基于IR2136與MOSFET的無刷直流電機驅動電路設計

陳華彬 張興華

關鍵詞： IR2136; MOSFET; 無刷直流電機; 自舉電路; 過流保護; 驅動電路

中圖分類號： TN433?34; TM383 ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號： 1004?373X（2019）04?0053?04

Design of drive circuit based on IR2136 and MOSFET for brushless DC motor

CHEN Huabin， ZHANG Xinghua

（School of Electrical Engineering and Control Science， Nanjing Tech University， Nanjing 210009， China）

Abstract： The independent power supplies are adopted to supply power for the power switch tube in the traditional drive circuit design， which makes hardware structure complex and reliability reduced. Therefore， a drive circuit based on the power drive chip IR2136 and field?effect tube MOSFET is designed for the brushless DC motor from the respects of signal isolation， three?phase inverter drive， and overcurrent protection circuit. The design of the bootstrap circuit and optimization design for drive protection of the power tube in the three?phase inverter drive circuit are expounded emphatically. The TMS570 control board is used to perform functional test of the drive circuit. The results show that the designed drive circuit can drive the motor to operate smoothly， stably and reliably.

Keywords： IR2136; MOSFET; brushless DC motor; bootstrap circuit; overcurrent protection; drive circuit

0 ?引 ?言

隨著電力電子技術的迅猛發展，無刷直流電機的控制技術也取得長足的進步，在航天、軍事、機器人等領域得到了廣泛的使用。而驅動電路的設計是無刷直流電機控制系統中的重要部分，電機驅動電路的穩定性與可靠性將對整個控制系統產生很大影響[1]。傳統驅動電路的設計，需要采用相互獨立的電源為功率開關管供電，使得硬件結構復雜，可靠性下降[2]。而采用專用功率驅動芯片與功率開關管，既簡化了電路設計，又滿足了一定的性能需求。

本文利用IR公司生產的專用功率驅動芯片IR2136與功率場效應管MOSFET，完成了無刷直流電機驅動電路的設計。并詳細介紹了自舉電路的設計、MOSFET驅動保護設計，最后基于實驗驗證了該驅動電路具有性能穩定、驅動能力強等優點。

1 ?無刷直流電機工作原理

為了便于理解驅動電路的設計原理，簡單闡述下無刷直流電機的工作原理。無刷直流電機主要由三大部分構成：電機本體、轉子位置傳感器、電子換相電路[3]。圖1中A，B，C三個Y型連接的電感為電機的簡單等效模型，6只功率MOS管Q1～Q6組成功率逆變器。

位置傳感器作為轉子位置檢測的裝置，是無刷直流電機系統中的重要組成部分之一，電機每轉一周，位置傳感器就會按順序輸出對應換相的6個編碼，控制芯片在接收到位置信息后，經過內部程序處理，輸出控制功率開關管的開通與關斷的PWM信號，使定子各相繞組電流按一定次序導通，通過不斷換相，使電機旋轉起來[4]。

2 ?IR2136驅動芯片

IR2136是IR公司推出的專用IGBT和MOSFET驅動集成芯片，內部有欠壓保護與過流保護功能，可靠性和集成度高，可大大簡化硬件電路的設計。圖2是IR2136的引腳分配圖。

VCC引腳是電源輸入端，可以為低側提

供電源，還可為內部邏輯電路供電。HIN為高側門極驅動邏輯輸入引腳，低電平有效，經過施密特觸發器、電平轉換、濾波、放大等通道，最后驅動上橋臂MOS管。LIN為低側門極驅動邏輯輸入引腳，驅動下橋臂MOS管。HO，LO對應高低側門極驅動輸出。VB為高壓側基極浮動電壓輸出端。VS為高壓側浮動射極輸出端。ITRIP是過流檢測引腳，FAULT是故障輸出引腳。

3 ?無刷直流電機驅動電路的設計

整個電路設計主要包括了光耦隔離電路、三相逆變驅動電路、過流檢測電路。

3.1 ?光耦隔離電路

IR2136的輸入信號來自微處理器，是控制系統中的弱電部分;而功率驅動模塊外接電機運轉，是電機控制中的強電部分。為了保證微處理器電路的安全工作，必須使用隔離電路將微處理器電路與大電流功率的驅動電路之間隔離開。若IR2136前端未加隔離電路，當電路中的開關器件損壞，高壓將直接加在IR2136上，導致IR2136前級電路擊穿，控制芯片燒毀[5]。

隔離電路的功能主要采用光耦實現。考慮PWM波的頻率（本設計中為16 kHz），選擇高速光耦HCPL?0631進行隔離。電路設計如圖3所示。

PWM信號經過反相器，將輸入的低信號拉高，送給光耦，為防止流入光耦電流過大，加入一個限流電阻R64，取值390 Ω。光耦電路供電電源是隔離5 V電源，由電源模塊供電。通過隔離電路，成功地將強電信號與弱電信號進行隔離并提高了電路的抗干擾能力。

3.2 ?三相逆變驅動電路

驅動電路由驅動芯片IR2136和6路MOS管組成，如圖4所示。功率場效應管因其開關速度快、工作頻率高、不存在二次擊穿等顯著優點在中小型功率開關電路中應用極為廣泛[6]，本次所采用的MOS管型號為IRFS4010PBF，最大漏源電壓100 V，最大漏極電流可達180 A。

