无刷直流电动机控制电路栅极电源的获得方式
钟仁人(西安微电机研究所)
无刷直流电动机广泛采用桥式电路，而VMOS管或IGBT是其主要应用的功率器件。图1绘出了VMOS管的三相桥路（绕组星形接线），IGBT与其类似。
每一个管子需要一组栅极电源，以供给正、负电压。当管子导通时，需在栅极上施加足够高的正电压；管子关断时，则施加负电压，以迅速拉出栅极上积存的电荷。正负电压的极限值为20V，一般采用+15V、-5V。
桥路中的下管由于源极同电位（指一般采用N沟道VMOS管），下管的栅极电源可以共用。但桥路中所有上管VMOS的源极或IGBT的E极均是独立的，栅极电源无法共用。因此所需独立电源的数量是很多的。一个三相桥路需要四组电源，即正负电源共8个，无论用工频变压器整流滤波，还是开关电源，都是很繁锁的。虽然上管可选用P沟道VMOS管解决栅极电源的共用，但由于P沟道管工艺上存在困难，目前管子的电压、电流都很有限，容量较小而价格较高，实际应用范围极有限。
2桥路自给栅极电源
这里均针对实际多用的N沟道VMOS。由于下管的栅极电源可共用，甚至可与控制电源共用，故问题的讨论是针对桥路上管。
2.1栅极正电源的取得
利用下管导通瞬间，自下管的栅极正电源或控制电源取得，见图2中的三相桥。图中源极上的电容Gs一般取值数l0μF至100μF。大电流管子栅极输入电容较大，应取较大值，耐压可取25V。二极管D应选用快速二极管（若斩波频率较低，亦可用整流二极管），其反向耐压值****不低于主电路电源电压的2倍。
2.2栅极负电源的取得
2.2.1利用下管关断时出现的管压
如图3所示H桥路，由于下管关断时GND对上管源极S呈负压，经二极管D可在电容Cs上充上负压。此电压****可达主电源电压。电容Cs的耐压可据此选定，二极管D的耐压值以不低于2倍的主电源电压为宜。由于所获得的电容电压可能远高于15V，应削峰稳压，见图3。图中采用稳压二极管，亦可用三端稳压器。后者须注意不使其输入电压超过允许值，否则要采取适当措施。为防止Cs上电压过高，可在二极管支路上串以适当电阻。
2.2.2在上管的公共端（漏极）设置负电源
前一方法在电容C上所取得的电压略低于主电源电压，这适用于主电源电压不太高的场合。如果其值远高于20V，使用起来就不方便，也感到对管子不安全。这时，可在主电源的正端，即上管的漏极设置一负电源，利用上管导通瞬间对VMOS管源极电容充电，取得栅极负电源，见图4。
该附加电源电压可取13～18V。电容Cs耐压可取25V，容量数l0μF至l00μF。快速二极管D耐压取2倍的主电源电压。
此方法虽增加一个电源，但每个管子的电源电路既简单又安全，电客电压也较稳定。
上述自给正、负栅源用于一般的斩波工作的无刷直流电动机是比较理想的。对于非斩波工作状态的桥路，只要上下管在工作状态轮流地间断导通与关断，同样可实现栅极电源自给。只不过VMOS管的导通与关断间 隔时间较长，源极电容要用得大一些，二极管则可采用1N4000系列整流管。105r/min以上的高速无刷电机，仍用快速二极管为宜。另外对于可能出现较长时间堵转的电机。
例如无刷直流力矩电动机，由于堵转状态使管子轮流导通与关消失，Cs上的电压由于得不到电荷补充而逐渐降低，以致导通管内阻增加，逐渐趋于截止，而原截止的上管的栅极负电压也因逐渐趋于零而影响管子的可靠截止。经过一段时间便会影响电机的正常工作。故采用自给栅极电源的非斩波无刷直流电机只可短期堵转。必须长期堵转的电机，应采用斩波电路，且占空比不得接近“1”，即不应出现管子的全开通状态。
对于非斩波工作而又会出现长时间堵转的无刷直流电动机，宜采用图6所示的桥路自给电源的方式。
图6中在主回路电源正端设置的是附加正电源，在它上面取得桥路各上管的栅极正电源。而上管栅极负电源是自下管的栅极负电源或控制负电源取得。这样即使在堵转时，也不再出现换路状态，桥路各管的栅极正、负电源均未失去补充的来源。因此无论堵转多长时间，栅源电压仍不会降低，电路始终能正常工作。
图中二极管D，与D2仍按2倍的主电源电压确定耐压值。电容Csl与CS2的额定电压按所需的栅压确定，电容CS，CS2额定电压按Ea+15V碉定。
3结语
文中提出的栅极电源桥路自给方法是利用桥路器件的开通与关断，自本身的主回路或控制电源上取得栅极电源。这充分利用了VMOS管或IGBT栅极所需驱动电流甚小、驱动电压相对较高，即栅极输入阻抗很高的特点。对于双极性三极管所需的基极电源正好相反，驱动电流大，驱动电压甚低，输入阻抗很低，难以靠电容储能取得。因此双极性三极管桥路基极自给电源实现很困难。
文中所述的桥路自给栅极电源虽是针对无刷直流电动机的三相桥路，也同样适用于VMOS管、IGBT的其他处于斩波工作状态的桥路。例如有刷直流电动机及步进电动机的H桥。对于多相步进电动机的H桥路，意义尤为突出。如混合式五相步进电动机，5个绕组则有5个H桥。按通常情况需要6组电源（上管5组，下管1组）。每组正负电源各一，总共12个电源。而采用桥路自给栅源，只需1组正负电源及1个附加负电源，仅3个电源。对于多座标的驱动系统，仍然只需这3个电源，省去的电源个数就更多
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