陳華彬 張興華

關(guān)鍵詞： IR2136; MOSFET; 無(wú)刷直流電機(jī); 自舉電路; 過(guò)流保護(hù); 驅(qū)動(dòng)電路

中圖分類(lèi)號(hào)： TN433?34; TM383 ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)： 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(wú)刷直流電機(jī)的控制技術(shù)也取得長(zhǎng)足的進(jìn)步，在航天、軍事、機(jī)器人等領(lǐng)域得到了廣泛的使用。而驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)是無(wú)刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)中的重要部分，電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的穩(wěn)定性與可靠性將對(duì)整個(gè)控制系統(tǒng)產(chǎn)生很大影響[1]。傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)，需要采用相互獨(dú)立的電源為功率開(kāi)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(zhuān)用功率驅(qū)動(dòng)芯片與功率開(kāi)關(guān)管，既簡(jiǎn)化了電路設(shè)計(jì)，又滿(mǎn)足了一定的性能需求。

本文利用IR公司生產(chǎn)的專(zhuān)用功率驅(qū)動(dòng)芯片IR2136與功率場(chǎng)效應(yīng)管MOSFET，完成了無(wú)刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)。并詳細(xì)介紹了自舉電路的設(shè)計(jì)、MOSFET驅(qū)動(dòng)保護(hù)設(shè)計(jì)，最后基于實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該驅(qū)動(dòng)電路具有性能穩(wěn)定、驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

1 ?無(wú)刷直流電機(jī)工作原理

為了便于理解驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)原理，簡(jiǎn)單闡述下無(wú)刷直流電機(jī)的工作原理。無(wú)刷直流電機(jī)主要由三大部分構(gòu)成：電機(jī)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(gè)Y型連接的電感為電機(jī)的簡(jiǎn)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(cè)的裝置，是無(wú)刷直流電機(jī)系統(tǒng)中的重要組成部分之一，電機(jī)每轉(zhuǎn)一周，位置傳感器就會(huì)按順序輸出對(duì)應(yīng)換相的6個(gè)編碼，控制芯片在接收到位置信息后，經(jīng)過(guò)內(nèi)部程序處理，輸出控制功率開(kāi)關(guān)管的開(kāi)通與關(guān)斷的PWM信號(hào)，使定子各相繞組電流按一定次序?qū)ǎㄟ^(guò)不斷換相，使電機(jī)旋轉(zhuǎn)起來(lái)[4]。

2 ?IR2136驅(qū)動(dòng)芯片

IR2136是IR公司推出的專(zhuān)用IGBT和MOSFET驅(qū)動(dòng)集成芯片，內(nèi)部有欠壓保護(hù)與過(guò)流保護(hù)功能，可靠性和集成度高，可大大簡(jiǎn)化硬件電路的設(shè)計(jì)。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(mén)極驅(qū)動(dòng)邏輯輸入引腳，低電平有效，經(jīng)過(guò)施密特觸發(fā)器、電平轉(zhuǎn)換、濾波、放大等通道，最后驅(qū)動(dòng)上橋臂MOS管。LIN為低側(cè)門(mén)極驅(qū)動(dòng)邏輯輸入引腳，驅(qū)動(dòng)下橋臂MOS管。HO，LO對(duì)應(yīng)高低側(cè)門(mén)極驅(qū)動(dòng)輸出。VB為高壓側(cè)基極浮動(dòng)電壓輸出端。VS為高壓側(cè)浮動(dòng)射極輸出端。ITRIP是過(guò)流檢測(cè)引腳，F(xiàn)AULT是故障輸出引腳。

3 ?無(wú)刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)

整個(gè)電路設(shè)計(jì)主要包括了光耦隔離電路、三相逆變驅(qū)動(dòng)電路、過(guò)流檢測(cè)電路。

3.1 ?光耦隔離電路

IR2136的輸入信號(hào)來(lái)自微處理器，是控制系統(tǒng)中的弱電部分;而功率驅(qū)動(dòng)模塊外接電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，是電機(jī)控制中的強(qiáng)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(dòng)電路之間隔離開(kāi)。若IR2136前端未加隔離電路，當(dāng)電路中的開(kāi)關(guān)器件損壞，高壓將直接加在IR2136上，導(dǎo)致IR2136前級(jí)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(shí)現(xiàn)?？紤]PWM波的頻率（本設(shè)計(jì)中為16 kHz），選擇高速光耦HCPL?0631進(jìn)行隔離。電路設(shè)計(jì)如圖3所示。

