一種圖騰柱式驅(qū)動電路參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法

劉露咪，郭超勇，李曉輝，呂振華，吳紓婕

0 前 言

太陽能帆板驅(qū)動、激光通信指向、天線驅(qū)動、控制力矩陀螺、空間機(jī)械臂等各類空間機(jī)電伺服系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)空間精密指向、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、對接抓捕和操控等功能的重要組成部分，其中電機(jī)的驅(qū)動與控制則是實(shí)現(xiàn)其機(jī)電伺服功能的關(guān)鍵.基于功率場效應(yīng)晶體管(MOSFET)的功率橋驅(qū)動已經(jīng)被廣泛用于電機(jī)驅(qū)動領(lǐng)域[1].

由MOSFET組成的三相功率橋高端驅(qū)動是指開關(guān)管一端接電源，一端接負(fù)載，低端驅(qū)動則是開關(guān)管一端接負(fù)載，一端接地.由于負(fù)載端電壓處于浮動狀態(tài)，因此高端不能像低端驅(qū)動一樣以地端為參考.目前，在高端驅(qū)動方面存在多種方案：一種是上橋臂功率管采用NMOS，基于隔離電源或自舉電荷泵方式實(shí)現(xiàn)驅(qū)動，這種方案由于采用了N型MOSFET，相比于P型MOSFET，導(dǎo)通內(nèi)阻更小，開關(guān)速度更快，因此被大量應(yīng)用于工業(yè)場合.另外一種則是采用P型MOSFET，基于電源端的圖騰柱式驅(qū)動方式，它能夠提升電流驅(qū)動能力，迅速完成對門極電荷的充電或放電的過程.這種驅(qū)動電路由分立元件搭建，在宇航應(yīng)用領(lǐng)域，相比于集成電路實(shí)現(xiàn)的自舉驅(qū)動方式而言具有更強(qiáng)的適用性.因而依然被廣泛應(yīng)用于空間機(jī)電伺服產(chǎn)品中[2].

本文以高端PMOS圖騰柱式驅(qū)動方式為背景，針對驅(qū)動電路設(shè)計(jì)過程中，電路參數(shù)多而導(dǎo)致不易實(shí)現(xiàn)最優(yōu)開關(guān)特性的問題，提出一種電路參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，有效減小PMOS的開通、關(guān)斷時(shí)間，避免因參數(shù)不合適導(dǎo)致開關(guān)死區(qū)長、開關(guān)損耗大、占空比調(diào)節(jié)范圍受限等諸多不利影響，改善伺服控制性能.

圖1 圖騰柱式驅(qū)動電路原理圖Fig.1 Equivalent PMOS model

1 PMOS圖騰柱式驅(qū)動電路

1.1 PMOS工作過程分析

在電機(jī)控制中，MOSFET工作在電流變化的感性負(fù)載電路中，其模型電路如圖2所示，其中，L1為電機(jī)的一相繞組，VD1為其續(xù)流二極管，Cgs、Cgd、Cds分別為PMOS各極間的等效電容，Ls、Ld為源極和漏極的寄生電感.假設(shè)us為理想的方波驅(qū)動信號.

圖2 PMOS等效模型Fig.2 Equivalent PMOS model

圖3為PMOS開通、關(guān)斷過程的電壓和電流波形.其中ug為柵極電壓，UM為米勒平臺電壓，Uth為PMOS的開啟電壓；ig為柵極驅(qū)動電流；ud為漏極電壓，id為漏極電流，Io為負(fù)載電流.

PMOS的導(dǎo)通過程包括導(dǎo)通延遲、電流換流、電流過沖和米勒效應(yīng)4個(gè)階段，即為輸入電容的充電過程[3-5].關(guān)斷過程基本是導(dǎo)通的逆過程，即輸入電容的放電過程[3-5].

圖3 PMOS開通、關(guān)斷過程波形Fig.3 Sketch of turn-on and turn-off waveforms of PMOS

1.2 PMOS圖騰柱式驅(qū)動電路

永磁同步電動機(jī)三相全橋上橋臂PMOS圖騰柱式驅(qū)動電路如圖4所示，驅(qū)動電路的主要器件選型如表1所示.該電路的典型特征為：由一個(gè)NPN型三極管和一個(gè)PNP型三極管組成圖騰柱式輸出，為PMOS的開通和關(guān)斷提供通路，其本質(zhì)是一個(gè)推挽電流放大電路，用于驅(qū)動MOSFET時(shí)為其提供足夠的灌電流和拉電流.

