王郅祺，王相超

（杭州电子科技大学 电子信息学院，浙江杭州，310018）

0 引言

无刷直流电机在汽车、工业控制、航天等各领域都有着极其广泛的运用，相较于传统的有刷直流电机，无刷直流电机拥有效率更高、寿命更长的优点，因此，无刷直流电机往往应用于大电流、大功率的场景。这也使得无刷直流电机对驱动电路的要求比较高。传统驱动电路的设计，需要采用相互独立的电源为功率开关管供电，使得电路结构复杂，可靠性较低[1]。采用国产专用功率驱动芯片与功率开关管，不仅可以简化设计，又能满足需求，节省一定成本。

本文使用屹晶微公司生产的专用功率驱动芯片EG2181，对无刷直流电机进行设计。最后通过实验验证了本方案的可靠性和可行性。

1 EG2181驱动芯片

EG2181是由屹晶微公司推出的一款专大功率MOS管、IGBT管栅极驱动专用芯片，内部集成逻辑信号处理电路、死区时间控制电路、输出驱动等电路，专用于无刷电机控制器中的驱动电路。

HIN为逻辑输入引脚，控制高端MOSFET的开关；LIN为逻辑输入引脚，控制低端MOSFET的开关；GND为芯片的地端；LO输出控制低端MOSFET的开关；Vcc为芯片工作电源输入端；VS是高端悬浮地端；HO控制高端MOSFET开关；VB为高端悬浮电源。

EG2181高端的最大工作电压可达600V，低端VCC最大可输入电压20V，最大输出电流2.5A，采用 SOP8 封装，体积小、性能强。

2 无刷直流电机驱动电路设计

电路整体分成缓冲隔离、预驱动、三相逆变、过流保护四部分。

2.1 缓冲隔离电路

由于单片机引脚驱动能力有限，为了提高驱动能力，同时为了避免昂贵的控制芯片直接和后级高压部分接触产生风险，中间采用74LVC245芯片作为缓冲隔离电路。

图2 74LVC245电路图

2.2 预驱动电路

直流无刷电机往往使用在大电流场景，为了能够驱动大电流大功率电机，就需要把从单片机产生的PWM信号放大成足够强，适用于外部设备的强电信号。EG2181最大输出电流为2.5A，拥有非常强悍的驱动能力。

无刷直流电机具有3个接线端，需要3个相同的EG2181电路来同时驱动，图3为其中一部分电路。

图3 EG2181电路图

C11为滤波电容，滤除输入电源的纹波，使芯片稳定工作。

C12为自举电容，D12为自举二极管，为高压端的MOSFET提供电源。一个半桥的高压端管在导通前需要先对电容C12充电，当其两端电压超过阈值电压MOSFET的栅极开启电压，高压侧MOSFET导通[2]。

图1 EG2181管脚定义

自举电容必须为开关管提供导通时所需要的栅极电荷。取值一般遵从：

Qg为MOSFET导通时所需要的电荷量，Vc

c为悬浮电源绝对电压，Vf为自举二极管正向压降，Vl为低压侧功率管压降。自举电容的取值要根据其他元件的参数选定，实际一般取10μF即可满足条件。

自举二极管的反向承受电压大于母线电压，本次实验测试时输入PWM频率为50kHz，MOSFET在实际使用中开关频率很高，所以应该选择耐压值高的快恢复二极管，这里选用FR107二极管，反向耐压1000V，反向恢复时间小于500ns。

R11、R12、R13、R14为偏置电阻，在没有信号接入时可将芯片输入引脚拉低，防止误操作。

D11为瞬态抑制二极管，用于吸收电源开启瞬间造成的浪涌大电压，从而保护后级。

2.3 三相逆变电路

由MOSFET和电阻、二极管构成的三相逆变电路，能够将直流电转化成三相无刷电机所真正需要的三相交流电。是整个驱动电路中最为重要的部分。图4为其中一相的电路，整体由同样的3组电路构成。

图4 MOSFET逆变电路

HOA信号为EG2181高端MOSFET控制引脚输出信号，LOA信号为EG2181低端MOSFET控制引脚输出信号,VSA为输出信号。

Q1、Q2、Q3、Q4为NEMOSFET，上下两侧分别构成上下桥臂，同一路上下两MOSFET不能同时导通，否则会因为电流过大直接烧毁元件。图中采用MOSFET并联结构，能够提高载流能力。MOSFET选型原则上需要有较强载流能力，开关频率高，耐压值高，本设计采用BSC014N04LS场效应管，其拥有高达198A的短时漏极载流和最高20V的栅极耐压，TDSON-8FL封装也能带来较小的寄生参数和较好的散热。

