無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)控制電路柵極電源的獲得方式
鐘仁人(西安微電機(jī)研究所710077)
1 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)橋路中vmos(或igbt)的柵極電源
無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)廣泛采用橋式電路，而vmos管或igbt是其主要應(yīng)用的功率器件。圖1繪出了vmos管的三相橋路（繞組星形接線），igbt與其類似。
每一個(gè)管子需要一組柵極電源，以供給正、負(fù)電壓。當(dāng)管子導(dǎo)通時(shí)，需在柵極上施加足夠高的正電壓；管子關(guān)斷時(shí)，則施加負(fù)電壓，以迅速拉出柵極上積存的電荷。正負(fù)電壓的極限值為20v，一般采用+15v、-5v。
橋路中的下管由于源極同電位（指一般采用n溝道vmos管），下管的柵極電源可以共用。但橋路中所有上管vmos的源極或igbt的e極均是獨(dú)立的，柵極電源無(wú)法共用。因此所需獨(dú)立電源的數(shù)量是很多的。一個(gè)三相橋路需要四組電源，即正負(fù)電源共8個(gè)，無(wú)論用工頻變壓器整流濾波，還是開關(guān)電源，都是很繁鎖的。雖然上管可選用p溝道vmos管解決柵極電源的共用，但由于p溝道管工藝上存在困難，目前管子的電壓、電流都很有限，容量較小而價(jià)格較高，實(shí)際應(yīng)用范圍極有限。
2橋路自給柵極電源
這里均針對(duì)實(shí)際多用的n溝道vmos。由于下管的柵極電源可共用，甚至可與控制電源共用，故問題的討論是針對(duì)橋路上管。
2.1柵極正電源的取得
利用下管導(dǎo)通瞬間，自下管的柵極正電源或控制電源取得，見圖2中的三相橋。圖中源極上的電容gs一般取值數(shù)l0μf至100μf。大電流管子?xùn)艠O輸入電容較大，應(yīng)取較大值，耐壓可取25v。二極管d應(yīng)選用快速二極管（若斬波頻率較低，亦可用整流二極管），其反向耐壓值****不低于主電路電源電壓的2倍。
2.2柵極負(fù)電源的取得
2.2.1利用下管關(guān)斷時(shí)出現(xiàn)的管壓
如圖3所示h橋路，由于下管關(guān)斷時(shí)gnd對(duì)上管源極s呈負(fù)壓，經(jīng)二極管d可在電容cs上充上負(fù)壓。此電壓****可達(dá)主電源電壓。電容cs的耐壓可據(jù)此選定，二極管d的耐壓值以不低于2倍的主電源電壓為宜。由于所獲得的電容電壓可能遠(yuǎn)高于15v，應(yīng)削峰穩(wěn)壓，見圖3。圖中采用穩(wěn)壓二極管，亦可用三端穩(wěn)壓器。后者須注意不使其輸入電壓超過允許值，否則要采取適當(dāng)措施。為防止cs上電壓過高，可在二極管支路上串以適當(dāng)電阻。
2.2.2在上管的公共端（漏極）設(shè)置負(fù)電源
前一方法在電容c上所取得的電壓略低于主電源電壓，這適用于主電源電壓不太高的場(chǎng)合。如果其值遠(yuǎn)高于20v，使用起來(lái)就不方便，也感到對(duì)管子不安全。這時(shí)，可在主電源的正端，即上管的漏極設(shè)置一負(fù)電源，利用上管導(dǎo)通瞬間對(duì)vmos管源極電容充電，取得柵極負(fù)電源，見圖4。
該附加電源電壓可取13～18v。電容cs耐壓可取25v，容量數(shù)l0μf至l00μf�？焖俣䴓O管d耐壓取2倍的主電源電壓。
此方法雖增加一個(gè)電源，但每個(gè)管子的電源電路既簡(jiǎn)單又安全，電客電壓也較穩(wěn)定。
上述自給正、負(fù)柵源用于一般的斬波工作的無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)是比較理想的。對(duì)于非斬波工作狀態(tài)的橋路，只要上下管在工作狀態(tài)輪流地間斷導(dǎo)通與關(guān)斷，同樣可實(shí)現(xiàn)柵極電源自給。只不過vmos管的導(dǎo)通與關(guān)斷間 隔時(shí)間較長(zhǎng)，源極電容要用得大一些，二極管則可采用1n4000系列整流管。105r/min以上的高速無(wú)刷電機(jī)，仍用快速二極管為宜。另外對(duì)于可能出現(xiàn)較長(zhǎng)時(shí)間堵轉(zhuǎn)的電機(jī)。
例如無(wú)刷直流力矩電動(dòng)機(jī)，由于堵轉(zhuǎn)狀態(tài)使管子輪流導(dǎo)通與關(guān)消失，cs上的電壓由于得不到電荷補(bǔ)充而逐漸降低，以致導(dǎo)通管內(nèi)阻增加，逐漸趨于截止，而原截止的上管的柵極負(fù)電壓也因逐漸趨于零而影響管子的可靠截止。經(jīng)過一段時(shí)間便會(huì)影響電機(jī)的正常工作。故采用自給柵極電源的非斬波無(wú)刷直流電機(jī)只可短期堵轉(zhuǎn)。必須長(zhǎng)期堵轉(zhuǎn)的電機(jī)，應(yīng)采用斬波 |
