单相风机非桥式驱动续流方式研究

王 涛

(中国电子科技集团公司第二十一研究所，上海 200233)

0 引 言

单相无刷直流电动机结构简单，成本低，主要用于小型风机和泵的驱动。单相无刷直流电动机驱动有H桥式驱动和非桥式驱动[1]两种方式，桥式驱动应用广泛，非桥式驱动结构简单。在很多小型风机中，安装空间有限，驱动器面积很小，很难满足桥式驱动电路需求，所以非桥式驱动更适合应用于大批量生产的小型风机中。

电机绕组具有电感特性，电机每次换相时，绕组电流不会马上消失，而是在突变后瞬间等于突变前瞬间的电流。电机换相时，换相前开通的场效应管关断，当VGS等于零时漏极、源极间电阻RDS无穷大[2]，所以换相瞬间漏极端电压非常大，这就给功率开关器件造成了损坏的风险，在设计风机驱动电路时，一定要包含续流设计，通过释放绕组电流以保护功率器件。根据不同驱动电路的特点，应选择合适的续流方式，本文针对小型风机中单相直流电动机非桥式驱动续流问题进行研究，给出电容续流的设计方法，并通过仿真模型和实验，说明不同参数在电路中的影响。

1 单相风机驱动电路续流设计

1.1 单相风机驱动设计

桥式驱动是电机驱动中一种常见的方式，但对于体积较小、安装空间有限的小型风机，非桥式驱动更为适合。非桥式驱动使用元器件少，电路设计更简洁，可以节省空间，减小装配难度，给电机设计更多自由；其次，元器件少可降低成本，这在工业生产中是很重要的一个考量因素。

图1是单相风机非桥式驱动电路图。LA，LB视为两路绕组；Q1，Q2选用N沟道绝缘栅型场效应管；AH，BH是场效应管栅极驱动信号。

图1 无刷直流电动机非桥式驱动

在没有续流设计的情况下，即取消电容支路C1，R2和C2，R5。以LA支路为例，当电动机换相时，场效应管Q1关断，由于电感电流不会突变，场效应管关断后，场效应管漏极、源极截止，电阻RDS无穷大，所以场效应管漏极、源极DS两端会产生很大的脉冲电压。以场效应管Q1为例，漏极电压UD仿真波形如图2所示，供电电压设置48 V，上面波形为漏极电压波形，每格200 V，下面波形为栅极控制信号波形。从图2中可以看出，漏极电压达到300 V，远远超过正常的供电电压48 V和场效应管的耐压裕量，过电压会造成场效应管损坏，在驱动设计中必须要加入续流设计，防止功率器件被过电压损坏。

图2 无续流时场效应管Q1栅极漏极导通关断时的电压仿真波形

1.2 单相风机非桥式驱动续流方式

续流二极管是常见的一种续流方式，在桥式驱动电路中使用续流二极管搭建续流回路。在非桥式驱动电路中，不适合使用续流二极管搭建续流回路。因为二极管与绕组并联，电机在运行过程中，绕组线圈切割磁感应线产生反电动势，续流二极管起到了短路反电动势的效果。实际工作时，绕组产生的反电动势被二极管短路，根据电机转矩平衡方程式：T=Tout+T0，电动机电磁转矩T等于空载转矩T0与输出转矩Tout之和[3]，续流电流产生阻力矩，电机输出转矩减小，阻碍电机运动，导致电动机转速下降和电流上升，所以续流二极管不适合用于非桥式驱动电路。

图 1利用电容支路作为续流支路。当场效应管状态从导通到关断，由于电感电流不能立即消失，在场效应管栅极和漏极间加入电容支路，电容支路对突变电流相当于短路，给绕组电流提供了释放通道。当场效应管Q1开通，Q2关断，绕组通过场效应管Q1形成通路，由于电容的隔断直流作用，电容C1、R2断路。换相瞬间，场效应管Q1关闭，Q1漏极源极断路，绕组电流通过电容C1、R2释放，电流方向如图3所示，这时场效应管Q1栅极电压大于栅极开启电压UGS(on)，场效应管开通，提供电流释放的另一条通路，形成了一个负反馈，在它们的共同作用下，绕组电流可以迅速减小，场效应管漏极电压UD波形如图4所示，供电电压48 V，上面波形是场效应管漏极电压，每格50 V，下面波形是场效应管栅极电压。

图3 电容续流电流流向

图4 电容续流漏极波形

由图4可以看出，当绕组电流有释放通路后，场效应管Q1漏极电压UD在场效应管关闭瞬间尖峰明显减小，这样可以有效地保护场效应管，避免场效应管由于关断导致的脉冲电压的损坏，并降低场效应管的功耗。

1.3 电容续流参数选择

2 实验结果

实验电机使用涡流风机，供电电压48 V，无速度控制信号。选取R2=62 kΩ，R3=300 kΩ，C5=650 pF。实验波形如图5所示，其中通道1是栅极电压波形，通道2是漏极电压波形，每格50 V。可以看出，漏极波形符合理论和仿真预想，漏极电压尖峰明显被抑制，驱动信号电平转换速度快，电机换相正常，实测电机转速满足额定转速。

图5 实验漏极波形

3 结 语

与桥式驱动相比，非桥式驱动具有电路简单、成本低的优点。通过对单相无刷直流电动机不同续流方式的对比可知，采用电容续流的非桥式驱动相比于其他驱动续流方案，可有效抑制换相过电压。通过合适的电阻参数选择，换相时驱动电压电平转换迅速，电动机转速稳定，利用电容续流的单相直流电动机非桥式驱动适合应用在批量小型风机配套驱动器中。