基于IR2136与MOSFET的无刷直流电机驱动电路设计
陈华彬 张兴华
关键词： IR2136; MOSFET; 无刷直流电机; 自举电路; 过流保护; 驱动电路
中图分类号： TN433?34; TM383 ? ? ? ? ? ? ? ?文献标识码： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章编号： 1004?373X（2019）04?0053?04
Design of drive circuit based on IR2136 and MOSFET for brushless DC motor
CHEN Huabin， ZHANG Xinghua
（School of Electrical Engineering and Control Science， Nanjing Tech University， Nanjing 210009， China）
Abstract： The independent power supplies are adopted to supply power for the power switch tube in the traditional drive circuit design， which makes hardware structure complex and reliability reduced. Therefore， a drive circuit based on the power drive chip IR2136 and field?effect tube MOSFET is designed for the brushless DC motor from the respects of signal isolation， three?phase inverter drive， and overcurrent protection circuit. The design of the bootstrap circuit and optimization design for drive protection of the power tube in the three?phase inverter drive circuit are expounded emphatically. The TMS570 control board is used to perform functional test of the drive circuit. The results show that the designed drive circuit can drive the motor to operate smoothly， stably and reliably.
Keywords： IR2136; MOSFET; brushless DC motor; bootstrap circuit; overcurrent protection; drive circuit0 ?引 ?言
随着电力电子技术的迅猛发展，无刷直流电机的控制技术也取得长足的进步，在航天、军事、机器人等领域得到了广泛的使用。而驱动电路的设计是无刷直流电机控制系统中的重要部分，电机驱动电路的稳定性与可靠性将对整个控制系统产生很大影响[1]。传统驱动电路的设计，需要采用相互独立的电源为功率开关管供电，使得硬件结构复杂，可靠性下降[2]。而采用专用功率驱动芯片与功率开关管，既简化了电路设计，又满足了一定的性能需求。
本文利用IR公司生产的专用功率驱动芯片IR2136与功率场效应管MOSFET，完成了无刷直流电机驱动电路的设计。并详细介绍了自举电路的设计、MOSFET驱动保护设计，最后基于实验验证了该驱动电路具有性能稳定、驱动能力强等优点。1 ?无刷直流电机工作原理
为了便于理解驱动电路的设计原理，简单阐述下无刷直流电机的工作原理。无刷直流电机主要由三大部分构成：电机本体、转子位置传感器、电子换相电路[3]。图1中A，B，C三个Y型连接的电感为电机的简单等效模型，6只功率MOS管Q1～Q6组成功率逆变器。
位置传感器作为转子位置检测的装置，是无刷直流电机系统中的重要组成部分之一，电机每转一周，位置传感器就会按顺序输出对应换相的6个编码，控制芯片在接收到位置信息后，经过内部程序处理，输出控制功率开关管的开通与关断的PWM信号，使定子各相绕组电流按一定次序导通，通过不断换相，使电机旋转起来[4]。2 ?IR2136驱动芯片
IR2136是IR公司推出的专用IGBT和MOSFET驱动集成芯片，内部有欠压保护与过流保护功能，可靠性和集成度高，可大大简化硬件电路的设计。图2是IR2136的引脚分配图。
VCC引脚是电源输入端，可以为低侧提
供电源，还可为内部逻辑电路供電。HIN为高侧门极驱动逻辑输入引脚，低电平有效，经过施密特触发器、电平转换、滤波、放大等通道，最后驱动上桥臂MOS管。LIN为低侧门极驱动逻辑输入引脚，驱动下桥臂MOS管。HO，LO对应高低侧门极驱动输出。VB为高压侧基极浮动电压输出端。VS为高压侧浮动射极输出端。ITRIP是过流检测引脚，FAULT是故障输出引脚。3 ?无刷直流电机驱动电路的设计
