橫向磁通電機(jī)控制器驅(qū)動(dòng)及緩沖電路設(shè)計(jì)

候書寒，李紅梅，周亞男，姚宏洋

(合肥工業(yè)大學(xué)，合肥 230009)

橫向磁通電機(jī)控制器驅(qū)動(dòng)及緩沖電路設(shè)計(jì)

候書寒，李紅梅，周亞男，姚宏洋

(合肥工業(yè)大學(xué)，合肥 230009)

采用MOSFET作為功率器件，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了針對(duì)橫向磁通電機(jī)的功率驅(qū)動(dòng)電路。該電路采用光耦HCPL4504和專用驅(qū)動(dòng)芯片UCC27321，具有外圍電路簡(jiǎn)單可靠的特點(diǎn)；同時(shí)，為了抑制MOSFET兩端出現(xiàn)的電壓尖峰，設(shè)計(jì)了RCD緩沖電路。詳細(xì)闡述了橫向磁通電機(jī)驅(qū)動(dòng)方案的整體結(jié)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)以及關(guān)鍵參數(shù)的計(jì)算流程。最后，開(kāi)展了900 W橫向磁通電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路及緩沖電路的實(shí)驗(yàn)測(cè)試工作，通過(guò)試驗(yàn)測(cè)試驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)電路及緩沖電路的實(shí)用性和有效性。

橫向磁通電機(jī)；MOSFET；驅(qū)動(dòng)電路；UCC27321；RCD緩沖電路

0 引 言

與傳統(tǒng)的電勵(lì)磁電機(jī)相比，橫向磁通電機(jī)具有轉(zhuǎn)速低、轉(zhuǎn)矩密度高、電磁解耦、控制方便等特性，特別適合于低速驅(qū)動(dòng)及大轉(zhuǎn)矩領(lǐng)域。由于其低速特性優(yōu)良及結(jié)構(gòu)形式多樣等諸多優(yōu)點(diǎn)，橫向磁通電機(jī)得到越來(lái)越多的關(guān)注，應(yīng)用領(lǐng)域也從大功率的磁懸浮列車、艦船電力推動(dòng)等到小功率的電動(dòng)車驅(qū)動(dòng)不斷擴(kuò)展[1]。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展， IGBT、MOSFET 等功率開(kāi)關(guān)器件已逐步取代晶閘管(SCR)為主的功率開(kāi)關(guān)器件，同時(shí)正朝著高性能、模塊化、小型化的方向發(fā)展[2]。

目前，IGBT作為電機(jī)驅(qū)動(dòng)的功率器件，電壓等級(jí)較高，多用于大功率場(chǎng)合。將IGBT用于小功率的電動(dòng)車領(lǐng)域，必然造成較大的功率冗余，而且IGBT驅(qū)動(dòng)電路體積大、成本高，不利于產(chǎn)業(yè)化實(shí)現(xiàn)。相比于IGBT，MOSFET則在小功率場(chǎng)合表現(xiàn)更為突出，在低壓、大電流領(lǐng)域更是MOSFET的強(qiáng)項(xiàng)，恰恰能夠解決IGBT在小功率場(chǎng)合的一系列問(wèn)題。

為此，針對(duì)48 V供電的900 W橫向磁通電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，本文建議采用低電壓、大電流的MOSFET作為功率器件，設(shè)計(jì)MOSFET為功率器件的橫向磁通電機(jī)控制器驅(qū)動(dòng)電路以及抑制MOSFET兩端電壓尖峰振蕩的RCD緩沖電路，并通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)電路和緩沖電路的實(shí)用性和有效性。

1 MOSFET驅(qū)動(dòng)電路基本要求

MOSFET驅(qū)動(dòng)電路是電機(jī)控制器控制電路和功率主電路之間的接口，設(shè)計(jì)性能良好的驅(qū)動(dòng)電路可以使MOSFET工作在比較理想的狀態(tài)，這對(duì)電機(jī)運(yùn)行效率、可靠性和安全性都十分重要，MOSFET驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)滿足以下基本要求[3]：

(1) 柵極驅(qū)動(dòng)電壓合適，一般以10～15 V為宜；

(2) 驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)能提供足夠大的電流，以保證MOSFET快速開(kāi)通且不存在上升沿的高頻振蕩；同時(shí)，驅(qū)動(dòng)電路能提供低阻抗的通路，以保證MOSFET快速關(guān)斷，盡量減小MOSFET的開(kāi)關(guān)損耗；

(3) 具有合適的柵極(串聯(lián))驅(qū)動(dòng)電阻和合適的柵源(并聯(lián))電阻(一般為數(shù)百至數(shù)千歐姆)，以保證MOSFET動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)效果和防靜電效果；

(4) 驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)能實(shí)現(xiàn)控制電路和功率主電路間的電氣隔離，保證電機(jī)控制器的安全可靠；

