一種先進(jìn)交流變頻電動機(jī)驅(qū)動電路的設(shè)計

李春卉，王愛榮，侍才洪

(1.軍事交通學(xué)院 軍事物流系，天津300161;2.軍事交通學(xué)院 學(xué)員旅，天津300161)

交流電動機(jī)具有體積小、可靠性和穩(wěn)定性高、操作和維護(hù)成本低的特點，因此，越來越多的國外著名叉車廠商紛紛推出采用交流驅(qū)動系統(tǒng)的電動叉車。

功率MOSFET 是一種電壓控制型器件，其輸入阻抗高、功率增益高、驅(qū)動功率小、開關(guān)速度快、時間由寄生電容決定、導(dǎo)通電阻恒定、導(dǎo)通功耗小，而且，MOSFET 的導(dǎo)通電阻擁有正溫度系數(shù)，能夠通過并聯(lián)來擴(kuò)大其電流容量，因此，在低電壓大電流場合，使用多個MOSFET 并聯(lián)，能夠獲得理想效率并可充分利用MOSFET 的高頻性能。但是，由于其本身寄生電容的存在，會影響MOSFET 的導(dǎo)通、關(guān)斷時間，使其控制的可靠性降低，燒壞的可能性增大;且由于漏電流的存在，在驅(qū)動多個MOSFET 時，需要有一定的功率輸出。

美科斯叉車集團(tuán)開發(fā)的交流電動叉車，其主要動力來源于蓄電池，具有低電壓大電流的工作特點。為了提高該叉車的工作效率以及工作的穩(wěn)定性和安全性，本文設(shè)計了以功率MOSFET 為核心的高頻自舉推挽電路和門極快速放電回路。

1 自舉推挽功率放大電路

1.1 OTL 互補(bǔ)對稱式推挽功率放大電路

OTL 互補(bǔ)對稱式推挽功率放大電路(如圖1(a)所示)，由2 只特性相近的NPN 和PNP 型晶體管構(gòu)成(稱為互補(bǔ)管)，通常工作在乙類和甲乙類狀態(tài)(晶體管靜態(tài)工作點設(shè)置在截止點的放大電路，為乙類狀態(tài);晶體管靜態(tài)工作點設(shè)置在截止區(qū)和飽和區(qū)之間，靠近截止點的為甲乙類狀態(tài))。輸入信號UI(如圖1(b)所示)可使2 個晶體管輪流導(dǎo)通，調(diào)整UI中的直流分量，使2 個晶體管射極連接點A的靜態(tài)電位UA=UCC/2(圖1(b)中的波形忽略了晶體管T1、T2發(fā)射結(jié)的正向壓降)，則電容C 被充電，端電壓UC=UCC/2。UI的正半周期，UI＞UA，T1發(fā)射結(jié)正偏而導(dǎo)通，T2發(fā)射結(jié)反偏而截止，T1發(fā)射極電流ie1經(jīng)負(fù)載電阻RL給電容C 充電(如圖1(c)所示);UI的負(fù)半周期，T2導(dǎo)通而T1截止，電容C 經(jīng)T2、RL放電，放電電流ie2反向流過負(fù)載電阻RL(如圖1(d)所示)。T1、T2兩只功率管交替推挽工作，雖然ie1、ie2都只是半個正弦波，但流過負(fù)載電阻RL的電流Io和產(chǎn)生的壓降Uo都是完整的正弦波，即實現(xiàn)了波形的合成(如圖2 所示)。在工作的過程中，雖然電容C 有時充電、有時放電，但因容量足夠大，所以可近似認(rèn)為UC基本不變，保持靜態(tài)值UCC/2。

1.2 OTL 電路中的自舉回路

自舉電容回路由自舉電容和自舉二極管構(gòu)成(如圖3 所示)。自舉電容的容量會極大地影響和約束功率元件的開關(guān)特性，因此，合理地選擇自舉元件顯得十分重要。自舉二極管和自舉電阻配合自舉電容工作，起到良好的保護(hù)作用。

圖1 互補(bǔ)對稱式推挽功率放大電路

圖2 推挽工作電流、電壓波形

圖3 OTL 自舉回路

(1)自舉電容［2］。式(1)給出了自舉電容應(yīng)該提供的最小電荷要求，即

式中:Qbs為高端器件柵極電荷;Qg為驅(qū)動器件基極所需電荷;f為工作頻率;Icbs(leak)為自舉電容漏電流;Iqbs為高端驅(qū)動電路靜態(tài)電流;Qls為每個周期內(nèi)電平轉(zhuǎn)換電路中的電荷要求。

自舉電容必須能夠提供這些電荷，并且保持住電壓。因此，高端器件柵極電容的電荷應(yīng)是最小值的2 倍，最小電容值為

式中:Uf為自舉二極管正向壓降;ULs為低端器件壓降或高端負(fù)載壓降;UCC為驅(qū)動電壓。

(2)自舉二級管。由于要承受反向高壓，同時防止自舉電容充滿電后向電源反饋，自舉二極管應(yīng)選用高壓快恢復(fù)類型。

(3)自舉電阻。當(dāng)對自舉電容進(jìn)行充電時，充電電流會十分大，這種情況下需要自舉電阻來限流;但同時，自舉電阻的取值不能過大，否則會增加時間常數(shù)。

