三相逆变器隔离驱动



无刷电机驱动电路结构解析

无刷电机驱动电路结构解析

无刷电机驱动电路主要由逆变器电路、功率器件、驱动电路等部分组成。以下是对这些部分的详细解析：

一、逆变器电路

逆变器电路的作用是利用直流电源（如电池）生成各相的功率信号，即交流生成电路。在无刷电机中，逆变器电路通过改变换流速度与经PWM调制后的电压，控制电机的转动。

逆变器电路的核心是功率器件，这些器件起到高速开关的作用，从而控制电流的流向和大小。在实际应用中，常用的功率器件有MOSFET和IGBT。

二、功率器件

MOSFET：

特点：通态电阻（开通时的漏-源极间电阻）小，损耗小。

应用：适用于输入电压较低（如24~50V，耐压60~100V）的场合。

选型关键：通态电阻、开关速度、温度特性等。

IGBT：

特点：耐高压。

应用：适用于较高电压（如100V、200V甚至更高）的场合。

注意事项：开通时，IGBT集电极-发射极的极间电压只有几伏，但消耗的电流很大，需要采取散热对策。

三、驱动电路

驱动电路的主要作用是驱动MOSFET、IGBT等功率器件，确保它们能够正常工作。具体来说，驱动电路需要完成以下任务：

避免电机驱动电源损害微处理器：由于电机驱动电源通常具有较高的电压和电流，如果直接连接到微处理器上，可能会损坏微处理器。因此，驱动电路需要起到隔离和保护的作用。

提供足够大的基极驱动电流：对于MOSFET等器件来说，为了使其能够迅速开通和关断，需要提供足够大的基极驱动电流。驱动电路需要确保这一点。

生成栅极驱动电压：对于MOSFET来说，栅极驱动电压是控制其开通和关断的关键因素。驱动电路需要生成合适的栅极驱动电压，以确保MOSFET能够正常工作。

四、具体电路结构

在无刷电机驱动电路中，通常采用三相六桥臂的结构。即U相、V相、W相各有一个上臂开关器件和一个下臂开关器件。这些开关器件通过PWM信号进行控制，从而改变电流的流向和大小。

上臂和下臂开关器件的互补关系：在任意时刻，上臂和下臂的开关器件不会同时开通或同时关断。当U相上臂开关器件开通时，U相下臂开关器件必须关断；反之亦然。这种关系叫做“互补”。

PWM信号的控制：微处理器通过计算在各相中形成什么样的波形，并在任意时刻输出适当的PWM信号来控制开关器件的开通和关断。这些PWM信号决定了电流的流向和大小，从而控制了电机的转动。

五、栅极驱动IC和自举电路

为了确保MOSFET等功率器件能够正常工作，通常需要使用栅极驱动IC来提供足够的驱动电流和电压。同时，为了驱动上臂的MOSFET，还需要使用自举电路来提供栅极驱动电压。

栅极驱动IC：如IRS2110等栅极驱动IC可以提供足够的输出电流来驱动MOSFET的栅极。这些IC通常具有高速、低功耗和高可靠性等特点。

自举电路：自举电路是一种利用外部电容器和栅极驱动IC来为上臂MOSFET提供栅极驱动电压的电路。当微处理器输出栅极驱动信号时，自举电路通过栅极驱动IC对外部电容器充电，并向栅极施加线圈的相电压。这样，就可以实现对上臂MOSFET的驱动。

六、展示

（图1：无刷直流电机的驱动电路图）（图4：栅极驱动IC电路图）（图5：自举电路图）

综上所述，无刷电机驱动电路结构复杂但功能强大。通过逆变器电路、功率器件、驱动电路以及栅极驱动IC和自举电路等部分的协同工作，实现了对无刷电机的精确控制。

电子技术（二十六）——典型功率驱动电路

电子技术（二十六）——典型功率驱动电路

为了驱动不同的执行器，需要采用不同形式的驱动电路。驱动电路的种类按照执行器和功率开关器件的不同位置关系，可以分为低边驱动、高边驱动、半桥驱动和全桥驱动4种基本形式。

一、低边驱动电路

低边驱动电路是指将功率开关元件的电势配置在比负载还低的下部。这种驱动方式相对简单，因为开关元件（如MOSFET或晶体管）直接连接在负载和地之间。当开关元件导通时，负载得到供电；当开关元件关断时，负载断电。低边驱动电路广泛应用于各种电子设备中，如电机控制、LED照明等。

