全N沟道逆变器自举电路可否简化？

Alex_rcpilot · 发表于 2008-6-25 15:20:25

很多工业用的电路，包括三相逆变功率模块里都是使用N沟道管子作为上桥开关器件的。这样可以保持6个开关元件高度的一致性，回避了P沟器件制造工艺不同的矛盾。但随之而来的问题是上桥驱动问题，要使上桥导通，必须在其栅极施加一个电压Vg = Vgs + Vs。管子导通时Vs几乎与直流母线电压Ud相等，所以Vg必须比直流母线电压还要高出Vgs。为实现此目的，需要引入自举电容。下图是一个典型的电路，图中电路只是完整逆变器的1/3。

(原文件名:Bootstrap.JPG)

首先强调此电路是工业BLDC用的，体积与重量都远远超出了飞行器允许的限度。在此提出并非要完全照搬，而是借鉴。

这里VM = 24V，我是去年完成的这个系统，用在电控阀门上，电机是带霍尔的。C318是自举电容，它在上桥臂截止，下桥臂导通时通过D306充电。本相的下桥臂导通时充电最快，邻相下桥臂导通时由于只能把阴极拉至1/2母线电压而不是GND，因此充电会慢一些。开机之前为保证C318有初始电压，一般会执行一个简短的自举程序把三个下桥臂全部打开，然后再启动电机。

需要打开上桥臂时，为了把C318阳极的电压通过D307和R320施加到V306的栅极上，应使Q308导通，C318的正电荷通过R49、Q308、D307、R320流过V306的栅、源极回到C318阴极。Q321负责将TTL的控制电平与Q308所需要的控制电平进行匹配（否则TTL的“H”/“L”输出都会让Q308导通）。而在关断V306时，由于Q308截止、D307钳位，Q322的基极失去高电位，被R343拉低从而导通。快速泻放掉C320上的电荷，V306的栅源间寄生电容上的电荷也被泻放掉，保证V306的快速关断。

为了保证可靠性，这个电路做得非常累赘。不知道有没有什么改进的余地，能做到使用元件最少。

如果无论如何改进都必须使用很多元件的话，大家还是继续老老实实用P沟道做上桥开关吧。我只是突然有个想法而已。

love12345 · 发表于 2008-6-25 22:50:20

如果换成使用小变压器或光耦，我觉得上桥可以减化的。

Alex_rcpilot · 发表于 2008-6-25 22:58:46

光耦貌似有点得不偿失呢。变压器离近了万一工艺不好出现漏磁或者过早饱和会不会出错？

love12345 · 发表于 2008-6-25 23:15:16

具体如何则只能测试了。我觉得光耦可行的。特别是使用帖片的pc817。这个电路已经比较简洁了，用5V控制15V，不使用两只管，可能不太现实。

Alex_rcpilot · 发表于 2008-6-25 23:38:23

我觉得SMD的光藕肯定可以的。但是电容和二极管都不能省。整体还是有点大。
可能我想的多了，P、N组合用得挺好的。

不知道大家的6步换相都用的什么波形，6个管子一直斩波驱动吗？

我用的是这种波形：

(原文件名:PWM.JPG)

这样可以让每个管子工作在斩波模式下的时间缩短为以前的一半，延长使用寿命，同时不对电机产生任何影响。

nomoneyiv · 发表于 2008-6-26 08:20:00

顶，不错，！

vivalite · 发表于 2008-6-26 10:27:21

R320、R344改成68R
三极管9012改成2N5401，9013改成2N5551
R352改成1.5K
R49、C319去掉
R346、R347去掉
C320应并联15V稳压管
以上是最经济的电路。

4楼这种方式不推荐。这种电路只适合下桥斩波，上桥斩波波形会很差的。

stephon1 · 发表于 2008-6-26 13:21:26

MARK

Alex_rcpilot · 发表于 2008-6-26 14:26:08

to 【6楼】 vivalite：

谢谢建议，看样子这个电路目前只能简化到您说的这样了。不过如果不用上桥斩波，那么在应用时上下桥的损耗都不同，也就没必要使用相同的N沟管子了吧？可否问一问为什么上桥斩波的波形会差？我现在使用的是IPM，用的就是4楼的波形。IPM内部的上桥也等效于N沟道。

