鉴于高效性、较低可听噪音与长使用寿命周期,无刷直流 (BLDC) 电机广泛应用于诸如冰箱、洗碗机和洗衣机的风扇与泵等家用电器子系统。这些子系统通常需要低于100W的电机输出功率,并且通常采用由110/230VAC电源产生的高直流电压(超过150/300V)驱动。在本博文中,我将讨论利用低压(通常24V)电机驱动电器子系统的备选解决方案。

  对于高压电机,交流电源经整流可获得高压直流母线,由此可驱动包括分立绝缘栅双极晶体管 (IGBT)、MOSFET或集成功率模块 (IPM) 的倒相级。该系统通常需要一个偏置电源,以向控制器单元提供5VDC或3.3VDC供电或向栅极驱动器提供12V或15V供电。图1所示为典型的高压电机控制系统方框图。

 

 

1:高压电机控制系统的系统方框图

 

  在低压直流电机驱动系统内,交直流电源装置产生较低的直流母线电压(诸如24V)并可提供需要的输出功率。功率级利用该低直流母线电压驱动电机。利用电压调节器可启用交直流电源装置,以获得需要的偏置电源。

  图2所示为典型的低压电机控制系统方框图。

 

2:低压电机控制系统的系统方框图

 

低压电机控制系统提供如下一些收益:

  • 安全。低压电机提供的最明显收益是提高保养维护人员与设计师在操作系统时的安全性。将泵与风扇移至低压侧可保持系统的主要部分与高压输入隔离。
  • 集成度。最新低压电机控制器集成电路 (IC) 经高度集成,具有诸如逐周过流保护、过热保护、失速检测、自动死区时间插入和回转率控制等功能。一些驱动器IC配备线性或开关式电压调节器、用于分路电流感测的运算放大器、功率级与嵌入式控制算法。诸如TI DRV10983三相无传感器BLDC电机控制器等高度集成式驱动器将MOSFET的栅级驱动器与控制算法集成至单一IC,并执行无任何分流电阻的正弦电流控制。
  • 设计周期缩短。由于如此高的集成度,利用先进的低压BLDC电机驱动器IC可显著缩短子系统的设计周期。例如,采用DRV10983执行风扇控制子系统设计无需在电机控制算法上投入任何软件成本。你只需通过控制器IC的I2C通信接口调节电机参数并开始评估。
  • 灵活性。你可利用低压电机与驱动器并借助通用输入AC/DC 变换器执行110V或220V线路输入操作。低压电机驱动子系统可轻松适配于蓄电池和/或太阳能供电系统。这为诸多系统采用单一电机与控制器平台提供收益。
  • 尺寸与成本。鉴于采用的不同技术以及低电气间隙和爬电距离要求,低压电机控制IC采用的组件通常比高压IPM小得多。设计印刷电路板 (PCB) 时,电路板的高压区相比低压区,通常需要更大电气间隙与爬电距离并且需要对隔离予以更高关注,这会导致电路板尺寸增大。在低压低功率应用中,即使电流更高,经优化的RDSON与MOSFET栅极电荷也可助于实现极低的FET损失。借助优化的热管理,功率级无需额外的散热元件,因此可节省整体系统成本。
  • 可听噪音。电动机产生的可听噪音由电机输出转矩波动所致。BLDC中基于通信的六步梯形控制可产生通信转矩波动并由此导致可听噪音。电机绕组中的正弦电流以及正弦反电动势 (EMF) 理想上将产生零扭矩波动。产生正弦波电流输出的DRV10983有助于实现极低的可听噪音。

然而,系统内采用低压BLDC电机需要具有能够提供低压直流输出的电源,以向电机驱动供电。

AC/DC变换器

  为解决使用低压电机的挑战,TI设计的150W高效一次侧调节式DCM/CCM反激电源参考设计具有提供24V、12V输出、基于隔离式一次侧调节 (PSR) 反激控制器的150W电源、内置过流、过压保护、反馈环路开路/短路检测、过热、过载计时器、交流线路欠压与节电保护等特点。PSR有助于消除对二次侧反馈与   调节元件以及一个光耦合器的需要,使成本得以优化并提升可靠性。额外的12V输出可对栅极驱动器供电并产生偏置电源。

  图3所示为150W PSR反激电源的方框图。该电源经设计与测试可实现从85-270VAC的通用交流输入范围。电路前端的电磁干扰 (EMI) 滤波器经设计满足现行EN55011 A级排放水平。该设计可在230VAC时实现200mW低备用功率。

 

3150W PSR反激电源方框图

 

  我希望你现在了解了低压BLDC驱动在低功率应用中就安全性、集成、尺寸、成本与设计周期缩短而言具备的优势,特别是在与高压系统比较时。

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