基于IR2136與MOSFET的無刷直流電機驅(qū)動電路設(shè)計

陳華彬 張興華

關(guān)鍵詞： IR2136; MOSFET; 無刷直流電機; 自舉電路; 過流保護; 驅(qū)動電路

中圖分類號： TN433?34; TM383 ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號： 1004?373X（2019）04?0053?04

Design of drive circuit based on IR2136 and MOSFET for brushless DC motor

CHEN Huabin， ZHANG Xinghua

（School of Electrical Engineering and Control Science， Nanjing Tech University， Nanjing 210009， China）

Abstract： The independent power supplies are adopted to supply power for the power switch tube in the traditional drive circuit design， which makes hardware structure complex and reliability reduced. Therefore， a drive circuit based on the power drive chip IR2136 and field?effect tube MOSFET is designed for the brushless DC motor from the respects of signal isolation， three?phase inverter drive， and overcurrent protection circuit. The design of the bootstrap circuit and optimization design for drive protection of the power tube in the three?phase inverter drive circuit are expounded emphatically. The TMS570 control board is used to perform functional test of the drive circuit. The results show that the designed drive circuit can drive the motor to operate smoothly， stably and reliably.

Keywords： IR2136; MOSFET; brushless DC motor; bootstrap circuit; overcurrent protection; drive circuit

0 ?引 ?言

隨著電力電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，無刷直流電機的控制技術(shù)也取得長足的進步，在航天、軍事、機器人等領(lǐng)域得到了廣泛的使用。而驅(qū)動電路的設(shè)計是無刷直流電機控制系統(tǒng)中的重要部分，電機驅(qū)動電路的穩(wěn)定性與可靠性將對整個控制系統(tǒng)產(chǎn)生很大影響[1]。傳統(tǒng)驅(qū)動電路的設(shè)計，需要采用相互獨立的電源為功率開關(guān)管供電，使得硬件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，可靠性下降[2]。而采用專用功率驅(qū)動芯片與功率開關(guān)管，既簡化了電路設(shè)計，又滿足了一定的性能需求。

本文利用IR公司生產(chǎn)的專用功率驅(qū)動芯片IR2136與功率場效應(yīng)管MOSFET，完成了無刷直流電機驅(qū)動電路的設(shè)計。并詳細介紹了自舉電路的設(shè)計、MOSFET驅(qū)動保護設(shè)計，最后基于實驗驗證了該驅(qū)動電路具有性能穩(wěn)定、驅(qū)動能力強等優(yōu)點。

1 ?無刷直流電機工作原理

為了便于理解驅(qū)動電路的設(shè)計原理，簡單闡述下無刷直流電機的工作原理。無刷直流電機主要由三大部分構(gòu)成：電機本體、轉(zhuǎn)子位置傳感器、電子換相電路[3]。圖1中A，B，C三個Y型連接的電感為電機的簡單等效模型，6只功率MOS管Q1～Q6組成功率逆變器。

位置傳感器作為轉(zhuǎn)子位置檢測的裝置，是無刷直流電機系統(tǒng)中的重要組成部分之一，電機每轉(zhuǎn)一周，位置傳感器就會按順序輸出對應(yīng)換相的6個編碼，控制芯片在接收到位置信息后，經(jīng)過內(nèi)部程序處理，輸出控制功率開關(guān)管的開通與關(guān)斷的PWM信號，使定子各相繞組電流按一定次序?qū)?，通過不斷換相，使電機旋轉(zhuǎn)起來[4]。

2 ?IR2136驅(qū)動芯片

IR2136是IR公司推出的專用IGBT和MOSFET驅(qū)動集成芯片，內(nèi)部有欠壓保護與過流保護功能，可靠性和集成度高，可大大簡化硬件電路的設(shè)計。圖2是IR2136的引腳分配圖。

VCC引腳是電源輸入端，可以為低側(cè)提

供電源，還可為內(nèi)部邏輯電路供電。HIN為高側(cè)門極驅(qū)動邏輯輸入引腳，低電平有效，經(jīng)過施密特觸發(fā)器、電平轉(zhuǎn)換、濾波、放大等通道，最后驅(qū)動上橋臂MOS管。LIN為低側(cè)門極驅(qū)動邏輯輸入引腳，驅(qū)動下橋臂MOS管。HO，LO對應(yīng)高低側(cè)門極驅(qū)動輸出。VB為高壓側(cè)基極浮動電壓輸出端。VS為高壓側(cè)浮動射極輸出端。ITRIP是過流檢測引腳，F(xiàn)AULT是故障輸出引腳。

