三相逆變電路

2.導(dǎo)通原理

如上圖所示，為一相的逆變橋。上下MOS管不能同時(shí)導(dǎo)通，那么可以有幾種控制方式：

PWM控制上管，下管電平控制（恒高或者橫低）；

PWM控制下管，上管電平控制；

上下管都是PWM控制；

某個(gè)管的控制可以是PWM控制和電平控制都有。

方式3稱為互補(bǔ)載波，也就是上下管的PWM是互補(bǔ)的，這樣才能不同時(shí)導(dǎo)通。

方式1和2這兩種方式又稱為單橋臂載波，在方波六步換相控制時(shí)使用較多。這兩種方式中常用的是第1種方式，原因是MOS管用的是N管。上管的MOS管想要正常工作，需要給自舉電容充電（注意是外部的自舉電容，而非GS結(jié)電容）。如下圖所示，為自舉電容的充電電路。如果用方式1，即上管PWM下管電平，那么下管始終打開，不會(huì)影響自舉電容的充電，自舉電容充電速度快。如果用方式2，即上管電平下管PWM，那么在速度很低、PWM占空比很小的時(shí)候，下管的PWM占空比會(huì)影響自舉電容的充電，有可能導(dǎo)致自舉電容充電充不滿，此時(shí)上管可能無法正常打開或者關(guān)閉。

PS：如果上管是P管，那么就不需要自舉電容。但是P管價(jià)格貴，且功率相對(duì)N管低。

3.方波六步換相時(shí)序分析

根據(jù)霍爾跳變沿可以獲得對(duì)6個(gè)MOS管的控制順序，這里先假設(shè)直到這個(gè)控制順序，為M1M2->M2M3->M3M4->M4M5->M5M6->M6M1->M1M2。先以M1M2導(dǎo)通為例，如下圖隨時(shí)，使用上管PWM下管電平控制的方式。

當(dāng)M1的PWM處于ON的時(shí)候，電流流向如下：

當(dāng)M1位OFF的時(shí)候，由于電機(jī)線圈為感性負(fù)載，所以需要續(xù)流，此時(shí)只能通過MOS管的體二極管進(jìn)行續(xù)流，如下圖所示。此時(shí)體二極管導(dǎo)通后會(huì)將UW等效的電流源兩端電壓鉗位到0.7V，所以此時(shí)電流源兩端壓差很小，根據(jù)U=Ldi/dt可知放電時(shí)間會(huì)很長，故此時(shí)的續(xù)流稱為慢續(xù)流。相對(duì)快續(xù)流而言，慢續(xù)流電流下降慢，維持力矩時(shí)間長。如果是快續(xù)流的話，繞組內(nèi)會(huì)存在一段時(shí)間沒有電流，就不會(huì)對(duì)外提供力矩了。

慢續(xù)流的方式靠MOS管的體二極管來續(xù)流，如果時(shí)間比較長那么體二極管發(fā)熱大，續(xù)流損耗也變大。所以有的時(shí)候當(dāng)M1關(guān)閉后可以打開M4，讓續(xù)流經(jīng)過MOS管的S到D，也就是使用Rdson來續(xù)流，這樣損耗就會(huì)變小。此時(shí)的模式就是互補(bǔ)載波模式了。

4.死區(qū)問題

4.1.理論分析

對(duì)于上下管都使用PWM控制的方式，在波形跳邊沿的地方，存在死區(qū)問題。由于MOS管的開關(guān)是對(duì)GS結(jié)電容進(jìn)行充放電，當(dāng)電壓跳過GS閾值電壓時(shí)，MOS管的開關(guān)狀態(tài)就發(fā)生變化。那么如果PWM不加入死區(qū)控制，可能導(dǎo)致一個(gè)MOS還沒關(guān)閉，另一個(gè)MOS就開通了，也就是同一橋臂的兩個(gè)管子同時(shí)導(dǎo)通，電源短路。

此時(shí)解決辦法是加入PWM死區(qū)，也就是讓PWM1L提前變成OFF，讓PWM1H延后變成ON。即同時(shí)增加兩個(gè)波形都為OFF的時(shí)間，這樣兩個(gè)MOS管都處于關(guān)閉的狀態(tài)，如下圖所示。

