圖 1：數控三相 BLDC 電機通常使用三對 MOSFET 進(jìn)行控制，一對 MOSFET 為一個(gè)電機繞組提供 AC 電壓。（圖片來(lái)源：Texas Instruments）
晶體管對包括低壓側器件（源極接地）和高壓側器件（源極在接地和高壓電源軌之間浮動(dòng)）。
在典型布局中，使用脈寬調制 (PWM) 控制 MOSFET 柵極，可以有效地將輸入 DC 電壓轉換為調制驅動(dòng)電壓。其中應使用至少比預期最大電機轉速高一個(gè)數量級的 PWM 頻率。一對 MOSFET 可以控制一個(gè)電機相位的磁場(chǎng)。
電機控制系統一個(gè)完整的電機控制系統包括電源、主機微控制器、柵極驅動(dòng)器以及采用半橋拓撲結構的 MOSFET（圖 2）。微控制器用于設置 PWM 占空比并負責開(kāi)環(huán)控制。在低壓設計中，柵極驅動(dòng)器和 MOSFET 橋有時(shí)會(huì )集成在一個(gè)單元中。然而，對于高功率單元，為方便熱管理，柵極驅動(dòng)器和 MOSFET 橋會(huì )分開(kāi)布置，這樣可以針對柵極驅動(dòng)器和橋采用不同的工藝技術(shù)并最大限度地降低 EMI。
圖 2：基于 TI MSP 430 微控制器的 BLDC 電機控制示意圖。（圖片來(lái)源：Texas Instruments）
MOSFET 橋可由分立器件或集成芯片組成。將低壓側和高壓側 MOSFET 集成到同一封裝的關(guān)鍵優(yōu)勢是，即使兩個(gè) MOSFET 存在不同的功率耗散，集成后也可以使上下 MOSFET 之間實(shí)現自然熱平衡。無(wú)論是集成式還是分立式，每對晶體管都需要獨立的柵極驅動(dòng)器來(lái)控制開(kāi)關(guān)時(shí)序和驅動(dòng)電流。
此外，可以使用分立元件來(lái)設計柵極驅動(dòng)器電路。這種方法的優(yōu)勢在于，工程師可以根據 MOSFET 特征精確調整柵極驅動(dòng)器并對性能進(jìn)行優(yōu)化。不過(guò)，這種方法也存在缺點(diǎn)，它需要高水平的電機設計經(jīng)驗以及容納分立解決方案所需的空間。
模塊化電機控制解決方案提供了另一種選擇，市場(chǎng)上有各種各樣的集成式柵極驅動(dòng)器。較好的模塊化柵極驅動(dòng)解決方案包括：
高度集成解決方案，可最大限度地減少器件所需的空間
高驅動(dòng)電流解決方案，可降低開(kāi)關(guān)損耗并提高效率
高柵極驅動(dòng)電壓解決方案，可確保以最小內阻（“RDS(ON)”）導通 MOSFET
高水平過(guò)流、過(guò)壓和過(guò)熱保護解決方案，可確保系統能夠在最壞情況下可靠運行
像 Texas Instruments 的 DRV8323x 三相柵極驅動(dòng)器系列之類(lèi)的器件不僅能滿(mǎn)足高能效 BLDC 電機的要求，還能減少系統的元件數量，同時(shí)降低成本和復雜性。
DRV8323x 系列有三種型號。每種型號都集成了三個(gè)獨立的柵極驅動(dòng)器，能夠驅動(dòng)高壓側和低壓側的 MOSFET 對。柵極驅動(dòng)器包含一個(gè)電荷泵，可為高壓側晶體管產(chǎn)生高柵極電壓（最高支持 100% 占空比），還包含一個(gè)線(xiàn)性穩壓器，可為低壓側晶體管供電。
TI 柵極驅動(dòng)器包括感應放大器。如果需要，可以對放大器進(jìn)行配置，以放大通過(guò)整個(gè)低壓側 MOSFET 的電壓。這些器件可拉出最高 1 A 和灌入 2 A 的峰值柵極驅動(dòng)電流，其采用單電源供電并具有 6 V 至 60 V 的超寬輸入電源范圍。
例如，DRV8323R 版驅動(dòng)器集成了三個(gè)雙向電流檢測放大器，利用低壓側分流電阻器通過(guò)每個(gè) MOSFET 橋來(lái)監控電流水平。電流檢測放大器的增益設置可通過(guò) SPI 或硬件接口進(jìn)行調整。微控制器連接至 DRV8323R 的 EN_GATE，因此可以啟用或禁用柵極驅動(dòng)輸出。
