基于SiC MOSFET的三相全橋數字化智能驅動器

隨著無人機和多電飛機的發展，更高的功率和效率成了機載電機驅動器的主要研究方向之一?，F有的Si MOSFET開關速度雖快，但耐壓和耐流能力有限，無法實現大功率輸出，而IGBT由于存在關斷拖尾電流，開關速度較慢，開關損耗較大。SiC MOSFET的高耐壓、高開關速度能有效提升電機驅動器的功率和效率，但更高的開關速度和更大的功率對驅動器的快速響應能力和故障快速保護能力提出了更高的要求。此外，舵機控制器內部兼具功率驅動電路和信息處理電路，SiC MOSFET功率驅動電路高速開關帶來的電磁干擾問題會影響信息處理電路部分工作，有甚者會影響到上級系統工作。這對舵機控制器信息處理電路及上級系統抗干擾設計提出了較高要求。如何突破舵機控制器設計瓶頸，解決SiC MOSFET驅動設計難題，提高舵系統可靠性和抗干擾性能成為業內探索的一個熱門方向。

隨著電子技術的發展，數字信號處理電路數字化、智能化、集成化設計以成為一種發展趨勢，也為解決上述難題提供了一個新思路。通過將Si基功率器件替換為SiC MOSFET，可以有效提高功率電路的電壓、電流等級，同時其較高的開關速度也能降低開關損耗，提高驅動器動態控制性能。然而，由于SiCMOSFET的高速開關行為，會給驅動電路引入橋臂串擾和高頻電磁干擾，且開關頻率提升后，死區時間占整個周期的比例變大，會增加電機的電壓電流波形畸變，影響電機性能，同時高速開關要求控制電路有更高的動態響應能力，因此電機驅動器需要針對SiC MOSFET的特點進行優化。而數字化、智能化的設計思路可以有效解決SiC MOSFET帶來的問題，實現整個電機驅動器系統的優化設計。在這一設計中，功率驅動單元的優化設計是重要一環，如何實現功率驅動單元與數字信息處理單元的數據交互，如何在信息處理平臺與功率驅動單元相距5～10米的遠距離條件下實現兩者長距傳輸通訊抗干擾，如何在不同負載條件下對驅動參數進行實時的自適應優化，如何在故障后盡快且盡量安全的對功率電路進行保護是重要的研究內容。本文針對基于SiC MOSFET的三相全橋電機驅動器應用場景，提供一種數字化智能電機驅動器及驅動方法，為解決SiC MOSFET智能驅動問題、數字電路與功率驅動電路數據交互抗干擾問題、橋臂串擾問題、死區時間自適應優化問題、功率驅動器過流過壓保護問題、電機霍爾及位置傳感器供電問題等提供一種行之有效的解決方案。

該電機驅動器具有磁耦隔離、二次電源變換、霍爾換相控制、過壓泄放抑制、過流限流保護、短路軟關斷保護、死區時間自適應優化、驅動參數智能調節、溫度采樣、電流采樣等功能，能夠根據數字信息處理平臺傳來的差分式PWM信號及方向信號，實現一路舵機的驅動控制，能夠對舵機運行過程中反電動勢造成的過壓浪涌進行泄放抑制，能夠對舵機工作電流進行限流，能夠在短路故障時及時安全的關斷功率電路，能夠根據功率回路電流大小自適應調節死區時間，能夠根據負載條件自動調節驅動參數，能夠通過差分總線實時反饋舵機驅動器內部溫度、電流，能夠對CAN接口反饋位置傳感器和電機霍爾進行供電，并完成反饋位置傳感器與信息處理平臺信息交互的中轉。

圖一 基于SiC MOSFET的三相全橋數字化智能驅動器結構及接口布局圖

為實現上述目的，采取以下技術方案。第一方面，提供一種基于SiCMOSFET的三相全橋數字化智能電機驅動器，三相電機驅動器主要由功率板、調理板及結構體構成，無內置軟件。包括功率板、調理板及結構體構成;

圖2 基于SiC MOSFET的三相全橋數字化智能驅動器功能框圖。

功率板采用鋁基電路板，主要用于實現電能轉換、功率驅動、能量泄放及電流采樣等功能，包含防倒灌電路、泄放電路、功率驅動電路、功率橋式電路、過流保護電路、電流隔離采樣電路部分，利用鋁基電路板散熱良好的優勢，將鋁基電路板與散熱結構體固聯，實現功率驅動器的良好散熱。調理板采用FR4環氧樹脂板，用于實現接口信號處理、數字信號轉換、狀態監控、故障保護等功能，主要包含信號處理電路、差分接口電路、磁隔離接口電路、隔離電源變換電路、二次電源變換電路、霍爾接口電路、霍爾換相邏輯變換電路、電流采樣轉換電路、溫度采樣電路。所述結構體主要用于固聯功率板和調理板，并為功率器件提供良好的散熱載體。

圖3 隔離差分轉換、溫度和電流采樣以及電源變換電路原理框圖。

防倒灌電路，針對功率電路和控制電路單獨設計，功率電路部分選用1200V耐壓，120A額定過電流能力的功率二極管，串入功率驅動器電源正線中，用于防止電機制動時功率母線VP的電流倒流至供電電源輸入端;控制電路部分選用耐壓250V，額定過電流能力6A的功率二極管，串入功率驅動器電源正線中用于防止控制母線VK的電流倒流至供電輸入端;泄放電路，采用PMOS作為功率控制器件，采用功率電阻作為耗散負載，當防倒灌功率二極管后級電壓大于二極管前級電壓3V以上時，PMOS器件導通，功率母線VP上的電流經電阻進行泄放，從而避免母線電壓進一步上升，其中泄放電阻采用外置方式。