這個(gè)死區(qū)時(shí)間在實(shí)現(xiàn)功能的基礎(chǔ)上肯定是越小越好，因?yàn)樗绤^(qū)時(shí)間太長的話PWM的最大占空比做不上去，電機(jī)的功率也就上不去。死區(qū)時(shí)間從單片機(jī)PWM到驅(qū)動(dòng)電路再到MOS管的柵極都有一定的硬件延時(shí)，所以具體時(shí)間需要根據(jù)調(diào)試確定。可以通過提高M(jìn)OS管的充放電速度來減小死區(qū)時(shí)間，但是可能會(huì)帶來其他問題，比如震蕩、EMC問題等。

此外死區(qū)時(shí)間的設(shè)置（注意是設(shè)置，不是真正的死區(qū)時(shí)間，真正的死區(qū)時(shí)間只與硬件電路有關(guān)）與載波頻率也有關(guān)。因?yàn)檩d波頻率越高，周期越小，相同的死區(qū)時(shí)間的情況下占空比就越小，電機(jī)的空濾就提不上去。所以有時(shí)候電機(jī)功率做不上去會(huì)通過降低載波的頻率來提升電機(jī)功率。

一般載波頻率在15KHZ到20KHZ，載頻低了，電機(jī)會(huì)有噪音；載頻高了，開關(guān)損耗太大。此時(shí)的死區(qū)時(shí)間初始值可設(shè)置為4us，然后在根據(jù)示波器調(diào)試確定最終的死區(qū)時(shí)間。

4.2.實(shí)際波形

如下圖所示為實(shí)際的波形。黃色波形對(duì)應(yīng)MOS管開通，可見他的開通已經(jīng)增加了一段死區(qū)時(shí)間。黃色波形紅圈圈出來的地方為米勒平臺(tái)，一般可以認(rèn)為在平臺(tái)區(qū)MOS管就開通了。紫色波形對(duì)應(yīng)MOS管關(guān)斷，紫色波形紅圈處有一個(gè)向上的凸起，這是因?yàn)橥粯虮鄣膬蓚€(gè)MOS管另種一個(gè)管子導(dǎo)通對(duì)另一個(gè)管子的影響，這個(gè)影響是由米勒效應(yīng)導(dǎo)致的。

所以圖中的波形已經(jīng)比較危險(xiǎn)了，紫色凸起再高一點(diǎn)就導(dǎo)致兩個(gè)MOS同時(shí)導(dǎo)通了。所以實(shí)際調(diào)試中需要避免出現(xiàn)這種波形。

4.3.MOS關(guān)斷時(shí)的尖峰電壓?jiǎn)栴}

MOS關(guān)斷的時(shí)候電流很短時(shí)間內(nèi)變?yōu)?，有很高的di/dt，那么作用到電路的寄生電感上，很容易在DS端產(chǎn)生很高的L*di/dt這樣的尖峰電壓。

解決辦法：

減緩MOS管的開關(guān)速度。本質(zhì)上就是降低GS結(jié)電容的充放電速度，比如增加充放電回路的阻抗、并聯(lián)GS電容、加大柵極電阻等。

在MOS管的DS端并聯(lián)RC吸收電路。

以上兩種方法盡量使用第一種方法進(jìn)行解決。

5.帶死區(qū)的互補(bǔ)載波電流流向分析

根據(jù)如下控制邏輯控制MOS管的通斷。

先從紅框分析，此時(shí)的電流流向如下：

在切換到下一個(gè)狀態(tài)之前，M3和M6存在一個(gè)死區(qū)時(shí)間，如下圖所示。

此時(shí)對(duì)應(yīng)的電流流向如下圖所示。此時(shí)M6關(guān)斷，V相通過M3的體二極管續(xù)流。此時(shí)UV兩相的壓差被M3的體二極管鉗位還是0.7V，所以V相的電流續(xù)流還是慢續(xù)流。

然后當(dāng)M3打開的時(shí)候，如果前一時(shí)刻的電流續(xù)流沒有結(jié)束，那么還會(huì)繼續(xù)向上流，然后很快電流就向下流，所以可以忽略這里，直接認(rèn)為M3導(dǎo)通的時(shí)候電流向下流即可，如下圖所示。