直流無(wú)刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

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前言
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由于無(wú)刷電機(jī)具有高扭矩、長(zhǎng)壽命、低噪聲等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)在各領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用。其內(nèi)部電子繞組可看作一個(gè)電感線圈。如圖1所示內(nèi)部結(jié)構(gòu)及電流波形，通過(guò)不斷改變定子繞組中的電流方向，從而改變電磁鐵的磁性，使得電機(jī)連續(xù)旋轉(zhuǎn)。因此需要設(shè)計(jì)一個(gè)驅(qū)動(dòng)電路，改變定子繞組中的電流方向才能使得轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，常用驅(qū)動(dòng)電路為三相全橋逆變電路。

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. S8 M" x; F3 \% b圖1 電機(jī)內(nèi)部定子繞組結(jié)構(gòu)及電流波形

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三相全橋逆變電路
無(wú)刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)三相全橋逆變電路以及工作時(shí)序如圖2所示，無(wú)刷電機(jī)中有3個(gè)繞組，分別為U、V、W相繞組。每個(gè)繞組中電流有2個(gè)方向，所以三相電機(jī)中電流的方向有3*2=6個(gè)，通過(guò)控制三相橋電路中3個(gè)繞組中的電流方向，使其按照一定的規(guī)律改變方向，來(lái)實(shí)現(xiàn)三相電機(jī)的連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。通過(guò)控制PWM信號(hào)的不同占空比，實(shí)現(xiàn)輸出電壓的變化來(lái)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。
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圖2 三相全橋逆變電路及工作時(shí)序
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# d" H: }. J& z; T如圖3所示，在Q1、Q2導(dǎo)通時(shí)序內(nèi)， Q1保持恒通，Q2使用PWM斬波（也可以讓Q2保持恒通，Q1使用PWM斬波，但該方式高邊PWM驅(qū)動(dòng)較難實(shí)現(xiàn)），如PWM的占空比為50%，則加在電機(jī)繞組兩端的平均電壓就是Vcc*50%。

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圖3 Q1 Q2導(dǎo)通時(shí)序電路流

9 f, Q0 O/ R, \1 I* w( h7 y3 m當(dāng)Q1導(dǎo)通，Q2截止的時(shí)候，由于繞組電感特性，電流要保持方向和大小不變，此時(shí)繞組相當(dāng)于電流源，電流從源的正端W端出發(fā)，經(jīng)過(guò)Q5體二極管D5續(xù)流，回到源的負(fù)端U端，如圖4所示。AB兩點(diǎn)間的電壓被D5鉗位在0.7V。此時(shí)MOS管的功耗稱為續(xù)流損耗，續(xù)流損耗計(jì)算式為P=0.7V*Id。
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, k& r. ~" U2 f6 g& U& ~3 j圖4 Q1 Q2導(dǎo)通時(shí)序電路流
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" i; H# T# W3 i" `0 Y- j熱損耗分析
4 D% ?+ T3 h8 {& [! F以第一步導(dǎo)通相序Q1 Q2為例，總時(shí)間從t1到t4這段時(shí)間（單個(gè)時(shí)序工作60°），如圖5所示。t1到t4時(shí)間內(nèi)，Q1只有導(dǎo)通損耗（忽略一次開(kāi)通損耗和一次關(guān)斷損耗） ，Q2有開(kāi)關(guān)斷損耗、導(dǎo)通損耗。Q5寄生二極管D5有續(xù)流損耗。

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! J9 X1 L$ P% w7 D  n/ J: o' N4 K: t+ A圖5 第一步導(dǎo)通時(shí)序損耗組成

/ `, O" }/ \" T' n' L& @+ w以某電動(dòng)自行車(chē)為例，Vcc供電電壓48V， 回路中的電流Id是10A，占空比為50%，開(kāi)關(guān)頻率為20kHz。假設(shè)MOS管的導(dǎo)通電阻Rdson=10mΩ，t1到t4相序內(nèi)，Q1只有導(dǎo)通損耗：
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$ Q4 O; o0 K# a$ c2 T  Z! M; `$ GQ2的損耗包括開(kāi)通損耗、導(dǎo)通損耗、關(guān)斷損耗，先看一個(gè)PWM周期內(nèi)的損耗，當(dāng)PWM為高電平時(shí)，Q1和Q2同時(shí)導(dǎo)通，假設(shè)PWM的占空比是50%， PWM的周期為T(mén)，  那么在t1到t2時(shí)間段內(nèi)，Q2的導(dǎo)通損耗：


