现代电机驱动器为电动工具设计提供通用平台-现代电机设计及分析方法的概述

作者：Charles Keefer，高级现场应用工程师

Allegro MicroSystems

在当今多样化的电动工具市场中，广泛的电池电压和扭矩要求通常会导致设计使用不同的平台来支持有限范围的产品。如果使用一个单一的全行业平台来服务于计划的产品范围，则可以从研发计划中节省大量时间和成本。

一些电动工具系列涵盖12 V至24 V范围，而其他电动工具系列则涵盖12 V至60 V范围。如果包括草坪工具，范围可以扩展到80 V。随着这些较高的工作电池电压，更恶劣的环境在驱动器输出级上引入更大的负瞬变，因此需要多种印刷电路板（PCB）设计，这些设计来自低功率和高功率电机驱动器芯片的抓取袋。通用无刷直流（BLDC）或半桥驱动器芯片可以涵盖市场上所有电动工具设计的范围，这将减少开发和生产新电动工具所需的时间和精力，从而整合软件开发时间和PCB设计/测试周期。

能够为市场上各种电动工具提供服务的单一平台设计必须允许这些器件上的最大电压范围。许多电机驱动器器件的最大电源电压仅为40 V。这在大多数24 V或36 V系统中留出了足够的裕量，无法提供坚固的设计，可以承受电机运行期间电动工具电压电源上可能出现的苛刻电压瞬变。具有更宽电源电压范围的独立栅极驱动器，可以承受这些瞬变（例如下面讨论的50 V及以上栅极驱动器），将使系统设计人员能够在大跨度电动工具电池上实现通用设计的时间和资源节省。

对于更高功率的 48 V、60 V 或 80 V 系统，集成式三相 BLDC 的解决方案较少。当电源通过紧凑型高压半桥分布在电路板周围时，必要的电动工具设计可能更容易实现。采用超小型3 mm × 3 mm DFN 封装的 100 V 半桥将有助于实现这一目标。宽电源电压范围允许用于小型12 V钻头电机或采用单PCB架构的更强大的80 V串式微调器，其中 – 为了节省低功耗工具的成本 – 可以根据所需的功率水平更换各种MOSFET。

高端电动工具通常支持延长的工作时间或频繁、快速、高功率脉冲的操作。它们的峰值扭矩额定值也可能超过1200 in-lb或130 N∙m，通常在2000 rpm时计算。另一方面，电池供电的割草机需要的扭矩较小，但仍需要长时间高速运行。这就决定了通用平台的栅极驱动器需要能够驱动 12 V、30 kW 峰值电钻和 80 V、4.5 kW 割草机。当两个工具的常见扭矩额定值转换为动力时，驾驶员需要适应的跨度显示为：

功率 [kW] = （扭矩 [N∙m] ×转速 [rpm]）/9550

大功率钻头峰值示例：

功率 = （130 N∙m × 2100 rpm）/9550 = 27.6 kW

低功率长工期割草机示例：

功率 = （12 N∙m × 3500 rpm）/9550 = 4.4 kW

上述功率电平决定了在任何给定系统中使用的驱动器和MOSFET。

大多数驱动器的栅极驱动电压在7 V至13 V之间。这些器件中常用的一些 MOSFET 的总栅极电荷在标称 10 V 电压下变化很大。薄型 40 V DFN MOSFET 的总栅极电荷可能为 65 nC，而 100 V MOSFET 的总栅极电荷可能仅为 35 nC。为确保支持工具阵容的全部功率谱，必须考虑驱动器可以向MOSFET栅极提供的平均VREG电流，以将MOSFET保持在导通状态。

还必须考虑最大拉电流和灌电流，以确保MOSFET快速通过米勒区域;然而，脉宽调制（PWM）驱动频率和MOSFET尺寸的限制因素将是驱动器可以为栅极驱动提供的平均电流。确定在给定PWM频率下将MOSFET保持在导通状态所需的必要平均VREG驱动电流的公式为：

我平均[mA] = × fPWM [kHz] × QG（tot） [nC] × 1000 驱动 MOSFET 的数量

例如：

我（100V_FET，平均）= 6 × 20 kHz × 35 nC × 1000 = 4.2 mA

我（40V_FET，平均）= 6 × 20 kHz × 65 nC × 1000 = 8 mA

我（80V_FET，平均）= 6 × 20 kHz × 140 nC × 1000 = 17 mA

驱动MOSFET的数量随驱动器方案而变化 – 六个用于正弦驱动器，两个用于梯形驱动器，四个用于两相正弦驱动器。在本例中，20 kHz 用于将驱动频率保持在可听范围之外。