3 ?無刷直流電機驅(qū)動電路的設(shè)計

整個電路設(shè)計主要包括了光耦隔離電路、三相逆變驅(qū)動電路、過流檢測電路。

3.1 ?光耦隔離電路

IR2136的輸入信號來自微處理器，是控制系統(tǒng)中的弱電部分;而功率驅(qū)動模塊外接電機運轉(zhuǎn)，是電機控制中的強電部分。為了保證微處理器電路的安全工作，必須使用隔離電路將微處理器電路與大電流功率的驅(qū)動電路之間隔離開。若IR2136前端未加隔離電路，當(dāng)電路中的開關(guān)器件損壞，高壓將直接加在IR2136上，導(dǎo)致IR2136前級電路擊穿，控制芯片燒毀[5]。

隔離電路的功能主要采用光耦實現(xiàn)?？紤]PWM波的頻率（本設(shè)計中為16 kHz），選擇高速光耦HCPL?0631進行隔離。電路設(shè)計如圖3所示。

PWM信號經(jīng)過反相器，將輸入的低信號拉高，送給光耦，為防止流入光耦電流過大，加入一個限流電阻R64，取值390 Ω。光耦電路供電電源是隔離5 V電源，由電源模塊供電。通過隔離電路，成功地將強電信號與弱電信號進行隔離并提高了電路的抗干擾能力。

3.2 ?三相逆變驅(qū)動電路

驅(qū)動電路由驅(qū)動芯片IR2136和6路MOS管組成，如圖4所示。功率場效應(yīng)管因其開關(guān)速度快、工作頻率高、不存在二次擊穿等顯著優(yōu)點在中小型功率開關(guān)電路中應(yīng)用極為廣泛[6]，本次所采用的MOS管型號為IRFS4010PBF，最大漏源電壓100 V，最大漏極電流可達180 A。

圖4中，MOS管作高速電子開關(guān)用，高側(cè)MOS管Q1，Q3，Q5漏極接高壓，源極接負載，為確保高側(cè)MOS管飽和導(dǎo)通，柵極驅(qū)動電壓必須浮置在源極電壓之上[7]。

這時需要在外部增加一個自舉電路，給IR2136的VB和VS兩端供電，驅(qū)動功率管柵極導(dǎo)通。一般MOS管的柵源導(dǎo)通電壓為10～15 V，這里選擇15 V供電電源。低側(cè)MOS管因源極接地，驅(qū)動方法比較簡單，可由驅(qū)動芯片15 V電源直接驅(qū)動?xùn)艠O。

3.2.1 ?自舉電容的選型

自舉電路的工作原理：逆變驅(qū)動電路中，每一對上下管都是交替導(dǎo)通的，以Q1，Q3管為例，當(dāng)上管Q1關(guān)斷，下管Q3導(dǎo)通時，VS1引腳電位為Q2管飽和壓降，基本為低電位，此時15 V的電源通過自舉二極管D27給自舉電容C84充電。當(dāng)下管Q2關(guān)閉，上管Q1導(dǎo)通時，自舉電容放電，給上功率管Q1提供飽和導(dǎo)通的電壓。

自舉電容取值是電路設(shè)計的關(guān)鍵。上管導(dǎo)通時自舉電容必須在短時間內(nèi)提供足夠的電荷，太小達不到驅(qū)動要求，過大會影響驅(qū)動性能，所以應(yīng)該結(jié)合MOS管的工作頻率、門極特性等方面綜合考慮。本次設(shè)計MOS管工作頻率為16 kHz，結(jié)合MOS管的工作特性，自舉電容C84，C86，C87取10 μF。

3.2.2 ?自舉二極管的選型

自舉二極管是自舉電路中的核心元件，其反向電壓應(yīng)大于MOS管母線上的高壓，額定電流大小為開關(guān)管開關(guān)頻率與自舉電容提供的柵極電荷之積[8]。由于MOS管工作頻率較高，充放電時間較短，自舉電容向電源的電荷回饋會使得電荷損失，所以應(yīng)當(dāng)選用反向漏電流小、恢復(fù)時間快的二極管。

