为低压电机设计合理的驱动器

电机应用呈上升趋势，过去十年中功率 MOSFET 器件的成本显着降低，特别是用于低压(小于 100 伏)电机驱动应用的 MOSFET 栅极驱动 IC 以及微控制器，简化了实施离散设计。以下是您需要了解的基础知识，以便让经济高效的高性能有刷直流、无刷直流、开关磁阻和步进电机设计为您工作。

所需的门驱动功能

如典型的电机驱动系统、，控制器从各种传感器获取输入，为电机生成适当的门脉冲。

栅极驱动电路需要：

• 在输出开关的栅极和源极之间产生 5 到 15 伏的电平转换输出。

• 在开启和关闭期间具有足够的电流能力来对开关电容进行充电和放电。

典型的栅极驱动电路：为低侧开关生成栅极电压很简单，因为它以地为参考。但高端开关存在问题。来自轨到轨的栅极控制电压必须以 MOSFET 的源极端子为参考，在这种情况下，它不接地。

我们可以使用浮栅电源、脉冲变压器或电荷泵来克服这个问题。引导技术是最便宜和最常用的一种。

其他所需特性

提供连续栅极驱动： 在典型操作中，自举电容最终会放电以关闭高侧开关。有时，高端设备必须无限期地保持开启，例如在停止运行期间。当使用无刷直流电机和开关磁阻电机时，这种设计考虑尤为重要。在这种情况下，自举电容器中的电荷可能不足以保持高侧开关处于开启状态。与高端开关一起激活的低电流补足电荷泵是一种维持自举电容电压的廉价方法。

死区时间调整： 电机驱动电路通常包括一个高阻值栅极电阻器来驱动大电流 MOSFET，以降低 EMI、噪声和压摆率。结果，切换时间更长。如果逆变器支路中的一个开关在另一个完全关闭之前打开，则会发生击穿。为避免这种情况，您需要在驱动器电路中构建死区逻辑。

无刷直流电机 (BLDC) 正在整个应用范围内取代有刷直流电机，因为它们提供更好的扭矩-速度特性、更高的功率密度、低维护(无机械接触刷)和更高的效率。与两相 BLDC 相比，三相 BLDC 具有更高的功率密度并产生更平滑的扭矩。三相 BLDC 需要一个逆变器。

开关磁阻电机 (SRM) 需要一个双正激变换器电桥。当一个支路中的两个开关都打开时，一个相通电。BLDC 和 SRM 拓扑之间的一个区别是，用于 BLDC 的转换器需要有死区时间保护，而用于开关磁阻电机的双正激转换器没有死区时间要求。

保护： 设计人员喜欢输出禁用功能，以在发生故障时关闭所有电源开关。当有运动部件时，安全很重要，电机也不例外。在某些应用中，还需要欠压和过温关断保护。

低传播延迟： 通常优选小于 100 ns 的传播延迟。

选择正确的驱动程序IC

设计师有广泛的选择成本效益的集成电路来简化门驱动的设计。但要明智地选择芯片，以避免主要的陷阱。一个常见的错误是选择了被高估的组件。例如，一个驱动IC额定工作与600伏的负载大约比一个80伏的应用程序慢。选择前者进行低压应用会增加开关损耗，降低效率，并降低系统的可控性。对于低压应用，门驱动集成电路，如Intersil的HIP4086，提供了与TTL和CMOS逻辑输入的兼容性，这扩展了其在不同处理器上的可用性。图5显示了如何将其应用于三阶段操作。

连接在芯片的 RDEL 和 V DD 引脚之间的电阻控制顶部和底部开关之间的死区时间。电容器 C RFSH 控制在首次向 IC 供电时初始化自举电容器上的电荷的脉冲持续时间。高侧输入为低电平有效，而低侧输入为高电平有效。因此，我们可以将它们捆绑在一起，从而减少此类应用中的外部组件数量，例如，使用空间矢量调制。为三相应用使用三个半桥驱动器是另一种选择。然而，这增加了元件数量和电路板复杂性。

对于电机仅提供几瓦功率的应用，有刷直流电机可能是最经济实用的选择。我们可以使用分立电路，但使用集成电机驱动器 IC 将大大降低成本。例如，Intersil 的 HIP4020 是一款驱动器加转换器 IC，可为低功率有刷直流或步进电机控制提供单步解决方案。它提供四象限操作，并且有针对故障和过热条件的关闭选项。对于更高功率的有刷直流电机，可以使用一个全桥或两个带有外部 MOSFET 的半桥驱动器 IC。