(5) 盡可能較少驅(qū)動(dòng)電路輸入與輸出信號(hào)延時(shí)，減小系統(tǒng)響應(yīng)的滯后；

(6) 電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安全可靠，成本低，且具有很強(qiáng)的抗干擾能力。

2 驅(qū)動(dòng)方案設(shè)計(jì)及器件選型

2.1 驅(qū)動(dòng)電路總體方案設(shè)計(jì)

900 W橫向磁通電機(jī)控制器功率主電路如圖1所示，控制信號(hào)開(kāi)關(guān)頻率f=10 kHz。

圖1 橫向磁通電機(jī)控制器全橋功率主電路

電機(jī)控制器驅(qū)動(dòng)方案如圖2所示，由光耦隔離電路、驅(qū)動(dòng)信號(hào)放大電路、全橋功率驅(qū)動(dòng)電路三部分組成[4]。Umodel表示光耦隔離電路和驅(qū)動(dòng)信號(hào)放大電路供電電源，Udc表示電機(jī)控制器直流母線電壓。電機(jī)控制器控制電路輸出的六路PWM信號(hào)通過(guò)光耦隔離和放大后，輸出六路驅(qū)動(dòng)信號(hào)UP，VP，WP，UN，VN，WN，驅(qū)動(dòng)全橋功率主電路實(shí)現(xiàn)對(duì)橫向磁通電機(jī)的控制。

2.2 驅(qū)動(dòng)電路器件選擇

2.2.1 MOSFET選型

MOSFET的選型要兼顧實(shí)用、安全及其可靠性等，其選型原則可借鑒文獻(xiàn)[5]。針對(duì)Udc為48 V，功率為900 W橫向磁通電機(jī)，電機(jī)額定電流幅值為27 A，選擇型號(hào)為MM300FF15T2HD的MOSFET功率模塊，它能承受的最大漏極-源極電壓為150 V，最大漏極直流電流為300 A，具有較低的導(dǎo)通電阻、快速的開(kāi)關(guān)能力和較寬的工作溫度范圍，符合設(shè)計(jì)所需。

2.2.2 光耦及驅(qū)動(dòng)芯片的選擇

專用集成驅(qū)動(dòng)芯片集性能穩(wěn)定、集成度較高和電路比較簡(jiǎn)單的優(yōu)勢(shì)于一體，考慮已完成選型的MOSFET所需要的驅(qū)動(dòng)能力及應(yīng)用環(huán)境，選擇光耦隔離芯片HCPL4504和專用驅(qū)動(dòng)芯片UCC27321[6]。

3 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)及參數(shù)計(jì)算

3.1 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

圖3是電機(jī)控制器U相上管驅(qū)動(dòng)電路，該電路基于HCPL4504和UCC27321芯片設(shè)計(jì)，其中，光耦芯片HCPL4504實(shí)現(xiàn)隔離，驅(qū)動(dòng)芯片UCC27321作信號(hào)放大。兩個(gè)芯片的輸入輸出均是反邏輯，因此整個(gè)驅(qū)動(dòng)電路的輸入輸出仍是正邏輯關(guān)系，即當(dāng)輸入控制信號(hào)為高電平時(shí)，驅(qū)動(dòng)輸出高電壓開(kāi)通信號(hào)；當(dāng)輸入控制信號(hào)為低電平時(shí)，驅(qū)動(dòng)輸出低電壓關(guān)斷信號(hào)。

圖3 電機(jī)控制器U相上管驅(qū)動(dòng)電路

光耦HCPL4504和驅(qū)動(dòng)芯片UCC27321選擇+12V電源供電，光耦輸入端源自DSP輸出的PWM信號(hào)，接入電阻R41=220 Ω，輸出側(cè)接上拉電阻R33=4.7 kΩ，二者用于匹配光耦的電流傳輸比(CTR)，5腳和6腳之間跨接C9=100 pF的去噪電容，6腳輸出信號(hào)接驅(qū)動(dòng)芯片UCC27321的輸入端2腳，引線長(zhǎng)度小于2 cm。芯片電源端接入100 μF電解電容，使電源和地之間解耦，并能在驅(qū)動(dòng)過(guò)程中提供功率管所需的驅(qū)動(dòng)電流，接入貼片電容C10=C11=1 μF，濾除電源高頻噪聲。

為使驅(qū)動(dòng)芯片UCC27321一直保持工作，3腳使能端接+12V電源，使其始終高電平有效。并在1腳和4腳間接100 nF的貼片電容，以降低輸出阻抗。為保證功率管較快的開(kāi)關(guān)速度、較小的開(kāi)關(guān)損耗，并防止開(kāi)關(guān)時(shí)的浪涌電壓導(dǎo)致其誤觸發(fā)，設(shè)置了合適的柵極電阻R43=10 Ω，R42=27 Ω，MOSFET開(kāi)通時(shí)R43起作用，關(guān)斷時(shí)R43和R42并聯(lián)起作用，控制MOSFET的關(guān)斷速度。為了保護(hù)功率管，減小輸入阻抗，提高抗干擾性能，給柵源電荷的泄放提供通路，柵極和源極間跨接電阻R66=10 kΩ。

