無刷直流電動(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)
無刷直流電動(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合。如果其值遠(yuǎn)高于20V，使用起來就不方便，也感到對管子不安全。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刷直流電動(dòng)機(jī)是比較理想的。對于非斬波工作狀態(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，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以上的高速無刷電機(jī)，仍用快速二極管為宜。另外對于可能出現(xiàn)較長時(shí)間堵轉(zhuǎn)的電機(jī)。
例如無刷直流力矩電動(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刷直流電機(jī)只可短期堵轉(zhuǎn)。必須長期堵轉(zhuǎn)的電機(jī)，應(yīng)采用斬波電路，且占空比不得接近“1”，即不應(yīng)出現(xiàn)管子的全開通狀態(tài)。
對于非斬波工作而又會(huì)出現(xiàn)長時(shí)間堵轉(zhuǎn)的無刷直流電動(dòng)機(jī)，宜采用圖6所示的橋路自給電源的方式。
圖6中在主回路電源正端設(shè)置的是附加正電源，在它上面取得橋路各上管的柵極正電源。而上管柵極負(fù)電源是自下管的柵極負(fù)電源或控制負(fù)電源取得。這樣即使在堵轉(zhuǎn)時(shí)，也不再出現(xiàn)換路狀態(tài)，橋路各管的柵極正、負(fù)電源均未失去補(bǔ)充的來源。因此無論堵轉(zhuǎn)多長時(shí)間，柵源電壓仍不會(huì)降低，電路始終能正常工作。
圖中二極管D，與D2仍按2倍的主電源電壓確定耐壓值。電容Csl與CS2的額定電壓按所需的柵壓確定，電容CS，CS2額定電壓按Ea+15V碉定。
3結(jié)語
文中提出的柵極電源橋路自給方法是利用橋路器件的開通與關(guān)斷，自本身的主回路或控制電源上取得柵極電源。這充分利用了VMOS管或IGBT柵極所需驅(qū)動(dòng)電流甚小、驅(qū)動(dòng)電壓相對較高，即柵極輸入阻抗很高的特點(diǎn)。對于雙極性三極管所需的基極電源正好相反，驅(qū)動(dòng)電流大，驅(qū)動(dòng)電壓甚低，輸入阻抗很低，難以靠電容儲(chǔ)能取得。因此雙極性三極管橋路基極自給電源實(shí)現(xiàn)很困難。
文中所述的橋路自給柵極電源雖是針對無刷直流電動(dòng)機(jī)的三相橋路，也同樣適用于VMOS管、IGBT的其他處于斬波工作狀態(tài)的橋路。例如有刷直流電動(dòng)機(jī)及步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的H橋。對于多相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的H橋路，意義尤為突出。如混合式五相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，5個(gè)繞組則有5個(gè)H橋。按通常情況需要6組電源（上管5組，下管1組）。每組正負(fù)電源各一，總共12個(gè)電源。而采用橋路自給柵源，只需1組正負(fù)電源及1個(gè)附加負(fù)電源，僅3個(gè)電源。對于多座標(biāo)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，仍然只需這3個(gè)電源，省去的電源個(gè)數(shù)就更多
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