圖4 PMOS圖騰柱式驅(qū)動電路Fig.4 Driving circuit of PMOS totem column

表1 驅(qū)動電路主要器件選型Tab.1 Main devies of drive circuit

代號名稱型號規(guī)格V3三極管2N3501V4三極管2N3637D7穩(wěn)壓二極管ZW60

其中PMOS器件選用TO254封裝的IRHM9260，器件的主要參數(shù)如表2所示[7].

雖然MOSFET為電壓型器件，即柵源電壓VGS兩端達(dá)到一定電壓值即可開通，然而由于輸入電容的存在，快速開通、關(guān)斷過程本質(zhì)是對電容充電、放電，因此灌電流和拉電流的能力決定著MOSFET的開關(guān)、關(guān)斷動態(tài)過程.

表2 PMOS主要參數(shù)Tab.2 Main parameters of PMOS

2 參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)

如上一節(jié)所述，電阻R7、R8和R12的不同組合會導(dǎo)致三極管(V3和V4)與穩(wěn)壓管(D7)處于不同的工作狀態(tài)，三極管與穩(wěn)壓管的不同器件參數(shù)又反過來影響關(guān)鍵參數(shù)的選擇，彼此之間存在耦合，共同影響著PMOS開通、關(guān)斷時(shí)灌電流和拉電流的大小.雖然R13、R14、R15和R16作為電容充放電回路的組成部分，影響著PMOS開關(guān)與關(guān)斷時(shí)間，但其對三極管及穩(wěn)壓管的工作狀態(tài)并無影響，同時(shí)易于選擇參數(shù)，因此本文僅將電阻R7、R8和R12作為關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì).

針對上述多個(gè)關(guān)鍵參數(shù)如何選擇的問題，本文提出了一種優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，如下圖5所示，將穩(wěn)壓管是否處于穩(wěn)壓狀態(tài)作為電路分析的切入點(diǎn)進(jìn)行分析，進(jìn)而得出三極管工作于放大區(qū)和飽和區(qū)的臨界參數(shù)值，從定量角度提煉出關(guān)鍵參數(shù)對PMOS開通、關(guān)斷過程的調(diào)節(jié)規(guī)律.詳細(xì)分析如下：

2.1 穩(wěn)壓管D7開路

記電阻R8上端的電壓為VX,則穩(wěn)壓管D7(VZ=12 V)開路(不處于穩(wěn)壓狀態(tài)工作)時(shí)應(yīng)滿足以下條件：

VX≥15.3 V

(1)

假設(shè)三極管V4工作于放大區(qū)，即滿足條件VB_V4>VC_V4，同時(shí)根據(jù)該器件官方給出的電流放大倍數(shù)參考值，選擇β=100.設(shè)V4的基極電流為IB_V4，由此可得到D7開路且V4工作于放大區(qū)時(shí)需滿足以下條件：

(2)

聯(lián)合式(1)和(2)求解得到：

(3)

當(dāng)R8<218 kΩ時(shí)，根據(jù)式(3)計(jì)算出R7的范圍恒滿足R7

從以上理論推導(dǎo)可以得出：若穩(wěn)壓管D7開路，電阻R7的阻值越小，VX點(diǎn)電壓越大，三極管V4發(fā)射極電流IE_V4越小，開通時(shí)間越長.

同時(shí)R12滿足式(4)時(shí)，則V4工作于飽和區(qū).

(4)

當(dāng)VX取臨界值15.3 V時(shí)，電阻R12的取值范圍R12<12.8 kΩ.

2.2 穩(wěn)壓管D7工作

由上一節(jié)分析可知，穩(wěn)壓管D7處于工作狀態(tài)的條件為：

(5)

當(dāng)滿足該條件時(shí)，三極管V4的基極電壓VB_V4=VX≈15.3 V.通過靜態(tài)工作點(diǎn)分析，得到三極管V4的電壓、電流值如表3所示.

設(shè)三極管V4的工作于放大區(qū)，則滿足條件

(6)

將表3數(shù)據(jù)帶入式(6)，求解得到

(7)

表3 三極管V4靜態(tài)分析Tab.3 Bias points of V4

由以上理論分析可以得出：當(dāng)R7同時(shí)滿足式(5)、(7)時(shí)，三極管V4工作于放大區(qū)，基極電流IB_V4隨著電阻R7阻值增大而增大.受電源電壓以及電阻R7的取值范圍限制，三極管V4的基極電流IB_V4隨電阻R7增大的數(shù)值很小，對開通時(shí)間影響有限.

圖5 關(guān)鍵參數(shù)選取策略Fig.5 Key parameter selection strategy

3 仿真與實(shí)驗(yàn)

根據(jù)上述理論分析結(jié)論，以穩(wěn)壓管D7是否處于穩(wěn)壓狀態(tài)，三極管V4處于兩種不同工作狀態(tài)，進(jìn)而組成四種不同情況，進(jìn)行如下仿真實(shí)驗(yàn).