U相下管和其它相的驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)完全相同，不再贅述。

3.2 驅(qū)動(dòng)參數(shù)計(jì)算

(1) 電源功率計(jì)算

MOSFET在開(kāi)關(guān)過(guò)程中需要消耗來(lái)自柵極驅(qū)動(dòng)電源的功率，同時(shí)驅(qū)動(dòng)電路的芯片也需要電源供電，為確保驅(qū)動(dòng)電路穩(wěn)定可靠工作，供電電源應(yīng)能輸出穩(wěn)定電壓且具有足夠的功率。

MOSFET驅(qū)動(dòng)輸出的平均電流表達(dá)式：

(1)

式中：Qg為MOSFET的柵極電荷；f表示MOSFET的開(kāi)關(guān)頻率。

驅(qū)動(dòng)輸出功率計(jì)算公式：

(2)

式中：Vdrive為柵極驅(qū)動(dòng)電壓。

至于光耦HCPL4504及驅(qū)動(dòng)芯片UCC27321的功率需求，可查閱手冊(cè)獲得，其中PHCPL=100 mW，PUCC=650 mW。

(2) 驅(qū)動(dòng)電阻計(jì)算

MOSFET的開(kāi)通和關(guān)斷是通過(guò)柵極電路的充放電來(lái)實(shí)現(xiàn)的，因此柵極驅(qū)動(dòng)電阻Rg的大小會(huì)影響柵極電容的充放電速度，因而對(duì)MOSFET的開(kāi)關(guān)特性產(chǎn)生極大的影響。

當(dāng)Rg較大時(shí)，可抑制柵極信號(hào)前后沿的陡度并防止振蕩，減小MOSFET柵極的尖峰電壓；但當(dāng)Rg過(guò)大時(shí)，MOSFET開(kāi)關(guān)時(shí)間必然延長(zhǎng)，開(kāi)關(guān)損耗加大，其最大值表達(dá)式：

(3)

式中：Tr為驅(qū)動(dòng)電路輸出信號(hào)上升沿和下降沿。

取Tr=0.01T，T=100 μs，則Tr=1 μs。輸入電容Ciss參考MOSFET模塊手冊(cè)，取21 nF，經(jīng)計(jì)算，Rg<15.9 Ω。

當(dāng)Rg較小時(shí)，能夠減小MOSFET的開(kāi)關(guān)時(shí)間，降低開(kāi)關(guān)損耗；但Rg太小時(shí)，驅(qū)動(dòng)回路雜散電感與MOSFET輸入電容會(huì)形成欠阻尼，導(dǎo)致MOSFET柵源極之間的振蕩，引起柵極的尖峰電壓，嚴(yán)重時(shí)損壞MOSFET。其最小值表達(dá)式：

(4)

式中：L0為柵極回路雜散電感。

L0一般為20 nH，經(jīng)計(jì)算得Rg(on)min>1.95 Ω。

4 RCD緩沖電路設(shè)計(jì)

由于實(shí)際電路中雜散電感的存在，MOSFET關(guān)斷時(shí)較高的di/dt將在其兩端引起電壓尖峰，對(duì)MOSFET的安全運(yùn)行帶來(lái)極大的威脅。為保證電路的安全可靠性，設(shè)計(jì)了如圖4所示的RCD緩沖電路，其參數(shù)計(jì)算過(guò)程如下[7-8]。

圖4 電機(jī)控制器主電路及緩沖電路

4.1 確定緩沖電容Cs容量

緩沖電容容量計(jì)算公式：

(5)

式中：IL為母線電流；L=LP+LS，LP為主回路雜散電感，LS為緩沖回路寄生電感；Δu為過(guò)電壓保護(hù)度，一般設(shè)定為15%。

緩沖電容Cs的耐壓值過(guò)小會(huì)給主回路帶來(lái)安全隱患，其最小耐壓值應(yīng)為主回路中功率模塊所承受的額定電壓值。此外，還需注意的是，緩沖電容應(yīng)選擇無(wú)感電容，安裝時(shí)引線應(yīng)盡量短，并且盡量靠近功率模塊。4.2 確定緩沖電阻Rs

緩沖電路應(yīng)保證在每次MOSFET關(guān)斷前緩沖電容Cs中的電荷完全被釋放，緩沖電阻Rs則為其提供能量釋放的通道。緩沖電阻Rs的計(jì)算公式：

(6)