此外，DRV8323R 驅動(dòng)器還集成了一個(gè) 600 mA 的降壓穩壓器，可為外部控制器供電。該穩壓器既可以使用柵極驅動(dòng)器電源，也可以使用單獨電源（圖 3）。
圖 3：高集成度柵極驅動(dòng)器（如 TI 的 DRV8323R）可以減少系統元件數量，降低成本和復雜性，同時(shí)節省空間。（圖片來(lái)源：Texas Instruments）
這些柵極驅動(dòng)器具有多項保護功能，如電源欠壓鎖定、充電泵欠壓鎖定、過(guò)流監控、柵極驅動(dòng)器短路檢測以及過(guò)熱關(guān)斷等。
每個(gè) DRV832x 都封裝在一個(gè)尺寸僅為 5 x 5 - 7 x 7 mm（取決于選件）的芯片中。這些產(chǎn)品可以節省 24 個(gè)以上分立元件所需的空間。
采用集成式柵極驅動(dòng)器進(jìn)行設計為使設計人員快速開(kāi)始設計，TI 提供了參考設計 TIDA-01485。TIDA-01485 是一個(gè)效率達 99%、功率級為 1 千瓦 (kW) 的參考設計，適用于各種應用的三相 36 伏 BLDC 電機，例如以 10 芯鋰離子電池供電的電動(dòng)工具等。
該參考設計通過(guò)構建此功率級最小的電機控制電路之一，展示了如何使用高度集成的柵極驅動(dòng)器（如 DRV8323R）在電機控制設計中節省空間。該參考設計實(shí)現了基于傳感器的控制。
該參考設計的主要元件包括 MSP430F5132 微控制器、DRV8323R 柵極驅動(dòng)器和三個(gè) CSD88599 60 V 半橋 MOSFET 電源模塊（圖 4）。
圖 4：TIDA-01485 是一個(gè)效率達 99%、功率級為 1 kW 的參考設計，適用于可由 10 芯鋰離子電池供電的三相 36 V BLDC 電機。（圖片來(lái)源：Texas Instruments）
雖然柵極驅動(dòng)器是一個(gè)高度集成的模塊化解決方案，能夠消除分立設計所帶來(lái)的諸多復雜性，但仍需要做一些設計來(lái)打造能夠充分發(fā)揮其作用的系統。該參考設計為設計人員展示了一個(gè)全面的解決方案，可幫助其設計原型。
例如，柵極驅動(dòng)器需要幾個(gè)去耦電容器才能正常運行。在參考設計中，1 微法 (μF) 電容器 (C13) 實(shí)現了低壓側 MOSFET 驅動(dòng)電壓 (DVDD) 的去耦，而該電壓來(lái)自 DRV8323R 的內部線(xiàn)性穩壓器（圖 5）。該電容器必須放置在盡可能靠近柵極驅動(dòng)器的位置，才能最大限度地減小回路阻抗。此外，需要第二個(gè) 4.7 μF 電容器 (C10) 對 36 V 電池的直流電源輸入 (PVDD) 去耦。
圖 5：DRV8323R 柵極驅動(dòng)器應用電路。應盡量減少跡線(xiàn)長(cháng)度，以限制 EMI。（圖片來(lái)源：Texas Instruments）
二極管 D6 有助于隔離柵極驅動(dòng)器電源，以防在出現短路情況時(shí)電池電壓驟降。此二極管非常重要，因為它的存在可確保 PVDD 去耦電容器 (C10) 在短時(shí)電壓驟降情況下保持輸入電壓。
保持電壓可防止柵極驅動(dòng)器進(jìn)入不需要的欠壓鎖定狀態(tài)。C11 和 C12 是使電荷能夠正常運行的關(guān)鍵器件，也應盡可能地將這兩個(gè)器件放置在靠近柵極驅動(dòng)器的位置。
一般來(lái)說(shuō)，好的設計思路是盡量減少高壓側和低壓側柵極驅動(dòng)器的回路長(cháng)度，其主要目的是減少 EMI。高壓側回路是從 DRV8323 GH_X 到功率 MOSFET，并通過(guò) SH_X 返回。低壓側回路是從 DRV8323 GL_X 到功率 MOSFET，并通過(guò) GND 返回。
開(kāi)關(guān)時(shí)序的重要性
如何選擇 MOSFET 是關(guān)系到 BLDC 電機性能和效率的關(guān)鍵。由于沒(méi)有兩個(gè) MOSFET 系列完全相同，因此每次選擇 MOSFET 時(shí)都取決于所需的開(kāi)關(guān)時(shí)間。即使是稍微弄錯時(shí)序，也會(huì )導致效率低下、EMI 升高以及電機可能出現故障等問(wèn)題。
