小功率電機驅動方案及驅動IC的選擇

電機驅動作為工業(yè)4.0中工廠自動化整個閉環(huán)中的執(zhí)行器環(huán)節(jié)，其性能好壞直接影響到整個閉環(huán)的性能。因此，工業(yè)4.0對電機驅動提出了更高的性能和功能要求，例如更快的響應速度、更高的帶寬、更高精度的位置和速度控制、以及更豐富的網(wǎng)絡互聯(lián)功能等。針對不同應用場合的電機，我們應該選擇與之相對應的驅動方案。簡單地來說，功率大的電機應該選用內(nèi)阻小、電流容許大的驅動，功率小的電機就可以選用較低功率的驅動。直流小功率電機廣泛適用于家電、工控、計算機等諸多設備。較常規(guī)的方法是采用 PWM 控制，常見的驅動有兩種方式：

一、采用集成電機驅動芯片；

二、采用MOSFET和專用柵極驅動芯片。

在高集成度的應用中，傳統(tǒng)電機控制鏈路MCU + Gate Driver + MOSFET（如圖1）中已經(jīng)出現(xiàn)了MCU+ Pre-Driver集成，或是Pre-Driver+MOSFET功率模組集成的方式，甚至在一些小功率應用中還出現(xiàn)了集成全部鏈路的情形。而在便攜設備、IOT和5G應用中，對電機驅動在高精度、小型化、高集成度、低功耗的要求越來越高；而自動化生產(chǎn)線則對電機驅動的高可靠性和長壽命提出了苛刻的要求。

按集成度的不同，有3種電機驅動器方案：系統(tǒng)單芯片（SoC）方案、集成的控制方案（ICS）和門極驅動器方案。

SoC方案將DC-DC、門極驅動器、控制器、逆變器及反饋/保護等集成到單個芯片上，集成度高，適合空間受限的應用，簡單易用。

ICS方案相對于SoC方案，沒有集成逆變器，因而可通過外部MOSFET支持寬范圍的功率，適用于功率較大的應用，靈活性較高。

門極驅動器方案則只集成DC-DC、門極驅動器和反饋/保護，因為控制器和功率器件都在外部，所以具有最高的靈活度。

門級驅動方案因其靈活性和傳統(tǒng)性，在非汽車市場有較多的應用，比如應用在風扇、電動工具、按摩椅等小功率場合。有隔離門級驅動產(chǎn)品和非隔離門級驅動產(chǎn)品。

數(shù)明半導體提供高可靠性的門級驅動，產(chǎn)品覆蓋200V及600V工作電壓范圍，可供客戶選擇各種驅動電流以及半橋、全橋設計。

數(shù)明的非隔離門級驅動產(chǎn)品中，200V IGBT/MOSFET 半橋驅動IC有SLM2001、SLM2003、SLM2004、SLM2005；160V IGBT/MOSFET 三相全橋驅動IC有SLM7888；600V IGBT/MOSFET半橋驅動IC SLM21XX和SLM2304S以及三相全橋驅動IC SLM2136。非隔離門級驅動產(chǎn)品具有高可靠性及廣泛兼容性，更寬的驅動能力。

隔離式半橋柵極驅動器可用于許多應用，從要求高功率密度和效率的隔離式DC-DC電源模塊，到高隔離電壓和長期可靠性至關重要的太陽能逆變器等等，不一而足。數(shù)明的新兼容光耦隔離式單通道柵極驅動器系列產(chǎn)品SLM34x，與傳統(tǒng)的光耦柵極驅動器相比，具有低延時，低脈寬失真，共模瞬態(tài)抗擾度能力強，壽命長，工作溫度范圍寬等一系列優(yōu)點、工作電壓范圍更寬，輸入端抗負壓能力更強，可在變頻，伺服，UPS，感應加熱等不同領域進行應用。