情況1：穩(wěn)壓管D7開路，三極管V4工作在飽和區(qū).設(shè)R8=10 kΩ，R12=1 kΩ，取R7為8.06 kΩ、6.19 kΩ、4.02 kΩ、3.00 kΩ進(jìn)行仿真.

圖6、圖7分別為第一種情況下R7、R8阻值變化對PMOS開關(guān)過程ig、ug的影響，以及開通、關(guān)斷時(shí)間變化趨勢.根據(jù)理論分析，當(dāng)PMOS開通時(shí)，電阻R7的減小對PMOS的灌電流影響很小，開通時(shí)間幾乎無變化.由Q=Ciss×ugs可知，輸入電容Ciss不變的情況下，柵源電壓ugs穩(wěn)態(tài)值越高，PMOS體電容從開通至穩(wěn)態(tài)存儲的電荷越多，關(guān)斷時(shí)需要泄放的電荷越多.柵源電壓ugs穩(wěn)態(tài)值隨著R7的增大而增大，當(dāng)PMOS關(guān)斷時(shí)，根據(jù)Q=I×T,在電流相同的情況下，關(guān)斷時(shí)間隨電阻R7的增大而延長.

情況2：穩(wěn)壓管D7開路，三極管V4工作于放大區(qū).設(shè)R8=10 kΩ，R12=1 kΩ，取R7為9.76 kΩ、9.09 kΩ、8.87 kΩ、8.66 kΩ進(jìn)行仿真.

圖8、圖9分別為第二種情況下R7、R8阻值變化對PMOS開關(guān)過程ig、ug的影響，以及開通、關(guān)斷時(shí)間變化趨勢.當(dāng)PMOS開通時(shí)，三極管V4工作于放大區(qū)，由于基極電流變化很少，提供的負(fù)向柵極電流ig幾乎無變化，PMOS的開通時(shí)間也幾乎無變化.當(dāng)PMOS關(guān)斷時(shí)，電阻R7減小使得PMOS輸入電容電荷的泄放速度加快，PMOS的關(guān)斷時(shí)間減小.

情況3：穩(wěn)壓管D7處于工作狀態(tài)，三極管V4工作于飽和區(qū).設(shè)電阻R7=R8，取3.00 kΩ、4.02 kΩ、6.04 kΩ、8.06 kΩ、10 kΩ，R12=1 kΩ進(jìn)行仿真.

圖6 情況1下ig和ug的影響Fig.6 The effects for the case1 ig and ug

圖7 情況1下開通、關(guān)斷時(shí)間影響Fig.7 The effects for the time of turn-on and turn-off in the case1

圖8 情況2下對ig和ug的影響Fig.8 The effects for the case2 ig and ug

圖10、圖11分別為第三種情況下R7、R8阻值變化對PMOS開關(guān)過程ig、ug的影響以及開通、關(guān)斷時(shí)間變化趨勢.當(dāng)PMOS開通時(shí)，電阻R7、R8同時(shí)等額減小并不影響三極管V4的工作區(qū)域，即三極管V4始終工作于飽和區(qū)，提供的負(fù)向柵極電流ig隨阻值減小略有增大，PMOS開通時(shí)間略有減小.當(dāng)PMOS關(guān)斷時(shí)，輸入電容通過三極管V3、電阻R14進(jìn)行放電，電阻R7、R8同時(shí)等額減小增大了三極管V3的基極電流.由于三極管V3在關(guān)斷過程中必然工作于放大區(qū)，基極電流的增大使得三極管V3的集電極電流顯著增大，使得柵極電流ig顯著增大，加快了PMOS輸入電容電荷的泄放速度，PMOS的關(guān)斷時(shí)間明顯減小.

圖9 情況2下PMOS開通、關(guān)斷時(shí)間影響Fig.9 The effects for the time of turn-on and turn-off in the case2

圖10 情況3下ig和ug的影響Fig.10 The effects for the case3 ig and ug

圖11 情況3下對開通、關(guān)斷時(shí)間影響Fig.11 The effects for the time of turn-on and turn-off in the case3

情況4：設(shè)電阻R7、R8阻值為10 kΩ，此時(shí)穩(wěn)壓管D7處于工作狀態(tài).取電阻R12為2 kΩ、1 kΩ、750 Ω、510 Ω、360 Ω使得三極管V4工作狀態(tài)逐漸由飽和區(qū)進(jìn)入放大區(qū)，進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn).

