三相逆變橋電路、原理、導通及相關問題

三相逆變電路

2.導通原理

如上圖所示，為一相的逆變橋。上下MOS管不能同時導通，那么可以有幾種控制方式：

PWM控制上管，下管電平控制（恒高或者橫低）；

PWM控制下管，上管電平控制；

上下管都是PWM控制；

某個管的控制可以是PWM控制和電平控制都有。

方式3稱為互補載波，也就是上下管的PWM是互補的，這樣才能不同時導通。

方式1和2這兩種方式又稱為單橋臂載波，在方波六步換相控制時使用較多。這兩種方式中常用的是第1種方式，原因是MOS管用的是N管。上管的MOS管想要正常工作，需要給自舉電容充電（注意是外部的自舉電容，而非GS結電容）。如下圖所示，為自舉電容的充電電路。如果用方式1，即上管PWM下管電平，那么下管始終打開，不會影響自舉電容的充電，自舉電容充電速度快。如果用方式2，即上管電平下管PWM，那么在速度很低、PWM占空比很小的時候，下管的PWM占空比會影響自舉電容的充電，有可能導致自舉電容充電充不滿，此時上管可能無法正常打開或者關閉。

PS：如果上管是P管，那么就不需要自舉電容。但是P管價格貴，且功率相對N管低。

3.方波六步換相時序分析

根據(jù)霍爾跳變沿可以獲得對6個MOS管的控制順序，這里先假設直到這個控制順序，為M1M2->M2M3->M3M4->M4M5->M5M6->M6M1->M1M2。先以M1M2導通為例，如下圖隨時，使用上管PWM下管電平控制的方式。

當M1的PWM處于ON的時候，電流流向如下：

當M1位OFF的時候，由于電機線圈為感性負載，所以需要續(xù)流，此時只能通過MOS管的體二極管進行續(xù)流，如下圖所示。此時體二極管導通后會將UW等效的電流源兩端電壓鉗位到0.7V，所以此時電流源兩端壓差很小，根據(jù)U=Ldi/dt可知放電時間會很長，故此時的續(xù)流稱為慢續(xù)流。相對快續(xù)流而言，慢續(xù)流電流下降慢，維持力矩時間長。如果是快續(xù)流的話，繞組內會存在一段時間沒有電流，就不會對外提供力矩了。

慢續(xù)流的方式靠MOS管的體二極管來續(xù)流，如果時間比較長那么體二極管發(fā)熱大，續(xù)流損耗也變大。所以有的時候當M1關閉后可以打開M4，讓續(xù)流經(jīng)過MOS管的S到D，也就是使用Rdson來續(xù)流，這樣損耗就會變小。此時的模式就是互補載波模式了。

4.死區(qū)問題

4.1.理論分析

對于上下管都使用PWM控制的方式，在波形跳邊沿的地方，存在死區(qū)問題。由于MOS管的開關是對GS結電容進行充放電，當電壓跳過GS閾值電壓時，MOS管的開關狀態(tài)就發(fā)生變化。那么如果PWM不加入死區(qū)控制，可能導致一個MOS還沒關閉，另一個MOS就開通了，也就是同一橋臂的兩個管子同時導通，電源短路。

此時解決辦法是加入PWM死區(qū)，也就是讓PWM1L提前變成OFF，讓PWM1H延后變成ON。即同時增加兩個波形都為OFF的時間，這樣兩個MOS管都處于關閉的狀態(tài)，如下圖所示。

這個死區(qū)時間在實現(xiàn)功能的基礎上肯定是越小越好，因為死區(qū)時間太長的話PWM的最大占空比做不上去，電機的功率也就上不去。死區(qū)時間從單片機PWM到驅動電路再到MOS管的柵極都有一定的硬件延時，所以具體時間需要根據(jù)調試確定?？梢酝ㄟ^提高MOS管的充放電速度來減小死區(qū)時間，但是可能會帶來其他問題，比如震蕩、EMC問題等。

此外死區(qū)時間的設置（注意是設置，不是真正的死區(qū)時間，真正的死區(qū)時間只與硬件電路有關）與載波頻率也有關。因為載波頻率越高，周期越小，相同的死區(qū)時間的情況下占空比就越小，電機的空濾就提不上去。所以有時候電機功率做不上去會通過降低載波的頻率來提升電機功率。

一般載波頻率在15KHZ到20KHZ，載頻低了，電機會有噪音；載頻高了，開關損耗太大。此時的死區(qū)時間初始值可設置為4us，然后在根據(jù)示波器調試確定最終的死區(qū)時間。

4.2.實際波形

如下圖所示為實際的波形。黃色波形對應MOS管開通，可見他的開通已經(jīng)增加了一段死區(qū)時間。黃色波形紅圈圈出來的地方為米勒平臺，一般可以認為在平臺區(qū)MOS管就開通了。紫色波形對應MOS管關斷，紫色波形紅圈處有一個向上的凸起，這是因為同一橋臂的兩個MOS管另種一個管子導通對另一個管子的影響，這個影響是由米勒效應導致的。

所以圖中的波形已經(jīng)比較危險了，紫色凸起再高一點就導致兩個MOS同時導通了。所以實際調試中需要避免出現(xiàn)這種波形。

4.3.MOS關斷時的尖峰電壓問題

MOS關斷的時候電流很短時間內變?yōu)?，有很高的di/dt，那么作用到電路的寄生電感上，很容易在DS端產(chǎn)生很高的L*di/dt這樣的尖峰電壓。

解決辦法：

減緩MOS管的開關速度。本質上就是降低GS結電容的充放電速度，比如增加充放電回路的阻抗、并聯(lián)GS電容、加大柵極電阻等。

在MOS管的DS端并聯(lián)RC吸收電路。

以上兩種方法盡量使用第一種方法進行解決。

5.帶死區(qū)的互補載波電流流向分析

根據(jù)如下控制邏輯控制MOS管的通斷。

先從紅框分析，此時的電流流向如下：

在切換到下一個狀態(tài)之前，M3和M6存在一個死區(qū)時間，如下圖所示。

此時對應的電流流向如下圖所示。此時M6關斷，V相通過M3的體二極管續(xù)流。此時UV兩相的壓差被M3的體二極管鉗位還是0.7V，所以V相的電流續(xù)流還是慢續(xù)流。

然后當M3打開的時候，如果前一時刻的電流續(xù)流沒有結束，那么還會繼續(xù)向上流，然后很快電流就向下流，所以可以忽略這里，直接認為M3導通的時候電流向下流即可，如下圖所示。