低壓大電流BLDC電機(jī)的三相裂變橋電路設(shè)計(jì)

錢 亮

（廣安職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川 廣安 638000）

0 引 言

三相裂變橋電路由6個(gè)MOS管組成，其中上橋臂和下橋臂均有3個(gè)MOS管[1]。隨著B(niǎo)LDC電機(jī)應(yīng)用范圍的不斷擴(kuò)大，在大電流應(yīng)用場(chǎng)合下，MOS管的發(fā)熱問(wèn)題突出[2]。基于普通的三相裂變橋電路[3]，針對(duì)MOS管發(fā)熱問(wèn)題改進(jìn)三相裂變橋電路，提出分時(shí)載波、下橋臂MOS管并聯(lián)以及上下橋臂并聯(lián)二極管3大改進(jìn)措施，并設(shè)計(jì)上下橋臂MOS管的前極驅(qū)動(dòng)電路。

1 降低MOS管損耗的措施

1.1 分時(shí)載波方法

導(dǎo)通時(shí)序、上橋臂PWM載波ON狀態(tài)的電流流向、上橋臂PWM載波OFF狀態(tài)的電流流向以及下橋臂PWM載波OFF狀態(tài)的電流流向，分別如圖1～圖4所示。

圖2 上橋臂PWM載波ON狀態(tài)的電流流向

當(dāng)Q1處于t1～t2時(shí)刻時(shí)，它的電流流向如圖2所示。其中，Q1損耗包含開(kāi)通損耗、關(guān)斷損耗以及導(dǎo)通損耗，Q2損耗包含導(dǎo)通損耗，故Q1比Q2發(fā)熱更多。當(dāng)Q1處于t2～t3時(shí)刻時(shí)，BLDC電機(jī)的電感電流不能發(fā)生突變，電流流向如圖3所示。Q4損耗包含續(xù)流損耗，Q2損耗包含導(dǎo)通損耗，但由于負(fù)載電流比較大，所以Q4發(fā)熱較大。

圖3 上橋臂PWM載波OFF狀態(tài)的電流流向

圖4 下橋臂PWM載波OFF狀態(tài)的電流流向

當(dāng)下橋臂采用PWM載波調(diào)制，上橋臂恒通，且Q2處于PWM的ON狀態(tài)時(shí)，電流流向如圖2所示。當(dāng)Q2處于PWM的OFF狀態(tài)時(shí)，電流流向如圖4所示。為減少Q(mào)4的發(fā)熱量，在控制BLDC電機(jī)時(shí)采用分時(shí)載波的方法，使Q5和Q4共同承擔(dān)損耗。這種方法不改變硬件只改變軟件，成本很低。

1.2 下橋臂MOS管并聯(lián)方法和上下橋臂并聯(lián)二極管方法

為減少下橋臂3個(gè)MOS管的導(dǎo)通損耗，采取并聯(lián)MOS管的方法，引入MOS管Q7、Q8以及Q9，分擔(dān)下橋臂一半的導(dǎo)通損耗。在采用分時(shí)載波和下橋臂MOS管并聯(lián)的基礎(chǔ)上，Q4、Q7、Q5的續(xù)流損耗最大。為降低3個(gè)MOS管的續(xù)流損耗，可以將損耗轉(zhuǎn)移至MOS管外部。采用上下橋臂并聯(lián)二極管方法，電路圖和工作過(guò)程中的電流流向分別如圖5和圖6所示。

當(dāng)Q1處于t1～t2時(shí)刻時(shí)，電流流向如圖6（a）所示；當(dāng)Q1處于t2～t3時(shí)刻時(shí)，電流流向如圖6（b）所示。由于二極管D4的單相導(dǎo)通性，電流流向D7，不向Q4和Q7的二極管上流，從而Q4和Q7無(wú)續(xù)流損耗。

圖5 電路圖

圖6 電流流向

2 三相裂變橋前極MOS管驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

2.1 下橋臂MOS管前極驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

下橋臂MOS管前極驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)和電流流向如圖7所示，其中細(xì)虛線表示小電流，粗虛線表示大電流。

下橋臂MOS管導(dǎo)通的工作原理：當(dāng)驅(qū)動(dòng)電壓信號(hào)為高電平時(shí)，三極管Q7導(dǎo)通，+15 V電源經(jīng)過(guò)電阻R4對(duì)Cgs電容充電，Q4導(dǎo)通。下橋臂MOS管截止的工作原理：當(dāng)驅(qū)動(dòng)電壓信號(hào)為低電平時(shí)，三極管Q7截止，Cgs電容經(jīng)過(guò)三極管Q8進(jìn)行放電，Q4截止。

2.2 上橋臂MOS管前極驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

上橋臂MOS管前極驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)和電流流向如圖8所示。

圖7 下橋臂MOS管前極驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)和電流流向圖

圖8 上橋臂MOS管前極驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)和電流流向圖

上橋臂MOS管導(dǎo)通的工作原理：當(dāng)驅(qū)動(dòng)電壓信號(hào)為高電平時(shí)，三極管Q9導(dǎo)通，自舉電容C1經(jīng)過(guò)Q9形成Q10的基極電流，自舉電容C1經(jīng)過(guò)Q10對(duì)電容Cgs充電，Q1導(dǎo)通。下橋臂MOS管截止的工作原理：當(dāng)驅(qū)動(dòng)電壓信號(hào)為低電平時(shí)，三極管Q9截止，Cgs電容經(jīng)過(guò)三極管Q11進(jìn)行放電，Q1截止。

3 結(jié) 論

在低壓大電流系統(tǒng)中，MOS管的續(xù)流損耗占比最大，可采用分時(shí)載波、下橋臂MOS管并聯(lián)以及上下橋臂并聯(lián)二極管3個(gè)措施降低MOS管損耗。在上橋臂MOS管前極驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)中，在三極管的發(fā)射極串一個(gè)電阻就可以形成恒流源，且自舉電容控制小電流回路經(jīng)過(guò)下MOS管的體二極管。