小功率電機(jī)驅(qū)動(dòng)方案及驅(qū)動(dòng)IC的選擇指南

小功率電機(jī)驅(qū)動(dòng)方案及驅(qū)動(dòng)IC的選擇

電機(jī)驅(qū)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(zhí)行器環(huán)節(jié)，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(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)提出了更高的性能和功能要求，例如更快的響應(yīng)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(duì)不同應(yīng)用場(chǎng)合的電機(jī)，我們應(yīng)該選擇與之相對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)方案。簡(jiǎn)單地來(lái)說(shuō)，功率大的電機(jī)應(yīng)該選用內(nèi)阻小、電流容許大的驅(qū)動(dòng)，功率小的電機(jī)就可以選用較低功率的驅(qū)動(dòng)。直流小功率電機(jī)廣泛適用于家電、工控、計(jì)算機(jī)等諸多設(shè)備。較常規(guī)的方法是采用 PWM 控制，常見(jiàn)的驅(qū)動(dòng)有兩種方式：

一、采用集成電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片；

二、采用MOSFET和專(zhuān)用柵極驅(qū)動(dòng)芯片。

在高集成度的應(yīng)用中，傳統(tǒng)電機(jī)控制鏈路MCU + Gate Driver + MOSFET（如圖1）中已經(jīng)出現(xiàn)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(yīng)用中還出現(xiàn)了集成全部鏈路的情形。而在便攜設(shè)備、IOT和5G應(yīng)用中，對(duì)電機(jī)驅(qū)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(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的高可靠性和長(zhǎng)壽命提出了苛刻的要求。

按集成度的不同，有3種電機(jī)驅(qū)動(dòng)器方案：系統(tǒng)單芯片（SoC）方案、集成的控制方案（ICS）和門(mén)極驅(qū)動(dòng)器方案。

SoC方案將DC-DC、門(mén)極驅(qū)動(dòng)器、控制器、逆變器及反饋/保護(hù)等集成到單個(gè)芯片上，集成度高，適合空間受限的應(yīng)用，簡(jiǎn)單易用。

ICS方案相對(duì)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(yīng)用，靈活性較高。

門(mén)極驅(qū)動(dòng)器方案則只集成DC-DC、門(mén)極驅(qū)動(dòng)器和反饋/保護(hù)，因?yàn)榭刂破骱凸β势骷荚谕獠?，所以具有最高的靈活度。

門(mén)級(jí)驅(qū)動(dòng)方案因其靈活性和傳統(tǒng)性，在非汽車(chē)市場(chǎng)有較多的應(yīng)用，比如應(yīng)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(jí)驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品和非隔離門(mén)級(jí)驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品。

數(shù)明半導(dǎo)體提供高可靠性的門(mén)級(jí)驅(qū)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(qū)動(dòng)電流以及半橋、全橋設(shè)計(jì)。

數(shù)明的非隔離門(mén)級(jí)驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品中，200V IGBT/MOSFET 半橋驅(qū)動(dòng)IC有SLM2001、SLM2003、SLM2004、SLM2005；160V IGBT/MOSFET 三相全橋驅(qū)動(dòng)IC有SLM7888；600V IGBT/MOSFET半橋驅(qū)動(dòng)IC SLM21XX和SLM2304S以及三相全橋驅(qū)動(dòng)IC SLM2136。非隔離門(mén)級(jí)驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品具有高可靠性及廣泛兼容性，更寬的驅(qū)動(dòng)能力。

隔離式半橋柵極驅(qū)動(dòng)器可用于許多應(yīng)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(zhǎng)期可靠性至關(guān)重要的太陽(yáng)能逆變器等等，不一而足。數(shù)明的新兼容光耦隔離式單通道柵極驅(qū)動(dòng)器系列產(chǎn)品SLM34x，與傳統(tǒng)的光耦柵極驅(qū)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(qiáng)，壽命長(zhǎng)，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(fù)壓能力更強(qiáng)，可在變頻，伺服，UPS，感應(yīng)加熱等不同領(lǐng)域進(jìn)行應(yīng)用。

今天的內(nèi)容主要涉及數(shù)明的非隔離式半橋驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品，如圖2為典型半橋應(yīng)用電路。

非隔離半橋在電機(jī)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(yīng)用，數(shù)明的非隔離式半橋驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品應(yīng)用廣泛，比如說(shuō)SLM2106S應(yīng)用于電吹風(fēng)，SLM2101S成功打入了吊扇、無(wú)葉風(fēng)扇、破壁機(jī)、風(fēng)扇、暖風(fēng)機(jī)等市場(chǎng)，SLM2XX在白色家電產(chǎn)品中都占據(jù)了不小的市場(chǎng)份額；三相驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品比如SLM2136也在跑步機(jī)、工業(yè)縫紉機(jī)、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(jī)一類(lèi)的電動(dòng)工具市場(chǎng)站穩(wěn)了腳跟。今天主要涉及到數(shù)明的半橋驅(qū)動(dòng)IC在小功率電機(jī)驅(qū)動(dòng)中的應(yīng)用。

