基于IR2136的无刷直流电机驱动电路的设计

摘要：实现了一个基于IR2136的适用于无刷直流电机的三相全桥驱动电路的设计。详细介绍了电路的信号隔离模块、逻辑综合电路、三相逆变驱动电路和过流保护电路，并对电路中的关键参数进行了计算分析和选择，最后通过Saber仿真分析软件对设计完成的电路进行了仿真。仿真分析结果证明，电路的设计性能完全满足使用要求。
关键词：三相全桥驱动；信号隔离模块；三相逆变驱动；Saber

    随着电力电子技术和高性能永磁材料的发展，无刷直流电机的应用在航空航天、医疗、家电及自动化领域获得了迅猛的发展。无刷电机驱动电路是数字控制电路和无刷直流电机联系的纽带，它采用功率电子开关和霍尔位置传感器代替有刷电机中的电刷和换相器，接收来自数字电路的控制信号，将电流分配给无刷电机定子上的U、V、W三相绕组。相对于数字控制部分，驱动电路是电机控制系统中的薄弱环节。因此，电机功率驱动模块电路性能的好坏将直接关系到系统的整体性能和可靠性。
    以IR公司的专用驱动功率芯片IR2136为中心，采用MOSFET作为功率开关器件，完成了三相全桥逆变电路的设计，选用的MOSFET管为RFP2 60N。驱动电路接收电机输出的代表转子位置的3个霍尔信号HA、HB、HC，并接收经过隔离处理过的PWM波和控制电机转向的方向信号DIR，经过组合逻辑运算，输出按一定次序控制6个功率MOSFET导通与关断的信号。在MOSFET的应用中，驱动、保护这两个问题必须全面考虑。文中详细介绍了功率驱动电路中驱动部分和保护部分的设计，并在分析计算的基础上对电路的关键参数进行了选择。

1 功率驱动电路
    采用的驱动电路原理框图如图1所示，共包括4个部分：信号隔离部分、驱动部分、三相逆变桥部分及过流保护部分。

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1．1 信号隔离部分
    电机控制信号PWM和DIR产生电路为数字电路，工作频率比较高，工作电压及电流都比较低。而功率驱动模块的电压和电流比较大，如果驱动模块的高压大电流串入前端控制数字电路，将会对数字控制电路造成干扰。为了保证DSP可靠工作，必须实现弱信号的DSP硬件系统与大电流的功率放大电路之间进行隔离与匹配。本设计中采用集成光耦HCPL2231模块，外围电路如图2所示，该模块由两通道独立光耦组成。光耦隔离实现了单方向传递信号，寄生反馈极小，传输信号带宽为6 MHz，完全可以满足需要传输的PWM和DIR信号带宽要求。通过信号隔离，避免DSP的运行受到功率放大电路的干扰，提高了整个控制系统的可靠性。另外，通过光耦将隔离后的PWM和DIR信号提高至15 V，从而提高了控制信号抗干扰毛刺的能力。

1．2 驱动部分
    驱动部分由组合逻辑电路和功率驱动电路组成。
1．2．1 组合逻辑电路
    根据控制信号PWM和DIR方向信号，结合电机霍尔位置信号HA、HB、HC，以及过流信号OC，输出控制6个功率管开通与关断的控制信号。由于IR2136的高端桥臂和低端桥臂的控制信号为低电平有效，根据无刷电机换相逻辑真值表，生成逆变桥的6个功率管控制信号的逻辑关系如下：
   

    根据上述逻辑关系，逻辑综合电路采用选用集成门电路实现，电路如图3所示。

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1．2．2 功率驱动电路
    在电机功率驱动电路中，三相逆变桥电路有6个功率开关器件，若每个功率开关器件都采用独立的驱动电路驱动，则需要6个驱动电路，增加了电路的复杂性，可靠性下降。
    IR2136是功率MOSFET和IGBT专用栅极集成驱动电路，它可以驱动工作在母线电压高达600 V的功率开关器件。它带有3个独立的高压侧和低压侧输出通道，其内部采用自举技术，仅需要一个直流电源，就可输出6路功率开关器件的驱动脉冲，仅需要一个直流电源，使其实现了对功率MOSFET和IGBT的最优驱动，简化了整个驱动电路的设计。而且IR2136驱动芯片内置死区电路，以及过流保护和欠压保护等功能。IR2136的控制逻辑输入和CMOS、LSTTL电平兼容，同时输入带有噪声滤波器，使之有很好的噪声抑制能力。

