基于cpld的无刷直流电机控制器设计毕业(论文)设计

浙江理工大学本科毕业设计(论文)

1)MOS管的选型

P(positive)沟道MOSFET的载流子是空穴,与电子相比,它的“活动性”差,且有“少数载流子生存时间”短的缺陷,这些都是影响半导体器件性能的重要参数。通常P沟道FET的性能较差,他有较高的栅极门限电压、较高的Ron以及较低的饱和电流[9]。

所以方案中,采用全N(negative)沟道的MOSFET构成逆变桥。实际选用的型号为IRFP2907。 2)MOS管的驱动

在选择全N沟道MOSFET后,由其工作特性可知,当给栅源极间加一个正

向电压,并且其值超过数据手册上的阈值电压VGS(以IRFP2907为例,100A的

V)导通饱和电流对应VGS?5时, 场效应管的D极和S极就会导通(I-V特性曲线),且一般N型功率型场效应管的阈值电压都会在3~20V之间。

依旧以AB相导通为例,此时Q1和Q4管导通,一般场效应管的导通电阻Ron都在毫欧级,所以B点的电位近似为0V,A点的电位就近似为VCC。这就使得要驱动这两个MOS管,Q1管的栅极电压要大于(VCC?VGS),Q4管的栅极电压要大于VGS。这使得采用CPLD端口直驱(或加三极管信号放大直驱)的方式将不可行。

故方案中采用了三片MOS管的专用驱动芯片(IR2181),来驱动各自的MOS

管桥臂。详见逆变电路MOS管的驱动电路。 3)选用的IRFP2907 MOSFET的基本参数:

1. 额定参数(Absolute Maximum Ratings)

参数名称 最大值 209 840 470 单位 A A W V ID @ Tc ?25?C 持续漏极电流,VGS @ 10V IDM PD @ TC?25?C VGS 漏极峰值电流 功耗 栅源极击穿电压 ?20

方案实际采用的逆变电路原理图如下图2-3所示。

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下面只对其中一个做分析

VGS?VT关断状态

图2-4 构成逆变桥的基本MOS模块 图2-5 MOS管外围驱动电路

型对其建模,结合栅极电容,可描述为SRC模型[10],如下图2-6所示:

由于电势的相对性,故对于每个模块来说,他们的工作原理也是完全一致的。故

其中,查表可知,Ron?3.6m?,

VGS?VT浙江理工大学本科毕业设计(论文)

图2-3 方案实际采用的逆变电路

导通状态Ron

VGS?VT)?VDS,可以用SR开关模此驱动电路中,MOSFET工作在开关管状态(从图中不难发现,逆变电路由如图2-4所示的完全相同的MOS模块构成。

图2-6 MOSFET的开关-电阻-电容(SRC)模型

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模型也可用代数方式描述为:iDS?VDS???RON VGS?VT (1) ?? 0 VGS?VT 如图2-5所示,模块中用虚线包围的这部分电路,是驱动MOS管的辅助电

路。此模块用MOS管的SRC模型可等价描述为如图2-7所示的电路。

图2-7 MOS管外围驱动电路的等效电路

其中各元器件的作用如下: R6的4个作用: 1)防止震荡:

上级的I/O输出口及连接导线都会带点分布电感,这使得在电压突变的情况下可能和栅极电容Ciss形成LC振荡,当它们之间串上R6后,可增大阻尼而减小振荡效果。

2)减小栅极充电峰值电流:

当栅极电压拉高时,首先会对栅极电容充电,充电峰值电流可大致计算为:

I?Qgtd(on)?tr?410nC?1.92A23ns?190ns (2)

可见驱动脉冲电流很大,串上R6后可放慢充电时间而减小栅极充电电流 3)保护场效应管的D-S极不被击穿:

当栅极关断时,D-S从导通状态变为截止状态时,漏源极电压VDS会迅速增加,如果过快,就会击穿器件,所以添加R6可以让栅极电容慢慢放电,而不至于使器件击穿。

4)和IN4744构成稳压电路,防止VGS击穿:

栅源极击穿电压VGS??20V,IN4744稳压管稳压值15V。故可防止由于MOS

管的驱动电路故障或环境静电而损坏MOS管。

MOS管外围的其他的元器件,是MOS管过流保护模块的对流过MOS管电

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流值的采样电路。详见逆变电路MOS管的过流保护电路。 2.2.2逆变电路MOS管的驱动电路

MOSFET的驱动电路设计不当,MOSFET很容易损坏。采用成熟的驱动控制

芯片IR2181S组成的电路,可有效简化系统的复杂性。IR2181S优点是可靠性高,外围电路简单,兼容3.3VCMOS和5VLSTTL数字电路静态规则。浮动驱动端可以驱动N通道MOSFET或者IGBT在高压侧电压600V时的场合,最大输出电流可达到1.9A(高端)2.3A(低端)。 1)芯片结构及原理和典型电路

其主要由:输入逻辑电路,电平转换器,低端功率晶体驱动管和高端晶体驱动管组成。结构框图如下图2-8所示。

图2-8 IR2181的结构框图

其典型电路如下图2-9所示。

图2-9 IR2181的典型电路

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