在上文提到的各類(lèi)小功率應(yīng)用的電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)中，主要考慮：

1. 電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方向、速度。對(duì)于單向的電機(jī)驅(qū)動(dòng)，只要用一個(gè)大功率三極管或MOS直接帶動(dòng)電機(jī)即可，當(dāng)電機(jī)需要雙向轉(zhuǎn)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(jī)的電流方向從而改變電機(jī)轉(zhuǎn)向。如果需要調(diào)速，可以使用三極管，MOS等開(kāi)關(guān)元件實(shí)現(xiàn)PWM（脈沖寬度調(diào)制）調(diào)速。（PWM控制通常配合橋式驅(qū)動(dòng)電路實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)調(diào)速，電機(jī)的轉(zhuǎn)速與電機(jī)兩端的電壓成比例，而電機(jī)兩端的電壓與控制波形的占空比成正比，因此電機(jī)的速度與占空比成比例，占空比越大，電機(jī)轉(zhuǎn)得越快，當(dāng)占空比α＝1 時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速最大）

2. 對(duì)于PWM調(diào)速的電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，選擇驅(qū)動(dòng)IC時(shí)主要有以下性能指標(biāo)需要考慮：

1）輸出電流和耐壓，它決定著電路能驅(qū)動(dòng)多大功率的電機(jī)。

2）效率，節(jié)省電源同時(shí)減少驅(qū)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(dǎo)通（在需要涉及為H橋時(shí)）入手。

3）對(duì)控制輸入端的影響，是否使用隔離式驅(qū)動(dòng)IC。

4）對(duì)電源的影響。

5）可靠性。在系統(tǒng)應(yīng)用中，由于門(mén)極驅(qū)動(dòng)連接著邏輯控制單元與功率變換單元，門(mén)極驅(qū)動(dòng)芯片的穩(wěn)定性對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的可靠性起著至關(guān)重要的作用。

因此，不同的應(yīng)用場(chǎng)合，采用不同的驅(qū)動(dòng)方案是必要的。

在小功率應(yīng)用場(chǎng)合，門(mén)級(jí)驅(qū)動(dòng)方案應(yīng)用最廣，選取合適的門(mén)級(jí)驅(qū)動(dòng)IC是極為重要的。MOSFET開(kāi)關(guān)速度快、導(dǎo)通電阻低，在電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路中占據(jù)半壁江山。要想使MOSFET在應(yīng)用中充分發(fā)揮其性能，最優(yōu)驅(qū)動(dòng)電路必不可少。在應(yīng)用中，MOSFET一般工作在如圖1所示的橋式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)模式下。由于下橋MOSFET驅(qū)動(dòng)電壓的參考點(diǎn)為地，較容易設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電路，而上橋的驅(qū)動(dòng)電壓是跟隨相線(xiàn)電壓浮動(dòng)的，因此如何很好地驅(qū)動(dòng)上橋MOSFET成了設(shè)計(jì)能否成功的關(guān)鍵。相比全橋驅(qū)動(dòng)，半橋驅(qū)動(dòng)芯片由于其易于設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電路、外圍元器件少、驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)、可靠性高、靈活等優(yōu)點(diǎn)在MOSFET驅(qū)動(dòng)電路中得到廣泛應(yīng)用。數(shù)明的半橋門(mén)級(jí)驅(qū)動(dòng)芯片是不錯(cuò)的選擇。門(mén)級(jí)驅(qū)動(dòng)IC的兩個(gè)主要參數(shù)：耐壓和驅(qū)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(qū)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(duì)電容的充放電過(guò)程，如果MOSFET的驅(qū)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(jù)不同的產(chǎn)品，來(lái)選取不同的驅(qū)動(dòng)IC驅(qū)動(dòng)電機(jī)至關(guān)重要），是具有高低側(cè)參考輸出通道，耐壓高、高速的MOSFET和IGBT驅(qū)動(dòng)IC，邏輯輸入兼容標(biāo)準(zhǔn)CMOS或LSTTL輸出，邏輯電壓可降至3.3 V。輸出驅(qū)動(dòng)器的特點(diǎn)是一個(gè)高脈沖電流緩沖級(jí)設(shè)計(jì)的最小驅(qū)動(dòng)器交叉?zhèn)鲗?dǎo)。浮動(dòng)通道可用于驅(qū)動(dòng)n通道功率MOSFET或IGBT在高側(cè)配置，耐壓達(dá)600V，通斷時(shí)間220 ns/200 ns。而SLM2101S通斷時(shí)間為160 ns/150 ns。

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