無刷直流電動機控制電路柵極電源的獲得方式
鐘仁人(西安微電機研究所)
無刷直流電動機廣泛采用橋式電路，而VMOS管或IGBT是其主要應用的功率器件。圖1繪出了VMOS管的三相橋路（繞組星形接線），IGBT與其類似。
每一個管子需要一組柵極電源，以供給正、負電壓。當管子導通時，需在柵極上施加足夠高的正電壓；管子關斷時，則施加負電壓，以迅速拉出柵極上積存的電荷。正負電壓的極限值為20V，一般采用+15V、-5V。
橋路中的下管由于源極同電位（指一般采用N溝道VMOS管），下管的柵極電源可以共用。但橋路中所有上管VMOS的源極或IGBT的E極均是獨立的，柵極電源無法共用。因此所需獨立電源的數(shù)量是很多的。一個三相橋路需要四組電源，即正負電源共8個，無論用工頻變壓器整流濾波，還是開關電源，都是很繁鎖的。雖然上管可選用P溝道VMOS管解決柵極電源的共用，但由于P溝道管工藝上存在困難，目前管子的電壓、電流都很有限，容量較小而價格較高，實際應用范圍極有限。
2橋路自給柵極電源
這里均針對實際多用的N溝道VMOS。由于下管的柵極電源可共用，甚至可與控制電源共用，故問題的討論是針對橋路上管。
2.1柵極正電源的取得
利用下管導通瞬間，自下管的柵極正電源或控制電源取得，見圖2中的三相橋。圖中源極上的電容Gs一般取值數(shù)l0μF至100μF。大電流管子柵極輸入電容較大，應取較大值，耐壓可取25V。二極管D應選用快速二極管（若斬波頻率較低，亦可用整流二極管），其反向耐壓值****不低于主電路電源電壓的2倍。
2.2柵極負電源的取得
2.2.1利用下管關斷時出現(xiàn)的管壓
如圖3所示H橋路，由于下管關斷時GND對上管源極S呈負壓，經二極管D可在電容Cs上充上負壓。此電壓****可達主電源電壓。電容Cs的耐壓可據(jù)此選定，二極管D的耐壓值以不低于2倍的主電源電壓為宜。由于所獲得的電容電壓可能遠高于15V，應削峰穩(wěn)壓，見圖3。圖中采用穩(wěn)壓二極管，亦可用三端穩(wěn)壓器。后者須注意不使其輸入電壓超過允許值，否則要采取適當措施。為防止Cs上電壓過高，可在二極管支路上串以適當電阻。
2.2.2在上管的公共端（漏極）設置負電源
前一方法在電容C上所取得的電壓略低于主電源電壓，這適用于主電源電壓不太高的場合。如果其值遠高于20V，使用起來就不方便，也感到對管子不安全。這時，可在主電源的正端，即上管的漏極設置一負電源，利用上管導通瞬間對VMOS管源極電容充電，取得柵極負電源，見圖4。
該附加電源電壓可取13～18V。電容Cs耐壓可取25V，容量數(shù)l0μF至l00μF。快速二極管D耐壓取2倍的主電源電壓。
此方法雖增加一個電源，但每個管子的電源電路既簡單又安全，電客電壓也較穩(wěn)定。
上述自給正、負柵源用于一般的斬波工作的無刷直流電動機是比較理想的。對于非斬波工作狀態(tài)的橋路，只要上下管在工作狀態(tài)輪流地間斷導通與關斷，同樣可實現(xiàn)柵極電源自給。只不過VMOS管的導通與關斷間 隔時間較長，源極電容要用得大一些，二極管則可采用1N4000系列整流管。105r/min以上的高速無刷電機，仍用快速二極管為宜。另外對于可能出現(xiàn)較長時間堵轉的電機。
例如無刷直流力矩電動機，由于堵轉狀態(tài)使管子輪流導通與關消失，Cs上的電壓由于得不到電荷補充而逐漸降低，以致導通管內阻增加，逐漸趨于截止，而原截止的上管的柵極負電壓也因逐漸趨于零而影響管子的可靠截止。經過一段時間便會影響電機的正常工作。故采用自給柵極電源的非斬波無刷直流電機只可短期堵轉。必須長期堵轉的電機，應采用斬波電路，且占空比不得接近“1”，即不應出現(xiàn)管子的全開通狀態(tài)。
對于非斬波工作而又會出現(xiàn)長時間堵轉的無刷直流電動機，宜采用圖6所示的橋路自給電源的方式。
圖6中在主回路電源正端設置的是附加正電源，在它上面取得橋路各上管的柵極正電源。而上管柵極負電源是自下管的柵極負電源或控制負電源取得。這樣即使在堵轉時，也不再出現(xiàn)換路狀態(tài)，橋路各管的柵極正、負電源均未失去補充的來源。因此無論堵轉多長時間，柵源電壓仍不會降低，電路始終能正常工作。
圖中二極管D，與D2仍按2倍的主電源電壓確定耐壓值。電容Csl與CS2的額定電壓按所需的柵壓確定，電容CS，CS2額定電壓按Ea+15V碉定。
3結語
文中提出的柵極電源橋路自給方法是利用橋路器件的開通與關斷，自本身的主回路或控制電源上取得柵極電源。這充分利用了VMOS管或IGBT柵極所需驅動電流甚小、驅動電壓相對較高，即柵極輸入阻抗很高的特點。對于雙極性三極管所需的基極電源正好相反，驅動電流大，驅動電壓甚低，輸入阻抗很低，難以靠電容儲能取得。因此雙極性三極管橋路基極自給電源實現(xiàn)很困難。
文中所述的橋路自給柵極電源雖是針對無刷直流電動機的三相橋路，也同樣適用于VMOS管、IGBT的其他處于斬波工作狀態(tài)的橋路。例如有刷直流電動機及步進電動機的H橋。對于多相步進電動機的H橋路，意義尤為突出。如混合式五相步進電動機，5個繞組則有5個H橋。按通常情況需要6組電源（上管5組，下管1組）。每組正負電源各一，總共12個電源。而采用橋路自給柵源，只需1組正負電源及1個附加負電源，僅3個電源。對于多座標的驅動系統(tǒng)，仍然只需這3個電源，省去的電源個數(shù)就更多
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