一种图腾柱式驱动电路参数优化设计方法

刘露咪，郭超勇，李晓辉，吕振华，吴纾婕

0 前 言

太阳能帆板驱动、激光通信指向、天线驱动、控制力矩陀螺、空间机械臂等各类空间机电伺服系统是实现空间精密指向、执行机构、对接抓捕和操控等功能的重要组成部分，其中电机的驱动与控制则是实现其机电伺服功能的关键.基于功率场效应晶体管(MOSFET)的功率桥驱动已经被广泛用于电机驱动领域[1].

由MOSFET组成的三相功率桥高端驱动是指开关管一端接电源，一端接负载，低端驱动则是开关管一端接负载，一端接地.由于负载端电压处于浮动状态，因此高端不能像低端驱动一样以地端为参考.目前，在高端驱动方面存在多种方案：一种是上桥臂功率管采用NMOS，基于隔离电源或自举电荷泵方式实现驱动，这种方案由于采用了N型MOSFET，相比于P型MOSFET，导通内阻更小，开关速度更快，因此被大量应用于工业场合.另外一种则是采用P型MOSFET，基于电源端的图腾柱式驱动方式，它能够提升电流驱动能力，迅速完成对门极电荷的充电或放电的过程.这种驱动电路由分立元件搭建，在宇航应用领域，相比于集成电路实现的自举驱动方式而言具有更强的适用性.因而依然被广泛应用于空间机电伺服产品中[2].

本文以高端PMOS图腾柱式驱动方式为背景，针对驱动电路设计过程中，电路参数多而导致不易实现最优开关特性的问题，提出一种电路参数优化设计方法，有效减小PMOS的开通、关断时间，避免因参数不合适导致开关死区长、开关损耗大、占空比调节范围受限等诸多不利影响，改善伺服控制性能.

图1 图腾柱式驱动电路原理图Fig.1 Equivalent PMOS model

1 PMOS图腾柱式驱动电路

1.1 PMOS工作过程分析

在电机控制中，MOSFET工作在电流变化的感性负载电路中，其模型电路如图2所示，其中，L1为电机的一相绕组，VD1为其续流二极管，Cgs、Cgd、Cds分别为PMOS各极间的等效电容，Ls、Ld为源极和漏极的寄生电感.假设us为理想的方波驱动信号.

图2 PMOS等效模型Fig.2 Equivalent PMOS model

图3为PMOS开通、关断过程的电压和电流波形.其中ug为栅极电压，UM为米勒平台电压，Uth为PMOS的开启电压；ig为栅极驱动电流；ud为漏极电压，id为漏极电流，Io为负载电流.

PMOS的导通过程包括导通延迟、电流换流、电流过冲和米勒效应4个阶段，即为输入电容的充电过程[3-5].关断过程基本是导通的逆过程，即输入电容的放电过程[3-5].

图3 PMOS开通、关断过程波形Fig.3 Sketch of turn-on and turn-off waveforms of PMOS

1.2 PMOS图腾柱式驱动电路

永磁同步电动机三相全桥上桥臂PMOS图腾柱式驱动电路如图4所示，驱动电路的主要器件选型如表1所示.该电路的典型特征为：由一个NPN型三极管和一个PNP型三极管组成图腾柱式输出，为PMOS的开通和关断提供通路，其本质是一个推挽电流放大电路，用于驱动MOSFET时为其提供足够的灌电流和拉电流.

图4 PMOS图腾柱式驱动电路Fig.4 Driving circuit of PMOS totem column

表1 驱动电路主要器件选型Tab.1 Main devies of drive circuit

代号名称型号规格V3三极管2N3501V4三极管2N3637D7稳压二极管ZW60

其中PMOS器件选用TO254封装的IRHM9260，器件的主要参数如表2所示[7].

虽然MOSFET为电压型器件，即栅源电压VGS两端达到一定电压值即可开通，然而由于输入电容的存在，快速开通、关断过程本质是对电容充电、放电，因此灌电流和拉电流的能力决定着MOSFET的开关、关断动态过程.

表2 PMOS主要参数Tab.2 Main parameters of PMOS

2 参数优化设计

如上一节所述，电阻R7、R8和R12的不同组合会导致三极管(V3和V4)与稳压管(D7)处于不同的工作状态，三极管与稳压管的不同器件参数又反过来影响关键参数的选择，彼此之间存在耦合，共同影响着PMOS开通、关断时灌电流和拉电流的大小.虽然R13、R14、R15和R16作为电容充放电回路的组成部分，影响着PMOS开关与关断时间，但其对三极管及稳压管的工作状态并无影响，同时易于选择参数，因此本文仅将电阻R7、R8和R12作为关键参数进行优化设计.

