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无刷电机驱动器的结构（组成部分）

在电机驱动器课堂第1集到第9集中，我们已经对电机旋转的原理、电机驱动器的基本工作原理、电机机构特性的基础知识以及效率、噪声、可靠性等电机的必备性能进行了介绍。这些都是开发电机驱动器时需要掌握的基本知识。换句话说，电机驱动器是在了解并考虑“电机如何通过电路实现旋转”、“如何实现高效且安静的旋转”以及“在可靠性方面需要注意哪些事项”的基础上进行开发的。

本文我们将介绍电机驱动器（电机驱动电路）的结构和具体的电路模块（内部电路）。

电机驱动器的结构

驱动无刷电机的电路结构如下图所示，可大致分为三个功能模块。这里我们将这些功能模块分别定义为：产生使电机旋转的指令信号的驱动控制器模块、给电机绕组供电的功率晶体管模块（阵列）以及协助这两个功能模块进行信号交互（主要是电位差调整）的电平转换模块。

这些功能模块以下表所示的单一功能或复合功能的形式被集成到IC中。设计电机驱动电路时，需要将其中一个或多个IC组合起来，以形成上图所示的电路结构。

这些IC的结构（组合方式）需要从易用性、设计变更的灵活性、封装尺寸、电路板上的布线数量（难易程度）、外围电子元器件的数量、每个电路模块（功能模块）的耐压差异和温升（散热效果）等角度综合考虑，因此，无法一概而论哪种组合方式更为优越。

下面简要介绍一下这些结构示例。

首先，全功能集成IC中配置了所有的功能模块，易用性高。缺点是封装尺寸比其他IC大，且设计变更的灵活性较低。

单一功能IC可以通过改变组合方式，创造出适合不同应用的电机驱动器规格。例如，当需要改变驱动控制方式时，可更换驱动控制器；当需要调整输出时，则可替换功率晶体管或电平转换。另一个优点是可以调整下文中的功率晶体管的开关速度。然而，与全功能集成IC相比，IC外围所需的电子元器件和电路板上的布线数量可能会增加。

内置两种功能模块的IC需要与具备另一种功能的IC组合使用。驱动控制器+电平转换的IC优点是可以改变与功率晶体管的组合，减少布线数量，但无法减少与功率晶体管相连部分的电子元器件数量。而电平转换+功率晶体管的IC则保留了全功能集成IC的易用性，又支持与驱动控制器的组合变更。但是设计灵活性存在一定限制，例如无法调整功率晶体管的开关速度等（※部分产品内置特殊电路，可以调整或选择开关速度）。

如上所述，这些不同结构的IC无法一概而论孰优孰劣。因此，在设计电机时，需要根据电机所注重的性能指标（如前述的视角），综合考虑选择合适的结构。

接下来，我们将介绍各个功能模块。

控制器

IC通常采用的内部结构如下图所示。内部的芯片通过引线（引脚）和键合线进行连接。芯片上集成有称为“模拟电路”和“逻辑电路”的电路，其中模拟电路负责与IC外部的信号交互、电源的产生和时钟信号的产生等，而逻辑电路则负责处理电机驱动信号的产生等。

以下为电机控制器（控制IC）的引脚和电路示例。该示例中使用的是具有霍尔信号输入规格的控制IC。
首先介绍主要引脚的功能和模拟电路。

接下来介绍逻辑电路。逻辑电路是根据转子位置信号和Duty指令产生PWM脉冲或FG信号的电路。

输入到控制器的Duty指令有以下几种规格。这些信号在Duty指令处理模块中被转换为数字信号并使用。
但Duty指令的数字化处理只是一个例子，有些控制器可以不进行数字化处理而将方波作为PWM脉冲使用。

输出的FG信号是用于向外部传递电机转速的信号，它是频率会随转速变化的脉冲信号。具体规格如下图所示。

功率晶体管

本节首先对构成功率晶体管模块的晶体管——双极晶体管、MOSFET和IGBT的特点进行比较，然后再介绍MOSFET的开/关工作。

双极晶体管是通过向基极提供电流来实现导通状态的电流驱动型晶体管。其主要损耗为\(V_{CE}\)电压与集电极电流的乘积。缺点是需持续提供基极电流以维持导通状态，而这会导致功耗增加。另外开关（SW）速度较慢，因此不适合高频PWM驱动。