整个电路设计主要包括了光耦隔离电路、三相逆变驱动电路、过流检测电路。
3.1 ?光耦隔离电路
IR2136的输入信号来自微处理器，是控制系统中的弱电部分;而功率驱动模块外接电机运转，是电机控制中的强电部分。为了保证微处理器电路的安全工作，必须使用隔离电路将微处理器电路与大电流功率的驱动电路之间隔离开。若IR2136前端未加隔离电路，当电路中的开关器件损坏，高压将直接加在IR2136上，导致IR2136前级电路击穿，控制芯片烧毁[5]。
隔离电路的功能主要采用光耦实现。考虑PWM波的频率（本设计中为16 kHz），选择高速光耦HCPL?0631进行隔离。电路设计如图3所示。
PWM信号经过反相器，将输入的低信号拉高，送给光耦，为防止流入光耦电流过大，加入一个限流电阻R64，取值390 Ω。光耦电路供电电源是隔离5 V电源，由电源模块供电。通过隔离电路，成功地将强电信号与弱电信号进行隔离并提高了电路的抗干扰能力。
3.2 ?三相逆变驱动电路
驱动电路由驱动芯片IR2136和6路MOS管组成，如图4所示。功率场效应管因其开关速度快、工作频率高、不存在二次击穿等显著优点在中小型功率开关电路中应用极为广泛[6]，本次所采用的MOS管型号为IRFS4010PBF，最大漏源电压100 V，最大漏极电流可达180 A。图4中，MOS管作高速电子开关用，高侧MOS管Q1，Q3，Q5漏极接高压，源极接负载，为确保高侧MOS管饱和导通，栅极驱动电压必须浮置在源极电压之上[7]。
这时需要在外部增加一个自举电路，给IR2136的VB和VS两端供电，驱动功率管栅极导通。一般MOS管的栅源导通电压为10～15 V，这里选择15 V供电电源。低侧MOS管因源极接地，驱动方法比较简单，可由驱动芯片15 V电源直接驱动栅极。
3.2.1 ?自举电容的选型
自举电路的工作原理：逆变驱动电路中，每一对上下管都是交替导通的，以Q1，Q3管为例，当上管Q1关断，下管Q3导通时，VS1引脚电位为Q2管饱和压降，基本为低电位，此时15 V的电源通过自举二极管D27给自举电容C84充电。当下管Q2关闭，上管Q1导通时，自举电容放电，给上功率管Q1提供饱和导通的电压。
自举电容取值是电路设计的关键。上管导通时自举电容必须在短时间内提供足够的电荷，太小达不到驱动要求，过大会影响驱动性能，所以应该结合MOS管的工作频率、门极特性等方面综合考虑。本次设计MOS管工作频率为16 kHz，结合MOS管的工作特性，自举电容C84，C86，C87取10 μF。
3.2.2 ?自举二极管的选型
自举二极管是自举电路中的核心元件，其反向电压应大于MOS管母线上的高压，额定电流大小为开关管开关频率与自举电容提供的栅极电荷之积[8]。由于MOS管工作频率较高，充放电时间较短，自举电容向电源的电荷回馈会使得电荷损失，所以应当选用反向漏电流小、恢复时间快的二极管。
这里选用超快恢复二极管SFR104S，如图4中D27，D29，D31所示，反向恢复时间小于120 ns，最大承受400 V反向峰值电压。
3.2.3 ?功率管保护电阻設计
在MOS管频繁的关断中，若栅极和源极之间的阻抗太高，漏源间的电压突然变化会通过极间电容耦合到栅极，导致栅源间产生相当高的尖峰电压，这一电压会直接击穿功率管氧化层，对MOS管造成永久破坏[9]。为保护MOS管安全工作，可以选择并接一个电阻与齐纳二极管。图4中，以Q1为例，在栅极和源极间并联一个100 Ω的电阻R83，再并联一个18 V的齐纳二极管D24。由于电路中的各种寄生电容与电感，可能会形成震荡现象，不仅会增大MOS管的功率损耗，还有可能导致上下桥臂直通，烧坏功率管。在栅极前端加入一个缓冲电阻，可以有效调节MOS管开关速度，还可以防止上下桥臂直通。一般需要在开关时间与驱动效果之间折中选择。图4中，仍以Q1为例，在栅极前端加入电阻R78，取值100 Ω，而且采用了一个二极管D23与等值电阻R75并联，上电时二极管不工作，放电时二极管导通，电阻降低迅速放电，起到快速关断MOS管的作用。
3.3 ?保护电路设计
驱动电路的正常运转离不开保护电路，通过电路保护，可以大大提高逆变驱动电路的可靠性[10]。之前介绍过IR2136的过流保护引脚ITRIP与故障输出引脚FAULT，利用此设计了三相逆变电路的过流保护电路。过流检测电路如图5所示。
该电路主要由一个采样电阻R311和一个电压比较器U182组成，R311上端接低侧MOS管的漏极，取值22 mΩ，作用是将电流信号转化为电压信号。当逆变驱动电路中的电流超过阈值，则电压U1>U2。电压比较器会输出一个高电平给ITRIP引脚，IR2136会切断门极驱动输出信号，并通过FAULT引脚给主控芯片发送过流信号。阈值电压U2=R536R535+R536U=5.14.7+5.1×5=2.602 V]。4 ?实验结果与总结
完成电路设计后，在电机台架上进行测试。所用电机型号为K65ZW?36?120，额定功率为120 W，额定转速为2 800 r/min。電机速度控制采用脉宽调制技术（PWM）实现。
本文设计驱动控制开关逻辑为低电平有效，采用双极性的同步变频互补开关的调制方式，导通相下桥臂常开，另一对功率管互补导通，采用此种调制方式可有效减少非换相和换相期间的电磁转矩脉动[11]。图6为用示波器读取的6路PWM波形HIN1，HIN2，HIN3，LIN3，LIN2，LIN1和驱动电路后端两路斩波HO1，LO1。图7为6路PWM波形与A，B相的相电压。5 ?结 ?语
