0 引 言
無刷直流電動機是隨著電力電子技術(shù)和高性能永磁材料而迅速發(fā)展并得到廣泛應(yīng)用的新機種。無刷直流電動機不僅保持了傳統(tǒng)直流電動機良好的動、靜態(tài)調(diào)速特性，且結(jié)構(gòu)簡單，運行可靠，易于控制，維護方便，壽命長。它的應(yīng)用從最初的軍事工業(yè)，向航空航天、醫(yī)療、信息、家電以及工業(yè)自動化領(lǐng)域迅速發(fā)展。無刷直流電動機已經(jīng)不是專指具有電子換相的直流電機，而是泛指有刷直流電動機外部特性的電子換相電機。
1 無刷直流電機功率驅(qū)動電路
無刷直流電動機一般由電子換相電路、轉(zhuǎn)子位置檢測電路和電動機本體3部分組成，電子換相電路一般由控制部分和驅(qū)動部分組成，而對轉(zhuǎn)子位置的檢測一般用位置傳感器完成。工作時，控制器根據(jù)位置傳感器測得的電機轉(zhuǎn)子位置有序地觸發(fā)驅(qū)動電路中的各個功率管，進行有序換流，以驅(qū)動直流電動機。
無刷直流電動機的功率驅(qū)動電路采用以IR公司的專用驅(qū)動芯片IR2130為中心的6個N溝道的MOS-FET管組成的三相全橋逆變電路，其輸入是以功率地為地的PWM波，送到IR2130的輸入端口，輸出控制N溝道的功率驅(qū)動管MOSFET，由此驅(qū)動無刷直流電動機。采用這種驅(qū)動方式主要是功率驅(qū)動芯片 IR2130對“自舉”技術(shù)形成懸浮的高壓側(cè)電源的巧妙運用，簡化了整個驅(qū)動電路的設(shè)計，提高了系統(tǒng)的可靠性，而且IR2130驅(qū)動芯片內(nèi)置死區(qū)電路，以及過流保護和欠壓保護等功能，大大降低了電路設(shè)計的復(fù)雜度，進一步提高了系統(tǒng)的可靠性。
2 IR2130驅(qū)動芯片的特點
IR2130可用來驅(qū)動母線電壓不高于600 V電路中的功率MOS門器件，其可輸出的最大正向峰值驅(qū)動電流為250 mA，而反向峰值驅(qū)動電流為500 mA。由于它內(nèi)部設(shè)計有過流、過壓及欠壓保護、封鎖和指示網(wǎng)絡(luò)，可使用戶方便地用來保護被驅(qū)動的MOS門功率管。加之巧妙地運用內(nèi)部的自舉技術(shù)使其用于高壓系統(tǒng)，還可對同一橋臂上下2個功率器件的門極驅(qū)動信導(dǎo)產(chǎn)生2μs互鎖延時時間。由于它自身工作和電源電壓的范圍較寬(3～20 V)，在它的內(nèi)部還設(shè)計有與被驅(qū)動的功率器件所通過的電流成線性關(guān)系的電流放大器，電路設(shè)計還保證了內(nèi)部的3個通道的高壓側(cè)驅(qū)動器與低壓側(cè)驅(qū)動器可單獨使用，亦可只用其內(nèi)部的3個低壓側(cè)驅(qū)動器，并且輸入信號與TTL及COMS電平兼容。
電機控制的驅(qū)動器采用IR2130芯片。IR2130是一種高電壓、高速度的功率MOSFET和IGBT、驅(qū)動器，工作電壓為10～20 V，分別有3個獨立的高端和低端輸出通道。邏輯輸入與CMOS或LSTTL輸出兼容，最小可以達(dá)到2．5 V邏輯電壓。外圍電路中的參考地運行放大器，通過外部的電流檢測電位器來提供全橋電路電流的模擬反饋值，如果超出設(shè)定或調(diào)整的參考電流值，則IR2130 驅(qū)動器的內(nèi)部電流保護電路就啟動關(guān)斷輸出通道，實現(xiàn)電流保護的作用。IR2130驅(qū)動器反映高脈沖電流緩沖器的狀態(tài)，傳輸延遲和高頻放大器相匹配，浮動通道能夠用來驅(qū)動N溝道功率MOSFET和IGBT，最高電壓可達(dá)到600 V。
