單相風機非橋式驅動續流方式研究

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

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管關斷，當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，這就給功率開關器件造成了損壞的風險，在設計風機驅動電路時，一定要包含續流設計，通過釋放繞組電流以保護功率器件。根據不同驅動電路的特點，應選擇合適的續流方式，本文針對小型風機中單相直流電動機非橋式驅動續流問題進行研究，給出電容續流的設計方法，并通過仿真模型和實驗，說明不同參數在電路中的影響。

1 單相風機驅動電路續流設計

1.1 單相風機驅動設計

橋式驅動是電機驅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機，非橋式驅動更為適合。非橋式驅動使用元器件少，電路設計更簡潔，可以節省空間，減小裝配難度，給電機設計更多自由；其次，元器件少可降低成本，這在工業生產中是很重要的一個考量因素。

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

圖1 無刷直流電動機非橋式驅動

在沒有續流設計的情況下，即取消電容支路C1，R2和C2，R5。以LA支路為例，當電動機換相時，場效應管Q1關斷，由于電感電流不會突變，場效應管關斷后，場效應管漏極、源極截止，電阻RDS無窮大，所以場效應管漏極、源極DS兩端會產生很大的脈沖電壓。以場效應管Q1為例，漏極電壓UD仿真波形如圖2所示，供電電壓設置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，遠遠超過正常的供電電壓48 V和場效應管的耐壓裕量，過電壓會造成場效應管損壞，在驅動設計中必須要加入續流設計，防止功率器件被過電壓損壞。

圖2 無續流時場效應管Q1柵極漏極導通關斷時的電壓仿真波形

1.2 單相風機非橋式驅動續流方式

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

圖 1利用電容支路作為續流支路。當場效應管狀態從導通到關斷，由于電感電流不能立即消失，在場效應管柵極和漏極間加入電容支路，電容支路對突變電流相當于短路，給繞組電流提供了釋放通道。當場效應管Q1開通，Q2關斷，繞組通過場效應管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，場效應管Q1關閉，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，這時場效應管Q1柵極電壓大于柵極開啟電壓UGS(on)，場效應管開通，提供電流釋放的另一條通路，形成了一個負反饋，在它們的共同作用下，繞組電流可以迅速減小，場效應管漏極電壓UD波形如圖4所示，供電電壓48 V，上面波形是場效應管漏極電壓，每格50 V，下面波形是場效應管柵極電壓。

圖3 電容續流電流流向

圖4 電容續流漏極波形

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

1.3 電容續流參數選擇

2 實驗結果

實驗電機使用渦流風機，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。可以看出，漏極波形符合理論和仿真預想，漏極電壓尖峰明顯被抑制，驅動信號電平轉換速度快，電機換相正常，實測電機轉速滿足額定轉速。

圖5 實驗漏極波形

3 結 語

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