如何在直流驱动电机中实现更高的系统鲁棒性，第 1 部分：负电压
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1.前言
最近搬到了一个新小区，为了减少做卫生的工作量，所以我决定去买一个吸尘器。当我在电器区走来走去时，我注意到现在有多少真空吸尘器是无绳的，由电池供电，不需要之前长长的电源线。制造商似乎也在宣传更大的吸力、更长的电池寿命和更长的保修期。
作为客户的一个收获是，强大而可靠的解决方案正在促进更长的使用寿命，从而提高产品的声誉。这与使用电动机的小型家用电器、花园和电动工具以及住宅空调等应用相关。大多数这些系统使用直流驱动器，例如有刷直流电机（BDC）、三相无刷直流电机（BLDC） 、或步进电机。三相无刷直流电机（BLDC）具有高效率、更低的可听噪声和更长的使用寿命，因此广泛用于电器中，以实现更长的电池寿命、减少冷却工作并实现可靠运行。
三相无刷直流电机（BLDC）电机主要由永磁材料制造的定子、绕有线圈绕组的转子(电枢) 、换向器和电刷等构成。只要在电刷的A和B两端通入一定的直流电流， 电机的换向器就会自动改变电机转子的磁场方向，这样，直流电机的转子就会持续运转下去。无刷直流电机的实质是直流电源输入，采用电子逆变器将直流电转换为交流电，有转子位置反馈的三相交流永磁同步电机。性能上相较一般的传统直流电机有很大优势，是当今最理想的调速电机。
2.直流电机驱动
电子电机控制是 MOSFET 驱动器的主要应用之一。为直流驱动器 选择栅极驱动器时，需要牢记一些设计注意事项，以实现更高的系统稳健性。本博客系列的第 1 部分将介绍负电压处理。
与栅极驱动器相关的负电压是指承受输入和输出电压的能力。负电压是由开关转换、泄漏或布局不良引起的寄生电感引起的。这些不需要的电压通常出现在电机驱动、电器和开关模式电源等应用中。
在寄生电感引起的所有问题中，电机控制的主要问题之一是开关节点 (HS) 在开关转换后低于接地的趋势。图 1 显示了任何设计中存在的内部寄生电感和电路板布局电感。
图 1 还显示，在高侧关断期间，电感中有持续电流流动，随着高侧电流下降，低侧电流上升。大多数情况下会出现这种情况 在体二极管中短时间。寄生电感中的电流会产生相对于 MOSFET 通道和体二极管的负电压。结果是 HS 上出现负电压尖峰，这会导致栅极驱动器故障、D BOOT二极管过流或 V HB-HS过压。
图 1：HS 上的负电压：di/dt 对栅极驱动器的影响
栅极驱动器具有显着的 HS 负电压能力非常重要，以提高您设计的稳健性。例如，UCC27710 600V 驱动器在图 2 所示的电压和时间条件内保持正确的输出状态。该解决方案在整个温度范围内具有 -11V DC的负电压能力，可在这些条件下提供稳健的运行，这对于可靠的解决方案。
图 2：UCC27710 HS 负电压能力
现在，让我们讨论如何减少那些不需要的负尖峰。寄生电感主要来自电路板布局。半桥功率器件的布局可能相对紧凑，但是从 FET 到大容量输入电容器的长走线呢？
图 3 显示了典型的半桥驱动器和动力系统布局。您可以看到 MOSFET 相对靠近，但由于 PCB 板尺寸限制，大容量电容器通常放置在远离 FET 的位置。该电路板布局路径将导致源极到电容器的寄生电感，从而导致大的负 HS 尖峰。
图 3：导致寄生电感的电路板布局路径
图 4 显示了电路板布局的底层。如果添加高压陶瓷电容器，则可以将它们放置在非常靠近功率 MOSFET 的位置。现在，从低侧 FET 源极到电容器的路径显着减少。假设寄生电感与路径长度有关，您可以减少负尖峰，如图 4 所示。
图 4：改进的电路板布局导致负尖峰减少
如您所见，负电压处理是栅极驱动器的关键功能。在设计电机驱动应用时，请牢记这一点，以实现更高的系统稳健性。
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