圖12、圖13分別為第四種情況下R12阻值變化對PMOS開關(guān)過程ig、ug的影響，以及開通、關(guān)斷時(shí)間變化趨勢.PMOS在開通階段需要提供較大的負(fù)向柵極電流，以此加快輸入電容的充電速度，縮短PMOS的導(dǎo)通時(shí)間.PMOS開通時(shí)，在電阻R7、R8不變的情況下，電阻R12的阻值減小使得三極管V4的工作區(qū)域由飽和區(qū)進(jìn)入放大區(qū)，提供的負(fù)向柵極電流峰值由15.12 mA增大到65.65 mA，縮短了PMOS的導(dǎo)通時(shí)間.但是，電阻R12的減小并不影響PMOS關(guān)斷時(shí)輸入電容電荷的泄放通路，對PMOS關(guān)斷時(shí)間無影響.

圖12 情況4下對ig和ug的影響Fig.12 The effects for the case4 ig and ug

圖13 情況4下對開通、關(guān)斷時(shí)間影響Fig.13 The effects for the time of turn-on and turn-off in the case4

根據(jù)前文的理論分析、仿真結(jié)果，對PMOS圖騰柱式驅(qū)動電路的參數(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證.圖14、圖15為R7、R8均為3 kΩ、R12為1 kΩ時(shí)，PMOS的開通、關(guān)斷時(shí)間實(shí)測、仿真波形，表4為R7、R8均為10 kΩ、R12為2 kΩ和R7、R8均為3 kΩ、R12為1 kΩ實(shí)測與仿真開通、關(guān)斷時(shí)間的對比.

表4 實(shí)測與仿真結(jié)果Tab.4 Results of simulation data and test data

對比試驗(yàn)與仿真結(jié)果可以看出，實(shí)際測量值與仿真結(jié)果基本一致.減小R12的阻值PMOS的開通時(shí)間減小了2.02 μs，等額減小電阻R7、R8的阻值關(guān)斷時(shí)間減小了2.06 μs，也證實(shí)了理論分析的正確性.

圖14 R7=R8=3 kΩ、R12=1 kΩ PMOS的開通、關(guān)斷時(shí)間實(shí)測結(jié)果Fig.14 The test data of time of PMOS turn-on and turn-off in the case of R7=R8=3 kΩ、R12=1 kΩ

圖15 R7=R8=3 kΩ、R12=1 kΩ PMOS的開通、關(guān)斷時(shí)間仿真結(jié)果Fig.15 The simulation data of time of PMOS turn-on and turn-off in the case of R7=R8=3 kΩ、R12=1 kΩ

4 結(jié) 論

本文針對高端PMOS圖騰柱式驅(qū)動電路中多個(gè)關(guān)鍵參數(shù)不易配置的問題，從電路拓?fù)渲嘘P(guān)鍵器件的工作狀態(tài)出發(fā)，提出了一種關(guān)鍵參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，并對其開展了理論推導(dǎo)、仿真及試驗(yàn)驗(yàn)證，得到如下結(jié)論：

1) 電阻R7、R8的阻值大小關(guān)系共同決定穩(wěn)壓管D7的工作狀態(tài).而當(dāng)穩(wěn)壓管工作狀態(tài)確定的情況下，電阻R12的阻值決定三極管V4工作狀態(tài).

2) 穩(wěn)壓管D7開路時(shí)，D7兩端的電壓越低，關(guān)斷時(shí)間越短.穩(wěn)壓管D7工作時(shí)，電阻R7阻值越小關(guān)斷時(shí)間越短.三極管V4工作于放大區(qū)時(shí)，相較于工作于飽和區(qū)PMOS的開通時(shí)間較短.

3) 穩(wěn)壓管D7開路且三極管V4工作在飽和區(qū)時(shí)，電阻R7的減小對PMOS的灌電流影響很小，開通時(shí)間無顯著變化.關(guān)斷時(shí)間隨電阻R7的增大而延長.

4) 穩(wěn)壓管D7開路且三極管V4工作在放大區(qū)時(shí)，開通時(shí)間無顯著變化，電阻R7減小使得PMOS輸入電容電荷的泄放速度加快，PMOS的關(guān)斷時(shí)間減小.

5) 穩(wěn)壓管D7工作于穩(wěn)壓狀態(tài)且三極管V4工作在飽和區(qū)時(shí)，電阻R7、R8同時(shí)等額減小時(shí)，開通時(shí)間略有減小，而關(guān)斷時(shí)間明顯減小.

6) 穩(wěn)壓管D7工作于穩(wěn)壓狀態(tài)且三極管V4工作在放大區(qū)時(shí)，在電阻R7、R8不變的情況下，電阻R12的阻值減小使得三極管V4的工作區(qū)域由飽和區(qū)進(jìn)入放大區(qū)，提供的負(fù)向柵極電流峰值顯著增大，縮短了PMOS的導(dǎo)通時(shí)間.但對PMOS關(guān)斷時(shí)間無影響.