二、高边驱动

高边驱动是指通过直接在用电器或者驱动装置前通过在电源线闭合开关来实现驱动装置的使能。与低边驱动相比，高边驱动更为复杂，因为开关元件需要承受更高的电压（通常是电源电压）。高边驱动电路通常使用专门的驱动芯片或模块来实现，这些芯片或模块内部集成了高压MOSFET、电荷泵等元件，以提供足够的驱动能力和隔离效果。

高边驱动电路在汽车电子、航空航天等领域有广泛应用。例如，在发动机管理的控制单元中，控制油泵的开关通常采用高边驱动方式。这是因为当发生短地故障时，关掉油泵对于系统安全是有利的。而在飞机的负载失效类型中，如果负载失效，最安全的方式是让负载继续运行下去，因此高边驱动电路的设计需要根据具体应用场景进行权衡。

三、半桥驱动

半桥驱动电路是一种介于低边驱动和高边驱动之间的驱动方式。它使用两个开关元件（通常是MOSFET或IGBT）来控制负载的通断。这两个开关元件分别连接在负载的两端，一个连接在电源正极和负载之间（上桥臂），另一个连接在负载和地之间（下桥臂）。通过控制这两个开关元件的通断状态，可以实现负载的双向控制。

在半桥驱动电路中，为了防止上下桥臂同时导通导致短路，通常会设置死区时间和互锁保护。死区时间是指在上下桥臂切换过程中，两个开关元件都处于关断状态的一段时间。互锁保护则是指通过逻辑电路确保上下桥臂不会同时导通。

半桥驱动电路广泛应用于电机控制、逆变器等领域。通过调整上下桥臂的开关频率和占空比，可以实现电机的调速和逆变器的输出电压调节。

四、全桥驱动

全桥驱动电路是一种更为复杂的驱动方式，它使用四个开关元件（通常是MOSFET或IGBT）来控制负载的通断。这四个开关元件分别连接在负载的四端，形成两个上桥臂和两个下桥臂。通过控制这四个开关元件的通断状态，可以实现负载的双向控制和四象限运行。

全桥驱动电路在电机控制、UPS电源等领域有广泛应用。与半桥驱动相比，全桥驱动具有更高的效率和更宽的输出电压范围。同时，由于使用了四个开关元件，全桥驱动电路的控制也更为复杂。为了实现精确的控制和保护功能，通常需要采用专门的驱动芯片或模块。

在电机控制领域，全桥驱动电路可以实现电机的四象限运行和精确调速。在UPS电源领域，全桥驱动电路可以实现输入电压的宽范围适应和输出电压的稳定调节。

综上所述，典型功率驱动电路包括低边驱动、高边驱动、半桥驱动和全桥驱动四种基本形式。每种驱动方式都有其特点和适用场景，需要根据具体的应用需求进行选择和设计。

电源常用电路—驱动电路详解

电源常用电路—驱动电路详解

驱动电路的作用

驱动电路位于电源主电路和数字控制核心之间，其本质是将数字控制核心产生的PWM信号进行功率放大，以驱动功率开关器件的开断。优良的驱动电路能够提高数字电源的可靠性，减少器件的开关损耗，提高能量转换效率并降低EMI/EMC。

驱动电路的分类

按功率器件接地类型分类：

直接接地驱动：功率器件的接地端电位恒定，常用的有推挽驱动以及图腾柱驱动等。

浮动接地驱动：功率器件接地端电位会随电路状态变化而浮动，典型的为自举驱动电路，通过电平位移电路连接驱动电路与器件接地参考控制信号。

按电路结构分类：

隔离型驱动：包含光耦、变压器、电容等具有电气隔离功能器件的驱动电路。

非隔离型驱动：不具有电气隔离结构，多采用电阻、二极管、三极管或非隔离型驱动芯片。

常见驱动电路形式

直接驱动：由单个电子元器件（如二极管、三极管、电阻、电容等）连接起来组成的驱动电路，不具备电气隔离，多用于功能简单的小功率驱动场合。在复杂的数字电源系统中，直接驱动电路由于集成度低、故障率高等原因，已被逐渐淘汰。

隔离驱动：电路包含隔离器件，常用的有光耦驱动、变压器驱动以及隔离电容驱动等。光耦驱动电路简单、可靠、开关性能好；变压器驱动电路不仅可以起到驱动作用，还可用于电压隔离和阻抗匹配。

专用驱动集成芯片：在数字电源中应用广泛，自带保护和隔离功能。根据控制的功率器件数量，分为单驱芯片与双驱芯片。双驱芯片用于半桥、全桥等电源拓扑，单驱芯片则更适用于buck、boost、反激等电源拓扑。

