的速度与转矩特性,更动态的响应,无噪音运行以及更高的速度范围。工程师们还推动设计在更高的电压和频率下运行,因为这样可以使紧凑型电动机完成与更大的传统电机相同的工作。BLDC电机成功的关键是电子开关模式电源和电机控制电路产生一个三相输入,进而产生
3、旋转磁场,拉动电机的转子。由于磁场和转子以相同的频率旋转,电机被归类为“同步”。霍尔效应传感器传递定子和转子的相对位置,使控制器可以在适当的时刻切换磁场。 “无传感器”技术可监测反电动势(EMF)以确定定子和转子位置。顺序向三相BLDC电机施加电流的最常见配置包括三对功率MOSFET安排在桥梁结构中。每对充当逆变器,将来自电源的直流电压转换为驱动电机绕组所需的交流电压(图1)。在高压应用中,通常使用绝缘栅双极晶体管(IGBT)代替MOSFET。图1:数字三相BLDC电机控制通常使用三对MOSFET,每对MOSFET为电机的一个绕组提供交流电压。 (图像来源:德州仪器)晶体管对包括一个低端器件(
4、源极接地)和一个高端器件(源极在地和高压电源轨之间浮动)。在典型的布置中,使用脉冲宽度调制(PWM)来控制MOSFET栅极,其有效地将输入DC电压转换为调制的驱动电压。应该使用比预期的最大电动机转速高至少一个数量级的PWM频率。每对MOSFET控制电机一相的磁场。有关驱动BLDC的更多信息,请参阅库文章“如何为无刷直流电机供电和控制。”电动机控制系统完整的电机控制系统包括电源,主机微控制器,栅极驱动器和半桥拓扑结构的MOSFET(图2)。微控制器设置PWM占空比并负责开环控制。在低压设计中,栅极驱动器和MOSFET桥有时集成在一个单元中。然而,对于高功率单元,栅极驱动器和MOSFET桥接器是分
5、开的,以便于热管理,使得不同的工艺技术可用于栅极驱动器和桥接器,并最大限度地降低EMI。图2:基于TI MSP 430微控制器的BLDC电动机控制原理图。 (图像来源:德州仪器)MOSFET桥可以由分立器件或集成芯片组成。将低端和高端MOSFET集成在同一封装中的关键优势在于,即使MOSFET具有不同的功耗,它也允许顶部和底部MOSFET之间的自然热均衡。无论是集成还是离散,每个晶体管对都需要一个独立的栅极驱动器来控制开关时序和驱动电流。也可以使用分立元件设计栅极驱动器电路。这种方法的优势在于它允许工程师精确调整栅极驱动器以匹配MOSFET特性并优化性能。缺点是需要高水平的电机设计经验和适应分
6、立解决方案所需的空间。模块化电机控制解决方案提供了另一种选择,市场上有各种各样的集成栅极驱动器。更好的模块化门驱动解决方案包括:高集成度以最大限度地减少器件所需的空间高驱动电流可降低开关损耗并提高效率高栅极驱动电压,确保MOSFET导通最小内阻(“RDS(ON)”)高电流过流,过压和过温保护,可在最恶劣的条件下实现可靠的系统运行德州仪器(TI)的DRV8323x系列三相栅极驱动器可降低系统元件数量,降低成本和复杂性,同时满足高效BLDC电机的需求。DRV8323x系列有三种型号。每个都集成了三个独立的栅极驱动器,能够驱动高侧和低侧MOSFET对。栅极驱动器包括一个电荷泵,用于为高端晶体管产生高
7、栅极电压(具有高达100的占空比支持),以及一个用于为低端晶体管供电的线性稳压器。TI栅极驱动器包括读出放大器,如果需要,还可以配置为放大低端MOSFET上的电压。这些器件可提供高达1安培的电流,具有2安培吸收峰值栅极驱动电流,并可通过单电源供电,输入电源范围为6至60伏。DRV8323R版本,适用于例如,集成三个双向电流检测放大器,使用低侧分流电阻监控每个MOSFET桥的电流水平。可通过SPI或硬件接口调整电流检测放大器的增益设置。微控制器连接到DRV8323R的EN_GATE,因此它可以启用或禁用栅极驱动输出。DRV8323R器件还集成了一个600毫安(mA)降压稳压器,可用于为外部控制器
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