電機驅動作為工業(yè)中工廠自動化整個閉環(huán)中的執(zhí)行器環(huán)節(jié),其性能好壞直接影響到整個閉環(huán)的性能。因此,工業(yè)對電機驅動提出了更高的性能和功能要求,例如更快的響應速度、更高的帶寬、更高精度的位置和速度控制、以及更豐富的網(wǎng)絡互聯(lián)功能等。針對不同應用場合的電機,我們應該選擇與之相對應的驅動方案。
簡單地來說,功率大的電機應該選用內阻小、電流容許大的驅動,功率小的電機就可以選用較低功率的驅動。直流小功率電機廣泛適用于家電、工控、計算機等諸多設備。
較常規(guī)的方法是采用 PWM 控制,常見的驅動有兩種方式:
1、采用集成電機驅動芯片;
2、采用MOSFET和專用柵極驅動芯片。
在高集成度的應用中,傳統(tǒng)電機控制鏈路MCU + Gate Driver + MOSFET(如圖1)中已經(jīng)出現(xiàn)了MCU+ Pre-Driver集成,或是Pre-Driver+MOSFET功率模組集成的方式,甚至在一些小功率應用中還出現(xiàn)了集成全部鏈路的情形。
而在便攜設備、IOT和5G應用中,對電機驅動在高精度、小型化、高集成度、低功耗的要求越來越高;而自動化生產(chǎn)線則對電機驅動的高可靠性和長壽命提出了苛刻的要求。
按集成度的不同,有3種電機驅動器方案:系統(tǒng)單芯片(SoC)方案、集成的控制方案(ICS)和門極驅動器方案。
SoC方案將DC-DC、門極驅動器、控制器、逆變器及反饋/保護等集成到單個芯片上,集成度高,適合空間受限的應用,簡單易用。
ICS方案相對于SoC方案,沒有集成逆變器,因而可通過外部MOSFET支持寬范圍的功率,適用于功率較大的應用,靈活性較高。
門極驅動器方案則只集成DC-DC、門極驅動器和反饋/保護,因為控制器和功率器件都在外部,所以具有最高的靈活度。
門級驅動方案因其靈活性和傳統(tǒng)性,在非汽車市場有較多的應用,比如應用在風扇、電動工具、按摩椅等小功率場合。有隔離門級驅動產(chǎn)品和非隔離門級驅動產(chǎn)品。
隔離式半橋柵極驅動器可用于許多應用,從要求高功率密度和效率的隔離式DC-DC電源模塊,到高隔離電壓和長期可靠性至關重要的太陽能逆變器等等,不一而足。
文章內容主要涉及非隔離式半橋驅動產(chǎn)品,如圖2為典型半橋應用電路。
在上文提到的各類小功率應用的電機驅動電路的設計中,主要考慮:
1. 電機轉動方向、速度。對于單向的電機驅動,只要用一個大功率三極管或MOS直接帶動電機即可,當電機需要雙向轉動時,可以使用由4個功率元件組成的H橋電路,通過改變流入電機的電流方向從而改變電機轉向。
如果需要調速,可以使用三極管,MOS等開關元件實現(xiàn)PWM(脈沖寬度調制)調速。(PWM控制通常配合橋式驅動電路實現(xiàn)直流電機調速,電機的轉速與電機兩端的電壓成比例,而電機兩端的電壓與控制波形的占空比成正比,因此電機的速度與占空比成比例,占空比越大,電機轉得越快,當占空比α=1 時,電機轉速最大)
2. 對于PWM調速的電機驅動電路,選擇驅動IC時主要有以下性能指標需要考慮:
1)輸出電流和耐壓,它決定著電路能驅動多大功率的電機。
2)效率,節(jié)省電源同時減少驅動電路的發(fā)熱??梢詮谋WC功率器件的開關工作狀態(tài)和防止共態(tài)導通(在需要涉及為H橋時)入手。
3)對控制輸入端的影響,是否使用隔離式驅動IC。
4)對電源的影響。
5)可靠性。在系統(tǒng)應用中,由于門極驅動連接著邏輯控制單元與功率變換單元,門極驅動芯片的穩(wěn)定性對整個系統(tǒng)的可靠性起著至關重要的作用。
因此,不同的應用場合,采用不同的驅動方案是必要的。在小功率應用場合,門級驅動方案應用最廣,選取合適的門級驅動IC是極為重要的。MOSFET開關速度快、導通電阻低,在電機驅動電路中占據(jù)半壁江山。要想使MOSFET在應用中充分發(fā)揮其性能,最優(yōu)驅動電路必不可少。
在應用中,MOSFET一般工作在如圖1所示的橋式拓撲結構模式下。由于下橋MOSFET驅動電壓的參考點為地,較容易設計驅動電路,而上橋的驅動電壓是跟隨相線電壓浮動的,因此如何很好地驅動上橋MOSFET成了設計能否成功的關鍵。
相比全橋驅動,半橋驅動芯片由于其易于設計驅動電路、外圍元器件少、驅動能力強、可靠性高、靈活等優(yōu)點在MOSFET驅動電路中得到廣泛應用。門級驅動IC的兩個主要參數(shù):耐壓和驅動電流。
如圖所示600V耐壓,290/600mA 的驅動電流(MOSFET的柵-源極之間存在寄生電容,MOSFET的開和關過程,是對電容的充放電過程,如果MOSFET的驅動電路不能提供足夠的峰值電流(輸入/輸出電流),則會降低MOSFET的開關速度。
所以,根據(jù)不同的產(chǎn)品,來選取不同的驅動IC驅動電機至關重要),是具有高低側參考輸出通道,耐壓高、高速的MOSFET和IGBT驅動IC,邏輯輸入兼容標準CMOS或LSTTL輸出,邏輯電壓可降至3.3 V。
輸出驅動器的特點是一個高脈沖電流緩沖級設計的最小驅動器交叉?zhèn)鲗?。浮動通道可用于驅動n通道功率MOSFET或IGBT在高側配置,耐壓達600V,通斷時間220 ns/200 ns。而SLM2101S通斷時間為160 ns/150 ns。
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