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2021.03.24 电机

使用PWM输出方式驱动有刷直流电机:
损耗和注意事项

有刷直流电机

上一篇文章中介绍了PWM驱动方式下的有刷直流电机的四种电流再生方法。本文将介绍有刷直流电机的PWM驱动时的注意事项:损耗和开关方法。

使用PWM输出方式驱动有刷直流电机:损耗的思路

由于PWM驱动是脉冲驱动,因此其功耗仅是一个周期内电机的电压施加(导通)期间的功耗和电流再生(关断)期间的功耗的平均值。严格来讲,如下图所示,可以分电压施加期间(红色)、电流再生期间(蓝色)和转换期间(黄色)三种状态的功耗来考虑。通常,稳态期间的损耗为传导损耗,开/关转换期间的损耗为开关损耗。

●施加电压期间的功耗
(a)图显示了施加电压时的开关(MOSFET)状态。由于电流流过两个MOSFET导通的路径,因此这里的损耗为导通的MOSFET的导通电阻之和×电流的平方

●电流再生期间的功耗
如上一篇文章中所述,有四种电流再生的方法,并且电流路径不同损耗也不同。

在(b)和(e)中,由于两个导通的MOSFET成为电流路径,因此,损耗为导通的MOSFET的导通电阻之和×电流的平方

在(d)中,由于电流经由两个MOSFET的寄生二极管,因此损耗是各寄生二极管的VF之和×电流

在(c)中,由于电流经由导通的MOSFET和关断的MOSFET的寄生二极管,因此损耗是导通的MOSFET的导通电阻×电流的平方+关断的MOSFET的寄生二极管的VF×电流

● 转换时的损耗
这项有些复杂。 
通常,开关损耗可以通过以下公式来计算。

转换时的损耗=0.5×Ea×I×(tr+tf)×fsw 
Ea:施加电压,I:电流,tr:上升时间,tf:下降时间,fsw:开关频率

但是,tr和fr需要根据实际波形求得,而实际波形并不总是如图所示的整齐线形,因此需要考虑到这一点。另外,对施加的电压和电流进行实际测量更能获得可靠的结果。

使用PWM输出方式驱动的有刷直流电机:注意事项

●转换时的损耗和噪声
从前面的公式可以看出,随着上升时间tr和下降时间tf变快,转换损耗(即开关损耗)会变小。开关速度(压摆率)越快,开关损耗越小,最终功耗越小=效率越高,但另一方面,开关噪声也会增加。这是因为效率和噪声之间存在此起彼消的矛盾关系,因此需要在两者之间找到折衷方案。

●高边/低边开关切换时序
这是同步整流开关稳压器必不可少的控制,关于H桥的高边/低边对(在上图中为Q1/Q2、Q3/Q4)的ON/OFF,必须控制H桥,使高边和低边不发生同时导通期间。如果它们同时导通,则电源和GND将会短路,并可能会流过被称为“直通(Shoot Through)电流的大电流,甚至还会造成损坏。

为了防止同时导通,需要设置一个控制电路,以实现包含可以使高低边开关同时关断期间(俗称“死区时间”)的开关动作。但是,死区时间段会成为损耗,需要尽可能地缩短该时间段,并需要非常先进的控制以同时兼顾高效高速开关(转换速率)。实际上,很难用外部电路来组成这样的控制电路,因此通常使用电机驱动器IC中配备的防止同时导通的电路。

●PWM频率
开关损耗随着PWM频率(即电压施加和电流再生周期)的增加而增加。从前面的公式中也可以清楚地看出这一点。当希望通过增加频率来减轻电流纹波时,就需要在频率与效率之间进行权衡。

●确认电机驱动器IC是否支持PWM驱动
很简单,如果在电机驱动器IC的技术规格书中没有“支持PWM驱动”的描述,则有可能无法进行PWM驱动。当特别希望用PWM方式驱动某款驱动器时,就需要与制造商确认。

如果用PWM方式驱动了不支持PWM驱动的驱动器,则很有可能无法工作,即使工作也会发生误动作或者需要外置部件或电路,因此原则上不建议尝试。

关键要点:

・关于有刷直流电机的PWM驱动损耗,可以从施加电压时、电流再生时和转换时三个状态来考虑。

・关于有刷直流电机的PWM驱动损耗,当提高开关速度(转换速率)时,效率会提高,但噪声会增加。

・关于有刷直流电机的PWM驱动损耗,当提高PWM频率时,可以减少电流纹波,但效率会降低。

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