小功率電機驅動(dòng)方案及驅動(dòng)IC的選擇
電機驅動(dòng)作為工業(yè)4.0中工廠(chǎng)自動(dòng)化整個(gè)閉環(huán)中的執行器環(huán)節，其性能好壞直接影響到整個(gè)閉環(huán)的性能。因此，工業(yè)4.0對電機驅動(dòng)提出了更高的性能和功能要求，例如更快的響應速度、更高的帶寬、更高精度的位置和速度控制、以及更豐富的網(wǎng)絡(luò )互聯(lián)功能等。針對不同應用場(chǎng)合的電機，我們應該選擇與之相對應的驅動(dòng)方案。簡(jiǎn)單地來(lái)說(shuō)，功率大的電機應該選用內阻小、電流容許大的驅動(dòng)，功率小的電機就可以選用較低功率的驅動(dòng)。直流小功率電機廣泛適用于家電、工控、計算機等諸多設備。較常規的方法是采用 PWM 控制,常見(jiàn)的驅動(dòng)有兩種方式：
一、采用集成電機驅動(dòng)芯片；
二、采用MOSFET和專(zhuān)用柵極驅動(dòng)芯片。
圖1
在高集成度的應用中，傳統電機控制鏈路MCU + Gate Driver + MOSFET（如圖1）中已經(jīng)出現了MCU+ Pre-Driver集成，或是Pre-Driver+MOSFET功率模組集成的方式，甚至在一些小功率應用中還出現了集成全部鏈路的情形。而在便攜設備、IOT和5G應用中，對電機驅動(dòng)在高精度、小型化、高集成度、低功耗的要求越來(lái)越高；而自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)則對電機驅動(dòng)的高可靠性和長(cháng)壽命提出了苛刻的要求。
按集成度的不同，有3種電機驅動(dòng)器方案：系統單芯片(SoC)方案、集成的控制方案(ICS)和門(mén)極驅動(dòng)器方案。
SoC方案將DC-DC、門(mén)極驅動(dòng)器、控制器、逆變器及反饋/保護等集成到單個(gè)芯片上，集成度高，適合空間受限的應用，簡(jiǎn)單易用。
ICS方案相對于SoC方案，沒(méi)有集成逆變器，因而可通過(guò)外部MOSFET支持寬范圍的功率，適用于功率較大的應用，靈活性較高。
門(mén)極驅動(dòng)器方案則只集成DC-DC、門(mén)極驅動(dòng)器和反饋/保護，因為控制器和功率器件都在外部，所以具有的靈活度。
門(mén)級驅動(dòng)方案因其靈活性和傳統性，在非汽車(chē)市場(chǎng)有較多的應用，比如應用在風(fēng)扇、電動(dòng)工具、按摩椅等小功率場(chǎng)合。有隔離門(mén)級驅動(dòng)產(chǎn)品和非隔離門(mén)級驅動(dòng)產(chǎn)品。
數明半導體提供高可靠性的門(mén)級驅動(dòng)，產(chǎn)品覆蓋200V及600V工作電壓范圍，可供客戶(hù)選擇各種驅動(dòng)電流以及半橋、全橋設計。
數明的非隔離門(mén)級驅動(dòng)產(chǎn)品中，200V IGBT/MOSFET 半橋驅動(dòng)IC有SLM2001、SLM2003、SLM2004、SLM2005；160V IGBT/MOSFET 三相全橋驅動(dòng)IC有SLM7888；600V IGBT/MOSFET半橋驅動(dòng)IC SLM21XX和SLM2304S以及三相全橋驅動(dòng)IC SLM2136。非隔離門(mén)級驅動(dòng)產(chǎn)品具有高可靠性及廣泛兼容性，更寬的驅動(dòng)能力。
隔離式半橋柵極驅動(dòng)器可用于許多應用，從要求高功率密度和效率的隔離式DC-DC電源模塊，到高隔離電壓和長(cháng)期可靠性至關(guān)重要的太陽(yáng)能逆變器等等，不一而足。數明的新兼容光耦隔離式單通道柵極驅動(dòng)器系列產(chǎn)品SLM34x，與傳統的光耦柵極驅動(dòng)器相比，具有低延時(shí)，低脈寬失真，共模瞬態(tài)抗擾度能力強，壽命長(cháng)，工作溫度范圍寬等一系列優(yōu)點(diǎn)、工作電壓范圍更寬，輸入端抗負壓能力更強，可在變頻，伺服，UPS，感應加熱等不同領(lǐng)域進(jìn)行應用。
圖2
今天的內容主要涉及數明的非隔離式半橋驅動(dòng)產(chǎn)品，如圖2為典型半橋應用電路。
