600V无刷电机控制器,它的MOS管的驱动电路方案如何设计?

2020-01-13 20:58发布

无刷电机,作为一个可以将电能转换成机械能的装置,在电子电路项目中,经常被工程师选用为执行机构。例如

  • 在吸油烟机中,风扇的转动就是由无刷电机控制;

  • 在工业缝纫机中,缝纫的自动化就是由无刷电机控制;

  • 在电动自行车中,骑行的速度就是由无刷电机控制;

  • 在无人机中,飞行的方向角度就是由无刷电机控制;


无刷电机

在不同的项目中,无刷电机都能获得很好的应用。作为研发工程师,在设计开发无刷电机的应用电路,较为经典的电路设计是选用MOS管的H桥方案因为H桥方案最大的特点通过4个MOS管,就可以实现无刷电机的正转与反转、速度调节的控制。


无刷电机H桥控制方案


在MOS管的H桥方案中,4个MOS管分别为2个P沟道MOS管与2个N沟道MOS管,或者全部采用4个N沟道MOS管,无刷电机的电源两端直接连接在Q1、Q3与Q2、Q4的公共端。

众所周知,MOS管的开启与关断是由栅极G端电压控制;在低压电机电路应用中,如5V电机驱动电路,MOS管的栅极可以直接由单片机的IO口控制;但若在600V的无刷电机控制器电路中,MOS管的驱动电路该如何去设计呢?

显然单片机的IO引脚是不能直接驱动600V的高压MOS管栅极,这是因为在H桥电路中,Q1与Q2的MOS管栅极电压不能低于600V,单片机普通IO引脚是无法提供满足这么高的电压。

针对这类问题,工程师通常会借助于专用的MOS管栅极驱动芯片来解决。

EG2103作为MOS管的栅极驱动芯片,就可以实现单片机普通IO引脚通过控制EG2103的逻辑来控制600V的高压MOS管。

EG2103驱动芯片引脚定义

  • Pin 1 & Pin 4:芯片的工作电源引脚,正常的工作电压范围在10V~20V;

  • Pin 2 & Pin 3:芯片与单片机普通IO引脚连接的控制引脚,兼容3.3V与5.0V逻辑电平

  • Pin 5 & Pin 7:芯片的MOS管栅极驱动电压输出引脚,直接连接高压MOS管的栅极G端;

  • Pin 6 & Pin 8:芯片的高压输入电源引脚,作为MOS管栅极驱动电压的来源,可以承受600V


EG2103引脚定义图

EG2103芯片的工作逻辑如下:

单片机IO引脚输出高电平至Pin2引脚HIN,则Pin7引脚HO输出驱动高压MOS管(如Q1)栅极;单片机IO引脚输出低电平至Pin2引脚HIN,则Pin7引脚HO关断高压MOS管栅极;


单片机IO引脚输出高电平至Pin3引脚LIN,则Pin5引脚LO关断高压MOS管(如Q3)栅极;单片机IO引脚输出低电平至Pin3引脚LIN,则Pin5引脚LO输出驱动高压MOS管栅极;

EG2103芯片内部电路

为了从电路本质上分析EG2103的电路特性,也为了更好的去开发应用,工程师需要通过芯片的内部电路进行详细的了解


EG2103芯片内部电路

Pin5引脚与Pin7引脚均是两个内部MOS管的公共输出端,其中

Pin7引脚由于是驱动Q1的MOS管,其高压直接由VB引脚提供,此时VB连接600V即可;

Pin5引脚由于是驱动Q3的MOS管,其电源电压可以直接选用芯片的VCC电压即可;

工程师可能会心存疑问,EG2103芯片自身就可以构成电机驱动的H桥方案,为什么还要通过驱动外面的4个MOS管来驱动电机呢?这主要是因为集成在芯片内部的MOS管功率做不大,难以直接驱动大功率大电压电机负载;

EG2103芯片应用电路图

工程师在了解完EG2103芯片的基本电路特性之后,就会按照实际的项目开发设计需求进行相应的电路设计。在600V无刷电机控制器项目中,MOS管的驱动电路原理图


EG2103芯片应用电路图

在此应用电路图中,只是驱动2个高压MOS管,工程师如需驱动H桥方案中的4个MOS管,则需要2个EG2103芯片;

Pin2引脚与Pin3引脚直接连接单片机IO口,就可以实现单片机控制600V高压电机的正转、反转以及速度的调控等操作;

最后的结语

工程师,在开发600V无刷电机驱动方案,对于高压MOS管的开启与关断控制问题,EG2103芯片可以较好地解决;当然这只是其中的解决方案之一,因为EG2103芯片也存在一些不足之处。

最大的不足之处是EG2103芯片的工作电源电压被要求在10V~20V之间,这就限制了芯片的应用项目范围;

最后,不知工程师是如何解决高压MOS管的驱动问题的?是采用什么其他电路方案来解决的?



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