R22、R24电阻主要有两个作用，首先是在MOSFET栅极输入悬空时，避免漏极电压直接通过栅漏两极之间的寄生电容倒灌到栅极，及时泄放掉电荷，防止误触发和意外击穿，从而保护MOSFET；其次，防止静电损坏MOSFET。电阻典型取值为10kΩ或20kΩ。

R21、R23为栅极电阻，由于线路中阻抗和杂散电感的存在，MOSFET栅极在硬开关的时候会产生震荡[3]。如果在输入PWM波形低电平的时候产生了震荡且超过了栅极的门限电压，就会造成MOSFET的误导通，不仅会增加损耗，更严重情况下会使得上下桥臂同时导通产生超大电流烧毁元器件；高电平震荡则可能因为超出MOSFET极间耐压值从而击穿MOSFET。栅极电阻则能够消耗部分能量，从而有效抑制震荡改善波形，电阻取值往往需要根据实际实验情况选取，图5和图6是测试时电阻分别取4.7Ω和10Ω时MOSFET输出波形的对比，当栅极电阻大小为4.7Ω时最大震荡电压为17.2V，当栅极电阻大小为10Ω时最大震荡电压为13.8V，由此可见适当增大栅极电阻能有效改电压善震荡问题，但需要注意栅极电阻最好不要过大，否则会造成开关波形上升时间过长致使MOSFET发热损耗严重[4]。

图5 R=4.7Ω时开关电压波形

图6 R=10Ω时开关电压波形

D21、D22为二极管，能够加速MOSFET栅极波形从高电平转到低电平的时间，加速开关管关断。应该选择反向恢复时间较短的二极管，本设计选型为1N4148快恢复二极管，反向恢复时间小于350ns。

C21为电解电容，无刷直流电机作为感性负载，在工作时往往会产生反电动势降低电源质量，从而影响电路稳定性。电解电容能够有效吸收无刷电机产生的叠加在母线上的纹波电压[5]，其耐压值的选取一般为所承受电压的2倍，本次设计中电压值为12V，故选取25V耐压、容值为470μF的电解电容。

R25为采样电阻，用于后续过流保护模块的采样。

2.4 过流保护电路

通过电阻采样得到电压信息，连接至单片机并换算成电流，当得到的电流超过程序内部设定的阈值时就会自动关闭输出，从而起到过流保护的作用，这一点对于整个电路的安全性具有非常重要的意义，本设计由COS8552运放芯片实现，具体电路见图7。

图7 过流保护电路

1片COS8552芯片包含2个运放，具有相同的2路电流检测电路，现对具体1路解释说明。VREF为参考电压，IA为三相逆变电路中其中一相采样电阻上端电压，ISUM为上述采样电阻下端电压，CU_A为输入到单片机的电压信息，三者关系满足：

图上电阻选择应满足关系式：

3 测试

完成电路设计后，需要将实物制作出来并进行测试，测试所用电机主要参数见表1。

表1 电机部分参数

无刷直流电机需要通过有规律地对三相定子绕组通电才能驱动。为了方便测试，使用单片机产生所需要的PWM信号来使无刷直流电机转动，并进行信号不同占空比情况下的转速测试、电流测试。

表2为转速测试情况，由单片机产生不同目标转速的PWM信号，并用霍尔传感器测得实际转速信息并计算相应误差，受传感器精度、电机实际生产情况、电路板走线布局等因素影响，数据本身存在误差，不一定完全准确。在测得的15组数据中，前5组转速取值间隔为1171RPM/min，后10组转速取值间隔为586RPM/min。转速平均误差为1.45%，最大误差3.16%，最小误差0.29%，误差较小，符合实际应用的需求。

表2 电机转速测试

表3为不同目标转速情况下电机空载电流大小，在以下不同目标转速情况下各运行10分钟，仅电机产生微热，电路板能够稳定工作运行。且当在电机运行时用手进行堵转测试时，堵转产生的大电流超过了程序内部设定的电流阈值，造成单片机输出关闭，有效保护了电路。

表3 电机电流测试

4 结语

本文给出基于国产驱动芯片EG2181的无刷直流电机驱动电路设计方案。详细介绍了缓冲隔离、预驱动、逆变桥、过流保护电路设计方案，给出元器件选型原则和具体选型。最后利用单片机产生PWM信号，对13.5T额定功率为190W的无刷直流电机进行了测试，对比实测转速与程序设计转速，两者非常接近，且在电机启动、停止、变速、长时间工作情况下系统均能保持稳定工作，对其进行堵转测试时过流保护电路也能有效发挥作用，测试结果验证了基于EG2181进行无刷直流电机设计的可行性。采用国产驱动芯片也能够在满足性能的同时大幅降低成本。