针对上述多个关键参数如何选择的问题，本文提出了一种优化设计方法，如下图5所示，将稳压管是否处于稳压状态作为电路分析的切入点进行分析，进而得出三极管工作于放大区和饱和区的临界参数值，从定量角度提炼出关键参数对PMOS开通、关断过程的调节规律.详细分析如下：

2.1 稳压管D7开路

记电阻R8上端的电压为VX,则稳压管D7(VZ=12 V)开路(不处于稳压状态工作)时应满足以下条件：

VX≥15.3 V

(1)

假设三极管V4工作于放大区，即满足条件VB_V4>VC_V4，同时根据该器件官方给出的电流放大倍数参考值，选择β=100.设V4的基极电流为IB_V4，由此可得到D7开路且V4工作于放大区时需满足以下条件：

(2)

联合式(1)和(2)求解得到：

(3)

当R8<218 kΩ时，根据式(3)计算出R7的范围恒满足R7

从以上理论推导可以得出：若稳压管D7开路，电阻R7的阻值越小，VX点电压越大，三极管V4发射极电流IE_V4越小，开通时间越长.

同时R12满足式(4)时，则V4工作于饱和区.

(4)

当VX取临界值15.3 V时，电阻R12的取值范围R12<12.8 kΩ.

2.2 稳压管D7工作

由上一节分析可知，稳压管D7处于工作状态的条件为：

(5)

当满足该条件时，三极管V4的基极电压VB_V4=VX≈15.3 V.通过静态工作点分析，得到三极管V4的电压、电流值如表3所示.

设三极管V4的工作于放大区，则满足条件

(6)

将表3数据带入式(6)，求解得到

(7)

表3 三极管V4静态分析Tab.3 Bias points of V4

由以上理论分析可以得出：当R7同时满足式(5)、(7)时，三极管V4工作于放大区，基极电流IB_V4随着电阻R7阻值增大而增大.受电源电压以及电阻R7的取值范围限制，三极管V4的基极电流IB_V4随电阻R7增大的数值很小，对开通时间影响有限.

图5 关键参数选取策略Fig.5 Key parameter selection strategy

3 仿真与实验

根据上述理论分析结论，以稳压管D7是否处于稳压状态，三极管V4处于两种不同工作状态，进而组成四种不同情况，进行如下仿真实验.

情况1：稳压管D7开路，三极管V4工作在饱和区.设R8=10 kΩ，R12=1 kΩ，取R7为8.06 kΩ、6.19 kΩ、4.02 kΩ、3.00 kΩ进行仿真.

图6、图7分别为第一种情况下R7、R8阻值变化对PMOS开关过程ig、ug的影响，以及开通、关断时间变化趋势.根据理论分析，当PMOS开通时，电阻R7的减小对PMOS的灌电流影响很小，开通时间几乎无变化.由Q=Ciss×ugs可知，输入电容Ciss不变的情况下，栅源电压ugs稳态值越高，PMOS体电容从开通至稳态存储的电荷越多，关断时需要泄放的电荷越多.栅源电压ugs稳态值随着R7的增大而增大，当PMOS关断时，根据Q=I×T,在电流相同的情况下，关断时间随电阻R7的增大而延长.

情况2：稳压管D7开路，三极管V4工作于放大区.设R8=10 kΩ，R12=1 kΩ，取R7为9.76 kΩ、9.09 kΩ、8.87 kΩ、8.66 kΩ进行仿真.

图8、图9分别为第二种情况下R7、R8阻值变化对PMOS开关过程ig、ug的影响，以及开通、关断时间变化趋势.当PMOS开通时，三极管V4工作于放大区，由于基极电流变化很少，提供的负向栅极电流ig几乎无变化，PMOS的开通时间也几乎无变化.当PMOS关断时，电阻R7减小使得PMOS输入电容电荷的泄放速度加快，PMOS的关断时间减小.

情况3：稳压管D7处于工作状态，三极管V4工作于饱和区.设电阻R7=R8，取3.00 kΩ、4.02 kΩ、6.04 kΩ、8.06 kΩ、10 kΩ，R12=1 kΩ进行仿真.

图6 情况1下ig和ug的影响Fig.6 The effects for the case1 ig and ug

图7 情况1下开通、关断时间影响Fig.7 The effects for the time of turn-on and turn-off in the case1

图8 情况2下对ig和ug的影响Fig.8 The effects for the case2 ig and ug

图10、图11分别为第三种情况下R7、R8阻值变化对PMOS开关过程ig、ug的影响以及开通、关断时间变化趋势.当PMOS开通时，电阻R7、R8同时等额减小并不影响三极管V4的工作区域，即三极管V4始终工作于饱和区，提供的负向栅极电流ig随阻值减小略有增大，PMOS开通时间略有减小.当PMOS关断时，输入电容通过三极管V3、电阻R14进行放电，电阻R7、R8同时等额减小增大了三极管V3的基极电流.由于三极管V3在关断过程中必然工作于放大区，基极电流的增大使得三极管V3的集电极电流显著增大，使得栅极电流ig显著增大，加快了PMOS输入电容电荷的泄放速度，PMOS的关断时间明显减小.

