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隨著無人機(jī)和多電飛機(jī)的發(fā)展,，更高的功率和效率成了機(jī)載電機(jī)驅(qū)動器的主要研究方向之一。現(xiàn)有的Si MOSFET開關(guān)速度雖快,，但耐壓和耐流能力有限,，無法實(shí)現(xiàn)大功率輸出，而IGBT由于存在關(guān)斷拖尾電流,，開關(guān)速度較慢,，開關(guān)損耗較大。SiC MOSFET的高耐壓,、高開關(guān)速度能有效提升電機(jī)驅(qū)動器的功率和效率,，但更高的開關(guān)速度和更大的功率對驅(qū)動器的快速響應(yīng)能力和故障快速保護(hù)能力提出了更高的要求。此外,，舵機(jī)控制器內(nèi)部兼具功率驅(qū)動電路和信息處理電路,，SiC MOSFET功率驅(qū)動電路高速開關(guān)帶來的電磁干擾問題會影響信息處理電路部分工作，有甚者會影響到上級系統(tǒng)工作,。這對舵機(jī)控制器信息處理電路及上級系統(tǒng)抗干擾設(shè)計(jì)提出了較高要求,。如何突破舵機(jī)控制器設(shè)計(jì)瓶頸，解決SiC MOSFET驅(qū)動設(shè)計(jì)難題,，提高舵系統(tǒng)可靠性和抗干擾性能成為業(yè)內(nèi)探索的一個熱門方向,。 
隨著電子技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字信號處理電路數(shù)字化、智能化,、集成化設(shè)計(jì)以成為一種發(fā)展趨勢,，也為解決上述難題提供了一個新思路。通過將Si基功率器件替換為SiC MOSFET,，可以有效提高功率電路的電壓,、電流等級，同時其較高的開關(guān)速度也能降低開關(guān)損耗,，提高驅(qū)動器動態(tài)控制性能,。然而，由于SiCMOSFET的高速開關(guān)行為,，會給驅(qū)動電路引入橋臂串?dāng)_和高頻電磁干擾,，且開關(guān)頻率提升后，死區(qū)時間占整個周期的比例變大,，會增加電機(jī)的電壓電流波形畸變,，影響電機(jī)性能，同時高速開關(guān)要求控制電路有更高的動態(tài)響應(yīng)能力,，因此電機(jī)驅(qū)動器需要針對SiC MOSFET的特點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化,。而數(shù)字化、智能化的設(shè)計(jì)思路可以有效解決SiC MOSFET帶來的問題,，實(shí)現(xiàn)整個電機(jī)驅(qū)動器系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì),。在這一設(shè)計(jì)中，功率驅(qū)動單元的優(yōu)化設(shè)計(jì)是重要一環(huán),，如何實(shí)現(xiàn)功率驅(qū)動單元與數(shù)字信息處理單元的數(shù)據(jù)交互,，如何在信息處理平臺與功率驅(qū)動單元相距5～10米的遠(yuǎn)距離條件下實(shí)現(xiàn)兩者長距傳輸通訊抗干擾，如何在不同負(fù)載條件下對驅(qū)動參數(shù)進(jìn)行實(shí)時的自適應(yīng)優(yōu)化,，如何在故障后盡快且盡量安全的對功率電路進(jìn)行保護(hù)是重要的研究內(nèi)容,。本文針對基于SiC MOSFET的三相全橋電機(jī)驅(qū)動器應(yīng)用場景，提供一種數(shù)字化智能電機(jī)驅(qū)動器及驅(qū)動方法,，為解決SiC MOSFET智能驅(qū)動問題,、數(shù)字電路與功率驅(qū)動電路數(shù)據(jù)交互抗干擾問題、橋臂串?dāng)_問題,、死區(qū)時間自適應(yīng)優(yōu)化問題,、功率驅(qū)動器過流過壓保護(hù)問題、電機(jī)霍爾及位置傳感器供電問題等提供一種行之有效的解決方案,。