非隔離半橋在電機控制、開(kāi)關(guān)電源、工業(yè)自動(dòng)化等領(lǐng)域目前已經(jīng)得到了廣泛的應用，數明的非隔離式半橋驅動(dòng)產(chǎn)品應用廣泛，比如說(shuō)SLM2106S應用于電吹風(fēng)，SLM2101S成功打入了吊扇、無(wú)葉風(fēng)扇、破壁機、風(fēng)扇、暖風(fēng)機等市場(chǎng)，SLM2XX在白色家電產(chǎn)品中都占據了不小的市場(chǎng)份額；三相驅動(dòng)產(chǎn)品比如SLM2136也在跑步機、工業(yè)縫紉機、水泵等工控場(chǎng)合有一定的市場(chǎng)，SLM7888在電動(dòng)車(chē)、角磨機一類(lèi)的電動(dòng)工具市場(chǎng)站穩了腳跟。今天主要涉及到數明的半橋驅動(dòng)IC在小功率電機驅動(dòng)中的應用。
在上文提到的各類(lèi)小功率應用的電機驅動(dòng)電路的設計中，主要考慮：
1. 電機轉動(dòng)方向、速度。對于單向的電機驅動(dòng)，只要用一個(gè)大功率三極管或MOS直接帶動(dòng)電機即可，當電機需要雙向轉動(dòng)時(shí)，可以使用由4個(gè)功率元件組成的H橋電路，通過(guò)改變流入電機的電流方向從而改變電機轉向。如果需要調速，可以使用三極管，MOS等開(kāi)關(guān)元件實(shí)現PWM(脈沖寬度調制)調速。（PWM控制通常配合橋式驅動(dòng)電路實(shí)現直流電機調速，電機的轉速與電機兩端的電壓成比例，而電機兩端的電壓與控制波形的占空比成正比，因此電機的速度與占空比成比例，占空比越大，電機轉得越快，當占空比α＝1 時(shí)，電機轉速）
2. 對于PWM調速的電機驅動(dòng)電路，選擇驅動(dòng)IC時(shí)主要有以下性能指標需要考慮：
1)輸出電流和耐壓，它決定著(zhù)電路能驅動(dòng)多大功率的電機。
2)效率，節省電源同時(shí)減少驅動(dòng)電路的發(fā)熱�？梢詮谋ＷC功率器件的開(kāi)關(guān)工作狀態(tài)和防止共態(tài)導通(在需要涉及為H橋時(shí))入手。
3)對控制輸入端的影響，是否使用隔離式驅動(dòng)IC。
4)對電源的影響。
5)可靠性。在系統應用中，由于門(mén)極驅動(dòng)連接著(zhù)邏輯控制單元與功率變換單元，門(mén)極驅動(dòng)芯片的穩定性對整個(gè)系統的可靠性起著(zhù)至關(guān)重要的作用。
因此，不同的應用場(chǎng)合，采用不同的驅動(dòng)方案是必要的。
圖3-1
圖3-2
在小功率應用場(chǎng)合，門(mén)級驅動(dòng)方案應用廣，選取合適的門(mén)級驅動(dòng)IC是極為重要的。MOSFET開(kāi)關(guān)速度快、導通電阻低，在電機驅動(dòng)電路中占據半壁江山。要想使MOSFET在應用中充分發(fā)揮其性能，驅動(dòng)電路必不可少。在應用中，MOSFET一般工作在如圖1所示的橋式拓撲結構模式下。由于下橋MOSFET驅動(dòng)電壓的參考點(diǎn)為地，較容易設計驅動(dòng)電路，而上橋的驅動(dòng)電壓是跟隨相線(xiàn)電壓浮動(dòng)的，因此如何很好地驅動(dòng)上橋MOSFET成了設計能否成功的關(guān)鍵。相比全橋驅動(dòng)，半橋驅動(dòng)芯片由于其易于設計驅動(dòng)電路、外圍元器件少、驅動(dòng)能力強、可靠性高、靈活等優(yōu)點(diǎn)在MOSFET驅動(dòng)電路中得到廣泛應用。數明的半橋門(mén)級驅動(dòng)芯片是不錯的選擇。門(mén)級驅動(dòng)IC的兩個(gè)主要參數：耐壓和驅動(dòng)電流。如圖3所示，前文提到的SLM2101、SLM2106S皆有600V耐壓，290/600mA 的驅動(dòng)電流（MOSFET的柵-源極之間存在寄生電容，MOSFET的開(kāi)和關(guān)過(guò)程，是對電容的充放電過(guò)程，如果MOSFET的驅動(dòng)電路不能提供足夠的峰值電流（輸入/輸出電流），則會(huì )降低MOSFET的開(kāi)關(guān)速度。所以，根據不同的產(chǎn)品，來(lái)選取不同的驅動(dòng)IC驅動(dòng)電機至關(guān)重要），是具有高低側參考輸出通道，耐壓高、高速的MOSFET和IGBT驅動(dòng)IC，邏輯輸入兼容標準CMOS或LSTTL輸出，邏輯電壓可降至3.3 V。輸出驅動(dòng)器的特點(diǎn)是一個(gè)高脈沖電流緩沖級設計的驅動(dòng)器交叉傳導。浮動(dòng)通道可用于驅動(dòng)n通道功率MOSFET或IGBT在高側配置，耐壓達600V,通斷時(shí)間220 ns/200 ns。而SLM2101S通斷時(shí)間為160 ns/150 ns。 |