本文给出基于驱动芯片IR2136和功率场效应管MOSFET的无刷直流电机驱动电路设计方案。详细介绍了信号隔离、功率驱动设计、过流保护硬件电路的设计方法。最后采用基于TMS570控制板和设计的电机驱动电路进行无刷直流电机运行实验，证实了该驱动电路可使无刷直流电机稳定、可靠运行。
参考文献
[1] 秦文甫，张昆峰.基于IR2136的无刷直流电机驱动电路的设计[J].电子设计工程，2012，20（9）：118?120.
QIN Wenfu， ZHANG Kunfeng. Design of driver circuit for BLDCM based on IR2136 [J]. Electronic design engineering， 2012， 20（9）： 118?120.
[2] 曾建安，曾岳南，暨绵浩.MOSFET和IGBT驱动器IR2136及其在电机控制中的应用[J].电机技术，2005（1）：13?15.
ZENG Jianan， ZENG Yuenan， JI Mianhao. MOSFET and IGBT drivers IR2136 and its application [J]. Electrical machinery technology， 2005（1）： 13?15.
[3] 刘刚，王志强，房建成.永磁无刷直流电机控制技术与应用[M].北京：机械工业出版社，2008.
LIU Gang， WANG Zhiqiang， FANG Jiancheng. Control technology of permanent magnet brushless DC motor and its application [M]. Beijing： China Machine Press， 2008.
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[5] 易柳，黄辉先，苏浩.基于DSP控制的三相逆变电源设计[J].机电工程技术，2009，38（9）：79?82.
YI Liu， HUANG Huixian， SU Hao. The design of three?phase power inverter based on DSP control [J]. Mechanical & electrical engineering technology， 2009， 38（9）： 79?82.
[6] 李正中，孙德刚.高压浮动MOSFET栅极驱动技术[J].通信电源技术，2003（3）：37?40.
LI Zhengzhong， SUN Degang. Technologies of HV floating MOSFET?gate driver [J]. Telecom power technologies， 2003（3）： 37?40.
[7] 刘桂英，成叶琴，周琴.驱动高压浮动MOSFET的自举电容设计[J].上海电机学院学报，2009，12（3）：190?193.
LIU Guiying， CHENG Yeqin， ZHOU Qin. Design of bootstrap capacitor for driving high voltage floating MOSFET [J]. Journal of Shanghai Dianji University， 2009， 12（3）： 190?193.
[8] ZHANG Guofeng， ZHANG Yi， DONG Hui， et al. An approach to optimization of the superconducting quantum interference device bootstrap circuit [J]. Superconductor science and technology， 2011， 24（7）： 601.
[9] 田颖，陈培红，聂圣芳，等.功率MOSFET驱动保护电路设计与应用[J].电力电子技术，2005，39（1）：73?74.
TIAN Ying， CHEN Peihong， NIE Shengfang， et al. Design and application of power MOSFET drive and protection circuit based on EXB841 [J]. Power electronics， 2005， 39（1）： 73?74.
[10] 李广海，叶勇，蒋静坪.IPM驱动和保护电路的研究[J].电子技术应用，2003，29（12）：43?45.
LI Guanghai， YE Yong， JIANG Jingping. Research on IPM drive and protection circuit [J]. Application of electronic technique， 2003， 29（12）： 43?45.
[11] 李自成，程善美，蔡凯，等.减小无刷直流电机转矩脉动的PWM新方式[J].华中科技大学学报（自然科学版），2009，37（11）：1?4.