MOSFET驱动

MOSFET常用于中小功率数字电源，驱动电压范围一般在-10~20V之间。MOSFET对驱动电路的功率要求不高，在低频场合可利用三极管直接驱动，而在高频场合多采用变压器或专用芯片进行驱动。

三极管驱动电路：以N-MOS三极管驱动电路为例，当控制核心输出高电平时，三极管Q1导通，N-MOS管Q2控制极（G）被拉低，MOS管截止；当控制核心输出低电平时，三极管Q1截止，电阻R3和R4对电源（V+）分压，MOS管导通并达到饱和状态。

推挽驱动电路：当电源IC驱动能力不足时可使用推挽驱动电路，能提升电流供给能力并能快速完成栅极输入电容充电。包含一个PNP三极管及一个NPN三极管，采用互补输出。

双端变压器耦合栅极驱动：可同时驱动两个MOS管，多用于高功率半桥和全桥转换器中。在第一个周期内OUTA开启，给变压器一次绕组施加正电压，上管感应导通。在接下来的一个周期内，OUTB开启（开启时间与OUTA相同），在磁化电感上提供极性相反的电压，下管导通。

IGBT驱动

IGBT常被用于中大功率数字电源开发，驱动电压范围为-15~15V。IGBT驱动电路分为正压驱动和负压驱动，两者的区别在于关断时的门极电位。采用负压关断可以避免误导通风险，加快关断速度，减小关断损耗，提高耐压。

东芝TLP250芯片：内置光耦合器，隔离电压可达2500V，上升和下降时间均小于0.5us，输出电流达0.5A，可直接驱动50A/1200V以内的IGBT。体积小，价格便宜，是不带过电流保护的IGBT驱动芯片中的理想选择。

英飞凌1ED020I12-F2芯片：电流隔离单路IGBT驱动芯片，输出电流典型值为2A，可用于600V/1200V IGBT驱动。内部集成了无芯变压器实现电气绝缘隔离，能直接连接电源微控制器。具有过电流和短路保护的DESAT检测功能、有源米勒箝位功能以及两级关断（TLTO）功能，常用于逆变器和DC/DC转换器等场合。

其他功率器件驱动

除了常用的MOS管和IGBT外，SiC MOSFET和氮化镓晶体管（GaN FET）等新型功率器件也广泛使用于数字电源中。

SiC MOSFET：具有阻断电压高、工作频率高、耐高温能力强、通态电阻低和开关损耗小等特点，适用于高频高压场合。驱动电压范围为-5~20V，驱动电路设计需考虑驱动电平与驱动电流的要求、死区时间设定、芯片所带的保护功能以及抗干扰性等。

氮化镓晶体管（GaN FET）：栅源极驱动电压范围为-5~6V，驱动高电平一般设置在5V左右。高频工作条件下回路的寄生感抗会引起较大的驱动振荡，驱动电压的安全裕量很小。但GaN相对于Si MOSFET的重要优势在于其高频性能优异。

在实际设计驱动电路时，应根据使用场景要求（功率、频率、保护、驱动电压/电流等）选择合适的驱动电路形式。

与单相逆变器相比，三相逆变器有哪些优势？

与单相逆变器相比，三相逆变器具有以下优势：

更高的输出电压和更强的驱动能力：

三相逆变器转换后的交流电压为三相，即AC380V，而单相逆变器的输出电压通常为AC220V。更高的输出电压意味着三相逆变器可以驱动更强大的电器设备，满足更大功率的用电需求。

更好的电压等级和更高的安全性：

三相电由三个频率相同、幅度相等、相位差为120°的交变电势组成，这种结构使得三相逆变器在提供电力时更加稳定，电压波动小，从而提高了用电设备的安全性和稳定性。

瞬时功率更稳定：

三相逆变器在供电过程中，由于三相电的相位差，使得其瞬时功率波动较小，能够提供更稳定的电力输出。这对于需要稳定电力供应的设备来说尤为重要，如精密仪器、计算机等。

更强的输电能力和更低的电费：

在同样的成本下，三相逆变器的输电能力要强于单相逆变器。这是因为三相电在传输过程中能够更有效地利用线路容量，减少能量损失。此外，由于使用的电压更高，三相逆变器在输电过程中的电费也相对较低。

