通过图文讲解电机控制器中的MOS驱动

2022-10-11 416

导读

三相直流无刷电机由于其可靠性高、免维护的特点，逐渐取代有刷电机，成为汽车风机、水泵、油泵的首选动力来源。在设计电机控制器时，不能直接使用通用MCU的IO引脚驱动功率MOS，此时预驱芯片是最优选择。

1.引言

通用MCU或DSP的IO电压通常是5V3.3V，IO的电流输出能力在20MA以下，不足以直接驱动功率MOSFET。所以使用通用MCU或DSP来设计电机驱动器时，通常需要搭配外部的MOSFET驱动器，我们称之为“预驱”。在设计汽车风机、水泵、油泵等电机驱动控制器时，使用车规MCU+车规预驱+车规N沟道功率MOSFET，可以适配不同功率、各种通信方式和各种驱动方式。

2.控制器中的功率MOS驱动

图1 直流无刷电机驱动电路

如图，三相直流无刷电机（包括BLDC和PMSM）功率级驱动电路使用6个N沟道功率MOS构成三相全桥，分为三个连接到电源正极（VBus）的高边MOS和三个连接到电源负极的低边MOS。控制器通过控制六个MOS的通断，完成换相，使电机按照预期转动。电机在运转过程中可能会遇到堵转而导致过流，因此MOS驱动电路需要具有保护功能，以防止烧坏控制器或电机。

对于单个NMOS来说，在开通时，需要提供瞬间大电流向MOS内的寄生电容充电，栅源电压（VGS）达到一定阈值后，MOS才能完全开通。在MOS开通后，还需要维持合适的栅源电压（VGS），才可以保持开通状态。

对于低边MOS，其源极（S）接到电源负极，栅源电压容易满足，驱动较简单。

对于高边MOS，其源极（S）接到电机相线，其电压是不确定的，如果需要开通，需要通过自举电路提供栅极电压，驱动较复杂。

图2 VGS与RDSON的关系

一般情况下，MOS的导通内阻都如图2所示，随着VGS的增大而降低，但VGS大于10V之后，下降曲线变得平缓。为了达到最小的导通电阻(RDSON)，VGS的取值通常为10~15V。

3.车规预驱——MPQ6531

MPQ6531是MPS推出的一款专门用于汽车三相直流无刷电机控制器的预驱，符合AEC-Q100 Grade 1，输入电压为5-60V，可以满足12V/24V汽车电气系统下的需求。

图3 MPQ6531典型应用电路

1、集成三相预驱，体积仅4x5mm

MPQ6531是高度集成的预驱，其内部集成三个高低边驱动器，可以直接驱动由6个NMOS构成的三相全桥。采用QFN-28封装，体积为4x5mm，仅相当于SOP8封装的单个高低边驱动大小，非常适合于有体积要求的电机驱动控制器。

2、与MCU连接简单，占用引脚少

MPQ6531仅有6个PWM输入信号、1个故障输出信号与MCU连接，占用MCU引脚非常少。如有需要低功耗控制，MPQ6531还提供了一个nsleep引脚，拉低该引脚，芯片可以进入低功耗模式。在低功耗模式下，电流仅1.4μA.。其故障检测保护、死区时间等均通过硬件设置，无需复杂的软件控制。

3、11.5V栅极驱动电压

MPQ6531集成了稳压电荷泵以产生栅极驱动电源（VREG），其电压是11.5V，足以完美驱动常用功率NMOS。低边MOS源极（S）接到电源负极，所以VREG可以直接驱动。对于高边MOS，MPQ6531使用自举电容产生电源电压。在驱动高边MOS时，经过自举，其电压是VS+VREG。同时内部集成Trick Charger涓流充电电路，可保证在100％占空比情况下，保持足够的高端栅极驱动器电压。得益于芯片内部设计，即使电源电压下降至5V，VREG仍可保持在10-12V。

4、硬件死区插入功能

高边MOS和低边MOS同时打开会导致直通，烧坏MOS。所以必须保证打开与关闭存在时间上的延迟，该延时称为死区时间。MPQ6531可以通过DT引脚来设置死区时间，达到硬件保护的目的。

5、MOS过流、短路保护功能

为了保护MOS免受高电流损坏，MPQ6531中采用了VDS感应电路。MPQ6531可以监控每个MOS上的压降。MOS的压降与MOS的RDSON和流经它的IDS电流成正比。过流检测阈值可以通过OCREF引脚设置，如果MOS压降超过提供给OCREF端子的电压，则表明存在MOS过流故障。

6、母线过流保护功能

MPQ6531内置一个比较器，可以实现母线过流保护功能。母线电流流过采样电阻RSense会产生压降，该电压与内部的0.5V电压做比较，如果超过0.5V则表明存在母线电流故障。

7、故障保护功能

除了MOS过流保护和母线过流保护功能，MPQ6531还具有低压保护、过温保护功能。当检测到故障时，MPQ6531会禁用所有栅极驱动输出，使得所有MOS都处于关闭状态，达到保护MOS的效果。

4.结语

MPQ6531是一款车规级的高度集成三相预驱，专为三相直流无刷电机控制设计，适用于FOC驱动、方波驱动，可以有效减少BOM成本和PCB尺寸。ZLG可提供原理图和PCB设计参考，协助厂商进行电机控制器快速开发。

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