高可靠BLDCM驱动电路换相控制法研究

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随着信息时代和数字化时代的到来,电子元件集成度愈来愈高,各种消费类电子产品呈现出轻薄化,小型化的发展趋势。空间越来越小,集成度越来越高,电子产品散热问题愈发突出,因此无刷直流电机(BLDCM,Brushless DC Motor)被广泛使用。然而各种BLDCM驱动电路换相控制国内鲜有涉及,国际上也主要为两家大厂所垄断,如日本的Sanyo和Rohm,因此研究BLDCM驱动电路换相控制具有重要的学术意义和经济价值。本论文主要对高可靠BLDCM驱动电路换相控制进行研究。通过分析工作原理,研究了高可靠BLDCM驱动电路的换相控制法。主要包括:反冲电压产生及抑制机理与抑制方法;研究BLDCM换相的软开关控制法。创新性提出两种换相控制电路:反冲电压抑制电路与软开关换相控制电路。具体创新如下:①提出一种感性负载反冲吸收电路(KAC,KickbackAbsorption Circuit:IEEET-IE,2011.02)。该电路利用高速比较器检测感性反冲电压是否出现。一旦检测到反冲电压,高速比较器会产生一组逻辑控制信号用以调整H桥的工作状态,实现电流续流以吸收反冲电压。此吸收电路可完全集成至驱动IC内部,同时无需外置功率齐纳二极管和大电容。该电路主要用于功率管内置的单相BLDCM驱动电路。该反冲电压吸收电路已成功通过UMC0.6μm18V2P2M BCD工艺流片验证。在散热BLDCM上实测:未加反冲电压吸收电路时,反冲电压超过4.9V,加反冲电压吸收电路后反冲电压只有1.5V。②提出一种反冲电压抑制驱动拓扑结构(Electronics and Signal Processing,2011.06)。新驱动拓扑引入了电源分离电路,当反冲电压出现时,该拓扑能自动控制外置H桥工作以抑制反冲电压。新驱动拓扑无需功率齐纳二极管,大电容和高速检测比较器。此外该驱动拓扑不会增加任何元器件。该电路主要用于功率管外置的单相BLDCM驱动电路。该驱动拓扑已通过本论文设计的功率管外置驱动IC验证:实测发现采用传统的驱动拓扑,反冲电压超过30V,采用新驱动拓扑反冲电压只有4.0V。③提出高精度零温度系数电流基准源。该电流基准源基于片上电阻,采用电流模工作模式,折中考虑电阻的温度系数、面积以及电流基准源的变化率因素,设计时选用P+扩散电阻。该电流基准源已通过UMC0.6μm18V2P2M BCD工艺流片验证。实验结果表明电源电压3.3V,温度-40℃~+85℃时最大温度系数为74ppm/K;电源电压从2.5V~5.5V,温度分别为-40℃、25℃和85℃时,电流基准源的线性调整率分别为:-40℃时0.27%,25℃时0.27%,85℃时0.39%。④提出BLDCM驱动电路软开关换相控制方法。基于上述控制方法设计了两种实现途径:一是设计了一种软开关比较器电路,该电路主要用于单相BLDCM驱动电路的软开关换相控制;二是提出了一种PWM(pulse-width modulation)软开关换相控制法,该方法主要用于三相BLDCM驱动电路的软开关换相控制。上述两种软开关换相控制途径分别采用UMC0.6μm18V2P2M BCD和UMC0.6μm5V2P3M BiCMOS工艺验证,并已成功集成至BLDCM驱动芯片。
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