应用范围更广：

三相逆变器不仅适用于家庭备用电源系统，还广泛应用于工商业和电站等领域。其强大的输电能力和稳定性使得三相逆变器成为这些领域不可或缺的电力供应设备。

支持三相不平衡负载：

三相逆变器能够支持三相不平衡负载，这意味着在负载不平衡的情况下，逆变器仍然能够稳定地提供电力输出。这对于一些负载变化较大的场合来说尤为重要，如工厂生产线等。

三重峰值功率和纯正弦波输出：

一些高性能的三相逆变器（如欣顿三相逆变器）支持三重峰值功率输出，能够在短时间内提供更大的电力支持。同时，它们还能够输出纯正弦波电流，这对于保护用电设备和延长其使用寿命具有重要意义。

输入电压抗干扰范围宽：

三相逆变器通常具有较宽的输入电压抗干扰范围，能够适应恶劣的电网环境。这使得它们在电网波动较大或不稳定的情况下仍然能够稳定地提供电力输出。

输出保护功能齐全：

三相逆变器通常配备有完善的输出保护功能，如过压、过载、过热、短路、过流等保护功能。这些功能能够在逆变器遇到异常情况时及时切断电源输出，保护用电设备和逆变器的安全。

以下是三相逆变器的相关展示：

综上所述，三相逆变器在输出电压、安全性、稳定性、输电能力、应用范围、负载支持、输出波形、抗干扰能力和保护功能等方面均优于单相逆变器。因此，在需要高功率、高稳定性和高安全性的电力供应场合中，三相逆变器是更为合适的选择。

无刷电机控制（九）SVPWM之三相逆变器

SVPWM之三相逆变器

三相逆变器在无刷电机控制系统中扮演着至关重要的角色，它负责将直流电转换为交流电，以驱动无刷电机的三相线圈。以下是对三相逆变器及其在无刷电机控制中的应用的详细解析。

一、三相电压型逆变器结构

三相电压型逆变器的基本结构如图1所示。该逆变器由六个功率开关管（VT1-VT6）组成，这些开关管通常由IGBT（绝缘栅双极型晶体管）或MOSFET（金属氧化物半导体场效应晶体管）等器件实现。这些开关管通过六路PWM（脉冲宽度调制）信号进行控制，以实现逆变器的正常工作。

在逆变器中，VT1和VT4、VT2和VT5、VT3和VT6分别组成三组桥臂。当某一桥臂的上方开关管（如VT1）导通时，下方开关管（如VT4）关断；反之亦然。通过控制这六个开关管的导通和关断，逆变器可以输出三相电压ua、ub和uc。在FOC（磁场定向控制）算法的控制下，这三相电压呈现为正弦波的形式，从而实现从直流到交流的变换。

二、三相逆变器的工作原理

三相逆变器的工作原理基于PWM调制技术。通过调整PWM信号的占空比，可以控制逆变器输出电压的幅值和相位。在SVPWM（空间矢量脉宽调制）算法中，将逆变器的输出电压看作一个空间矢量，通过控制该矢量的方向和大小，可以实现对无刷电机定子磁链的精确控制。

具体来说，SVPWM算法将逆变器的输出电压空间划分为六个扇区，每个扇区对应一个特定的开关状态组合。在每个扇区内，通过调整两个相邻开关状态的作用时间，可以合成出所需的输出电压矢量。这种调制方式不仅提高了电压利用率，还降低了谐波含量，从而提高了无刷电机的运行性能。

三、三相逆变器的硬件实现

三相逆变器的硬件实现通常包括光耦芯片、驱动芯片、升压电路和大功率NMOS管等组件。这些组件共同构成了逆变器的核心电路，实现了对功率开关管的精确控制。

光耦芯片：用于隔离控制信号和功率电路，防止高压电路对控制电路的干扰。驱动芯片：用于放大控制信号，以驱动大功率NMOS管的导通和关断。升压电路：用于提高直流母线电压，以满足无刷电机对高压输入的需求。大功率NMOS管：作为逆变器的功率开关管，承受高压和大电流，实现直流到交流的变换。

以正点原子ATK-PD6010B无刷驱动板为例，其硬件结构如图2所示。该驱动板采用了上述组件，实现了对三相逆变器的精确控制。通过调整PWM信号的占空比和频率，可以实现对无刷电机转速和转矩的精确调节。

四、总结

三相逆变器是无刷电机控制系统中的关键组件之一。它通过PWM调制技术将直流电转换为交流电，以驱动无刷电机的三相线圈。在SVPWM算法的控制下，逆变器可以实现对无刷电机定子磁链的精确控制，从而提高电机的运行性能。硬件实现方面，三相逆变器通常由光耦芯片、驱动芯片、升压电路和大功率NMOS管等组件构成，这些组件共同实现了对功率开关管的精确控制。通过对这些组件的合理设计和优化，可以进一步提高无刷电机控制系统的性能和可靠性。