今天的內(nèi)容主要涉及數(shù)明的非隔離式半橋驅動產(chǎn)品，如圖2為典型半橋應用電路。

非隔離半橋在電機控制、開關電源、工業(yè)自動化等領域目前已經(jīng)得到了廣泛的應用，數(shù)明的非隔離式半橋驅動產(chǎn)品應用廣泛，比如說SLM2106S應用于電吹風，SLM2101S成功打入了吊扇、無葉風扇、破壁機、風扇、暖風機等市場，SLM2XX在白色家電產(chǎn)品中都占據(jù)了不小的市場份額；三相驅動產(chǎn)品比如SLM2136也在跑步機、工業(yè)縫紉機、水泵等工控場合有一定的市場，SLM7888在電動車、角磨機一類的電動工具市場站穩(wěn)了腳跟。今天主要涉及到數(shù)明的半橋驅動IC在小功率電機驅動中的應用。

在上文提到的各類小功率應用的電機驅動電路的設計中，主要考慮：

1. 電機轉動方向、速度。對于單向的電機驅動，只要用一個大功率三極管或MOS直接帶動電機即可，當電機需要雙向轉動時，可以使用由4個功率元件組成的H橋電路，通過改變流入電機的電流方向從而改變電機轉向。如果需要調(diào)速，可以使用三極管，MOS等開關元件實現(xiàn)PWM（脈沖寬度調(diào)制）調(diào)速。（PWM控制通常配合橋式驅動電路實現(xiàn)直流電機調(diào)速，電機的轉速與電機兩端的電壓成比例，而電機兩端的電壓與控制波形的占空比成正比，因此電機的速度與占空比成比例，占空比越大，電機轉得越快，當占空比α＝1 時，電機轉速最大）

2. 對于PWM調(diào)速的電機驅動電路，選擇驅動IC時主要有以下性能指標需要考慮：

1）輸出電流和耐壓，它決定著電路能驅動多大功率的電機。

2）效率，節(jié)省電源同時減少驅動電路的發(fā)熱。可以從保證功率器件的開關工作狀態(tài)和防止共態(tài)導通（在需要涉及為H橋時）入手。

3）對控制輸入端的影響，是否使用隔離式驅動IC。

4）對電源的影響。

5）可靠性。在系統(tǒng)應用中，由于門極驅動連接著邏輯控制單元與功率變換單元，門極驅動芯片的穩(wěn)定性對整個系統(tǒng)的可靠性起著至關重要的作用。

因此，不同的應用場合，采用不同的驅動方案是必要的。

在小功率應用場合，門級驅動方案應用最廣，選取合適的門級驅動IC是極為重要的。MOSFET開關速度快、導通電阻低，在電機驅動電路中占據(jù)半壁江山。要想使MOSFET在應用中充分發(fā)揮其性能，最優(yōu)驅動電路必不可少。在應用中，MOSFET一般工作在如圖1所示的橋式拓撲結構模式下。由于下橋MOSFET驅動電壓的參考點為地，較容易設計驅動電路，而上橋的驅動電壓是跟隨相線電壓浮動的，因此如何很好地驅動上橋MOSFET成了設計能否成功的關鍵。相比全橋驅動，半橋驅動芯片由于其易于設計驅動電路、外圍元器件少、驅動能力強、可靠性高、靈活等優(yōu)點在MOSFET驅動電路中得到廣泛應用。數(shù)明的半橋門級驅動芯片是不錯的選擇。門級驅動IC的兩個主要參數(shù)：耐壓和驅動電流。如圖3所示，前文提到的SLM2101、SLM2106S皆有600V耐壓，290/600mA 的驅動電流（MOSFET的柵-源極之間存在寄生電容，MOSFET的開和關過程，是對電容的充放電過程，如果MOSFET的驅動電路不能提供足夠的峰值電流（輸入/輸出電流），則會降低MOSFET的開關速度。所以，根據(jù)不同的產(chǎn)品，來選取不同的驅動IC驅動電機至關重要），是具有高低側參考輸出通道，耐壓高、高速的MOSFET和IGBT驅動IC，邏輯輸入兼容標準CMOS或LSTTL輸出，邏輯電壓可降至3.3 V。輸出驅動器的特點是一個高脈沖電流緩沖級設計的最小驅動器交叉?zhèn)鲗А８油ǖ揽捎糜隍寗觧通道功率MOSFET或IGBT在高側配置，耐壓達600V，通斷時間220 ns/200 ns。而SLM2101S通斷時間為160 ns/150 ns。

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