王郅祺，王相超

（杭州電子科技大學 電子信息學院，浙江杭州，310018）

0 引言

無刷直流電機在汽車、工業(yè)控制、航天等各領域都有著極其廣泛的運用，相較于傳統(tǒng)的有刷直流電機，無刷直流電機擁有效率更高、壽命更長的優(yōu)點，因此，無刷直流電機往往應用于大電流、大功率的場景。這也使得無刷直流電機對驅(qū)動電路的要求比較高。傳統(tǒng)驅(qū)動電路的設計，需要采用相互獨立的電源為功率開關管供電，使得電路結(jié)構復雜，可靠性較低[1]。采用國產(chǎn)專用功率驅(qū)動芯片與功率開關管，不僅可以簡化設計，又能滿足需求，節(jié)省一定成本。

本文使用屹晶微公司生產(chǎn)的專用功率驅(qū)動芯片EG2181，對無刷直流電機進行設計。最后通過實驗驗證了本方案的可靠性和可行性。

1 EG2181驅(qū)動芯片

EG2181是由屹晶微公司推出的一款專大功率MOS管、IGBT管柵極驅(qū)動專用芯片，內(nèi)部集成邏輯信號處理電路、死區(qū)時間控制電路、輸出驅(qū)動等電路，專用于無刷電機控制器中的驅(qū)動電路。

HIN為邏輯輸入引腳，控制高端MOSFET的開關；LIN為邏輯輸入引腳，控制低端MOSFET的開關；GND為芯片的地端；LO輸出控制低端MOSFET的開關；Vcc為芯片工作電源輸入端；VS是高端懸浮地端；HO控制高端MOSFET開關；VB為高端懸浮電源。

EG2181高端的最大工作電壓可達600V，低端VCC最大可輸入電壓20V，最大輸出電流2.5A，采用 SOP8 封裝，體積小、性能強。

2 無刷直流電機驅(qū)動電路設計

電路整體分成緩沖隔離、預驅(qū)動、三相逆變、過流保護四部分。

2.1 緩沖隔離電路

由于單片機引腳驅(qū)動能力有限，為了提高驅(qū)動能力，同時為了避免昂貴的控制芯片直接和后級高壓部分接觸產(chǎn)生風險，中間采用74LVC245芯片作為緩沖隔離電路。

圖2 74LVC245電路圖

2.2 預驅(qū)動電路

直流無刷電機往往使用在大電流場景，為了能夠驅(qū)動大電流大功率電機，就需要把從單片機產(chǎn)生的PWM信號放大成足夠強，適用于外部設備的強電信號。EG2181最大輸出電流為2.5A，擁有非常強悍的驅(qū)動能力。

無刷直流電機具有3個接線端，需要3個相同的EG2181電路來同時驅(qū)動，圖3為其中一部分電路。

圖3 EG2181電路圖

C11為濾波電容，濾除輸入電源的紋波，使芯片穩(wěn)定工作。

C12為自舉電容，D12為自舉二極管，為高壓端的MOSFET提供電源。一個半橋的高壓端管在導通前需要先對電容C12充電，當其兩端電壓超過閾值電壓MOSFET的柵極開啟電壓，高壓側(cè)MOSFET導通[2]。

圖1 EG2181管腳定義

自舉電容必須為開關管提供導通時所需要的柵極電荷。取值一般遵從：

Qg為MOSFET導通時所需要的電荷量，Vc

c為懸浮電源絕對電壓，Vf為自舉二極管正向壓降，Vl為低壓側(cè)功率管壓降。自舉電容的取值要根據(jù)其他元件的參數(shù)選定，實際一般取10μF即可滿足條件。

自舉二極管的反向承受電壓大于母線電壓，本次實驗測試時輸入PWM頻率為50kHz，MOSFET在實際使用中開關頻率很高，所以應該選擇耐壓值高的快恢復二極管，這里選用FR107二極管，反向耐壓1000V，反向恢復時間小于500ns。

R11、R12、R13、R14為偏置電阻，在沒有信號接入時可將芯片輸入引腳拉低，防止誤操作。

D11為瞬態(tài)抑制二極管，用于吸收電源開啟瞬間造成的浪涌大電壓，從而保護后級。

2.3 三相逆變電路

由MOSFET和電阻、二極管構成的三相逆變電路，能夠?qū)⒅绷麟娹D(zhuǎn)化成三相無刷電機所真正需要的三相交流電。是整個驅(qū)動電路中最為重要的部分。圖4為其中一相的電路，整體由同樣的3組電路構成。

圖4 MOSFET逆變電路

HOA信號為EG2181高端MOSFET控制引腳輸出信號，LOA信號為EG2181低端MOSFET控制引腳輸出信號,VSA為輸出信號。

Q1、Q2、Q3、Q4為NEMOSFET，上下兩側(cè)分別構成上下橋臂，同一路上下兩MOSFET不能同時導通，否則會因為電流過大直接燒毀元件。圖中采用MOSFET并聯(lián)結(jié)構，能夠提高載流能力。MOSFET選型原則上需要有較強載流能力，開關頻率高，耐壓值高，本設計采用BSC014N04LS場效應管，其擁有高達198A的短時漏極載流和最高20V的柵極耐壓，TDSON-8FL封裝也能帶來較小的寄生參數(shù)和較好的散熱。

R22、R24電阻主要有兩個作用，首先是在MOSFET柵極輸入懸空時，避免漏極電壓直接通過柵漏兩極之間的寄生電容倒灌到柵極，及時泄放掉電荷，防止誤觸發(fā)和意外擊穿，從而保護MOSFET；其次，防止靜電損壞MOSFET。電阻典型取值為10kΩ或20kΩ。