icefire · 发表于 2008-6-26 14:28:54

【6楼】 vivalite

每相导通时，让上半桥全通，下半桥斩波，是不是这个意思？

love12345 · 发表于 2008-6-26 15:56:21

【9楼】 icefire
他的意思估计是上半桥只作导通（在不同情况下），而不作斩波。

【8楼】 Alex_rcpilot
估计是自举电容的电量有限，如果作为斩波，电容c320和mos管就变得功耗大而使电容的电压不足而导致mos管导通不良。

Alex_rcpilot · 发表于 2008-6-26 16:41:50

【10楼】 (敏感词0386)123：

从实际应用上来看，这个顾虑应该是多余的。我们的用法刚好相反，是下桥工作在电平模式，上桥工作在斩波模式，效果很好。

而最近调试变频空调压缩机时就是使用4楼的波形控制IPM拖动电机的。效果也不错的。

love12345 · 发表于 2008-6-26 16:51:11

压缩机用无刷电机，就是所谓数码涡旋压缩机？可能我说的原因不对吧。

Alex_rcpilot · 发表于 2008-6-26 17:06:08

【12楼】 (敏感词0386)123：

现在压缩机主要分单转子、双转子和涡旋的。都是基于容积泵的原理。我用的是两对极无刷电机驱动的单转子压缩机。涡旋压缩机的实物解剖构造我在长虹的实验室看见过，很有意思。不过那东西也是成本最高的。

love12345 · 发表于 2008-6-26 17:11:52

涡旋的算不上有意思。镙杆式或转子式更有意思，都不知哪帮人怎么想出来的。

Alex_rcpilot · 发表于 2008-6-26 17:44:32

螺杆式和转子式的压缩机？我都没接触过啊。转子式的内燃机模型我倒是见过，巨强。

love12345 · 发表于 2008-6-26 19:50:39

转子式压缩机与内燃机差不多,只是动作方向相反,作用不同罢了. 就好像活塞式压缩机与内燃机,总体结构差不多.当然还是有很多区别.不过最好的还数离心式.用高速的离心风机进行压缩.可以实现真正的连续输气,同时减少活动部分.不过这些设计都有很多专利.

Alex_rcpilot · 发表于 2008-6-26 23:46:12

是的，压缩机是利用输入机械功率对气体做功，而内燃机是利用气体膨胀输出机械功率。

vivalite · 发表于 2008-6-27 07:00:36

【8楼】 Alex_rcpilot

上桥斩波波形不好是因为自举电容容量有限，在上桥开启期间内自举电容电压会降低，电压低于7V时MOS管内阻明显增大，发热增多，最后烧毁。
这种现象往往发生在低速运行段，如启动时发生堵转很可能造成上桥充电不良，MOS栅极电压降低电阻增大，堵转时的大电流加在电阻增大的MOS上发热会呈指数性增大，所以不建议在上桥上斩波。

实际上下桥斩波也会碰上类似的问题，最根本的解决方案还是使用主动升压电源给上桥供电。

楼主这种电路只能稳定应用于启动电流不太大的场合下，如电扇之类。如果用在需要大扭矩低速启动的如电动摩托车、卷扬机之类的场合下还是建议用主动升压的电路。

Alex_rcpilot · 发表于 2008-6-27 09:28:58

to【18楼】 vivalite ：

恕我直言，我的分析和你的不同。我认为此种电路的开关效果与PWM占空比有关，与转速无关。

自举电容放电时间取决于上桥管子的连续导通/截止时间。假设60°电角度持续4ms，使用16K载波10%占空比。

如果上桥斩波，下桥全通，则自举电容工作顺序是：放电6.25μs→充电56.25μs→放电6.25μs→……
如果上桥全通，下桥斩波，则自举电容在4ms内持续放电。本60°电角度内PWM的高低电平都无法对其充电。只能凭借邻相上桥导通时本相下桥的PWM开关对其充电。那么它的工作是受转速影响而不是PWM占空比影响。转得越慢，上桥越热。

不过我很赞同你这句话“如果用在需要大扭矩低速启动的如电动摩托车、卷扬机之类的场合下还是建议用主动升压的电路。”这是因为低速大扭矩输出时PWM占空比很高，低电平持续时间（充电时间）不能满足自举电容的能量消耗，此时在60°电角度的后期，上桥工作点将逐渐回落到线性区导致发热。此时如果转速高，仍然可以迅速切换到另一个60°电角度结束此自举电容的放电，而在低速情况下只能眼看着管子发热。

无论如何，这个电路的局限性是肯定的。拿出来只是聊一聊。

vivalite · 发表于 2008-6-27 10:14:00

你说的有道理。我原来是做电动车控制器的，用户总是喜欢在启动时把车手柄拧到底，这样在这种电路上用上桥斩波的话95%的时间放电，5%充电，示波器上能看到明显的波形变形。上桥的图腾柱式推挽电路本身也存在上下漏电流的问题，为了尽量保证上桥少漏电+低成本，只有换为下桥斩波。我实际试验证明下桥斩波的低速运转发热量比上桥斩波要小10%左右。