MOSFET是通过给栅极施加电压来实现导通的电压驱动型晶体管。其主要损耗为导通电阻（Ron）与漏极电流平方的乘积。优点是无需持续向栅极提供电流且开关速度快，缺点是当漏极电流增大时，损耗会呈平方级增长。

IGBT是一种兼具双极晶体管和MOSFET优点的晶体管。由于是电压驱动型，栅极电流消耗低，导通状态下的损耗仅为集电极电流的一次方。缺点是开关速度中等。

选择这些晶体管的判断标准之一是比较损耗的大小。如上所述，由于MOSFET的导通电阻损耗会以电流的平方倍增长，因此根据电流大小不同，MOSFET与IGBT的损耗大小关系会发生逆转。以MOSFET的Ron×电流与IGBT的\(V_{CE}\)的大小关系为分界点，通常小电流电机采用MOSFET，而大电流电机则选用IGBT。

接下来以N沟道MOSFET为例介绍MOSFET的开关工作原理。
如下图所示，这里我们假设绕组电流已经流过高低边的另一个晶体管（非本文介绍对象）形成通路。

MOSFET会根据施加在栅极上的电压改变状态（见下图）。当栅极电压相对于源极电位上升到阈值以上时，流入绕组的电流将逐渐经由MOSFET后流出。待原本流过绕组的所有电流全部流过该MOSFET后，D—S间的电压下降，晶体管导通。关断过程则相反。

下图波形展示了栅极电压G、漏极电流\(I_d\)和漏源极电压\(V_{ds}\)，横轴为时间。可以看出随着栅极电压的变化，\(I_d\)与\(V_{ds}\)呈现渐进式变化特征。该电流\(I_d\)与电压\(V_{ds}\)的变化速率（即开关速度）与栅极电压的变化量有关。因此，当需要调整开关速度时，可按下图所示给栅极接入栅极电阻\(R_g\)和栅极电容\(C_g\)，从而调整栅极电压的变化。

这些开关速度与第8集中的“开关损耗（※链接至第8集的无刷电机的损耗）”、第9集中的“电磁噪声（※链接至第9集的电机电路的可靠性）”和第7集“死区时间（※链接至第7集无刷电机：同步整流（高低边PWM））”密切相关。开关速度越快，损耗越小，死区时间越短，但电磁噪声可能会增加；开关速度越慢，情况则相反。由此可见，开关速度是设计功率晶体管模块时必须考虑的特性。

电平转换

电平转换电路是将来自控制器的栅极指令信号转换为导通/关断功率晶体管时所需电位及电流的电路。如上所述，作为功率晶体管使用的MOSFET是通过栅极引脚电压的变化来实现导通/关断的。这种工作需要合适的电压和充放电电流，但控制器的输出电路通常无法满足该电位或电流供应能力。因此，需要通过电平转换电路来调整供电电平。

根据所连接的高边功率晶体管类型的不同（P沟道和N沟道），电平转换电路主要有如下图所示的两种结构。

虽然有两种结构，但由于低边功率晶体管均为N沟道，因此低边部分的电平转换电路的功能是相同的。该电路将来自控制器的信号转换为能够使功率晶体管完全导通/关断的电压幅值的信号，同时具备电流供应能力。

两种电路中高边晶体管的电路有很大差异。首先，高边功率晶体管为P沟道MOSFET（P-MOS）时，电平转换电路的输出即栅极信号与VM电压（见上图）处于相同电位时，晶体管关断；当超过阈值并降至较低电位时则导通。该情况下的电路示例如上图所示。当图中P-MOS栅极的低边所连接的晶体管导通时，栅极电位下降，P-MOS导通；当栅极的低边晶体管关断时，通过电阻将栅极电压拉高至VM电位，P-MOS关断。

这种电路的优点是无需产生高于VM电压的电源电压，电平转换电路的结构相对简单。但缺点是功率晶体管中的P-MOS通常比N沟道MOSFET（N-MOS）价格更高，并且高低边晶体管的特性不匹配。

高边晶体管为N-MOS时，需要VM+α的电源来实现高边功率晶体管的导通。该电压通常在电机电路内部通过电荷泵或自举电路等升压电路产生。另外，连接高边N-MOS栅极的电路是以绕组电压为基准的浮地电路，因此需要将上图中的HIN逻辑传递到该浮地电路中的电路。由此可见，高边晶体管为N-MOS时电路结构较为复杂，但优点是高低边功率晶体管可以统一为具有同等特性的N-MOS。