图9 情况2下PMOS开通、关断时间影响Fig.9 The effects for the time of turn-on and turn-off in the case2

图10 情况3下ig和ug的影响Fig.10 The effects for the case3 ig and ug

图11 情况3下对开通、关断时间影响Fig.11 The effects for the time of turn-on and turn-off in the case3

情况4：设电阻R7、R8阻值为10 kΩ，此时稳压管D7处于工作状态.取电阻R12为2 kΩ、1 kΩ、750 Ω、510 Ω、360 Ω使得三极管V4工作状态逐渐由饱和区进入放大区，进行仿真实验.

图12、图13分别为第四种情况下R12阻值变化对PMOS开关过程ig、ug的影响，以及开通、关断时间变化趋势.PMOS在开通阶段需要提供较大的负向栅极电流，以此加快输入电容的充电速度，缩短PMOS的导通时间.PMOS开通时，在电阻R7、R8不变的情况下，电阻R12的阻值减小使得三极管V4的工作区域由饱和区进入放大区，提供的负向栅极电流峰值由15.12 mA增大到65.65 mA，缩短了PMOS的导通时间.但是，电阻R12的减小并不影响PMOS关断时输入电容电荷的泄放通路，对PMOS关断时间无影响.

图12 情况4下对ig和ug的影响Fig.12 The effects for the case4 ig and ug

图13 情况4下对开通、关断时间影响Fig.13 The effects for the time of turn-on and turn-off in the case4

根据前文的理论分析、仿真结果，对PMOS图腾柱式驱动电路的参数进行实验验证.图14、图15为R7、R8均为3 kΩ、R12为1 kΩ时，PMOS的开通、关断时间实测、仿真波形，表4为R7、R8均为10 kΩ、R12为2 kΩ和R7、R8均为3 kΩ、R12为1 kΩ实测与仿真开通、关断时间的对比.

表4 实测与仿真结果Tab.4 Results of simulation data and test data

对比试验与仿真结果可以看出，实际测量值与仿真结果基本一致.减小R12的阻值PMOS的开通时间减小了2.02 μs，等额减小电阻R7、R8的阻值关断时间减小了2.06 μs，也证实了理论分析的正确性.

图14 R7=R8=3 kΩ、R12=1 kΩ PMOS的开通、关断时间实测结果Fig.14 The test data of time of PMOS turn-on and turn-off in the case of R7=R8=3 kΩ、R12=1 kΩ

图15 R7=R8=3 kΩ、R12=1 kΩ PMOS的开通、关断时间仿真结果Fig.15 The simulation data of time of PMOS turn-on and turn-off in the case of R7=R8=3 kΩ、R12=1 kΩ

4 结 论

本文针对高端PMOS图腾柱式驱动电路中多个关键参数不易配置的问题，从电路拓扑中关键器件的工作状态出发，提出了一种关键参数的优化设计方法，并对其开展了理论推导、仿真及试验验证，得到如下结论：

1) 电阻R7、R8的阻值大小关系共同决定稳压管D7的工作状态.而当稳压管工作状态确定的情况下，电阻R12的阻值决定三极管V4工作状态.

2) 稳压管D7开路时，D7两端的电压越低，关断时间越短.稳压管D7工作时，电阻R7阻值越小关断时间越短.三极管V4工作于放大区时，相较于工作于饱和区PMOS的开通时间较短.

3) 稳压管D7开路且三极管V4工作在饱和区时，电阻R7的减小对PMOS的灌电流影响很小，开通时间无显著变化.关断时间随电阻R7的增大而延长.

4) 稳压管D7开路且三极管V4工作在放大区时，开通时间无显著变化，电阻R7减小使得PMOS输入电容电荷的泄放速度加快，PMOS的关断时间减小.

5) 稳压管D7工作于稳压状态且三极管V4工作在饱和区时，电阻R7、R8同时等额减小时，开通时间略有减小，而关断时间明显减小.

6) 稳压管D7工作于稳压状态且三极管V4工作在放大区时，在电阻R7、R8不变的情况下，电阻R12的阻值减小使得三极管V4的工作区域由饱和区进入放大区，提供的负向栅极电流峰值显著增大，缩短了PMOS的导通时间.但对PMOS关断时间无影响.