單相風(fēng)機非橋式驅(qū)動續(xù)流方式研究

王 濤

(中國電子科技集團公司第二十一研究所，上海 200233)

0 引 言

單相無刷直流電動機結(jié)構(gòu)簡單，成本低，主要用于小型風(fēng)機和泵的驅(qū)動。單相無刷直流電動機驅(qū)動有H橋式驅(qū)動和非橋式驅(qū)動[1]兩種方式，橋式驅(qū)動應(yīng)用廣泛，非橋式驅(qū)動結(jié)構(gòu)簡單。在很多小型風(fēng)機中，安裝空間有限，驅(qū)動器面積很小，很難滿足橋式驅(qū)動電路需求，所以非橋式驅(qū)動更適合應(yīng)用于大批量生產(chǎn)的小型風(fēng)機中。

電機繞組具有電感特性，電機每次換相時，繞組電流不會馬上消失，而是在突變后瞬間等于突變前瞬間的電流。電機換相時，換相前開通的場效應(yīng)管關(guān)斷，當(dāng)VGS等于零時漏極、源極間電阻RDS無窮大[2]，所以換相瞬間漏極端電壓非常大，這就給功率開關(guān)器件造成了損壞的風(fēng)險，在設(shè)計風(fēng)機驅(qū)動電路時，一定要包含續(xù)流設(shè)計，通過釋放繞組電流以保護功率器件。根據(jù)不同驅(qū)動電路的特點，應(yīng)選擇合適的續(xù)流方式，本文針對小型風(fēng)機中單相直流電動機非橋式驅(qū)動續(xù)流問題進行研究，給出電容續(xù)流的設(shè)計方法，并通過仿真模型和實驗，說明不同參數(shù)在電路中的影響。

1 單相風(fēng)機驅(qū)動電路續(xù)流設(shè)計

1.1 單相風(fēng)機驅(qū)動設(shè)計

橋式驅(qū)動是電機驅(qū)動中一種常見的方式，但對于體積較小、安裝空間有限的小型風(fēng)機，非橋式驅(qū)動更為適合。非橋式驅(qū)動使用元器件少，電路設(shè)計更簡潔，可以節(jié)省空間，減小裝配難度，給電機設(shè)計更多自由；其次，元器件少可降低成本，這在工業(yè)生產(chǎn)中是很重要的一個考量因素。

圖1是單相風(fēng)機非橋式驅(qū)動電路圖。LA，LB視為兩路繞組；Q1，Q2選用N溝道絕緣柵型場效應(yīng)管；AH，BH是場效應(yīng)管柵極驅(qū)動信號。

圖1 無刷直流電動機非橋式驅(qū)動

在沒有續(xù)流設(shè)計的情況下，即取消電容支路C1，R2和C2，R5。以LA支路為例，當(dāng)電動機換相時，場效應(yīng)管Q1關(guān)斷，由于電感電流不會突變，場效應(yīng)管關(guān)斷后，場效應(yīng)管漏極、源極截止，電阻RDS無窮大，所以場效應(yīng)管漏極、源極DS兩端會產(chǎn)生很大的脈沖電壓。以場效應(yīng)管Q1為例，漏極電壓UD仿真波形如圖2所示，供電電壓設(shè)置48 V，上面波形為漏極電壓波形，每格200 V，下面波形為柵極控制信號波形。從圖2中可以看出，漏極電壓達到300 V，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過正常的供電電壓48 V和場效應(yīng)管的耐壓裕量，過電壓會造成場效應(yīng)管損壞，在驅(qū)動設(shè)計中必須要加入續(xù)流設(shè)計，防止功率器件被過電壓損壞。

