nvoweqd1gu06409351559.gif
- P0 v- F4 i, C/ e8 Q. b
点击上方名片关注了解更多
, g/ Z& S; K6 f& y; Y5 R8 k/ i _4 M! L4 q
, X- |& W* e$ }+ R6 O
5 [4 ^% J1 L1 n2 l3 i" H9 U: q6 W; C+ v' l$ M
前言
. Z8 c, ^' M! ~2 d2 q$ f& d: F: H: @$ q( I( S5 k' r0 e
1 S9 b' F: u1 _4 L
由于无刷电机具有高扭矩、长寿命、低噪声等优点,已经在各领域中得到了广泛应用。其内部电子绕组可看作一个电感线圈。如图1所示内部结构及电流波形,通过不断改变定子绕组中的电流方向,从而改变电磁铁的磁性,使得电机连续旋转。因此需要设计一个驱动电路,改变定子绕组中的电流方向才能使得转子旋转,常用驱动电路为三相全桥逆变电路。* }# W* W/ M3 D, N! x
' h# z( _/ b; l+ M+ E9 P0 b. V5 A1 s& G
ino1x5g1liz6409351659.png
& E& P, c5 T, n* z图1 电机内部定子绕组结构及电流波形
% r9 Q5 B- R+ q+ u0 h6 b6 L: M
' W7 f. c3 t! u1 _' l/ d0 n; G# J4 u6 K
三相全桥逆变电路 ~9 ~4 x' F4 q. v2 J) S
无刷电机驱动三相全桥逆变电路以及工作时序如图2所示,无刷电机中有3个绕组,分别为U、V、W相绕组。每个绕组中电流有2个方向,所以三相电机中电流的方向有3*2=6个,通过控制三相桥电路中3个绕组中的电流方向,使其按照一定的规律改变方向,来实现三相电机的连续运转。通过控制PWM信号的不同占空比,实现输出电压的变化来控制电机的转速。2 L: o: i; V5 f& O1 i3 t
8 \- @0 k" d6 z( k9 C- ]: }- t5 C
cstaxvi3bz16409351759.png
" x$ U7 e" c$ F% b2 z+ H, O
图2 三相全桥逆变电路及工作时序. u: H) D2 C4 @( N$ g; L7 N
- f- d9 d+ }' K; ]; q
如图3所示,在Q1、Q2导通时序内, Q1保持恒通,Q2使用PWM斩波(也可以让Q2保持恒通,Q1使用PWM斩波,但该方式高边PWM驱动较难实现),如PWM的占空比为50%,则加在电机绕组两端的平均电压就是Vcc*50%。& n( y$ q; F: M5 T5 Q$ a1 y+ `" k
+ W, ]* H5 u' v" c4 r
4wjztrdthhv6409351859.png
! F1 k, B5 W$ P! Q; J$ l4 \
图3 Q1 Q2导通时序电路流! r- b- p* Q3 E
, q; A) d( v. O- R4 S; s3 P0 ^
当Q1导通,Q2截止的时候,由于绕组电感特性,电流要保持方向和大小不变,此时绕组相当于电流源,电流从源的正端W端出发,经过Q5体二极管D5续流,回到源的负端U端,如图4所示。AB两点间的电压被D5钳位在0.7V。此时MOS管的功耗称为续流损耗,续流损耗计算式为P=0.7V*Id。6 Z& N, k! B0 D
1 h9 C8 O8 @# K) I& e Q
ps2ondg3jbt6409351959.png
8 ?( F" d3 Z5 s) a( V图4 Q1 Q2导通时序电路流, {! Z5 N6 }- ?! [" [
2 U; X$ W0 E' ~3 H. B! Q热损耗分析. m. j/ O. y- y
以第一步导通相序Q1 Q2为例,总时间从t1到t4这段时间(单个时序工作60°),如图5所示。t1到t4时间内,Q1只有导通损耗(忽略一次开通损耗和一次关断损耗) ,Q2有开关断损耗、导通损耗。Q5寄生二极管D5有续流损耗。
2 X5 @. f w" S- e1 A5 |3 `8 }8 c4 u+ M8 q; a5 R# |1 a
1pcsi43ma0b6409352059.png
8 X8 a, b( u6 w! ]! u( A& d图5 第一步导通时序损耗组成( o9 M) h9 Y4 \, T/ d# b7 w
8 a2 Z& R L. r. f' e/ L0 ?
