基于 STEVAL-PTOOL1V1 紧凑型BLDC开发工具的栅极驱动保护电路应用经验

关键字 :STSPINMotorBLDC

低压BLDC驱动,尤其是电动工具的应用,电压等级一般有两种,一种是18V, 另一种是62V;对于18V的电压等级,电流尤其大,在硬件设计上需要注意下面几点;

  1. 尽量用单电阻采样;
  2. MOS管的布局需要用半桥对称结构,半桥之间尽量靠近;
  3. 电流很大,空间辐射很容易产生,所以电容和逆变桥之间尽量走小回路;
  4. 逆变桥是硬开关,所以每个半桥尽量加电容吸收杂主回路散电感的冲击;
  5. 在短路情况,逆变中点有可能会产生负压,栅格驱动需要做一定的保护;
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下面具体说说在栅极驱动部分的保护电路经验:

在短路或者堵转的极端情况,逆变中点有可能会产生负压,栅格驱动需要做一定的保护;如下图,具体的原理过程分析如下:

 

  1. 外部故障或者电机堵转,逆变桥出现短路情况;
  2. 瞬间功率MOS 会进入饱和导通状态;
  3. 运放把电流信号放大 à 输入到比较 à 比较器翻转 à MCU PWM控制栅极驱动器封桥;上面的过程一搬时间会设计在这个2—5us之间;
  4. 栅极驱动器的输出拉低,从MOS 的栅极瞬速抽取电流,直到MOS完全关断;
  5. 短路情况下MOS 关断过程:内阻升高 à 回路中杂散电感在短路电路的作用下会在MOS 上产生高压 à MOS 进入雪崩击穿过程 à MOS 进入雪崩击穿过程结束后,电机电感存储的能量还会通过MOS 中的体二极管继续释放;

因为雪崩击穿过程时间很短,一般在10us 内要结束,所以最后续流过程电机电流几乎还是短路时的电流(MOS饱和导通电流);

例如是18V , 500W的BLDC应用中,主回路中的 MOS 管会采用并联的方式,饱和导通电流可达500A—1000A,续流电流也会是 500A—1000A;

在这么大电流的作用下,DC-的回路(包括:铜皮,采样电阻,续流二极管)会产生一个比较大的压降,如果这个压降超过栅极驱动电路中点能够承受的最大负压,栅极驱动器就会损坏,而栅极驱动电路中点能够承受的负压一般只有 -1V; 因此我们设计时需要想相应的办法保护栅极驱动器;


如上图,逆变桥电压中点与栅极驱动器的HSU, HSV,HSW中间串联一个电阻,并且用二极管对GND做钳位; 这样的设计可以保证HSU, HSV,HSW不会受过大负压的损坏;

以上的原理分析和电路设计在实际的应用中,已经得到充份的验证;


STEVAL-PTOOL1V1是基于STSPIN32F0B的电动工具开发板,用到的 ST 的物料有:主芯片STSPIN32F0B,MOS STL220N6F7;

STSPIN32F0B是一款专门为电机驱动而设计的电机驱动芯片,具体的特点如下:

  1. 具有通用的内核(32-bit ARM ® Cortex ® -M0),内部没有固化任何软件,整个内核可供用户自由开发,软件全部由用户自我控制,充分体现了ST 电机驱动应用方面的自信和开放;
  2. 内置三相半桥栅极驱,门极驱动推电流600 mA, 拉电流600 mA,完全可以满足大功率的电动工具的门极驱动需求;除此外:三相半桥栅极驱的最低工作电压可到6.7V;
  3. 内置过流保护的比较器;
  4. 内置 DC-DC, LDO, OP;
  5. STSPIN32F0252封装是VFQFPN48 7x7,除去了专用的引脚外,还有 21个通用的IO 可以供用户自由陪置应用功能(I 2C, USART 和 SPI 接口都有);

5. 芯片的节温范围是:-40至+125°C,可以满足用户的绝大多数密闭空间,高功率密度的应用;

ST Demo STEVAL-PTOOL1V1 链接:

https://www.st.com/content/st_com/en/products/evaluation-tools/solution-evaluation-tools/motor-control-solution-eval-boards/3-phase-motors-pmsm-bldc-acim/steval-ptool1v1.html




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