无刷电机驱动电路结构解析

无刷电机采用3 相线通电。电机本体的定子中，有与3 相对应的线圈（数量为3 的倍数）。各相线圈根据转子的转动位置进行换流（改变电流的方向）。通过改变换流速度与经PWM调制后的电压，控制电机的转动。逆变器的作用是利用直流电源（电池）生成各相的功率信号（交流生成电路）。

逆变器电路的概要

开关器件

逆变器电路是什么样的？

图1

无刷直流电机的驱动电路如图1 所示。在这个电路图中，功率器件采用晶体管。晶体管起到高速开关的作用。像这样不工作在放大状态、起开关作用的器件，叫做“开关器件”。实际上，这里运用的并不是普通晶体管，而是MOSFET 或IGBT。图中晶体管左侧的端子叫做“基极”（晶体管）或“栅极”（MOSFET）。对基极/ 栅极施加电压时，电流从晶体管右上方的端子（集电极/ 漏极）向右下方的端子（发射极/ 极）流动，开关变为开通状态。开关处于开通状态时，直流电源电压施加到集电极/ 漏极，电流的流向：上臂晶体管/MOSFET →电机线圈（2 相串联）→下臂晶体管/MOSFET →地。

线圈中的电流是如何流动的？

分别有U 相、V 相、W 相线圈。而P W M 信号必须控制电流按如下方向流过其中2相的开关。

U → V

U → W

V → W

…

上述方向中，箭头左侧对应上臂开关，箭头右侧对应下臂开关。电路中，U相、V 相、W 相线圈可以分别视为只有1 个。当然，实际上并不是每相只有1 个线圈，而是由数个定子线圈（槽）串联或并联起来。

关于开关器件，上臂和下臂分别设置了U 相、V相、W 相。接下来，我们来看看3 相中的各相开关器件。U相上臂开关器件开通时，U 相下臂开关器件必须关断；U 相上臂开关器件关断时，U 相下臂开关器件必须开通。V 相、W 相也是如此。绝不会出现上臂和下臂同时开通/ 同时关断的情况。这样的关系叫做“互补”。

如何决定上臂/ 下臂开关器件的开通/ 关断？

图2

在图2 所示电路中，电流从上臂流到下臂，上臂从3 相中选择1 相开通，下臂亦从3 相中选择1相开通。因此，这里有6 个MOSFET 开关器件。在瞬间，由微处理器决定电流从哪里流向哪里，从哪相流过。微处理器对在各相中形成什么样的波形进行计算，并由计时器/ 计数器端子在任意时刻输出适当波形。此电路中由晶体管实施PWM 控制。在后面讲到的矢量控制的电路与这里的逆变器电路是一样的，只是PWM 的使用方法不同。这里使用的6 个MOSFET 具有同样的特性。考虑到购买的方便性与良好的驱动性能，我们使用N沟道MOSFET。

功率器件MOSFET 与IGBT

低于100V 时选用MOSFET

在图1 所示电路中，电机控制使用的开关器件是图3 所示的晶体管。一般来说，MOSFET（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，MOS场效应晶体管）与I G B T （ I n s u l a t e d G a t e B i p o l a r Transistor， 绝缘栅双极晶体管）使用得比较多。最近，更高效、更耐高压的新一代SiC、GaN 开关器件也开始得到应用。

MOSFET 的特点是通态电阻（开通时的漏- 源极间电阻） 小， 损耗小。像E V 卡丁车这样， 输入电压在2 4 ~ 5 0 V （ 耐压6 0 ~ 1 0 0 V ）， 可适用的MOSFET 种类有很多，也很容易获得。选型的关键是通态电阻、开关速度、温度特性等。

高于100V 时选用IGBT

I G B T 的特点是耐高压。找到适用于1 0 0 V 、200V，甚至更高电压的MO S F E T 比较困难，此时应选择I G B T 。市售的E V 和最近的火车上使用的也是IGBT。开通时，IGBT 集电极- 发射极的极间电压只有几伏，但消耗的电流很大，需要采取散热对策。

驱动电路

在逆变器中，驱动MOSFET、IGBT 等功率器件的电路部分叫做驱动电路，驱动电路的作用如下：

·避免电机驱动电源损害微处理器

·提供足够大的基极驱动电流

·生成栅极驱动电压

基极驱动IC

这里所说的生成栅极驱动电压， 是指输送MOSFET 的基极的电能MOSFET 的基极不仅要有电压的施加，也必须要有电流的流入。例如，2SK3479 的 栅极电容Ciss 为1100pF，Qg为2 1 0 n C。栅极连接了一个2 2 Ω 的保护电阻，截止频率为1.3MHz，初期栅极电流227mA（驱动电压5V）。也就是说，仅仅依靠微处理器的端子无法直接驱动。因此，为了确保驱动电流设置了栅极驱动I C 。以上臂的栅极驱动I C 为例，输出电流（IO+/-）为2A 的IRS2110 栅极驱动IC 的具体情况如图4 所示。

图4

栅极电压的自举电路

此驱动电路中，MOSFET 在电机驱动电压超过＋ VGSmin 时驱动。当然，栅极电压取决于使用哪种MOSFET。因此，栅极驱动IC 搭载了电荷泵升压电

路。这也叫做自举电路（图5）。

图5

根据微处理器输出的栅极驱动信号，该电路通过栅极驱动IC 对外部电容器充电，并向栅极施加线圈的相电压。也就是说，对下臂施加驱动脉冲，自举电路才会工作。但是，如果电压不足，就会出现即使微处理器输出PWM 信号，也无法驱动栅极的现象。使用PWM 控制电机的速度时，必须注意：如果没有进行下臂的脉冲驱动，电机就不会工作。驱动前，需对下臂施加与电机转动无关的脉冲