該電機(jī)驅(qū)動器具有磁耦隔離,、二次電源變換、霍爾換相控制,、過壓泄放抑制,、過流限流保護(hù),、短路軟關(guān)斷保護(hù)、死區(qū)時間自適應(yīng)優(yōu)化,、驅(qū)動參數(shù)智能調(diào)節(jié),、溫度采樣、電流采樣等功能,，能夠根據(jù)數(shù)字信息處理平臺傳來的差分式PWM信號及方向信號,，實(shí)現(xiàn)一路舵機(jī)的驅(qū)動控制，能夠?qū)Χ鏅C(jī)運(yùn)行過程中反電動勢造成的過壓浪涌進(jìn)行泄放抑制,，能夠?qū)Χ鏅C(jī)工作電流進(jìn)行限流,，能夠在短路故障時及時安全的關(guān)斷功率電路，能夠根據(jù)功率回路電流大小自適應(yīng)調(diào)節(jié)死區(qū)時間,，能夠根據(jù)負(fù)載條件自動調(diào)節(jié)驅(qū)動參數(shù),，能夠通過差分總線實(shí)時反饋舵機(jī)驅(qū)動器內(nèi)部溫度,、電流,，能夠?qū)AN接口反饋位置傳感器和電機(jī)霍爾進(jìn)行供電，并完成反饋位置傳感器與信息處理平臺信息交互的中轉(zhuǎn),。
圖一 基于SiC MOSFET的三相全橋數(shù)字化智能驅(qū)動器結(jié)構(gòu)及接口布局圖 為實(shí)現(xiàn)上述目的,，采取以下技術(shù)方案。第一方面,，提供一種基于SiCMOSFET的三相全橋數(shù)字化智能電機(jī)驅(qū)動器,，三相電機(jī)驅(qū)動器主要由功率板、調(diào)理板及結(jié)構(gòu)體構(gòu)成,，無內(nèi)置軟件,。包括功率板、調(diào)理板及結(jié)構(gòu)體構(gòu)成,；
圖2 基于SiC MOSFET的三相全橋數(shù)字化智能驅(qū)動器功能框圖,。 功率板采用鋁基電路板，主要用于實(shí)現(xiàn)電能轉(zhuǎn)換,、功率驅(qū)動,、能量泄放及電流采樣等功能，包含防倒灌電路,、泄放電路,、功率驅(qū)動電路、功率橋式電路,、過流保護(hù)電路,、電流隔離采樣電路部分，利用鋁基電路板散熱良好的優(yōu)勢,，將鋁基電路板與散熱結(jié)構(gòu)體固聯(lián),，實(shí)現(xiàn)功率驅(qū)動器的良好散熱,。調(diào)理板采用FR4環(huán)氧樹脂板，用于實(shí)現(xiàn)接口信號處理,、數(shù)字信號轉(zhuǎn)換,、狀態(tài)監(jiān)控、故障保護(hù)等功能,，主要包含信號處理電路,、差分接口電路、磁隔離接口電路,、隔離電源變換電路,、二次電源變換電路、霍爾接口電路,、霍爾換相邏輯變換電路,、電流采樣轉(zhuǎn)換電路、溫度采樣電路,。所述結(jié)構(gòu)體主要用于固聯(lián)功率板和調(diào)理板,，并為功率器件提供良好的散熱載體。
圖3 隔離差分轉(zhuǎn)換,、溫度和電流采樣以及電源變換電路原理框圖,。 防倒灌電路，針對功率電路和控制電路單獨(dú)設(shè)計(jì),，功率電路部分選用1200V耐壓,，120A額定過電流能力的功率二極管，串入功率驅(qū)動器電源正線中,，用于防止電機(jī)制動時功率母線VP的電流倒流至供電電源輸入端,；控制電路部分選用耐壓250V，額定過電流能力6A的功率二極管,，串入功率驅(qū)動器電源正線中用于防止控制母線VK的電流倒流至供電輸入端,；泄放電路，采用PMOS作為功率控制器件,，采用功率電阻作為耗散負(fù)載,，當(dāng)防倒灌功率二極管后級電壓大于二極管前級電壓3V以上時，PMOS器件導(dǎo)通,，功率母線VP上的電流經(jīng)電阻進(jìn)行泄放,，從而避免母線電壓進(jìn)一步上升，其中泄放電阻采用外置方式,。
圖4 泄放電路原理圖,。 功率驅(qū)動電路，采用BM6104?FV作為驅(qū)動芯片,，該芯片根據(jù)霍爾換相邏輯電路計(jì)算輸出的PWM信號,，將控制信號放大,，輸出用于三相橋式電路門極驅(qū)動信號。BM6104?FV內(nèi)部集成了短路保護(hù)功能及有源篏位輸出功能,。短路保護(hù)功能可以檢測SiC MOSFET漏源電流大小,，在過流時會通過大電阻回路PROOUT進(jìn)行軟關(guān)斷，在緩沖時間內(nèi)若電流恢復(fù)正常,，則后續(xù)驅(qū)動芯片會恢復(fù)正常工作,，若緩沖時間過后仍檢測到過電流，則判定為短路,，進(jìn)行強(qiáng)制關(guān)斷,。軟關(guān)斷電路一方面可以及時限制過流，另一方面也留出緩沖,，避免瞬間關(guān)斷過電流功率回路導(dǎo)致瞬態(tài)電流變化率過高產(chǎn)生的極限尖峰電壓將功率器件甚至整個驅(qū)動器擊穿,。