图 1：通用驱动器 IREG 功能的图形，以及在各种 PWM 频率下保持 6 个 35 nC MOSFET 导通状态所需的电流计算。

存在更多的MOSFET选项，总栅极电荷的值是无限的。关键的一点是，在任何系统中，设计人员都必须在选择驱动器之前解决影响平均VREG驱动器电流的组件之间的相互作用。使用总栅极电荷为65 nC（10 V）的MOSFET，IREG平均电流为15 mA（在20 kHz时驱动）的驱动器将为强大的栅极驱动提供充足的裕量。对低功耗工具使用相同的设计，MOSFET可以换成具有较高总栅极电荷的较低ID额定器件。

图 2：功能强大的电机驱动器可实现灵活的 PCB 设计。

跨度为 12 V 至 80 V 范围的系统需要具有更高电源额定值的驱动器，以支持高功率 18 V 钻机和 80 V 割草机。虽然合适的集成式三相 BLDC 驱动器的选择有限，但一组功能强大的 100 V 半桥可以满足需求。快板 A89500[1]是额定电压为 100 V 的半桥，可驱动 30 kW 或 4 kW 的系统。峰值灌电流和源电流足够高，可以快速将 MOSFET 切换到导通状态，并可通过外部电阻器轻松设置，从而实现高度灵活和鲁棒的电磁兼容 （EMC） 设计。然后，独立的栅极驱动电源支持在高电流 100% 占空比情况下保持 MOSFET 处于导通状态所需的所有电流。

电动工具系统设计中的下一个考虑因素是驱动器的鲁棒性。在高扭矩电机产生大瞬变的恶劣环境中，它将如何表现？

当驱动器切换控制峰值功率额定值为30 kW的电机的MOSFET时，必然会发生较大的正负瞬态脉冲。系统设计人员可以在 MOSFET 电桥电源上放置多个电容器，也可以选择具有同类最佳瞬态保护并节省 PCB 空间和 BOM 成本的驱动器。Allegro 电动工具栅极驱动器产品组合—如 50 V 额定值的 A4919[2]以及 100 V 额定值的 A89500 — 提供直接内置于电路中的同类最佳的负瞬态保护。A89500 的高侧栅极驱动器输出可承受 –18 V 至 100 V 的短时瞬变相连接上的电压。A4919 和 A4915 [3]（用于低于40 V工具的类似尺寸的设备）是电动工具的流行选择，在相位连接上也提供一流的负瞬态鲁棒性。虽然该市场的其他一些选择在相位连接时对–8 V具有鲁棒性，但许多供应商只能支持地电压以下约2 V。这些不太坚固的解决方案需要单独的PCB设计，用于更苛刻的高功率工具或重要的保护电路，否则这些电路在电动工具市场的低功耗端是不需要的。

图 3：Allegro 和其他供应商栅极驱动器的相位连接瞬态鲁棒性和最大电源电压额定值。

要确定支持一系列工具的设计的最佳驱动程序，系统集成商必须考虑几个问题。产品阵容中所有工具的电池电压范围是多少？需要什么尺寸的MOSFET？是否会有额外的保护电路的空间，或者是否可以将其引入栅极驱动器？

无论采用何种系统，目前都有可用的器件可以为电动工具设计提供通用平台。A4919 是一款小型直接驱动栅极驱动器，具有坚固的栅极驱动电路，能够支持大多数低于 40 V 的系统。A4915 是一款类似尺寸的设备，适用于低于 40 V 的工具，具有集成的霍尔效应传感器电源和反馈以及电机驱动控制逻辑。A4915 的内置控制逻辑通过简单的接口节省了空间，该接口可减轻电机控制算法的负担。对于 12 V 至 80 V 范围的工具组合，功能强大的小型 A89500 半桥是最佳选择，可轻松驱动具有高总栅极电荷的高功率 MOSFET 或小型多封装低功耗 MOSFET。所有这些 器件 都 允许 系统 设计 人员 将 电动 工具 阵容 精简 到 一个 PCB， 从而 节省 测试 时间， 减轻 软件 资源 的 负担， 并 实现 更 快速 的 开发。