無刷電機(jī)采用3 相線通電。電機(jī)本體的定子中，有與3 相對應(yīng)的線圈（數(shù)量為3 的倍數(shù)）。各相線圈根據(jù)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動位置進(jìn)行換流（改變電流的方向）。通過改變換流速度與經(jīng)PWM調(diào)制后的電壓，控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動。逆變器的作用是利用直流電源（電池）生成各相的功率信號（交流生成電路）。

逆變器電路的概要

開關(guān)器件

逆變器電路是什么樣的？

圖1

無刷直流電機(jī)的驅(qū)動電路如圖1 所示。在這個電路圖中，功率器件采用晶體管。晶體管起到高速開關(guān)的作用。像這樣不工作在放大狀態(tài)、起開關(guān)作用的器件，叫做“開關(guān)器件”。實(shí)際上，這里運(yùn)用的并不是普通晶體管，而是MOSFET 或IGBT。圖中晶體管左側(cè)的端子叫做“基極”（晶體管）或“柵極”（MOSFET）。對基極/ 柵極施加電壓時，電流從晶體管右上方的端子（集電極/ 漏極）向右下方的端子（發(fā)射極/ 極）流動，開關(guān)變?yōu)殚_通狀態(tài)。開關(guān)處于開通狀態(tài)時，直流電源電壓施加到集電極/ 漏極，電流的流向：上臂晶體管/MOSFET →電機(jī)線圈（2 相串聯(lián)）→下臂晶體管/MOSFET →地。

線圈中的電流是如何流動的？

分別有U 相、V 相、W 相線圈。而P W M 信號必須控制電流按如下方向流過其中2相的開關(guān)。

U → V

U → W

V → W

…

上述方向中，箭頭左側(cè)對應(yīng)上臂開關(guān)，箭頭右側(cè)對應(yīng)下臂開關(guān)。電路中，U相、V 相、W 相線圈可以分別視為只有1 個。當(dāng)然，實(shí)際上并不是每相只有1 個線圈，而是由數(shù)個定子線圈（槽）串聯(lián)或并聯(lián)起來。

關(guān)于開關(guān)器件，上臂和下臂分別設(shè)置了U 相、V相、W 相。接下來，我們來看看3 相中的各相開關(guān)器件。U相上臂開關(guān)器件開通時，U 相下臂開關(guān)器件必須關(guān)斷；U 相上臂開關(guān)器件關(guān)斷時，U 相下臂開關(guān)器件必須開通。V 相、W 相也是如此。絕不會出現(xiàn)上臂和下臂同時開通/ 同時關(guān)斷的情況。這樣的關(guān)系叫做“互補(bǔ)”。

如何決定上臂/ 下臂開關(guān)器件的開通/ 關(guān)斷？

圖2

在圖2 所示電路中，電流從上臂流到下臂，上臂從3 相中選擇1 相開通，下臂亦從3 相中選擇1相開通。因此，這里有6 個MOSFET 開關(guān)器件。在瞬間，由微處理器決定電流從哪里流向哪里，從哪相流過。微處理器對在各相中形成什么樣的波形進(jìn)行計(jì)算，并由計(jì)時器/ 計(jì)數(shù)器端子在任意時刻輸出適當(dāng)波形。此電路中由晶體管實(shí)施PWM 控制。在后面講到的矢量控制的電路與這里的逆變器電路是一樣的，只是PWM 的使用方法不同。這里使用的6 個MOSFET 具有同樣的特性。考慮到購買的方便性與良好的驅(qū)動性能，我們使用N溝道MOSFET。

功率器件MOSFET 與IGBT

低于100V 時選用MOSFET

在圖1 所示電路中，電機(jī)控制使用的開關(guān)器件是圖3 所示的晶體管。一般來說，MOSFET（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，MOS場效應(yīng)晶體管）與I G B T （ I n s u l a t e d G a t e B i p o l a r Transistor， 絕緣柵雙極晶體管）使用得比較多。最近，更高效、更耐高壓的新一代SiC、GaN 開關(guān)器件也開始得到應(yīng)用。

MOSFET 的特點(diǎn)是通態(tài)電阻（開通時的漏- 源極間電阻） 小， 損耗小。像E V 卡丁車這樣， 輸入電壓在2 4 ~ 5 0 V （ 耐壓6 0 ~ 1 0 0 V ）， 可適用的MOSFET 種類有很多，也很容易獲得。選型的關(guān)鍵是通態(tài)電阻、開關(guān)速度、溫度特性等。

高于100V 時選用IGBT

I G B T 的特點(diǎn)是耐高壓。找到適用于1 0 0 V 、200V，甚至更高電壓的MO S F E T 比較困難，此時應(yīng)選擇I G B T 。市售的E V 和最近的火車上使用的也是IGBT。開通時，IGBT 集電極- 發(fā)射極的極間電壓只有幾伏，但消耗的電流很大，需要采取散熱對策。

驅(qū)動電路

在逆變器中，驅(qū)動MOSFET、IGBT 等功率器件的電路部分叫做驅(qū)動電路，驅(qū)動電路的作用如下：

·避免電機(jī)驅(qū)動電源損害微處理器

·提供足夠大的基極驅(qū)動電流

·生成柵極驅(qū)動電壓

基極驅(qū)動IC

這里所說的生成柵極驅(qū)動電壓， 是指輸送MOSFET 的基極的電能MOSFET 的基極不僅要有電壓的施加，也必須要有電流的流入。例如，2SK3479 的 柵極電容Ciss 為1100pF，Qg為2 1 0 n C。柵極連接了一個2 2 Ω 的保護(hù)電阻，截止頻率為1.3MHz，初期柵極電流227mA（驅(qū)動電壓5V）。也就是說，僅僅依靠微處理器的端子無法直接驅(qū)動。因此，為了確保驅(qū)動電流設(shè)置了柵極驅(qū)動I C 。以上臂的柵極驅(qū)動I C 為例，輸出電流（IO+/-）為2A 的IRS2110 柵極驅(qū)動IC 的具體情況如圖4 所示。

圖4

柵極電壓的自舉電路

此驅(qū)動電路中，MOSFET 在電機(jī)驅(qū)動電壓超過＋ VGSmin 時驅(qū)動。當(dāng)然，柵極電壓取決于使用哪種MOSFET。因此，柵極驅(qū)動IC 搭載了電荷泵升壓電

路。這也叫做自舉電路（圖5）。

圖5

根據(jù)微處理器輸出的柵極驅(qū)動信號，該電路通過柵極驅(qū)動IC 對外部電容器充電，并向柵極施加線圈的相電壓。也就是說，對下臂施加驅(qū)動脈沖，自舉電路才會工作。但是，如果電壓不足，就會出現(xiàn)即使微處理器輸出PWM 信號，也無法驅(qū)動?xùn)艠O的現(xiàn)象。使用PWM 控制電機(jī)的速度時，必須注意：如果沒有進(jìn)行下臂的脈沖驅(qū)動，電機(jī)就不會工作。驅(qū)動前，需對下臂施加與電機(jī)轉(zhuǎn)動無關(guān)的脈沖