圖2 無續(xù)流時場效應(yīng)管Q1柵極漏極導(dǎo)通關(guān)斷時的電壓仿真波形

1.2 單相風(fēng)機非橋式驅(qū)動續(xù)流方式

續(xù)流二極管是常見的一種續(xù)流方式，在橋式驅(qū)動電路中使用續(xù)流二極管搭建續(xù)流回路。在非橋式驅(qū)動電路中，不適合使用續(xù)流二極管搭建續(xù)流回路。因為二極管與繞組并聯(lián)，電機在運行過程中，繞組線圈切割磁感應(yīng)線產(chǎn)生反電動勢，續(xù)流二極管起到了短路反電動勢的效果。實際工作時，繞組產(chǎn)生的反電動勢被二極管短路，根據(jù)電機轉(zhuǎn)矩平衡方程式：T=Tout+T0，電動機電磁轉(zhuǎn)矩T等于空載轉(zhuǎn)矩T0與輸出轉(zhuǎn)矩Tout之和[3]，續(xù)流電流產(chǎn)生阻力矩，電機輸出轉(zhuǎn)矩減小，阻礙電機運動，導(dǎo)致電動機轉(zhuǎn)速下降和電流上升，所以續(xù)流二極管不適合用于非橋式驅(qū)動電路。

圖 1利用電容支路作為續(xù)流支路。當(dāng)場效應(yīng)管狀態(tài)從導(dǎo)通到關(guān)斷，由于電感電流不能立即消失，在場效應(yīng)管柵極和漏極間加入電容支路，電容支路對突變電流相當(dāng)于短路，給繞組電流提供了釋放通道。當(dāng)場效應(yīng)管Q1開通，Q2關(guān)斷，繞組通過場效應(yīng)管Q1形成通路，由于電容的隔斷直流作用，電容C1、R2斷路。換相瞬間，場效應(yīng)管Q1關(guān)閉，Q1漏極源極斷路，繞組電流通過電容C1、R2釋放，電流方向如圖3所示，這時場效應(yīng)管Q1柵極電壓大于柵極開啟電壓UGS(on)，場效應(yīng)管開通，提供電流釋放的另一條通路，形成了一個負(fù)反饋，在它們的共同作用下，繞組電流可以迅速減小，場效應(yīng)管漏極電壓UD波形如圖4所示，供電電壓48 V，上面波形是場效應(yīng)管漏極電壓，每格50 V，下面波形是場效應(yīng)管柵極電壓。

圖3 電容續(xù)流電流流向

圖4 電容續(xù)流漏極波形

由圖4可以看出，當(dāng)繞組電流有釋放通路后，場效應(yīng)管Q1漏極電壓UD在場效應(yīng)管關(guān)閉瞬間尖峰明顯減小，這樣可以有效地保護場效應(yīng)管，避免場效應(yīng)管由于關(guān)斷導(dǎo)致的脈沖電壓的損壞，并降低場效應(yīng)管的功耗。

1.3 電容續(xù)流參數(shù)選擇

2 實驗結(jié)果

實驗電機使用渦流風(fēng)機，供電電壓48 V，無速度控制信號。選取R2=62 kΩ，R3=300 kΩ，C5=650 pF。實驗波形如圖5所示，其中通道1是柵極電壓波形，通道2是漏極電壓波形，每格50 V?？梢钥闯?，漏極波形符合理論和仿真預(yù)想，漏極電壓尖峰明顯被抑制，驅(qū)動信號電平轉(zhuǎn)換速度快，電機換相正常，實測電機轉(zhuǎn)速滿足額定轉(zhuǎn)速。

圖5 實驗漏極波形

3 結(jié) 語

與橋式驅(qū)動相比，非橋式驅(qū)動具有電路簡單、成本低的優(yōu)點。通過對單相無刷直流電動機不同續(xù)流方式的對比可知，采用電容續(xù)流的非橋式驅(qū)動相比于其他驅(qū)動續(xù)流方案，可有效抑制換相過電壓。通過合適的電阻參數(shù)選擇，換相時驅(qū)動電壓電平轉(zhuǎn)換迅速，電動機轉(zhuǎn)速穩(wěn)定，利用電容續(xù)流的單相直流電動機非橋式驅(qū)動適合應(yīng)用在批量小型風(fēng)機配套驅(qū)動器中。