圖4中，MOS管作高速電子開關用，高側MOS管Q1，Q3，Q5漏極接高壓，源極接負載，為確保高側MOS管飽和導通，柵極驅動電壓必須浮置在源極電壓之上[7]。

這時需要在外部增加一個自舉電路，給IR2136的VB和VS兩端供電，驅動功率管柵極導通。一般MOS管的柵源導通電壓為10～15 V，這里選擇15 V供電電源。低側MOS管因源極接地，驅動方法比較簡單，可由驅動芯片15 V電源直接驅動柵極。

3.2.1 ?自舉電容的選型

自舉電路的工作原理：逆變驅動電路中，每一對上下管都是交替導通的，以Q1，Q3管為例，當上管Q1關斷，下管Q3導通時，VS1引腳電位為Q2管飽和壓降，基本為低電位，此時15 V的電源通過自舉二極管D27給自舉電容C84充電。當下管Q2關閉，上管Q1導通時，自舉電容放電，給上功率管Q1提供飽和導通的電壓。

自舉電容取值是電路設計的關鍵。上管導通時自舉電容必須在短時間內提供足夠的電荷，太小達不到驅動要求，過大會影響驅動性能，所以應該結合MOS管的工作頻率、門極特性等方面綜合考慮。本次設計MOS管工作頻率為16 kHz，結合MOS管的工作特性，自舉電容C84，C86，C87取10 μF。

3.2.2 ?自舉二極管的選型

自舉二極管是自舉電路中的核心元件，其反向電壓應大于MOS管母線上的高壓，額定電流大小為開關管開關頻率與自舉電容提供的柵極電荷之積[8]。由于MOS管工作頻率較高，充放電時間較短，自舉電容向電源的電荷回饋會使得電荷損失，所以應當選用反向漏電流小、恢復時間快的二極管。

這里選用超快恢復二極管SFR104S，如圖4中D27，D29，D31所示，反向恢復時間小于120 ns，最大承受400 V反向峰值電壓。

3.2.3 ?功率管保護電阻設計

在MOS管頻繁的關斷中，若柵極和源極之間的阻抗太高，漏源間的電壓突然變化會通過極間電容耦合到柵極，導致柵源間產生相當高的尖峰電壓，這一電壓會直接擊穿功率管氧化層，對MOS管造成永久破壞[9]。為保護MOS管安全工作，可以選擇并接一個電阻與齊納二極管。圖4中，以Q1為例，在柵極和源極間并聯一個100 Ω的電阻R83，再并聯一個18 V的齊納二極管D24。

由于電路中的各種寄生電容與電感，可能會形成震蕩現象，不僅會增大MOS管的功率損耗，還有可能導致上下橋臂直通，燒壞功率管。在柵極前端加入一個緩沖電阻，可以有效調節MOS管開關速度，還可以防止上下橋臂直通。一般需要在開關時間與驅動效果之間折中選擇。圖4中，仍以Q1為例，在柵極前端加入電阻R78，取值100 Ω，而且采用了一個二極管D23與等值電阻R75并聯，上電時二極管不工作，放電時二極管導通，電阻降低迅速放電，起到快速關斷MOS管的作用。

3.3 ?保護電路設計

驅動電路的正常運轉離不開保護電路，通過電路保護，可以大大提高逆變驅動電路的可靠性[10]。之前介紹過IR2136的過流保護引腳ITRIP與故障輸出引腳FAULT，利用此設計了三相逆變電路的過流保護電路。過流檢測電路如圖5所示。

該電路主要由一個采樣電阻R311和一個電壓比較器U182組成，R311上端接低側MOS管的漏極，取值22 mΩ，作用是將電流信號轉化為電壓信號。當逆變驅動電路中的電流超過閾值，則電壓U1>U2。電壓比較器會輸出一個高電平給ITRIP引腳，IR2136會切斷門極驅動輸出信號，并通過FAULT引腳給主控芯片發送過流信號。閾值電壓U2=R536R535+R536U=5.14.7+5.1×5=2.602 V]。

4 ?實驗結果與總結

完成電路設計后，在電機臺架上進行測試。所用電機型號為K65ZW?36?120，額定功率為120 W，額定轉速為2 800 r/min。電機速度控制采用脈寬調制技術（PWM）實現。

本文設計驅動控制開關邏輯為低電平有效，采用雙極性的同步變頻互補開關的調制方式，導通相下橋臂常開，另一對功率管互補導通，采用此種調制方式可有效減少非換相和換相期間的電磁轉矩脈動[11]。

圖6為用示波器讀取的6路PWM波形HIN1，HIN2，HIN3，LIN3，LIN2，LIN1和驅動電路后端兩路斬波HO1，LO1。圖7為6路PWM波形與A，B相的相電壓。

5 ?結 ?語

本文給出基于驅動芯片IR2136和功率場效應管MOSFET的無刷直流電機驅動電路設計方案。詳細介紹了信號隔離、功率驅動設計、過流保護硬件電路的設計方法。最后采用基于TMS570控制板和設計的電機驅動電路進行無刷直流電機運行實驗，證實了該驅動電路可使無刷直流電機穩定、可靠運行。

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