基于CW32的BLDC控制应用实例分析——预驱动与功率逆变电路设计

功率控制电路是电机控制的核心，由6个场效应管（MOSFET）及驱动电路构成三相桥式功率变换电路。此电路的实现，一般有以下3种拓扑结构可以选择：

6个MOS管均为N沟道MOS管，驱动电路由专用驱动IC或分立元件搭建。上桥臂通过自举升压电路驱动或独立电源驱动。

优点：由于N-MOS管耐压及功率可选范围均很宽，这种结构的电路可以适用各种功率及各种电压电路。

缺点：上桥臂驱动电路比较复杂。如果采用自举升压方式驱动，则PWM占空比不能达到100%，即电机不能达到满功率运行。

上桥臂选用P沟道MOS，下桥臂选用N沟道MOS，驱动电路由专用驱动IC或分立元件搭建。

优点：上桥臂采用P-MOS后，不需采用特别的方式去驱动，电路比较简单；PWM占空比能达到100%。

缺点：由于制造工艺原因，P-MOS价格相对较高，一般电流在100A、耐压100V以内。

所以，这种结构比较适合于低压、小功率（几百瓦）的应用。

选用智能功率模块（IPM模块）。模块一般集成了６个功率、驱动电路及保护电路。上桥臂一般通过内置的自举升压电路驱动。

优点：由于采用了集成工艺，具有完善的保护，可靠性很高。

缺点：成本较高。一般也是采用自举升压方式驱动，PWM占空比不能达到100%。

所以，这种结构比较适合于高压、大功率的应用。

根据系统要求及上述三种方式比较可知，本控制器属于中高压中等功率的应用，最适合选用第1种电路拓扑结构。即上桥臂选用N沟道MOS，下桥臂也选用N沟道MOS，驱动电路由专门的预驱动芯片控制。功率部分的设计的电路如下：

从图中可以看出，A相的驱动与功率电路主要由上桥的N-MOS管（Q5）及驱动电路、下桥的N-MOS管Q6及驱动电路组成。下面将对上、下桥电路分别进行详细分析。

1. 下桥驱动电路分析

从驱动原理上讲，下桥驱动电路相对比较简单，所以就先对它进行分析。

下桥的功率管Q6使用的是75NF75，它是一款采用先进结工艺技术生产的增强型N沟道MOSFET功率管。基本规格：D2PACK封装，75V、80A ，典型的导通电阻RON=9.5mΩ（@VGS=10V）。

再由N-MOS的基本特性并结合75NF75的特性可知，要使Q6开通，必须要在其栅极（G）和源极（S）上加10V~15V的电压（即要满足VGS=10V~15V），并且此电压源能提供一定的功率驱动能力。对于下桥电路，源极（S）的电压约为0V，所以只需在栅极（G）上加10V~15V的电压，即可满足VGS=10V~15V的条件。而要使V1A关断，只需在栅极（G）上加0V的电压。

而MCU（CW32L011）的I/O口出来的电平最高只有5V TTL电平，所以需要额外使用与驱动芯片及周边电路，组成一个电平转换电路，把下桥臂的控制信号(LIN1)的0~5V转换成约0V~15V变化的电平LO1，以驱动V1A快速的开通及关断（上桥臂同理）。

预驱动电路设计如图,使用经典的FD6288T：

FD6288T内部框图(单相)：

FD6288T的典型应用电路：

2.上桥驱动电路分析

粗看FD6288T的上桥的驱动电路复杂于下桥驱动电路。

在上面分析了N-MOS的开通条件：要使V0A开通，其栅极G的电压必须比源极S高出10V以上才能保证完全导通（即要满足VGS=10V~15V），并且此电压源能提供一定的功率驱动能力。

对于下桥臂，源极S可以认为是接在地端，这条件就很好满足。但是，对于上桥臂，会发现，Q5的源极S是接在A相线上的。

假设，Q5开通，则源极S的电压约等于母线电压P+。如果使用24V供电，则P+=24V，即栅极G的电压最小必须满足24 V+10 V=34V，才能维持Q5的稳定导通。但怎样获得比电源电压还高的驱动电压呢？一般情况可以通过变压器耦合驱动信号，电荷泵升压提供高压等方法。而在这里，则采用了一种叫做“高压浮栅型驱动电路”（也有称之为自举升压电路）来驱动上桥。

先看一下C10的接法，这是整个驱动的关键所在。C10的正极通过二极管D10 接到+12V电源（实际在10~15V左右），负极很奇怪地接到电机的A相位线（A Phase），与它所驱动的MOSFET Q5的源极接在一起。

电路的工作过程如下：

在电机不动的情况下，通过程序控制，先打开下桥臂MOS管Q6，让C10通过二极管D10、Q6进行预充电。

当上桥臂的控制信号(At)为高电平时，电容C10上的电压（约12V）经过VB1加到Q5的栅极，使Q5导通。而此时由于C10充满电，C10上的电压仍然是12V，所以可以维持Q5的导通并使其栅极的电压始终保持高于电源电压P+。这样Q5的栅极就好像随着源极电压浮动而浮动，所以叫做“浮栅驱动”。电容C10亦称为自举电容。Q5靠C10两端的电压来维持导通。

当上桥臂的控制信号(HO1)为低电平时，为Q5的栅极提供放电回路，从而使V0A很快关闭。

当Q5关闭后，由于下管Q6的体二极管续流或负载的作用，使得A Phase电压下降接近0V，从而使C10经过+12V→D10→C10→GND回路充电，为下一次导通做好准备。

从上面的过程可以看出，电容C10的充电量应该是越大越好。但电容大了，可能二极管来不及给电容充满电；电容小了，又不能保证导通时间，所以这种驱动不能使Q5长时间维持在导通状态，这也是为什么PWM信号要耦合到上桥的一个原因。

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审核编辑 黄宇