同樣，緩沖電阻也需要選擇無(wú)感電阻。

4.3 確定緩沖二極管Ds

首先，緩沖二極管耐壓值應(yīng)與MOSFET額定電壓相當(dāng)。其次，緩沖二極管的瞬態(tài)正向電壓下降是MOSFET關(guān)斷時(shí)發(fā)生尖峰電壓的原因之一。此外，緩沖二極管的選型應(yīng)注意反向恢復(fù)特性，較長(zhǎng)的反向恢復(fù)時(shí)間使二極管在高頻動(dòng)作時(shí)損耗增加，同時(shí)，緩沖二極管急劇的反向恢復(fù)過(guò)程在MOSFET的漏源極間引起電壓大幅度振蕩。綜上所述，緩沖二極管應(yīng)選擇電壓容量合適、瞬態(tài)正向電壓低、反向恢復(fù)時(shí)間短且反向恢復(fù)平順的緩沖二極管。

5 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

基于MOSFET為功率器件的橫向磁通電機(jī)控制器驅(qū)動(dòng)電路以及RCD緩沖電路設(shè)計(jì)及元器件選型及參數(shù)確定的基礎(chǔ)上，制作完成了橫向磁通電機(jī)控制器，并對(duì)驅(qū)動(dòng)電路和緩沖電路性能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試。驅(qū)動(dòng)電路邏輯測(cè)試結(jié)果如圖5所示，其中CH4為控制信號(hào)波形，開(kāi)關(guān)頻率為10 kHz；CH3為驅(qū)動(dòng)電路輸出波形，可以看到驅(qū)動(dòng)信號(hào)與控制信號(hào)邏輯相同，頻率與占空比均未發(fā)生改變，且具有快速的上升沿和下降沿，MOSFET能夠可靠開(kāi)通和關(guān)斷。

圖5 驅(qū)動(dòng)電路輸入、輸出波形

圖6為驅(qū)動(dòng)電路帶載測(cè)試波形。測(cè)試條件為Udc=48 V，Iin=27 A，給定控制信號(hào)占空比分別為3%，18%，47%，74%。觀察MOSFET柵極的驅(qū)動(dòng)信號(hào)波形UGS及漏-源極波形UDS。CH1為MOSFET驅(qū)動(dòng)電路的輸出波形UGS，CH2為MOSFET漏源極波形UDS，匹配設(shè)計(jì)的RCD緩沖電路，漏源極尖峰電壓不超過(guò)60 V，試驗(yàn)結(jié)果表明：在建議的驅(qū)動(dòng)方案下，結(jié)合匹配設(shè)計(jì)的RCD緩沖電路，MOSFET驅(qū)動(dòng)電路能正常可靠地工作。

(a)控制信號(hào)占空比為3%時(shí)的測(cè)試波形(b)控制信號(hào)占空比為18%時(shí)的測(cè)試波形

(c)控制信號(hào)占空比為47%時(shí)的測(cè)試波形(d)控制信號(hào)占空比為74%時(shí)的測(cè)試波形

圖6 驅(qū)動(dòng)電路帶載測(cè)試的輸入、輸出波形

6 結(jié) 語(yǔ)

針對(duì)低電壓大電流的橫向磁通電機(jī)，匹配設(shè)計(jì)了基于MOSFET的電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，該電路采用高速光耦芯片及集成驅(qū)動(dòng)芯片，外圍電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行安全可靠。同時(shí)，設(shè)計(jì)的RCD緩沖電路可以抑制MOSFET關(guān)斷時(shí)的尖峰電壓，為橫向磁通電機(jī)控制器驅(qū)動(dòng)電路穩(wěn)定可靠的工作提供了良好的保證，試驗(yàn)結(jié)果表明：針對(duì)900 W橫向磁通電機(jī)設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)電路及與之匹配的緩沖電路能夠確保橫向磁通電機(jī)控制器功率主電路中MOSFET安全可靠的開(kāi)通和關(guān)斷。

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Design of Drive and Snubber Circuit for a Transverse Flux Motor

HOUShu-han,LIHong-mei,ZHOUYa-nan,YAOHong-yang

(Hefei University of Technology,Hefei 230009,China)

Based on the opto-coupler HCPL4504 and the integrated chip UCC27321, a power drive circuit was designed for a transverse flux motor using MOSFET as power devices. The design has simple and reliable peripheral circuit. The RCD snubber circuits was also designed to suppress voltage spikes across the MOSFET. Then, the overall structure, drive circuit design and key parameters' determination was described in detail. The experimental testing of suggested drive circuit and snubber circuits was accomplished to verify their practicality and effectiveness for a transverse flux motor with rated power of 900 W.

transverse flux motor; MOSFET; drive circuit; UCC27321; RCD snubber circuit

2015-08-02

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51377041)；國(guó)家留學(xué)基金項(xiàng)目(20143026)

TM33

A

1004-7018(2016)05-0068-03