例如，不正確的時(shí)序會(huì )引起擊穿，這種情況會(huì )造成低壓側和高壓側 MOSFET 同時(shí)導通，進(jìn)而導致災難性短路。其他定時(shí)問(wèn)題包括寄生電容觸發(fā)瞬變，進(jìn)而可能損壞 MOSFET。此外，外部短路、焊料橋或 MOSFET 在特定狀態(tài)下掛起也會(huì )引起問(wèn)題。
TI 將其 DRV8323 稱(chēng)為“智能”柵極驅動(dòng)器，原因是這款驅動(dòng)器可以為設計人員提供時(shí)序及反饋控制，來(lái)幫助化解這些問(wèn)題。例如，該驅動(dòng)器包括一個(gè)內部狀態(tài)機，可以防止柵極驅動(dòng)器出現短路、控制 MOSFET 橋的空載時(shí)間 (IDEAD) 并防止外部功率 MOSFET 出現寄生導通。
此外，DRV8323 柵極驅動(dòng)器還含有一個(gè)用于高壓側和低壓側驅動(dòng)器的可調節推挽拓撲，可實(shí)現外部 MOSFET 橋的強力上拉和下拉，從而避免雜散電容問(wèn)題�？烧{柵極驅動(dòng)器支持改變即時(shí)柵極驅動(dòng)電流 (IDRIVE) 和持續時(shí)間 (tDRIVE)（無(wú)需限流柵極驅動(dòng)電阻），可對系統進(jìn)行微調（圖 6）。
圖 6：在某個(gè)三相 BLDC 電機的 MOSFET 橋中，高壓側 (VGHx) 和低壓側晶體管 (VGLx) 的電壓和電流輸入。IDRIVE 和 tDRIVE 對于電機是否正常運行及效率非常重要；IHOLD 用于將柵極維持在所需狀態(tài)；ISTRONG 用于防止低壓側晶體管的柵極至源極電容出現導通。（圖片來(lái)源：Texas Instruments）
IDRIVE 和 tDRIVE 最初應根據外部 MOSFET 的特性進(jìn)行選擇，如柵極到漏極電荷、所需的上升和下降時(shí)間等。例如，如果 IDRIVE 太低，MOSFET 的上升和下降時(shí)間就會(huì )更長(cháng)，從而導致開(kāi)關(guān)損耗過(guò)高。此外，上升和下降時(shí)間還（在某種程度上）決定了每個(gè) MOSFET 的續流二極管恢復峰值所需的能量和持續時(shí)間，這兩個(gè)因素可能會(huì )進(jìn)一步降低效率。
當更改柵極驅動(dòng)器狀態(tài)時(shí)，IDRIVE 會(huì )應用于 tDRIVE 周期，該周期必須足夠長(cháng)，才能確保柵極電容完全充電或放電。根據經(jīng)驗，選擇 tDRIVE 時(shí)應確保其大約是 MOSFET 開(kāi)關(guān)上升和下降時(shí)間的兩倍。請注意，tDRIVE 不會(huì )增加 PWM 時(shí)間。如果在活動(dòng)期間收到 PWM 命令，還會(huì )終止該周期。
在 tDRIVE 周期之后，一個(gè)固定保持電流 (IHOLD) 會(huì )用于將柵極維持在所需狀態(tài)（上拉或下拉）。在高壓側導通期間，低壓側 MOSFET 柵極會(huì )受到強力下拉，以防晶體管的柵極至源極電容發(fā)生導通。
固定 tDRIVE 持續時(shí)間可確保在故障情況下（如 MOSFET 柵極短路），峰值電流時(shí)間受到限制。這可限制能量傳遞并防止柵極驅動(dòng)引腳和晶體管受損。
結論
模塊化電機驅動(dòng)器無(wú)需使用眾多分立元件，因而節省了空間，并增強了新一代緊湊型數控高功率密度 BLDC 電機的優(yōu)勢。這些“智能”柵極驅動(dòng)器還含有一項技術(shù)，不僅能簡(jiǎn)化設置功率 MOSFET 開(kāi)關(guān)時(shí)序的復雜開(kāi)發(fā)過(guò)程，還能減輕寄生電容的影響并降低 EMI。
盡管如此，還是需要精心選擇外圍電路，如功率 MOSFET 和去耦電容器。不過(guò)如上所示，主流的電機驅動(dòng)器供應商均會(huì )提供參考設計，供開(kāi)發(fā)人員設計自己的原型。