LI Zicheng， CHENG Shanmei， CAI Kai， et al. Novel PWM scheme for reducing torque ripples in brushless DC motors [J]. Journal of Huazhong University of Science & Technology （Natural science edition）， 2009， 37（11）： 1?4.
关键词： IR2136; MOSFET; 无刷直流电机; 自举电路; 过流保护; 驱动电路
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Design of drive circuit based on IR2136 and MOSFET for brushless DC motor
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本文利用IR公司生产的专用功率驱动芯片IR2136与功率场效应管MOSFET，完成了无刷直流电机驱动电路的设计。并详细介绍了自举电路的设计、MOSFET驱动保护设计，最后基于实验验证了该驱动电路具有性能稳定、驱动能力强等优点。1 ?无刷直流电机工作原理
为了便于理解驱动电路的设计原理，简单阐述下无刷直流电机的工作原理。无刷直流电机主要由三大部分构成：电机本体、转子位置传感器、电子换相电路[3]。图1中A，B，C三个Y型连接的电感为电机的简单等效模型，6只功率MOS管Q1～Q6组成功率逆变器。
位置传感器作为转子位置检测的装置，是无刷直流电机系统中的重要组成部分之一，电机每转一周，位置传感器就会按顺序输出对应换相的6个编码，控制芯片在接收到位置信息后，经过内部程序处理，输出控制功率开关管的开通与关断的PWM信号，使定子各相绕组电流按一定次序导通，通过不断换相，使电机旋转起来[4]。2 ?IR2136驱动芯片
IR2136是IR公司推出的专用IGBT和MOSFET驱动集成芯片，内部有欠压保护与过流保护功能，可靠性和集成度高，可大大简化硬件电路的设计。图2是IR2136的引脚分配图。
VCC引脚是电源输入端，可以为低侧提
供电源，还可为内部逻辑电路供電。HIN为高侧门极驱动逻辑输入引脚，低电平有效，经过施密特触发器、电平转换、滤波、放大等通道，最后驱动上桥臂MOS管。LIN为低侧门极驱动逻辑输入引脚，驱动下桥臂MOS管。HO，LO对应高低侧门极驱动输出。VB为高压侧基极浮动电压输出端。VS为高压侧浮动射极输出端。ITRIP是过流检测引脚，FAULT是故障输出引脚。3 ?无刷直流电机驱动电路的设计
整个电路设计主要包括了光耦隔离电路、三相逆变驱动电路、过流检测电路。
3.1 ?光耦隔离电路
IR2136的输入信号来自微处理器，是控制系统中的弱电部分;而功率驱动模块外接电机运转，是电机控制中的强电部分。为了保证微处理器电路的安全工作，必须使用隔离电路将微处理器电路与大电流功率的驱动电路之间隔离开。若IR2136前端未加隔离电路，当电路中的开关器件损坏，高压将直接加在IR2136上，导致IR2136前级电路击穿，控制芯片烧毁[5]。
隔离电路的功能主要采用光耦实现。考虑PWM波的频率（本设计中为16 kHz），选择高速光耦HCPL?0631进行隔离。电路设计如图3所示。
PWM信号经过反相器，将输入的低信号拉高，送给光耦，为防止流入光耦电流过大，加入一个限流电阻R64，取值390 Ω。光耦电路供电电源是隔离5 V电源，由电源模块供电。通过隔离电路，成功地将强电信号与弱电信号进行隔离并提高了电路的抗干扰能力。3.2 ?三相逆变驱动电路
驱动电路由驱动芯片IR2136和6路MOS管组成，如图4所示。功率场效应管因其开关速度快、工作频率高、不存在二次击穿等显著优点在中小型功率开关电路中应用极为广泛[6]，本次所采用的MOS管型号为IRFS4010PBF，最大漏源电压100 V，最大漏极电流可达180 A。
图4中，MOS管作高速电子开关用，高侧MOS管Q1，Q3，Q5漏极接高压，源极接负载，为确保高侧MOS管饱和导通，栅极驱动电压必须浮置在源极电压之上[7]。这时需要在外部增加一个自举电路，给IR2136的VB和VS两端供电，驱动功率管栅极导通。一般MOS管的栅源导通电压为10～15 V，这里选择15 V供电电源。低侧MOS管因源极接地，驱动方法比较简单，可由驱动芯片15 V电源直接驱动栅极。
