低压大电流BLDC电机的三相裂变桥电路设计

钱 亮

（广安职业技术学院，四川 广安 638000）

0 引 言

三相裂变桥电路由6个MOS管组成，其中上桥臂和下桥臂均有3个MOS管[1]。随着BLDC电机应用范围的不断扩大，在大电流应用场合下，MOS管的发热问题突出[2]。基于普通的三相裂变桥电路[3]，针对MOS管发热问题改进三相裂变桥电路，提出分时载波、下桥臂MOS管并联以及上下桥臂并联二极管3大改进措施，并设计上下桥臂MOS管的前极驱动电路。

1 降低MOS管损耗的措施

1.1 分时载波方法

导通时序、上桥臂PWM载波ON状态的电流流向、上桥臂PWM载波OFF状态的电流流向以及下桥臂PWM载波OFF状态的电流流向，分别如图1～图4所示。

图2 上桥臂PWM载波ON状态的电流流向

当Q1处于t1～t2时刻时，它的电流流向如图2所示。其中，Q1损耗包含开通损耗、关断损耗以及导通损耗，Q2损耗包含导通损耗，故Q1比Q2发热更多。当Q1处于t2～t3时刻时，BLDC电机的电感电流不能发生突变，电流流向如图3所示。Q4损耗包含续流损耗，Q2损耗包含导通损耗，但由于负载电流比较大，所以Q4发热较大。

图3 上桥臂PWM载波OFF状态的电流流向

图4 下桥臂PWM载波OFF状态的电流流向

当下桥臂采用PWM载波调制，上桥臂恒通，且Q2处于PWM的ON状态时，电流流向如图2所示。当Q2处于PWM的OFF状态时，电流流向如图4所示。为减少Q4的发热量，在控制BLDC电机时采用分时载波的方法，使Q5和Q4共同承担损耗。这种方法不改变硬件只改变软件，成本很低。

1.2 下桥臂MOS管并联方法和上下桥臂并联二极管方法

为减少下桥臂3个MOS管的导通损耗，采取并联MOS管的方法，引入MOS管Q7、Q8以及Q9，分担下桥臂一半的导通损耗。在采用分时载波和下桥臂MOS管并联的基础上，Q4、Q7、Q5的续流损耗最大。为降低3个MOS管的续流损耗，可以将损耗转移至MOS管外部。采用上下桥臂并联二极管方法，电路图和工作过程中的电流流向分别如图5和图6所示。

当Q1处于t1～t2时刻时，电流流向如图6（a）所示；当Q1处于t2～t3时刻时，电流流向如图6（b）所示。由于二极管D4的单相导通性，电流流向D7，不向Q4和Q7的二极管上流，从而Q4和Q7无续流损耗。

图5 电路图

图6 电流流向

2 三相裂变桥前极MOS管驱动电路设计

2.1 下桥臂MOS管前极驱动电路设计

下桥臂MOS管前极驱动电路设计和电流流向如图7所示，其中细虚线表示小电流，粗虚线表示大电流。

下桥臂MOS管导通的工作原理：当驱动电压信号为高电平时，三极管Q7导通，+15 V电源经过电阻R4对Cgs电容充电，Q4导通。下桥臂MOS管截止的工作原理：当驱动电压信号为低电平时，三极管Q7截止，Cgs电容经过三极管Q8进行放电，Q4截止。

2.2 上桥臂MOS管前极驱动电路设计

上桥臂MOS管前极驱动电路设计和电流流向如图8所示。

图7 下桥臂MOS管前极驱动电路设计和电流流向图

图8 上桥臂MOS管前极驱动电路设计和电流流向图

上桥臂MOS管导通的工作原理：当驱动电压信号为高电平时，三极管Q9导通，自举电容C1经过Q9形成Q10的基极电流，自举电容C1经过Q10对电容Cgs充电，Q1导通。下桥臂MOS管截止的工作原理：当驱动电压信号为低电平时，三极管Q9截止，Cgs电容经过三极管Q11进行放电，Q1截止。

3 结 论

在低压大电流系统中，MOS管的续流损耗占比最大，可采用分时载波、下桥臂MOS管并联以及上下桥臂并联二极管3个措施降低MOS管损耗。在上桥臂MOS管前极驱动电路设计中，在三极管的发射极串一个电阻就可以形成恒流源，且自举电容控制小电流回路经过下MOS管的体二极管。