以某电动自行车为例,Vcc供电电压48V, 回路中的电流Id是10A,占空比为50%,开关频率为20kHz。假设MOS管的导通电阻Rdson=10mΩ,t1到t4相序内,Q1只有导通损耗:
/ d& u) I1 D3 l9 m2 }* g5 O
wjmdundcwuo6409352159.png
: k+ C& ~7 x) _- o+ @% [( R# {
, Y+ R! u# C3 D0 A: S; ?0 k
Q2的损耗包括开通损耗、导通损耗、关断损耗,先看一个PWM周期内的损耗,当PWM为高电平时,Q1和Q2同时导通,假设PWM的占空比是50%, PWM的周期为T, 那么在t1到t2时间段内,Q2的导通损耗:9 h0 W) J: d& ^' F; e5 B+ j/ T" G+ H
oykal2hqc5m6409352259.png
: w! p% n0 J/ T+ W8 O9 Z- E6 E: B
# J3 s. Y; Z" d1 D) x4 W/ i假设
. X3 u- X2 i4 t6 M6 i* Z: F
3oy02np2byl6409352359.png
) {+ L/ M# p! T) P
100ns ,Q2的开关损耗:& `/ ^! T; s7 ]8 V4 {
f2ypdho2b446409352400.png
& t; `; t* P& p' N2 Z ^. o; m$ J3 A5 V. D% ?) m
二极管的压降0.7V,D5的续流损耗:
$ G8 T, E- N5 l9 g+ c7 a
jqkd4jfmk1b6409352500.png
2 \9 t4 W% {9 k* [. q7 {9 ~& ?: S3 T& ? E
在第一步导通相序内,续流损耗大于开关损耗, Q5最热,Q2次之,Q1温度最低。如在其他小功率应用中,回路中的电流流过1A时,则寄生二极管续流损耗0.35W,Q2最热,D5次之,Q1温度最低。
6 {# m( m% d# r6 b! c7 x8 j9 Q( q4 W) J) ~) M
基于以上小功率与中等功率对比,存在一个规律:小电流时,谁斩波谁热;大电流时,谁续流谁热。
# p. I' m( C) b% M, F8 u5 C1 N' \8 i6 b. ~& D
' @( ? ^1 k$ N8 c9 g1 k, v4 s续流方式对比- G& L# B- ~. a! c3 Z# ~9 l/ B
慢续流:! U: f, |# b1 w4 Q- l( ]
在t2到t3时间段内,Q1导通,Q2关断,Q5关断。此时电流从Q5的体二极管流过,电感两端的电压被钳位在0.7V,所以,0.7V=L*di/dt,di/dt=0.7V/L。此时di/dt很小,也就是电流的变化速度很小。这说明在t2到t3时间段内,电感的续流电流下降很缓慢,称为慢续流,也叫高端续流。对于电机来说,电机绕组上有电流,电机才能输出力矩,因为慢续流时Id电流下降的速度很慢,所以电流下降到0的时间也很长,这就保证了在续流期间,电机绕组上仍然是有电流的,也就是电机在续流期间仍然可以输出力矩。但是,有的时候并不希望电机绕组在续流器件仍然有很大的电流,如主流新能源汽车都带有能量回收功能,也就是在刹车的时候,需要电机绕组上的电流在很短的时间内降为0,这个时候就需要快续流了,让电流的变化速度快,电流能够在短时间内变成0,能量回馈至输入电源端。4 G6 _( N( \7 s; E q
快续流
; ]0 [0 w3 X; V8 m, H( m! s电感续流如图6所示,将Q1与Q2都截止,此时电流会通过Q5和Q4的体二极管续流,并且电流是通过输入电源形成回路的,此时对输入电源进行充电,因为W端出来,经过Q5的体二极管D5,有一个0.7V的压降,然后连接输入电源,所以W端是E+0.7V。GND经过的Q4的体二极管D4有一个0.7V的压降,之后连接到了电感的负端(U端),那电感的U端就是-0.7V,电感的感应电动势E+0.7V。根据公式:U/L=di/dt,慢续流时0.7V,快续流时E+0.7V。di/dt的结果比慢续流时大很多,此时电流变化的速度很快。 & w; a$ V9 J! d- Z$ \' g
e4cig3igeer6409352600.png
+ O' e# a+ S& J3 p图6 快续流电路图) {. X* k! m6 A' v2 W( ^
dhco0d0ul2i6409352700.jpg
! t4 @+ P: f1 g# B
govhsyqrd226409352800.jpg
' `) X* ]1 }7 n% D9 B
声明:! t" s5 V( U7 d5 Y0 f4 p. O
声明:文章整理于网络。本号对所有原创、转载文章的陈述与观点均保持中立,推送文章仅供读者学习和交流。文章、图片等版权归原作者享有,如有侵权,联系删除。投稿/招聘/推广/宣传 请加微信:woniu26a推荐阅读▼. y- U0 ]: Y# V5 @9 ^' b
电路设计-电路分析
% s+ `& o0 `8 q( r$ j1 eemc相关文章
4 F& @7 l" M' ~. N+ ?/ e) o8 c电子元器件2 o% D8 Y7 _* D3 E% C. W/ E4 U
后台回复“加群”,管理员拉你加入同行技术交流群。 |