Alex_rcpilot · 发表于 2008-6-27 10:19:46

to【20楼】 vivalite :

我很好奇在低速下桥斩波的时候，上桥电容是如何充电的。可否共享些信息？谢谢。

vivalite · 发表于 2008-6-27 11:01:42

低速时还需要一个再充电逻辑，这个逻辑只能改善一些低速时的充电性能，很难保证100%短路不烧。所以实际在控制器产品上我用主动升压上桥代替电容彻底避免了这个问题，PWM也能达到100%。

Alex_rcpilot · 发表于 2008-6-27 13:06:06

to【22楼】 vivalite ：

对这个再充电逻辑有点兴趣，可否详细解释一下？

silent · 发表于 2008-6-27 13:30:40

以前做UPS時用過的綫路,參攷一下..

H橋驅動 (原文件名:HB.jpg)

Alex_rcpilot · 发表于 2008-6-27 23:22:22

to【24楼】 silent
谢谢楼上拿出光耦的实例，上桥确实简化了不少。

vivalite · 发表于 2008-6-28 22:56:10

24楼的电路频率不能很快的，参数调不好会有发热问题，不过普通的小电机上用还是没问题的。

vivalite · 发表于 2008-6-28 23:02:33

【23楼】 Alex_rcpilot
对这个再充电逻辑有点兴趣，可否详细解释一下？
-----------------------
不好意思，这个逻辑是厂家的机密，是经过很多计算、试验才总结出来的。如果我说了对我们辛勤的工程师很不公平。很多乡镇企业做的电动车控制器就是因为没有这种逻辑才总会烧，如果他们弄明白了，行业竞争会更激烈，我想这不是任何自主开发的厂家愿意看到的，至少我的公司不愿看到。

Alex_rcpilot · 发表于 2008-6-30 07:14:56

to【27楼】 vivalite ：

哦，不好意思。我也就随便问一问，以为是什么常识，没想到涉及商业机密。那我不用再关心这个事情了。

wxyujz · 发表于 2008-6-30 08:00:29

上、下桥斩波并没有明显的不同,即使上桥斩波也没必要用低速再充电逻辑电路.这是因为每个相线都接有一个下拉电阻,开电源后通过这个下拉电阻能在很短的时间内把自举电容的电荷充满.

低速再充电逻辑电路是画蛇添足.在手柄全打开的情况上桥不可能不进入斩波状态(除非你电路不做限流),所以担心低速会因为上桥无斩波而造成自举不足完全是不必要的.

电机驱动关键在于对mos管导通平台阶段因密勒效应而产生的损耗的处理,这是做好驱动电感型负载电路的重点.

vivalite · 发表于 2008-6-30 08:10:05

【29楼】 wxyujz
我很同意最后一点，其他的不敢苟同。也许这就是很多厂家的认识误区所在了。

wxyujz · 发表于 2008-6-30 08:17:44

【30楼】 vivalite
那是你分析电路状态不全面.

上桥全开--应该电机转速最快--如果电机转速很慢--那就说明负载很重--势必造成电流上升--引起限流电路动作--上桥开始斩波.

如果上桥没有产生斩波,那一定表示电机转速较快.

flyerhacker · 发表于 2009-7-27 11:27:57

电路不错，但电路无法完成PWM100%

用555做个电荷泵，主动升压可以。

简化电路的话，试试IRF2130

wanyou132 · 发表于 2009-7-27 11:39:19

MARK

13590955160 · 发表于 2009-12-6 21:08:40

学习了

eduhf_123 · 发表于 2009-12-6 21:14:34

MARK

shaorei · 发表于 2010-1-22 01:45:33

mark

yangyh75 · 发表于 2010-1-22 11:02:40

使用ir2101替代会紧凑很多的

forever37 · 发表于 2010-4-18 23:34:18

24楼够简化的了。

ottife · 发表于 2010-4-21 11:01:54

这个帖子好

coslight_dt · 发表于 2010-4-26 08:52:59

哈哈。。原来在这里！

gyd0317 · 发表于 2010-8-13 15:38:36

mark

dengxiaofeng · 发表于 2010-12-21 13:32:06

看了

jiabin1024 · 发表于 2011-4-3 15:15:48

呵呵，不错

www1519 · 发表于 2011-8-24 22:15:47

mark

kerrwang1982 · 发表于 2011-8-26 13:37:33

good,晚上验证下。

ksh84222 · 发表于 2011-10-19 02:11:10

好东西!

zybkjjj3783192 · 发表于 2012-9-27 14:41:01

不错！看看

全N沟道逆变器自举电路可否简化？

阿莫论坛20周年了！感谢大家的支持与爱护！！