直流無(wú)刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

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/ b; V  H; ~* x/ p8 B5 d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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+ B0 k3 v( n. f* [) @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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6 h  ~: j% p  t, y& R三相全橋逆變電路
, B# ^4 @6 D- s! ]# U' E, ]2 B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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; R' v1 ?& z9 z, g( Y: W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%。


圖3 Q1 Q2導(dǎo)通時(shí)序電路流

1 D: H5 s+ ?: N* y2 V, v3 b1 u* _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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, V3 L& Q2 _( K. g' Y1 U' [1 ^$ d
0 o' z  c6 s* D( c2 }6 N圖4 Q1 Q2導(dǎo)通時(shí)序電路流
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$ v: X8 Z& K, @+ J熱損耗分析
! d% D7 _5 c; \. w" Y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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5 d8 E8 x, W! v% y' x圖5 第一步導(dǎo)通時(shí)序損耗組成

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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Q2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：
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假設(shè)
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100ns ，Q2的開(kāi)關(guān)損耗：


二極管的壓降0.7V，D5的續(xù)流損耗：

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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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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。
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' L. k$ [& V% p8 f0 g4 b- T- |0 P! b續(xù)流方式對(duì)比
慢續(xù)流：
+ Y0 P  q5 o2 S+ j( P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。
快續(xù)流
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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$ J) q/ [$ a9 Q, q  M) ^圖6 快續(xù)流電路圖
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