    IR2136驱动一个半桥的电路如图4所示。其中，C1、VD分别为自举电容和二极管，Rg为栅极串联电阻。自举电容C1用来给高压侧的MOSFET提供悬浮电源。一个半桥的高压侧管在导通前需要先对自举电容C1充电，当C1两端电压超过阈值电压MOSFET的栅极开启电压，高压侧MOSFET导通。
    根据设计要求，自举电容必须能够提供功率管导通时所需要的栅极电荷。自举电容的最小设计要求一最小电荷要求为：
   

    其中Qg为功率管充分导通时所需要的栅极电荷，Voc为悬浮电源绝对电压，Vf自举二极管的正向压降，Vl为低压侧功率管的压降。这里Qg=234 nC，Voc=15 V，Vf=1．3 V，Vl=0．7 V，C=1．08μF。这里选择C=1μF。
    自举二极管用于开关二极管的充放电过程。当高端IRFP260N管开启时，自举二极管必须承受着和IRFP260N漏极相同的电压，所以二极管的反向承受电压要大于母线电压。充放电恢复时间极短，应选用快恢复二极管，以减少自举电容向电源的回馈电荷。这里选用快恢复二极管FR107作为自举二极管。FR107的反向恢复时间小于500 ns，反向工作峰值电压1 000 V，正向峰值压降小于1．3 V，常温反向电流小于5μA，高温反向峰值电流小于100μA。

    采用IR2136驱动三相逆变桥的六个功率MOSFET的电路原理图如图5所示。IR2136内置了400 ns的死区时间，防止同一桥臂的上下2个MOSF ET管同时导通。[!--empirenews.page--]
1．3 三相逆变桥部分
    逆变电路的作用是将动力直流电源转换为可以驱动无刷电机运行的三相交流电U、V和W。
    通过在IRFP260的栅极串联一定电阻，改变MOSFET的开关速度。这里选择栅极串联一适当大小的电阻。另外，由于栅源之间的阻抗很高，因此漏源间电压的突变会通过极间电容耦合到栅极而产生过高的电压过冲。对于正方向的过冲电压，会引起MOSFET误导通，导致桥臂直通。因此，为了适当降低栅极驱动电路的阻抗，可以在栅源间并联一大电阻。如图6所示。

1．4 过流保护部分
    过流保护电路的作用是避免工作过程中电机出现过电流时采取的安全措施，当驱动电路控制系统出现过电流时，关闭三相逆变桥中的功率管。

    先对母线电流进行采样检测，经过精密采样电阻将母线电流信号转换为电压信号SAM，然后进行简单的滤波处理后输入到比较器中，与设定的基准值进行比较，产生过流信号OC，OC信号输出到组合逻辑电路中参与运算。当电流过大时时，OC信号为低电平，三相逆变桥的高压端MOSFET关闭，电机停止工作。本设计中采用LM339芯片实现电路过流保护功能，过流保护电路如图7所示。

2 仿真结果分析
    直接调用驱动芯片IR2136、IRFP260的PSPSICE仿真模型，利用Synopsys公司的仿真分析软件Saber对功率驱动电路建立仿真分析模型进行分析。在仿真模型中，选择栅极串联电阻RG=200 Ω，栅源极并联电阻RGS=20 kΩ，直流母线电流精密采样电阻RSAM=0．05Ω。
    其中S1F和S4F为IR2136一个桥臂的输入控制信号，G1_G，G4_G分别为半桥高压侧MOSFET、低压侧MOSFET的栅极电压，UA为电机的三相绕组输入电压。分析得出IR2136输入控制信号有效时，MOSFET可靠导通；同时高端MOSFET导通时，低端MOSFET关闭。

3 结论
    文中设计完成了一个基于IR2136的无刷直流电机的功率驱动电路。该电路集成了输入欠压、防直通、过流等保护功能。另外，利用IR21 36片内自举功能，实现了全桥驱动电路的单一电源供电，并根据计算分析对电路的关键参数进行选择。同时利用仿真分析软件Saber对设计电路进行了仿真，其仿真结果与理论分析相吻合。