PWM信號(hào)經(jīng)過(guò)反相器，將輸入的低信號(hào)拉高，送給光耦，為防止流入光耦電流過(guò)大，加入一個(gè)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(guò)隔離電路，成功地將強(qiáng)電信號(hào)與弱電信號(hào)進(jìn)行隔離并提高了電路的抗干擾能力。

3.2 ?三相逆變驅(qū)動(dòng)電路

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

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

這時(shí)需要在外部增加一個(gè)自舉電路，給IR2136的VB和VS兩端供電，驅(qū)動(dòng)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(dòng)方法比較簡(jiǎn)單，可由驅(qū)動(dòng)芯片15 V電源直接驅(qū)動(dòng)?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(dòng)電路中，每一對(duì)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(shí)，VS1引腳電位為Q2管飽和壓降，基本為低電位，此時(shí)15 V的電源通過(guò)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(shí)，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(jì)的關(guān)鍵。上管導(dǎo)通時(shí)自舉電容必須在短時(shí)間內(nèi)提供足夠的電荷，太小達(dá)不到驅(qū)動(dòng)要求，過(guò)大會(huì)影響驅(qū)動(dòng)性能，所以應(yīng)該結(jié)合MOS管的工作頻率、門(mén)極特性等方面綜合考慮。本次設(shè)計(jì)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(xiàn)上的高壓，額定電流大小為開(kāi)關(guān)管開(kāi)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(shí)間較短，自舉電容向電源的電荷回饋會(huì)使得電荷損失，所以應(yīng)當(dāng)選用反向漏電流小、恢復(fù)時(shí)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(shí)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(hù)電阻設(shè)計(jì)

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(huì)通過(guò)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(huì)直接擊穿功率管氧化層，對(duì)MOS管造成永久破壞[9]。為保護(hù)MOS管安全工作，可以選擇并接一個(gè)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(gè)100 Ω的電阻R83，再并聯(lián)一個(gè)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(huì)形成震蕩現(xiàn)象，不僅會(huì)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(gè)緩沖電阻，可以有效調(diào)節(jié)MOS管開(kāi)關(guān)速度，還可以防止上下橋臂直通。一般需要在開(kāi)關(guān)時(shí)間與驅(qū)動(dòng)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(gè)二極管D23與等值電阻R75并聯(lián)，上電時(shí)二極管不工作，放電時(shí)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(hù)電路設(shè)計(jì)

驅(qū)動(dòng)電路的正常運(yùn)轉(zhuǎn)離不開(kāi)保護(hù)電路，通過(guò)電路保護(hù)，可以大大提高逆變驅(qū)動(dòng)電路的可靠性[10]。之前介紹過(guò)IR2136的過(guò)流保護(hù)引腳ITRIP與故障輸出引腳FAULT，利用此設(shè)計(jì)了三相逆變電路的過(guò)流保護(hù)電路。過(guò)流檢測(cè)電路如圖5所示。

該電路主要由一個(gè)采樣電阻R311和一個(gè)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(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)。當(dāng)逆變驅(qū)動(dòng)電路中的電流超過(guò)閾值，則電壓U1>U2。電壓比較器會(huì)輸出一個(gè)高電平給ITRIP引腳，IR2136會(huì)切斷門(mén)極驅(qū)動(dòng)輸出信號(hào)，并通過(guò)FAULT引腳給主控芯片發(fā)送過(guò)流信號(hào)。閾值電壓U2=R536R535+R536U=5.14.7+5.1×5=2.602 V]。

4 ?實(shí)驗(yàn)結(jié)果與總結(jié)

完成電路設(shè)計(jì)后，在電機(jī)臺(tái)架上進(jìn)行測(cè)試。所用電機(jī)型號(hào)為K65ZW?36?120，額定功率為120 W，額定轉(zhuǎn)速為2 800 r/min。電機(jī)速度控制采用脈寬調(diào)制技術(shù)（PWM）實(shí)現(xiàn)。

本文設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)控制開(kāi)關(guān)邏輯為低電平有效，采用雙極性的同步變頻互補(bǔ)開(kāi)關(guān)的調(diào)制方式，導(dǎo)通相下橋臂常開(kāi)，另一對(duì)功率管互補(bǔ)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(dòng)[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(dòng)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(yǔ)