R21、R23為柵極電阻，由于線路中阻抗和雜散電感的存在，MOSFET柵極在硬開關的時候會產(chǎn)生震蕩[3]。如果在輸入PWM波形低電平的時候產(chǎn)生了震蕩且超過了柵極的門限電壓，就會造成MOSFET的誤導通，不僅會增加損耗，更嚴重情況下會使得上下橋臂同時導通產(chǎn)生超大電流燒毀元器件；高電平震蕩則可能因為超出MOSFET極間耐壓值從而擊穿MOSFET。柵極電阻則能夠消耗部分能量，從而有效抑制震蕩改善波形，電阻取值往往需要根據(jù)實際實驗情況選取，圖5和圖6是測試時電阻分別取4.7Ω和10Ω時MOSFET輸出波形的對比，當柵極電阻大小為4.7Ω時最大震蕩電壓為17.2V，當柵極電阻大小為10Ω時最大震蕩電壓為13.8V，由此可見適當增大柵極電阻能有效改電壓善震蕩問題，但需要注意柵極電阻最好不要過大，否則會造成開關波形上升時間過長致使MOSFET發(fā)熱損耗嚴重[4]。

圖5 R=4.7Ω時開關電壓波形

圖6 R=10Ω時開關電壓波形

D21、D22為二極管，能夠加速MOSFET柵極波形從高電平轉(zhuǎn)到低電平的時間，加速開關管關斷。應該選擇反向恢復時間較短的二極管，本設計選型為1N4148快恢復二極管，反向恢復時間小于350ns。

C21為電解電容，無刷直流電機作為感性負載，在工作時往往會產(chǎn)生反電動勢降低電源質(zhì)量，從而影響電路穩(wěn)定性。電解電容能夠有效吸收無刷電機產(chǎn)生的疊加在母線上的紋波電壓[5]，其耐壓值的選取一般為所承受電壓的2倍，本次設計中電壓值為12V，故選取25V耐壓、容值為470μF的電解電容。

R25為采樣電阻，用于后續(xù)過流保護模塊的采樣。

2.4 過流保護電路

通過電阻采樣得到電壓信息，連接至單片機并換算成電流，當?shù)玫降碾娏鞒^程序內(nèi)部設定的閾值時就會自動關閉輸出，從而起到過流保護的作用，這一點對于整個電路的安全性具有非常重要的意義，本設計由COS8552運放芯片實現(xiàn)，具體電路見圖7。

圖7 過流保護電路

1片COS8552芯片包含2個運放，具有相同的2路電流檢測電路，現(xiàn)對具體1路解釋說明。VREF為參考電壓，IA為三相逆變電路中其中一相采樣電阻上端電壓，ISUM為上述采樣電阻下端電壓，CU_A為輸入到單片機的電壓信息，三者關系滿足：

圖上電阻選擇應滿足關系式：

3 測試

完成電路設計后，需要將實物制作出來并進行測試，測試所用電機主要參數(shù)見表1。

表1 電機部分參數(shù)

無刷直流電機需要通過有規(guī)律地對三相定子繞組通電才能驅(qū)動。為了方便測試，使用單片機產(chǎn)生所需要的PWM信號來使無刷直流電機轉(zhuǎn)動，并進行信號不同占空比情況下的轉(zhuǎn)速測試、電流測試。

表2為轉(zhuǎn)速測試情況，由單片機產(chǎn)生不同目標轉(zhuǎn)速的PWM信號，并用霍爾傳感器測得實際轉(zhuǎn)速信息并計算相應誤差，受傳感器精度、電機實際生產(chǎn)情況、電路板走線布局等因素影響，數(shù)據(jù)本身存在誤差，不一定完全準確。在測得的15組數(shù)據(jù)中，前5組轉(zhuǎn)速取值間隔為1171RPM/min，后10組轉(zhuǎn)速取值間隔為586RPM/min。轉(zhuǎn)速平均誤差為1.45%，最大誤差3.16%，最小誤差0.29%，誤差較小，符合實際應用的需求。

表2 電機轉(zhuǎn)速測試

表3為不同目標轉(zhuǎn)速情況下電機空載電流大小，在以下不同目標轉(zhuǎn)速情況下各運行10分鐘，僅電機產(chǎn)生微熱，電路板能夠穩(wěn)定工作運行。且當在電機運行時用手進行堵轉(zhuǎn)測試時，堵轉(zhuǎn)產(chǎn)生的大電流超過了程序內(nèi)部設定的電流閾值，造成單片機輸出關閉，有效保護了電路。

表3 電機電流測試

4 結(jié)語

本文給出基于國產(chǎn)驅(qū)動芯片EG2181的無刷直流電機驅(qū)動電路設計方案。詳細介紹了緩沖隔離、預驅(qū)動、逆變橋、過流保護電路設計方案，給出元器件選型原則和具體選型。最后利用單片機產(chǎn)生PWM信號，對13.5T額定功率為190W的無刷直流電機進行了測試，對比實測轉(zhuǎn)速與程序設計轉(zhuǎn)速，兩者非常接近，且在電機啟動、停止、變速、長時間工作情況下系統(tǒng)均能保持穩(wěn)定工作，對其進行堵轉(zhuǎn)測試時過流保護電路也能有效發(fā)揮作用，測試結(jié)果驗證了基于EG2181進行無刷直流電機設計的可行性。采用國產(chǎn)驅(qū)動芯片也能夠在滿足性能的同時大幅降低成本。