一文带你搞懂变频器维修工作原理（超详细

一文带你搞懂变频器维修工作原理（超详细）

变频器作为电力电子装置，在工业自动化领域扮演着至关重要的角色。为了有效进行变频器维修，深入了解其工作原理是基础。本文将从主回路电路、驱动电路、保护电路、开关电源电路、控制电路等方面，详细解析变频器的工作原理及维修要点。

一、主回路电路

主回路电路是变频器的核心部分，主要由整流电路、滤波电路、逆变电路等组成。

整流电路：通常由三相桥式整流桥组成，将工频电源整流为直流电源，为逆变电路和控制电路提供所需的直流电。整流器件需承受较高的反向电压和整流电流，因此需选用合适的整流器件，并设置吸收电容和压敏电阻网络以保护变频器免受高频谐波信号和浪涌过电压的损害。

滤波电路：滤波电路用于减小直流电压和电流的波动，由大容量铝电解电容等储能元件组成。电容的寿命会制约变频器的寿命，因此需定期检查和更换电容。

逆变电路：逆变电路将直流电源转换为频率和电压都可调的交流电源，是变频器的另一核心部分。常见的逆变电路结构为三相桥式逆变电路，通过控制功率开关器件的导通与关断，得到任意频率的三相交流输出。

二、驱动电路

驱动电路将主控电路中CPU产生的PWM信号，经光电隔离和放大后，作为逆变电路的换流器件的驱动信号。驱动电路的设计需考虑换流器件的特性，以确保其正常工作。

隔离放大电路：用于隔离和放大PWM信号，防止信号干扰和损坏。驱动放大电路：进一步放大信号，以驱动逆变电路中的功率开关器件。驱动电路电源：为驱动电路提供稳定的电源。

三、保护电路

保护电路用于检测变频器的异常情况，并在必要时采取措施以保护变频器免受损害。常见的保护功能包括过流保护、过压保护、欠压保护、过热保护等。

过流检测保护电路：由电流取样、信号隔离放大、信号放大输出三部分组成，用于检测电流是否超过设定值，并在超过时采取措施保护变频器。其他保护电路：如过压保护电路、欠压保护电路、过热保护电路等，分别用于检测电压、温度等参数，并在异常时采取措施保护变频器。

四、开关电源电路

开关电源电路向操作面板、主控板、驱动电路及风机等电路提供低压电源。开关电源具有体积小、重量轻、功耗小、效率高等优点。

输入电网滤波器：用于滤除电网中的高频谐波和噪声。输入整流滤波器：将电网交流电整流为直流电，并滤除直流电中的脉动成分。变换器：将直流电转换为高频交流电，以减小变压器的体积和重量。输出整流滤波器：将高频交流电整流为稳定的直流电，供各电路使用。控制电路：用于控制开关电源的开关频率和输出电压等参数。保护电路：用于检测开关电源的异常情况，并在必要时采取措施保护开关电源。

五、控制电路

控制电路是变频器的“大脑”，负责接收外部指令，控制变频器的运行。控制电路由频率、电压的运算电路、主电路的电压、电流检测电路、电动机的速度检测电路、驱动电路以及保护电路等组成。

运算电路：将外部指令与检测电路的信号进行比较运算，决定逆变器的输出电压和频率。检测电路：用于检测主电路的电压、电流等参数，并将信号反馈给运算电路。速度检测电路：用于检测电动机的速度，以实现闭环控制。驱动电路：用于驱动逆变电路中的功率开关器件。保护电路：用于检测变频器的异常情况，并在必要时采取措施保护变频器。

六、维修要点

定期检查和维护：定期检查变频器的各部件，如电容、电阻、电感等，确保其正常工作。定期清洁变频器内部和外部的灰尘和污垢，以提高散热效果。故障排查：当变频器出现故障时，首先根据故障现象和报警信息，初步判断故障部位。然后使用万用表、示波器等工具进行检测，找出具体故障点。维修和更换：根据故障排查结果，对损坏的部件进行维修或更换。维修时需注意安全，确保电源已切断并接地。更换部件时，需选用与原部件相同型号和规格的部件。调试和测试：维修完成后，需对变频器进行调试和测试，确保其正常工作。调试时需按照变频器说明书中的步骤进行，测试时需使用合适的测试设备和仪器。

综上所述，变频器的工作原理涉及多个方面，包括主回路电路、驱动电路、保护电路、开关电源电路和控制电路等。在维修变频器时，需深入了解其工作原理和维修要点，以确保维修质量和安全。

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