本文給出基于驅(qū)動(dòng)芯片IR2136和功率場(chǎng)效應(yīng)管MOSFET的無(wú)刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)方案。詳細(xì)介紹了信號(hào)隔離、功率驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)、過(guò)流保護(hù)硬件電路的設(shè)計(jì)方法。最后采用基于TMS570控制板和設(shè)計(jì)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行無(wú)刷直流電機(jī)運(yùn)行實(shí)驗(yàn)，證實(shí)了該驅(qū)動(dòng)電路可使無(wú)刷直流電機(jī)穩(wěn)定、可靠運(yùn)行。

參考文獻(xiàn)

[1] 秦文甫，張昆峰.基于IR2136的無(wú)刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)[J].電子設(shè)計(jì)工程，2012，20（9）：118?120.

QIN Wenfu， ZHANG Kunfeng. Design of driver circuit for BLDCM based on IR2136 [J]. Electronic design engineering， 2012， 20（9）： 118?120.

[2] 曾建安，曾岳南，暨綿浩.MOSFET和IGBT驅(qū)動(dòng)器IR2136及其在電機(jī)控制中的應(yīng)用[J].電機(jī)技術(shù)，2005（1）：13?15.

ZENG Jianan， ZENG Yuenan， JI Mianhao. MOSFET and IGBT drivers IR2136 and its application [J]. Electrical machinery technology， 2005（1）： 13?15.

[3] 劉剛，王志強(qiáng)，房建成.永磁無(wú)刷直流電機(jī)控制技術(shù)與應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008.

LIU Gang， WANG Zhiqiang， FANG Jiancheng. Control technology of permanent magnet brushless DC motor and its application [M]. Beijing： China Machine Press， 2008.

[4] WANG Huazhang. Design and implementation of brushless DC motor drive and control system [J]. Procedia engineering， 2012， 29： 2219?2224.

[5] 易柳，黃輝先，蘇浩.基于DSP控制的三相逆變電源設(shè)計(jì)[J].機(jī)電工程技術(shù)，2009，38（9）：79?82.

YI Liu， HUANG Huixian， SU Hao. The design of three?phase power inverter based on DSP control [J]. Mechanical & electrical engineering technology， 2009， 38（9）： 79?82.

[6] 李正中，孫德剛.高壓浮動(dòng)MOSFET柵極驅(qū)動(dòng)技術(shù)[J].通信電源技術(shù)，2003（3）：37?40.

LI Zhengzhong， SUN Degang. Technologies of HV floating MOSFET?gate driver [J]. Telecom power technologies， 2003（3）： 37?40.

[7] 劉桂英，成葉琴，周琴.驅(qū)動(dòng)高壓浮動(dòng)MOSFET的自舉電容設(shè)計(jì)[J].上海電機(jī)學(xué)院學(xué)報(bào)，2009，12（3）：190?193.

LIU Guiying， CHENG Yeqin， ZHOU Qin. Design of bootstrap capacitor for driving high voltage floating MOSFET [J]. Journal of Shanghai Dianji University， 2009， 12（3）： 190?193.

[8] ZHANG Guofeng， ZHANG Yi， DONG Hui， et al. An approach to optimization of the superconducting quantum interference device bootstrap circuit [J]. Superconductor science and technology， 2011， 24（7）： 601.

[9] 田穎，陳培紅，聶圣芳，等.功率MOSFET驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J].電力電子技術(shù)，2005，39（1）：73?74.

TIAN Ying， CHEN Peihong， NIE Shengfang， et al. Design and application of power MOSFET drive and protection circuit based on EXB841 [J]. Power electronics， 2005， 39（1）： 73?74.

[10] 李廣海，葉勇，蔣靜坪.IPM驅(qū)動(dòng)和保護(hù)電路的研究[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2003，29（12）：43?45.

LI Guanghai， YE Yong， JIANG Jingping. Research on IPM drive and protection circuit [J]. Application of electronic technique， 2003， 29（12）： 43?45.

[11] 李自成，程善美，蔡凱，等.減小無(wú)刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的PWM新方式[J].華中科技大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2009，37（11）：1?4.

LI Zicheng， CHENG Shanmei， CAI Kai， et al. Novel PWM scheme for reducing torque ripples in brushless DC motors [J]. Journal of Huazhong University of Science & Technology （Natural science edition）， 2009， 37（11）： 1?4.