高可靠BLDCM驱动电路换相控制法研究

摘要

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，Kickback Absorption Circuit：IEEE T-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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第一章 绪 论

1.1 引言

1.2 BLDCM驱动电路换相控制现状

1.3 主要研究内容和创新点

第二章 BLDCM驱动电路换相控制原理

2.1 引言

2.2 定位传感器型单相BLDCM换相控制原理

2.3 无定位传感器型三相BLDCM换相控制原理

2.4 本章小结

第三章 定位传感器型单相BLDCM驱动电路

3.1 引言

3.2 驱动电路工作原理

3.3 ZTC电流基准源及软开关电路

3.4 保护电路

3.5 测试结果与分析

3.6 本章小结

第四章 单相BLDCM反冲电压抑制电路

4.1 引言

4.2 反冲电压产生原理

4.3 传统反冲电压抑制电路

4.4 KAC电路

4.5 电源分离法反冲电压抑制电路

4.6 本章小结

第五章 无定位传感器型三相BLDCM驱动电路

5.1 引言

5.2 启动电路

5.3 过零检测及逻辑运算电路

5.4 测试结果与分析

5.5 本章小结

第六章 结论及展望

6.1 论文工作结论

6.2 研究工作展望

致谢

参考文献

附录

攻博期间取得的研究成果