有源篏位輸出功能可以在驅(qū)動電路的正常工作中依時序在功率器件關(guān)斷后將有源米勒篏位MOSFET打開，通過米勒電容吸收高頻開關(guān)及橋臂串?dāng)_對驅(qū)動回路產(chǎn)生的干擾電壓,，同時在功率器件開通前將有源米勒篏位MOSFET關(guān)斷,，切斷米勒電容與柵源極的連接，避免影響SiC MOSFET的高速開關(guān),。三相功率橋式電路,，由3個耐壓不小于1200V,，過電流能力不小于400A的SiC MOSFET半橋功率模塊通過橋式連接方式構(gòu)成,，橋式電路母線上并聯(lián)容值不小于100uF，耐壓不小于1200V的無極性電容器,。過流保護(hù)電路,，利用SiC MOSFET的輸出特性，結(jié)合功率驅(qū)動芯片BM6104?FV內(nèi)置的去飽和檢測電路,，通過調(diào)節(jié)分壓電阻的值來確定過流電流對應(yīng)的漏源電壓,，由于去飽和電壓與功率電流存在對應(yīng)關(guān)系，因此可以通過SiC MOSFET的負(fù)載特性確定限流電流的大小,，例案中的設(shè)計(jì)值為120A,。電流隔離采樣電路，采用ACS712（或CH701)隔離電流采樣芯片,，對電源輸入的電流進(jìn)行采樣,，并經(jīng)過PWM調(diào)制電路，調(diào)制成PWM波,，經(jīng)差分接口電路輸出,，用于數(shù)字處理平臺對電流進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控。
圖5 過流采樣及保護(hù)電路原理圖,。 信號處理電路主控芯片采用DSP控制,，接收差分電路發(fā)出的PWM形式的電流采樣信號和溫度采樣信號以及指令信號,，通過運(yùn)算得出相應(yīng)的PWM控制信號及F/R方向信號給驅(qū)動電路。差分接口電路采用AM26LS31和AM26LS32作為差分接口芯片,，該器件兼容RS422接口電平形式,，其中AM26LS31用于發(fā)送PWM形式電流采樣信號和PWM形式溫度采樣信息，將TTL電平信號轉(zhuǎn)換成RS422A差分信號,。AM26LS32用于接收差分舵機(jī)控制PWM信號和FR方向控制信號,，將RS422A差分信號轉(zhuǎn)換成TTL信號。
隔離電源變換電路用于將二次電源變換電路變換出來的12V電壓信號轉(zhuǎn)換成5V隔離電壓信號用于為磁隔離轉(zhuǎn)換電路,、差分接口電路及反饋位置傳感器供電。二次電源變換電路用于將功率母線電壓轉(zhuǎn)換成12V控制電源,，具備不小于5W的功率輸出能力,，為功率驅(qū)動器及霍爾傳感器供電，并通過LDO轉(zhuǎn)換出非隔離5V信號用于磁隔離芯片功率端供電,。
圖7 功率橋式電路框圖 霍爾接口電路用于接收電機(jī)霍爾信號,，采用RC濾波電路進(jìn)行濾波，并使用齊納二極管對端口進(jìn)行保護(hù),，霍爾接口電路輸入端上拉10k歐姆電阻至霍爾電源,。霍爾換相邏輯變換電路，根據(jù)將霍爾信號,、PWM信號及方向信號,，進(jìn)行邏輯運(yùn)算，按照受限單極性驅(qū)動方式輸出6路PWM控制信號,。電流采樣轉(zhuǎn)換電路,，將電流采樣電路輸出的電壓信號轉(zhuǎn)換成2KHz的PWM波，并輸出給差分接口電路,。溫度采樣電路,，采用PWM接口形式溫度傳感器，該傳感器采用隔離5V供電,，溫度采樣范圍?55℃～150℃,。PWM輸出的溫度信號經(jīng)差分轉(zhuǎn)換后輸出。
圖8 基于SiC MOSFET的三相全橋數(shù)字化智能電機(jī)驅(qū)動器圖,。文章中提到的CH701霍爾電流傳感器IC,，是工業(yè)、汽車,、商業(yè)和通信系統(tǒng)中交流或直流電流傳感的經(jīng)濟(jì)而精確的解決方案,。小封裝是空間受限應(yīng)用的理想選擇，同時由于減少了電路板面積而節(jié)省了成本,。典型應(yīng)用包括電機(jī)控制,、負(fù)載檢測和管理,、開關(guān)電源和過電流故障保護(hù)。
CH701可以檢測到50A峰值的電流,。
如果需要檢測更大電流,，需要更高的隔離電壓，可以選擇更大電流范圍的產(chǎn)品,，比如16腳的CH701W系列,，電流范圍可以到70A，絕緣耐壓可以到4800Vrms：
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