低壓大電流BLDC電機的三相裂變橋電路設計

錢 亮

（廣安職業(yè)技術學院，四川 廣安 638000）

0 引 言

三相裂變橋電路由6個MOS管組成，其中上橋臂和下橋臂均有3個MOS管[1]。隨著BLDC電機應用范圍的不斷擴大，在大電流應用場合下，MOS管的發(fā)熱問題突出[2]。基于普通的三相裂變橋電路[3]，針對MOS管發(fā)熱問題改進三相裂變橋電路，提出分時載波、下橋臂MOS管并聯(lián)以及上下橋臂并聯(lián)二極管3大改進措施，并設計上下橋臂MOS管的前極驅動電路。

1 降低MOS管損耗的措施

1.1 分時載波方法

導通時序、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Q1處于t1～t2時刻時，它的電流流向如圖2所示。其中，Q1損耗包含開通損耗、關斷損耗以及導通損耗，Q2損耗包含導通損耗，故Q1比Q2發(fā)熱更多。當Q1處于t2～t3時刻時，BLDC電機的電感電流不能發(fā)生突變，電流流向如圖3所示。Q4損耗包含續(xù)流損耗，Q2損耗包含導通損耗，但由于負載電流比較大，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

當下橋臂采用PWM載波調制，上橋臂恒通，且Q2處于PWM的ON狀態(tài)時，電流流向如圖2所示。當Q2處于PWM的OFF狀態(tài)時，電流流向如圖4所示。為減少Q(mào)4的發(fā)熱量，在控制BLDC電機時采用分時載波的方法，使Q5和Q4共同承擔損耗。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MOS管的導通損耗，采取并聯(lián)MOS管的方法，引入MOS管Q7、Q8以及Q9，分擔下橋臂一半的導通損耗。在采用分時載波和下橋臂MOS管并聯(lián)的基礎上，Q4、Q7、Q5的續(xù)流損耗最大。為降低3個MOS管的續(xù)流損耗，可以將損耗轉移至MOS管外部。采用上下橋臂并聯(lián)二極管方法，電路圖和工作過程中的電流流向分別如圖5和圖6所示。

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

圖5 電路圖

圖6 電流流向

2 三相裂變橋前極MOS管驅動電路設計

2.1 下橋臂MOS管前極驅動電路設計

下橋臂MOS管前極驅動電路設計和電流流向如圖7所示，其中細虛線表示小電流，粗虛線表示大電流。

下橋臂MOS管導通的工作原理：當驅動電壓信號為高電平時，三極管Q7導通，+15 V電源經(jīng)過電阻R4對Cgs電容充電，Q4導通。下橋臂MOS管截止的工作原理：當驅動電壓信號為低電平時，三極管Q7截止，Cgs電容經(jīng)過三極管Q8進行放電，Q4截止。

2.2 上橋臂MOS管前極驅動電路設計

上橋臂MOS管前極驅動電路設計和電流流向如圖8所示。

圖7 下橋臂MOS管前極驅動電路設計和電流流向圖

圖8 上橋臂MOS管前極驅動電路設計和電流流向圖

上橋臂MOS管導通的工作原理：當驅動電壓信號為高電平時，三極管Q9導通，自舉電容C1經(jīng)過Q9形成Q10的基極電流，自舉電容C1經(jīng)過Q10對電容Cgs充電，Q1導通。下橋臂MOS管截止的工作原理：當驅動電壓信號為低電平時，三極管Q9截止，Cgs電容經(jīng)過三極管Q11進行放電，Q1截止。

3 結 論

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