3.2.1 ?自举电容的选型
自举电路的工作原理：逆变驱动电路中，每一对上下管都是交替导通的，以Q1，Q3管为例，当上管Q1关断，下管Q3导通时，VS1引脚电位为Q2管饱和压降，基本为低电位，此时15 V的电源通过自举二极管D27给自举电容C84充电。当下管Q2关闭，上管Q1导通时，自举电容放电，给上功率管Q1提供饱和导通的电压。
自举电容取值是电路设计的关键。上管导通时自举电容必须在短时间内提供足够的电荷，太小达不到驱动要求，过大会影响驱动性能，所以应该结合MOS管的工作频率、门极特性等方面综合考虑。本次设计MOS管工作频率为16 kHz，结合MOS管的工作特性，自举电容C84，C86，C87取10 μF。
3.2.2 ?自举二极管的选型
自举二极管是自举电路中的核心元件，其反向电压应大于MOS管母线上的高压，额定电流大小为开关管开关频率与自举电容提供的栅极电荷之积[8]。由于MOS管工作频率较高，充放电时间较短，自举电容向电源的电荷回馈会使得电荷损失，所以应当选用反向漏电流小、恢复时间快的二极管。
这里选用超快恢复二极管SFR104S，如图4中D27，D29，D31所示，反向恢复时间小于120 ns，最大承受400 V反向峰值电压。
3.2.3 ?功率管保护电阻設计
在MOS管频繁的关断中，若栅极和源极之间的阻抗太高，漏源间的电压突然变化会通过极间电容耦合到栅极，导致栅源间产生相当高的尖峰电压，这一电压会直接击穿功率管氧化层，对MOS管造成永久破坏[9]。为保护MOS管安全工作，可以选择并接一个电阻与齐纳二极管。图4中，以Q1为例，在栅极和源极间并联一个100 Ω的电阻R83，再并联一个18 V的齐纳二极管D24。
由于电路中的各种寄生电容与电感，可能会形成震荡现象，不仅会增大MOS管的功率损耗，还有可能导致上下桥臂直通，烧坏功率管。在栅极前端加入一个缓冲电阻，可以有效调节MOS管开关速度，还可以防止上下桥臂直通。一般需要在开关时间与驱动效果之间折中选择。图4中，仍以Q1为例，在栅极前端加入电阻R78，取值100 Ω，而且采用了一个二极管D23与等值电阻R75并联，上电时二极管不工作，放电时二极管导通，电阻降低迅速放电，起到快速关断MOS管的作用。3.3 ?保护电路设计
驱动电路的正常运转离不开保护电路，通过电路保护，可以大大提高逆变驱动电路的可靠性[10]。之前介绍过IR2136的过流保护引脚ITRIP与故障输出引脚FAULT，利用此设计了三相逆变电路的过流保护电路。过流检测电路如图5所示。
该电路主要由一个采样电阻R311和一个电压比较器U182组成，R311上端接低侧MOS管的漏极，取值22 mΩ，作用是将电流信号转化为电压信号。当逆变驱动电路中的电流超过阈值，则电压U1>U2。电压比较器会输出一个高电平给ITRIP引脚，IR2136会切断门极驱动输出信号，并通过FAULT引脚给主控芯片发送过流信号。阈值电压U2=R536R535+R536U=5.14.7+5.1×5=2.602 V]。4 ?实验结果与总结
完成电路设计后，在电机台架上进行测试。所用电机型号为K65ZW?36?120，额定功率为120 W，额定转速为2 800 r/min。電机速度控制采用脉宽调制技术（PWM）实现。
本文设计驱动控制开关逻辑为低电平有效，采用双极性的同步变频互补开关的调制方式，导通相下桥臂常开，另一对功率管互补导通，采用此种调制方式可有效减少非换相和换相期间的电磁转矩脉动[11]。
图6为用示波器读取的6路PWM波形HIN1，HIN2，HIN3，LIN3，LIN2，LIN1和驱动电路后端两路斩波HO1，LO1。图7为6路PWM波形与A，B相的相电压。5 ?结 ?语本文给出基于驱动芯片IR2136和功率场效应管MOSFET的无刷直流电机驱动电路设计方案。详细介绍了信号隔离、功率驱动设计、过流保护硬件电路的设计方法。最后采用基于TMS570控制板和设计的电机驱动电路进行无刷直流电机运行实验，证实了该驱动电路可使无刷直流电机稳定、可靠运行。
参考文献
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