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通過圖文講解電機控制器中的MOS驅(qū)動

發(fā)布時間:2022-10-11作者來源:薩科微瀏覽:8460


導 讀
三相直流無刷電機由于其可靠性高、免維護的特點,逐漸取代有刷電機,成為汽車風機、水泵、油泵的[敏感詞]動力來源。在設(shè)計電機控制器時,不能直接使用通用MCU的IO引腳驅(qū)動功率MOS,此時預(yù)驅(qū)芯片是最優(yōu)選擇。
1.引言
通用MCU或DSP的IO電壓通常是5V\3.3V,IO的電流輸出能力在20MA以下,不足以直接驅(qū)動功率MOSFET。所以使用通用MCU或DSP來設(shè)計電機驅(qū)動器時,通常需要搭配外部的MOSFET驅(qū)動器,我們稱之為“預(yù)驅(qū)”。在設(shè)計汽車風機、水泵、油泵等電機驅(qū)動控制器時,使用車規(guī)MCU+車規(guī)預(yù)驅(qū)+車規(guī)N溝道功率MOSFET,可以適配不同功率、各種通信方式和各種驅(qū)動方式。
2.控制器中的功率MOS驅(qū)動
圖片圖1 直流無刷電機驅(qū)動電路

如圖,三相直流無刷電機(包括BLDC和PMSM)功率級驅(qū)動電路使用6個N溝道功率MOS構(gòu)成三相全橋,分為三個連接到電源正極(VBus)的高邊MOS和三個連接到電源負極的低邊MOS??刂破魍ㄟ^控制六個MOS的通斷,完成換相,使電機按照預(yù)期轉(zhuǎn)動。電機在運轉(zhuǎn)過程中可能會遇到堵轉(zhuǎn)而導致過流,因此MOS驅(qū)動電路需要具有保護功能,以防止燒壞控制器或電機。

對于單個NMOS來說,在開通時,需要提供瞬間大電流向MOS內(nèi)的寄生電容充電,柵源電壓(VGS)達到一定閾值后,MOS才能完全開通。在MOS開通后,還需要維持合適的柵源電壓(VGS),才可以保持開通狀態(tài)。

對于低邊MOS,其源極(S)接到電源負極,柵源電壓容易滿足,驅(qū)動較簡單。

對于高邊MOS,其源極(S)接到電機相線,其電壓是不確定的,如果需要開通,需要通過自舉電路提供柵極電壓,驅(qū)動較復(fù)雜。

圖片
圖2 VGS與RDSON的關(guān)系

一般情況下,MOS的導通內(nèi)阻都如圖2所示,隨著VGS的增大而降低,但VGS大于10V之后,下降曲線變得平緩。為了達到最小的導通電阻(RDSON),VGS的取值通常為10~15V。
3.車規(guī)預(yù)驅(qū)——MPQ6531
MPQ6531是MPS推出的一款專門用于汽車三相直流無刷電機控制器的預(yù)驅(qū),符合AEC-Q100 Grade 1,輸入電壓為5-60V,可以滿足12V/24V汽車電氣系統(tǒng)下的需求。

圖片圖3 MPQ6531典型應(yīng)用電路

1、集成三相預(yù)驅(qū),體積僅4x5mm

MPQ6531是高度集成的預(yù)驅(qū),其內(nèi)部集成三個高低邊驅(qū)動器,可以直接驅(qū)動由6個NMOS構(gòu)成的三相全橋。采用QFN-28封裝,體積為4x5mm,僅相當于SOP8封裝的單個高低邊驅(qū)動大小,非常適合于有體積要求的電機驅(qū)動控制器。

2、與MCU連接簡單,占用引腳少

MPQ6531僅有6個PWM輸入信號、1個故障輸出信號與MCU連接,占用MCU引腳非常少。如有需要低功耗控制,MPQ6531還提供了一個nSLEEP引腳,拉低該引腳,芯片可以進入低功耗模式。在低功耗模式下,電流僅1.4μA.。其故障檢測保護、死區(qū)時間等均通過硬件設(shè)置,無需復(fù)雜的軟件控制。

3、11.5V柵極驅(qū)動電壓

MPQ6531集成了穩(wěn)壓電荷泵以產(chǎn)生柵極驅(qū)動電源(VREG),其電壓是11.5V,足以完美驅(qū)動常用功率NMOS。低邊MOS源極(S)接到電源負極,所以VREG可以直接驅(qū)動。對于高邊MOS,MPQ6531使用自舉電容產(chǎn)生電源電壓。在驅(qū)動高邊MOS時,經(jīng)過自舉,其電壓是VS+VREG。同時內(nèi)部集成Trick Charger涓流充電電路,可保證在100%占空比情況下,保持足夠的高端柵極驅(qū)動器電壓。得益于芯片內(nèi)部設(shè)計,即使電源電壓下降至5V,VREG仍可保持在10-12V。

4、硬件死區(qū)[敏感詞]功能

高邊MOS和低邊MOS同時打開會導致直通,燒壞MOS。所以必須保證打開與關(guān)閉存在時間上的延遲,該延時稱為死區(qū)時間。MPQ6531可以通過DT引腳來設(shè)置死區(qū)時間,達到硬件保護的目的。

5、MOS過流、短路保護功能

為了保護MOS免受高電流損壞,MPQ6531中采用了VDS感應(yīng)電路。MPQ6531可以監(jiān)控每個MOS上的壓降。MOS的壓降與MOS的RDSON和流經(jīng)它的IDS電流成正比。過流檢測閾值可以通過OCREF引腳設(shè)置,如果MOS壓降超過提供給OCREF端子的電壓,則表明存在MOS過流故障。

6、母線過流保護功能

MPQ6531內(nèi)置一個比較器,可以實現(xiàn)母線過流保護功能。母線電流流過采樣電阻RSense會產(chǎn)生壓降,該電壓與內(nèi)部的0.5V電壓做比較,如果超過0.5V則表明存在母線電流故障。

7、故障保護功能

除了MOS過流保護和母線過流保護功能,MPQ6531還具有低壓保護、過溫保護功能。當檢測到故障時,MPQ6531會禁用所有柵極驅(qū)動輸出,使得所有MOS都處于關(guān)閉狀態(tài),達到保護MOS的效果。
4.結(jié)語
MPQ6531是一款車規(guī)級的高度集成三相預(yù)驅(qū),專為三相直流無刷電機控制設(shè)計,適用于FOC驅(qū)動、方波驅(qū)動,可以有效減少BOM成本和PCB尺寸。ZLG可提供原理圖和PCB設(shè)計參考,協(xié)助廠商進行電機控制器快速開發(fā)。



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