王 濤
(中國電子科技集團公司第二十一研究所,上海 200233)
單相無刷直流電動機結(jié)構(gòu)簡單,成本低,主要用于小型風(fēng)機和泵的驅(qū)動。單相無刷直流電動機驅(qū)動有H橋式驅(qū)動和非橋式驅(qū)動[1]兩種方式,橋式驅(qū)動應(yīng)用廣泛,非橋式驅(qū)動結(jié)構(gòu)簡單。在很多小型風(fēng)機中,安裝空間有限,驅(qū)動器面積很小,很難滿足橋式驅(qū)動電路需求,所以非橋式驅(qū)動更適合應(yīng)用于大批量生產(chǎn)的小型風(fēng)機中。
電機繞組具有電感特性,電機每次換相時,繞組電流不會馬上消失,而是在突變后瞬間等于突變前瞬間的電流。電機換相時,換相前開通的場效應(yīng)管關(guān)斷,當(dāng)VGS等于零時漏極、源極間電阻RDS無窮大[2],所以換相瞬間漏極端電壓非常大,這就給功率開關(guān)器件造成了損壞的風(fēng)險,在設(shè)計風(fēng)機驅(qū)動電路時,一定要包含續(xù)流設(shè)計,通過釋放繞組電流以保護功率器件。根據(jù)不同驅(qū)動電路的特點,應(yīng)選擇合適的續(xù)流方式,本文針對小型風(fēng)機中單相直流電動機非橋式驅(qū)動續(xù)流問題進行研究,給出電容續(xù)流的設(shè)計方法,并通過仿真模型和實驗,說明不同參數(shù)在電路中的影響。
橋式驅(qū)動是電機驅(qū)動中一種常見的方式,但對于體積較小、安裝空間有限的小型風(fēng)機,非橋式驅(qū)動更為適合。非橋式驅(qū)動使用元器件少,電路設(shè)計更簡潔,可以節(jié)省空間,減小裝配難度,給電機設(shè)計更多自由;其次,元器件少可降低成本,這在工業(yè)生產(chǎn)中是很重要的一個考量因素。
圖1是單相風(fēng)機非橋式驅(qū)動電路圖。LA,LB視為兩路繞組;Q1,Q2選用N溝道絕緣柵型場效應(yīng)管;AH,BH是場效應(yīng)管柵極驅(qū)動信號。
圖1 無刷直流電動機非橋式驅(qū)動
在沒有續(xù)流設(shè)計的情況下,即取消電容支路C1,R2和C2,R5。以LA支路為例,當(dāng)電動機換相時,場效應(yīng)管Q1關(guān)斷,由于電感電流不會突變,場效應(yīng)管關(guān)斷后,場效應(yīng)管漏極、源極截止,電阻RDS無窮大,所以場效應(yīng)管漏極、源極DS兩端會產(chǎn)生很大的脈沖電壓。以場效應(yīng)管Q1為例,漏極電壓UD仿真波形如圖2所示,供電電壓設(shè)置48 V,上面波形為漏極電壓波形,每格200 V,下面波形為柵極控制信號波形。從圖2中可以看出,漏極電壓達到300 V,遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過正常的供電電壓48 V和場效應(yīng)管的耐壓裕量,過電壓會造成場效應(yīng)管損壞,在驅(qū)動設(shè)計中必須要加入續(xù)流設(shè)計,防止功率器件被過電壓損壞。
圖2 無續(xù)流時場效應(yīng)管Q1柵極漏極導(dǎo)通關(guān)斷時的電壓仿真波形
續(xù)流二極管是常見的一種續(xù)流方式,在橋式驅(qū)動電路中使用續(xù)流二極管搭建續(xù)流回路。在非橋式驅(qū)動電路中,不適合使用續(xù)流二極管搭建續(xù)流回路。因為二極管與繞組并聯(lián),電機在運行過程中,繞組線圈切割磁感應(yīng)線產(chǎn)生反電動勢,續(xù)流二極管起到了短路反電動勢的效果。實際工作時,繞組產(chǎn)生的反電動勢被二極管短路,根據(jù)電機轉(zhuǎn)矩平衡方程式:T=Tout+T0,電動機電磁轉(zhuǎn)矩T等于空載轉(zhuǎn)矩T0與輸出轉(zhuǎn)矩Tout之和[3],續(xù)流電流產(chǎn)生阻力矩,電機輸出轉(zhuǎn)矩減小,阻礙電機運動,導(dǎo)致電動機轉(zhuǎn)速下降和電流上升,所以續(xù)流二極管不適合用于非橋式驅(qū)動電路。
圖 1利用電容支路作為續(xù)流支路。當(dāng)場效應(yīng)管狀態(tài)從導(dǎo)通到關(guān)斷,由于電感電流不能立即消失,在場效應(yīng)管柵極和漏極間加入電容支路,電容支路對突變電流相當(dāng)于短路,給繞組電流提供了釋放通道。當(dāng)場效應(yīng)管Q1開通,Q2關(guān)斷,繞組通過場效應(yīng)管Q1形成通路,由于電容的隔斷直流作用,電容C1、R2斷路。換相瞬間,場效應(yīng)管Q1關(guān)閉,Q1漏極源極斷路,繞組電流通過電容C1、R2釋放,電流方向如圖3所示,這時場效應(yīng)管Q1柵極電壓大于柵極開啟電壓UGS(on),場效應(yīng)管開通,提供電流釋放的另一條通路,形成了一個負(fù)反饋,在它們的共同作用下,繞組電流可以迅速減小,場效應(yīng)管漏極電壓UD波形如圖4所示,供電電壓48 V,上面波形是場效應(yīng)管漏極電壓,每格50 V,下面波形是場效應(yīng)管柵極電壓。
圖3 電容續(xù)流電流流向
圖4 電容續(xù)流漏極波形
由圖4可以看出,當(dāng)繞組電流有釋放通路后,場效應(yīng)管Q1漏極電壓UD在場效應(yīng)管關(guān)閉瞬間尖峰明顯減小,這樣可以有效地保護場效應(yīng)管,避免場效應(yīng)管由于關(guān)斷導(dǎo)致的脈沖電壓的損壞,并降低場效應(yīng)管的功耗。
實驗電機使用渦流風(fēng)機,供電電壓48 V,無速度控制信號。選取R2=62 kΩ,R3=300 kΩ,C5=650 pF。實驗波形如圖5所示,其中通道1是柵極電壓波形,通道2是漏極電壓波形,每格50 V??梢钥闯?,漏極波形符合理論和仿真預(yù)想,漏極電壓尖峰明顯被抑制,驅(qū)動信號電平轉(zhuǎn)換速度快,電機換相正常,實測電機轉(zhuǎn)速滿足額定轉(zhuǎn)速。
圖5 實驗漏極波形
與橋式驅(qū)動相比,非橋式驅(qū)動具有電路簡單、成本低的優(yōu)點。通過對單相無刷直流電動機不同續(xù)流方式的對比可知,采用電容續(xù)流的非橋式驅(qū)動相比于其他驅(qū)動續(xù)流方案,可有效抑制換相過電壓。通過合適的電阻參數(shù)選擇,換相時驅(qū)動電壓電平轉(zhuǎn)換迅速,電動機轉(zhuǎn)速穩(wěn)定,利用電容續(xù)流的單相直流電動機非橋式驅(qū)動適合應(yīng)用在批量小型風(fēng)機配套驅(qū)動器中。