圖4 泄放電路原理圖。

功率驅動電路，采用BM6104?FV作為驅動芯片，該芯片根據霍爾換相邏輯電路計算輸出的PWM信號，將控制信號放大，輸出用于三相橋式電路門極驅動信號。BM6104?FV內部集成了短路保護功能及有源篏位輸出功能。短路保護功能可以檢測SiC MOSFET漏源電流大小，在過流時會通過大電阻回路PROOUT進行軟關斷，在緩沖時間內若電流恢復正常，則后續驅動芯片會恢復正常工作，若緩沖時間過后仍檢測到過電流，則判定為短路，進行強制關斷。軟關斷電路一方面可以及時限制過流，另一方面也留出緩沖，避免瞬間關斷過電流功率回路導致瞬態電流變化率過高產生的極限尖峰電壓將功率器件甚至整個驅動器擊穿。有源篏位輸出功能可以在驅動電路的正常工作中依時序在功率器件關斷后將有源米勒篏位MOSFET打開，通過米勒電容吸收高頻開關及橋臂串擾對驅動回路產生的干擾電壓，同時在功率器件開通前將有源米勒篏位MOSFET關斷，切斷米勒電容與柵源極的連接，避免影響SiC MOSFET的高速開關。三相功率橋式電路，由3個耐壓不小于1200V，過電流能力不小于400A的SiC MOSFET半橋功率模塊通過橋式連接方式構成，橋式電路母線上并聯容值不小于100uF，耐壓不小于1200V的無極性電容器。過流保護電路，利用SiC MOSFET的輸出特性，結合功率驅動芯片BM6104?FV內置的去飽和檢測電路，通過調節分壓電阻的值來確定過流電流對應的漏源電壓，由于去飽和電壓與功率電流存在對應關系，因此可以通過SiC MOSFET的負載特性確定限流電流的大小，例案中的設計值為120A。電流隔離采樣電路，采用ACS712(或CH701)隔離電流采樣芯片，對電源輸入的電流進行采樣，并經過PWM調制電路，調制成PWM波，經差分接口電路輸出，用于數字處理平臺對電流進行實時監控。

圖5 過流采樣及保護電路原理圖。

信號處理電路主控芯片采用DSP控制，接收差分電路發出的PWM形式的電流采樣信號和溫度采樣信號以及指令信號，通過運算得出相應的PWM控制信號及F/R方向信號給驅動電路。差分接口電路采用AM26LS31和AM26LS32作為差分接口芯片，該器件兼容RS422接口電平形式，其中AM26LS31用于發送PWM形式電流采樣信號和PWM形式溫度采樣信息，將TTL電平信號轉換成RS422A差分信號。AM26LS32用于接收差分舵機控制PWM信號和FR方向控制信號，將RS422A差分信號轉換成TTL信號。

圖6是 有源篏位抗串擾電路原理圖。

隔離電源變換電路用于將二次電源變換電路變換出來的12V電壓信號轉換成5V隔離電壓信號用于為磁隔離轉換電路、差分接口電路及反饋位置傳感器供電。二次電源變換電路用于將功率母線電壓轉換成12V控制電源，具備不小于5W的功率輸出能力，為功率驅動器及霍爾傳感器供電，并通過LDO轉換出非隔離5V信號用于磁隔離芯片功率端供電。

圖7 功率橋式電路框圖

霍爾接口電路用于接收電機霍爾信號，采用RC濾波電路進行濾波，并使用齊納二極管對端口進行保護，霍爾接口電路輸入端上拉10k歐姆電阻至霍爾電源?；魻枔Q相邏輯變換電路，根據將霍爾信號、PWM信號及方向信號，進行邏輯運算，按照受限單極性驅動方式輸出6路PWM控制信號。電流采樣轉換電路，將電流采樣電路輸出的電壓信號轉換成2KHz的PWM波，并輸出給差分接口電路。溫度采樣電路，采用PWM接口形式溫度傳感器，該傳感器采用隔離5V供電，溫度采樣范圍?55℃～150℃。PWM輸出的溫度信號經差分轉換后輸出。

圖8 基于SiC MOSFET的三相全橋數字化智能電機驅動器圖。

文章中提到的CH701霍爾電流傳感器IC，是工業、汽車、商業和通信系統中交流或直流電流傳感的經濟而精確的解決方案。小封裝是空間受限應用的理想選擇，同時由于減少了電路板面積而節省了成本。典型應用包括電機控制、負載檢測和管理、開關電源和過電流故障保護。參考文章：霍爾傳感器芯片該如何選型

CH701可以檢測到50A峰值的電流。

如果需要檢測更大電流，需要更高的隔離電壓，可以選擇更大電流范圍的產品，比如16腳的CH701W系列，電流范圍可以到70A，絕緣耐壓可以到4800Vrms：

原文標題：數字化智能電機驅動器的驅動方法(霍爾電流傳感器ACS712/CH701應用案例)

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審核編輯：湯梓紅