IR2130芯片可同時控制6個大功率管的導(dǎo)通和關(guān)斷順序，通過輸出H01～H03分別控制三相全橋驅(qū)動電路的上半橋Q1，Q3，Q5導(dǎo)通關(guān)斷；而 IR2130的輸出L01～L03分別控制三相全橋驅(qū)動電路的下半橋Q4，Q6，Q2導(dǎo)通關(guān)斷，從而達(dá)到控制電機轉(zhuǎn)速和正反轉(zhuǎn)的目的。IR2130芯片內(nèi)部有電流比較電路，可以進行電機比較電流的設(shè)定。設(shè)定值可以作為軟件保護電路的參考值，這樣可以使電路能夠適用于對不同功率電機的控制。IR2130的典型電路如圖1所示。
三相全橋逆變電路選用6個功率MOSFETRFP40N10、一片IR2130和一些電阻電容而組成。其主要特點為：
(1)驅(qū)動芯片IR2130內(nèi)置了2．5μs的死區(qū)時間；防止同一橋臂的上下兩個MOSFET同時導(dǎo)通，使電源電壓短路，電源不通過電動機。這避免了功率驅(qū)動電路在硬件系統(tǒng)上電瞬間IR2130的誤輸出。
(2)功率驅(qū)動電路采用上橋臂功率MOSFET管進行PWM調(diào)制的方式控制。
在調(diào)制過程中，自舉電容只有在高端器件(上橋臂MOSFET管)關(guān)斷時，VS的電位被拉到功率地時自舉電容才被充電。因此，同一橋臂上的下橋臂器件開通時間(上橋臂器件關(guān)斷時間)應(yīng)足夠長，以保證自舉電容的電荷被充滿，當(dāng)上橋臂開通時維持上橋臂有足夠的時間導(dǎo)通。
(3)由于功率驅(qū)動電路的上橋臂三路高壓側(cè)柵極驅(qū)動電源是通過自舉電容充電來獲得的，因此與IR2130供電電源連接的二極管，其反向耐壓必須大于被驅(qū)動的功率MOSFET管工作的峰值母線電壓。為了防止自舉電容兩端的放電，二極管要選用高頻的快恢復(fù)二極管，功率驅(qū)動電路選用FR104，它的最大反向恢復(fù)時間為150 ns，最大反向耐壓400 V。
(4)上橋臂高壓側(cè)自舉電容的容量取決于被驅(qū)動的功率MOSFET管開關(guān)頻率、導(dǎo)通和關(guān)斷占空比以及柵極充電電流的需要。為了防止自舉電容放電后造成其兩端電壓低于欠壓保護動作的門檻電壓值，使得IR2130關(guān)斷，電容取值應(yīng)較大，此功率驅(qū)動電路選擇10μF的電解電容。
(5)功率驅(qū)動芯片IR2130內(nèi)部的6個驅(qū)動MOS-FET管(RFG40N10)，其輸出阻抗較低，導(dǎo)通輸出電阻rDS(ON)=0．04 Ω，直接驅(qū)動功率MOSFET器件可能造成器件MOSFET漏一源極之間的振蕩。
這樣會引起射頻干擾，也有可能造成器件MOS-FET因承受過高的dv／dt而被擊穿。因此在功率管的柵極與IR2130的輸出之間串聯(lián)一個阻值為30 Ω的無感電阻。柵源極間的電阻主要提供放電回路，使自舉電容的電壓快速放掉。
4 結(jié) 語
在此介紹的無刷直流電動機功率驅(qū)動電路是采用IR公司的專用驅(qū)動芯片IR2130組成的。由于1R2130驅(qū)動芯片內(nèi)置了死區(qū)電路，具有過流保護和欠壓保護等功能，大大降低了電路設(shè)計的復(fù)雜度，簡化了整個驅(qū)動電路的設(shè)計，提高了系統(tǒng)的可靠性。