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【微信精选】教大家一招解决紧凑电机控制设计问题，真的强！

李颜

2019-8-13 07:00:00

2340 MOSFET 电机控制

图 1：数控三相 BLDC 电机通常使用三对 MOSFET 进行控制，一对 MOSFET 为一个电机绕组提供 AC 电压。（图片来源：Texas Instruments）

晶体管对包括低压侧器件（源极接地）和高压侧器件（源极在接地和高压电源轨之间浮动）。

在典型布局中，使用脉宽调制 (PWM) 控制 MOSFET 栅极，可以有效地将输入 DC 电压转换为调制驱动电压。其中应使用至少比预期最大电机转速高一个数量级的 PWM 频率。一对 MOSFET 可以控制一个电机相位的磁场。

电机控制系统一个完整的电机控制系统包括电源、主机微控制器、栅极驱动器以及采用半桥拓扑结构的 MOSFET（图 2）。微控制器用于设置 PWM 占空比并负责开环控制。在低压设计中，栅极驱动器和 MOSFET 桥有时会集成在一个单元中。然而，对于高功率单元，为方便热管理，栅极驱动器和 MOSFET 桥会分开布置，这样可以针对栅极驱动器和桥采用不同的工艺技术并最大限度地降低 EMI。

图 2：基于 ti MSP 430 微控制器的 BLDC 电机控制示意图。（图片来源：Texas Instruments）

MOSFET 桥可由分立器件或集成芯片组成。将低压侧和高压侧 MOSFET 集成到同一封装的关键优势是，即使两个 MOSFET 存在不同的功率耗散，集成后也可以使上下 MOSFET 之间实现自然热平衡。无论是集成式还是分立式，每对晶体管都需要独立的栅极驱动器来控制开关时序和驱动电流。

此外，可以使用分立元件来设计栅极驱动器电路。这种方法的优势在于，工程师可以根据 MOSFET 特征精确调整栅极驱动器并对性能进行优化。不过，这种方法也存在缺点，它需要高水平的电机设计经验以及容纳分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式栅极驱动器。较好的模块化栅极驱动解决方案包括：

• 高度集成解决方案，可最大限度地减少器件所需的空间

• 高栅极驱动电压解决方案，可确保以最小内阻（“RDS(ON)”）导通 MOSFET

像 Texas Instruments 的 DRV8323x 三相栅极驱动器系列之类的器件不仅能满足高能效 BLDC 电机的要求，还能减少系统的元件数量，同时降低成本和复杂性。

DRV8323x 系列有三种型号。每种型号都集成了三个独立的栅极驱动器，能够驱动高压侧和低压侧的 MOSFET 对。栅极驱动器包含一个电荷泵，可为高压侧晶体管产生高栅极电压（最高支持 100% 占空比），还包含一个线性稳压器，可为低压侧晶体管供电。

TI 栅极驱动器包括感应放大器。如果需要，可以对放大器进行配置，以放大通过整个低压侧 MOSFET 的电压。这些器件可拉出最高 1 A 和灌入 2 A 的峰值栅极驱动电流，其采用单电源供电并具有 6 V 至 60 V 的超宽输入电源范围。

例如，DRV8323R 版驱动器集成了三个双向电流检测放大器，利用低压侧分流电阻器通过每个 MOSFET 桥来监控电流水平。电流检测放大器的增益设置可通过 SPI 或硬件接口进行调整。微控制器连接至 DRV8323R 的 EN_GATE，因此可以启用或禁用栅极驱动输出。

此外，DRV8323R 驱动器还集成了一个 600 mA 的降压稳压器，可为外部控制器供电。该稳压器既可以使用栅极驱动器电源，也可以使用单独电源（图 3）。

图 4：TIDA-01485 是一个效率达 99%、功率级为 1 kW 的参考设计，适用于可由 10 芯锂离子电池供电的三相 36 V BLDC 电机。（图片来源：Texas Instruments）

虽然栅极驱动器是一个高度集成的模块化解决方案，能够消除分立设计所带来的诸多复杂性，但仍需要做一些设计来打造能够充分发挥其作用的系统。该参考设计为设计人员展示了一个全面的解决方案，可帮助其设计原型。

例如，栅极驱动器需要几个去耦电容器才能正常运行。在参考设计中，1 微法 (μF) 电容器 (C13) 实现了低压侧 MOSFET 驱动电压 (DVDD) 的去耦，而该电压来自 DRV8323R 的内部线性稳压器（图 5）。该电容器必须放置在尽可能靠近栅极驱动器的位置，才能最大限度地减小回路阻抗。此外，需要第二个 4.7 μF 电容器 (C10) 对 36 V 电池的直流电源输入 (PVDD) 去耦。