假設(shè)
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100ns ，Q2的開(kāi)關(guān)損耗：
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$ t: \  r6 y3 N& T1 Y0 u" i二極管的壓降0.7V，D5的續(xù)流損耗：

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9 f3 y! P8 q8 e# B( j! M在第一步導(dǎo)通相序內(nèi)，續(xù)流損耗大于開(kāi)關(guān)損耗， Q5最熱，Q2次之，Q1溫度最低。如在其他小功率應(yīng)用中，回路中的電流流過(guò)1A時(shí)，則寄生二極管續(xù)流損耗0.35W，Q2最熱，D5次之，Q1溫度最低。
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1 E% E( ^6 t1 `/ a# m9 y" v# v基于以上小功率與中等功率對(duì)比，存在一個(gè)規(guī)律：小電流時(shí)，誰(shuí)斬波誰(shuí)熱；大電流時(shí)，誰(shuí)續(xù)流誰(shuí)熱。


續(xù)流方式對(duì)比
3 W" W& J# t0 ~! ]( h4 k慢續(xù)流：
在t2到t3時(shí)間段內(nèi)，Q1導(dǎo)通，Q2關(guān)斷，Q5關(guān)斷。此時(shí)電流從Q5的體二極管流過(guò)，電感兩端的電壓被鉗位在0.7V，所以，0.7V=L*di/dt，di/dt=0.7V/L。此時(shí)di/dt很小，也就是電流的變化速度很小。這說(shuō)明在t2到t3時(shí)間段內(nèi)，電感的續(xù)流電流下降很緩慢，稱為慢續(xù)流，也叫高端續(xù)流。對(duì)于電機(jī)來(lái)說(shuō)，電機(jī)繞組上有電流，電機(jī)才能輸出力矩，因?yàn)槁�續(xù)流時(shí)Id電流下降的速度很慢，所以電流下降到0的時(shí)間也很長(zhǎng)，這就保證了在續(xù)流期間，電機(jī)繞組上仍然是有電流的，也就是電機(jī)在續(xù)流期間仍然可以輸出力矩。但是，有的時(shí)候并不希望電機(jī)繞組在續(xù)流器件仍然有很大的電流，如主流新能源汽車(chē)都帶有能量回收功能，也就是在剎車(chē)的時(shí)候，需要電機(jī)繞組上的電流在很短的時(shí)間內(nèi)降為0，這個(gè)時(shí)候就需要快續(xù)流了，讓電流的變化速度快，電流能夠在短時(shí)間內(nèi)變成0，能量回饋至輸入電源端。
: t/ f! Q4 u$ B6 d; p$ S8 D快續(xù)流
/ p- g, U# W0 F6 u電感續(xù)流如圖6所示，將Q1與Q2都截止，此時(shí)電流會(huì)通過(guò)Q5和Q4的體二極管續(xù)流，并且電流是通過(guò)輸入電源形成回路的，此時(shí)對(duì)輸入電源進(jìn)行充電，因?yàn)閃端出來(lái)，經(jīng)過(guò)Q5的體二極管D5，有一個(gè)0.7V的壓降，然后連接輸入電源，所以W端是E+0.7V。GND經(jīng)過(guò)的Q4的體二極管D4有一個(gè)0.7V的壓降，之后連接到了電感的負(fù)端(U端)，那電感的U端就是-0.7V，電感的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E+0.7V。根據(jù)公式：U/L=di/dt，慢續(xù)流時(shí)0.7V，快續(xù)流時(shí)E+0.7V。di/dt的結(jié)果比慢續(xù)流時(shí)大很多，此時(shí)電流變化的速度很快。
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4 f0 X+ C+ v# }圖6 快續(xù)流電路圖
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1 }& O7 Z- u4 H4 ~6 ^$ E, B聲明：
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