2 電路設(shè)計

推挽式電動機(jī)驅(qū)動電路設(shè)計如圖4 所示，由光耦隔離、功率放大、自舉推挽和門極放電回路3 個部分組成;可同時驅(qū)動并聯(lián)的12 個功率MOSFET，電源電壓為48 V。

2.1 光電隔離電路

光耦隔離電路由2 個光耦芯片TLP350 組成，使得信號電路和MOSFET 的驅(qū)動電路光電隔離，保護(hù)信號電路。電動機(jī)的一相由一對MOSFET 來驅(qū)動，根據(jù)交流控制原理，這對MOSFET 交替導(dǎo)通，不能同時導(dǎo)通，否則，MOSFET 可能過流燒壞。所以，設(shè)計時使用一對光耦芯片，得到2 種相反的信號，即當(dāng)一個光耦U1有正向電壓導(dǎo)通工作時，另一個光耦U2能夠得到一個反方向的電壓，使得其可靠截止。R39用來吸收浪涌電壓，保護(hù)光耦輸入端不受損壞。C44、C45必須是0.1 uF 的瓷片電容，用來穩(wěn)定芯片的線性放大性能，沒有這個電容就會引起轉(zhuǎn)換失真，而且在PCB 布線的過程中，這個電容與芯片的距離應(yīng)保持在1 cm 以內(nèi)。

圖4 推挽式電動機(jī)驅(qū)動電路

2.2 功率放大、自舉推挽電路和門極放電回路

2.2.1 驅(qū)動電壓的選擇［3］

根據(jù)MOSFET 的特性，MOSFET 的驅(qū)動，即對柵極進(jìn)行充電和放電所需要的能量，其無論沖放電過程的快與慢(柵極電壓的上升與下降)都相同。所以，MOSFET 的驅(qū)動電流并不影響驅(qū)動功耗。由MOSFET 柵極電容充電和放電產(chǎn)生的功耗(也是主要功耗)為

式中:QG為MOSFET 總柵極電荷;UDD為MOSFET驅(qū)動?xùn)艠O電壓;F為開關(guān)頻率。

通過式(3)可以看出，開關(guān)頻率和總柵極電荷一定時，功耗與驅(qū)動?xùn)艠O電壓成正比。MOSFET 一般柵極電壓達(dá)到約4 V 就可以導(dǎo)通，且也是米勒效應(yīng)開始起作用的電壓。但是，導(dǎo)通電阻是隨著驅(qū)動電壓增大而減小的，所以綜合而言，柵極電壓不能太小也不能太大，一般超過12 V 對MOSFET 的動態(tài)導(dǎo)通電阻的影響不大，10 ～12 V 比較合理。結(jié)合本電路需要驅(qū)動12 個MOSFET，在MOSFET導(dǎo)通時，希望MOSFET 的自身功耗要小，所以綜合考慮，本電路選擇了柵極驅(qū)動電壓為12 V。

2.2.2 三極管的選取

MOSFET 管柵極電荷、導(dǎo)通/截止時間與驅(qū)動電流關(guān)系為

式中:dT為導(dǎo)通/截止時間;Q為總柵極電荷;I為峰值驅(qū)動電流(對于給定電壓)。

IRF2907ZS 在柵極驅(qū)動電壓為12 V、完全導(dǎo)通時，需要的柵極電荷最多約300 nC，有12 個并聯(lián)，因此，總需求量為3 600 nC;12 V 導(dǎo)通時間按照IRF2907ZS 開關(guān)周期的2%計算(開關(guān)頻率為8 kHz)，為2 500 ns，所以可得到充電的峰值電流為1.44 A。流出一定的裕量后，由計算可以選擇穩(wěn)態(tài)電流為2 A、峰值電流為6 A 的三極管ZTX653 和ZTX753。

2.2.3 自舉電容的選取

設(shè)計的自舉回路沒有自舉二級管，所以在計算自舉電容時，Uf=0，根據(jù)式(4)計算，選取自舉電容值為100 uF。

2.2.4 源極瞬間負(fù)電壓的處理

MOSFET 在開關(guān)的狀態(tài)切換過程中，源極節(jié)點對地有負(fù)電壓出現(xiàn)，如果負(fù)電壓超過了前級驅(qū)動器件的最大負(fù)電壓承受范圍，就會損壞前級器件。為了安全，在源極節(jié)點對參考地并接100 uF 的極性電容，這樣除了可以消除負(fù)電壓，還可以緩沖和濾波。

2.2.5 柵極電阻的設(shè)計［4］

柵極電阻影響MOSFET 的開關(guān)時間、開關(guān)損耗和各種其他參數(shù)，以及從電磁干擾EMI 到電壓和電流的變化率。因此，必須根據(jù)具體應(yīng)用的參數(shù)非常仔細(xì)地選擇和優(yōu)化柵極電阻。