這里選用超快恢復(fù)二極管SFR104S，如圖4中D27，D29，D31所示，反向恢復(fù)時間小于120 ns，最大承受400 V反向峰值電壓。

3.2.3 ?功率管保護電阻設(shè)計

在MOS管頻繁的關(guān)斷中，若柵極和源極之間的阻抗太高，漏源間的電壓突然變化會通過極間電容耦合到柵極，導(dǎo)致柵源間產(chǎn)生相當(dāng)高的尖峰電壓，這一電壓會直接擊穿功率管氧化層，對MOS管造成永久破壞[9]。為保護MOS管安全工作，可以選擇并接一個電阻與齊納二極管。圖4中，以Q1為例，在柵極和源極間并聯(lián)一個100 Ω的電阻R83，再并聯(lián)一個18 V的齊納二極管D24。

由于電路中的各種寄生電容與電感，可能會形成震蕩現(xiàn)象，不僅會增大MOS管的功率損耗，還有可能導(dǎo)致上下橋臂直通，燒壞功率管。在柵極前端加入一個緩沖電阻，可以有效調(diào)節(jié)MOS管開關(guān)速度，還可以防止上下橋臂直通。一般需要在開關(guān)時間與驅(qū)動效果之間折中選擇。圖4中，仍以Q1為例，在柵極前端加入電阻R78，取值100 Ω，而且采用了一個二極管D23與等值電阻R75并聯(lián)，上電時二極管不工作，放電時二極管導(dǎo)通，電阻降低迅速放電，起到快速關(guān)斷MOS管的作用。

3.3 ?保護電路設(shè)計

驅(qū)動電路的正常運轉(zhuǎn)離不開保護電路，通過電路保護，可以大大提高逆變驅(qū)動電路的可靠性[10]。之前介紹過IR2136的過流保護引腳ITRIP與故障輸出引腳FAULT，利用此設(shè)計了三相逆變電路的過流保護電路。過流檢測電路如圖5所示。

該電路主要由一個采樣電阻R311和一個電壓比較器U182組成，R311上端接低側(cè)MOS管的漏極，取值22 mΩ，作用是將電流信號轉(zhuǎn)化為電壓信號。當(dāng)逆變驅(qū)動電路中的電流超過閾值，則電壓U1>U2。電壓比較器會輸出一個高電平給ITRIP引腳，IR2136會切斷門極驅(qū)動輸出信號，并通過FAULT引腳給主控芯片發(fā)送過流信號。閾值電壓U2=R536R535+R536U=5.14.7+5.1×5=2.602 V]。

4 ?實驗結(jié)果與總結(jié)

完成電路設(shè)計后，在電機臺架上進行測試。所用電機型號為K65ZW?36?120，額定功率為120 W，額定轉(zhuǎn)速為2 800 r/min。電機速度控制采用脈寬調(diào)制技術(shù)（PWM）實現(xiàn)。

本文設(shè)計驅(qū)動控制開關(guān)邏輯為低電平有效，采用雙極性的同步變頻互補開關(guān)的調(diào)制方式，導(dǎo)通相下橋臂常開，另一對功率管互補導(dǎo)通，采用此種調(diào)制方式可有效減少非換相和換相期間的電磁轉(zhuǎn)矩脈動[11]。

圖6為用示波器讀取的6路PWM波形HIN1，HIN2，HIN3，LIN3，LIN2，LIN1和驅(qū)動電路后端兩路斬波HO1，LO1。圖7為6路PWM波形與A，B相的相電壓。

5 ?結(jié) ?語

本文給出基于驅(qū)動芯片IR2136和功率場效應(yīng)管MOSFET的無刷直流電機驅(qū)動電路設(shè)計方案。詳細介紹了信號隔離、功率驅(qū)動設(shè)計、過流保護硬件電路的設(shè)計方法。最后采用基于TMS570控制板和設(shè)計的電機驅(qū)動電路進行無刷直流電機運行實驗，證實了該驅(qū)動電路可使無刷直流電機穩(wěn)定、可靠運行。

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