本文設(shè)計的柵極電阻分為充電電阻和放電電阻。每個MOSFET 開關(guān)特性的設(shè)定都要受到柵極電阻RG的影響，而柵極電阻由限制導(dǎo)通和關(guān)斷期間柵極電流IG脈沖的幅值時間來決定。

(1)充電電阻。假設(shè)導(dǎo)通功率管需要的電量為Qgs+Qgd，并且希望在tsw時間內(nèi)導(dǎo)通功率管，則所需要提供的平均驅(qū)動電流為

式中:Qgs為功率管導(dǎo)通所需柵極電荷;Qgd為功率管導(dǎo)通所需漏極電荷;tsw為功率管導(dǎo)通時間。

因此，充電電阻應(yīng)小于

IRF2907ZS 的柵極電荷需求最多為300 nC，有12 個并聯(lián)，因此總需求量為3 240 nC;導(dǎo)通時間不能超過IRF2907ZS 的盲區(qū)時間19 ns。因此，通過計算可得，充電電阻的阻值應(yīng)小于17 Ω。因為每個MOSFET 柵極都有一個獨立的10 Ω 均流電阻，因此柵極電阻應(yīng)取值為7 Ω 左右，通過電阻的標(biāo)準(zhǔn)值選擇電阻值6.8 Ω。

(2)放電電阻［5］。在IRF2907ZS 能夠承受的范圍內(nèi)，關(guān)斷放電電阻應(yīng)該盡可能小，以確保功率MOSFET 快速關(guān)斷。在下管處于關(guān)斷過程、上管導(dǎo)通的一瞬間，下管柵極電位不能迅速下降，此時需要小的關(guān)斷電阻來使這一點電位迅速下降，使下管可靠截止，防止上下管同時導(dǎo)通。通過電阻的標(biāo)準(zhǔn)值選擇放電電阻阻值為2.2 Ω。

2.2.6 電路工作原理

三極管ZTX653 和ZTX753 組成互補(bǔ)推挽功率放大器，能夠提供12 個MOSFET 導(dǎo)通時需要的寄生電容充電電流。2 個三極管輪流導(dǎo)通，當(dāng)Q2導(dǎo)通時，Q1的發(fā)射結(jié)反偏而截止，MOSFETQ 管5 柵極電位12 V，Q5導(dǎo)通，Q5的源極電壓上升到48 V，當(dāng)Q5關(guān)斷以后，由于電動機(jī)的繞組相通，Q5的源極電壓不變，此時Q5再次導(dǎo)通時，需要的柵極電位就要達(dá)到60 V，此時自舉電容C42就會起到自舉電容的作用，提高Q5的柵極電位，即MOSFET 就會再次導(dǎo)通，這樣就能夠滿足交流驅(qū)動控制方式，從而驅(qū)動電動機(jī);當(dāng)Q2截止時，Q1則會導(dǎo)通，MOSFET 管Q5的寄生電容所充的電量將會通過R3—D1—Q1這條門極放電回路釋放，保證了MOSFET 的關(guān)斷速度和關(guān)斷可靠性。MOSFET 管Q6的導(dǎo)通原理同Q5，但是由于Q6的源極參考點始終是對地，所以其柵極的電位就不會浮動，始終保持在12 V。

3 實驗分析

圖5 是光耦輸入信號和輸出信號的波形，通過實驗波形可以看出，信號傳遞得很好，在信號到推挽放大電路的前級時，信號保真度很好。

圖5 驅(qū)動輸入信號和輸出信號的波形

圖6 是推挽功率放大電路前后的波形，波形的上升沿和下降沿仍然很明顯。

圖6 推挽功率放大電路前后的波形

圖7 是MOSFET 的柵極驅(qū)動電壓和源極電壓波形，可以看出，波形質(zhì)量很好。

圖7 MOSFET 的柵極驅(qū)動電壓和源極電壓波形

可見，通過對設(shè)計電路的實際測量，從實測波形可看出，達(dá)到了設(shè)計目的，驅(qū)動波形質(zhì)量好。

4 結(jié) 論

通過本電路的設(shè)計和實驗表明，自舉推挽電路很好地保證了波形的質(zhì)量，同時也提高了驅(qū)動能力。設(shè)計的電路達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。

［1］ 劉全忠. 電子技術(shù)電工學(xué)Ⅱ［M］. 北京:高等教育出版社，2004.

［2］ 余岳輝，梁琳.脈沖功率器件及其應(yīng)用［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

［3］ Irf.com. HV Floating Mos-Gate Driver Ics［EB/OL］.［2012-05-18］. http://www. irf. com/technical-info/appnotes/an-978.pdf.

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［5］ Fairchildsemi. com. Design and Application Guide of Bootstrap Circuit for High-Voltage Gate-Drive IC［EB/OL］.［2012-05-19］.http://www.fairchildsemi.com/an/AN/AN-6076.pdf.