H桥反激式

电器工程 发动机 H桥 飞回来 换向
2022-02-01 11:41:52

对不起,如果这个问题有点长,但我在这里谨慎地讨论我所知道的最先进的技术,然后再问这个问题。

问题

当使用 H 桥驱动电机等的双向线圈时,我一直担心处理反激电流的最佳方法。

经典飞返

典型地,我们看到使用以下电路,其中跨桥开关的反激二极管允许驱动电流(以绿色显示)重新引导回电源(以红色显示)。

然而,我一直非常担心这种方法,特别是电源线中电流的突然反转如何影响稳压器和 C1 两端的电压。

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再循环反激式

经典的替代方法是使用再循环反激式。此方法仅关闭其中一个开关对(低或高)。在这种情况下,红色电流仅在电桥内循环并在二极管和 MOSFET 中消散。

显然,这种方法消除了电源的问题,但它确实需要更复杂的控制系统。

使用这种方法,电流衰减要慢得多,因为施加在线圈上的电压只是二极管压降 + on MOSFET 的 IR。因此,在使用 PWM 调节线圈中的电流时,它是比经典方法更好的解决方案。但是,为了在翻转方向之前扼杀电流,它的速度很慢,并且会将线圈中的所有能量作为二极管和 MOSFET 中的热量释放出来。

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齐纳旁路

我还看到修改了经典的反激方法以隔离电源并使用齐纳旁路,如图所示。选择齐纳二极管的电压明显高于电源轨,但安全裕度低于最大桥电压。当电桥关闭时,反激电压被限制在该齐纳电压,再循环电流被 D1 阻止返回到电源。

这种方法消除了电源的问题,并且不需要更复杂的控制系统。它会更快地熄灭电流,因为它会在线圈上施加更大的反向电压。不幸的是,它的问题是几乎所有的线圈能量都以热量的形式在齐纳二极管中释放。因此后者必须是相当高的瓦数。由于电流终止更快,这种方法不适用于 PWM 电流控制。

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能量回收齐纳旁路

我用这种方法取得了相当大的成功。

这种方法修改了经典的反激方法,再次使用 D3 隔离电源,但是,不是仅使用齐纳二极管,而是添加了一个大电容器。齐纳二极管现在只起到防止电容器上的电压超过电桥额定电压的作用。

当电桥关闭时,反激电流用于向通常充电到电源电平的电容器添加电荷。当电容器充电超过轨电压时,线圈中的电流衰减,电容器上的电压只能达到可预测的水平。如果设计正确,齐纳二极管永远不会真正打开,或者只有在电流处于低电平时才打开。

电容器上的电压升高会更快地消除线圈电流。

当电流停止流动时,电荷和线圈中的能量被捕获在电容器上。

下次电桥开启时,其两端的电压将大于轨道电压。这具有更快地为线圈充电并将存储的能量重新应用回线圈的效果。

我在我曾经设计过的步进电机控制器上使用了这个电路,发现它显着提高了高步进速率下的扭矩,实际上让我能够更快地驱动电机。

这种方法消除了电源的问题,不需要更复杂的控制系统,并且不会以热量的形式释放太多能量。

它可能仍然不适合PWM电流控制。

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组合

我有一种感觉,如果除了换相之外还使用 PWM 电流控制,组合方法可能是谨慎的。对 PWM 部分使用再循环方法,也许对相位开关使用能量回收器可能是您最好的选择。

那么我的问题是什么?

以上是我知道的方法。

在使用 H 桥驱动线圈时,是否有更好的技术来处理反激电流和能量?

4个回答

也许您可以使用带有低压侧 MOSFET 的制动电阻器,这种方法在交流电机驱动器中大量使用,其中电源 (AC) 无法处理再生能量。

只是一个想法

最好使用 LC 滤波器并考虑 ESR 从基本到 \$1/t_R\$

任何电源在直流时都有低 Zo,但随着带宽减小到单位增益反馈,Zo 会上升到一个很大的值,从而导致负载调节误差。

如果电机的 DCR 为 R,则最佳情况下的效率为 98%,(忽略寄生损耗)RdsOn = DCR 的 1% 和 Caps 的 ESR 远低于 \$ f_{-3dB} = n 的基频 f -40dB 谐波功率谱/t_R\$ 其中 \$n\$ 随 1 / % 占空比变化。

开关速率下的电容阻抗(例如 30kHz 和 10ns 上升时间)具有 300MHz 的谐波,跨越 4 个十倍频程,比大多数大电容在超低 ESR 下所能处理的要多,因此需要 3 个电容。例如 1000uF 明矾 10uf 钽 0.1 uF 塑料

Cmax 额定值取决于电容器的 Zc 和电机的 DCR 和 ZL(f)、MOSFET 的 RdsOn 和轨道电缆的阻抗。死区电流必须在启动期间吸收。DCR 代表最大电流。

钳位雪崩二极管电流路径采用与 MOSFET 开关相同的电流和路径,以在 PWM 死区时间 (~1us) 期间吸收反激脉冲。

您可以计算每个上限的耗散因子 <0.01。对比 0.05

对于 PWM 驱动的直流电机(频率在 kHz 范围及以上),我们必须处理线圈的反电动势,再循环反激是最明智的选择。整个想法是保持通过线圈的电流恒定,开路 MOSFET 的低电阻有很大帮助。

顺便说一句,您希望保持两个上部 MOSFET 都打开,因为打开的 MOSFET 作为二极管的压降要低得多。依赖反激二极管会导致重大损失,而齐纳/电阻旁路只会使情况变得更糟。

对于恒流电机控制信号(频率低得多),我们必须处理的最重要因素是电机的反电动势,它开始充当由自身惯性驱动的发电机。在这种情况下,为生成的电流提供低电阻路径意味着您正在主动制动电机。如果这就是你想要的,你可以继续使用再循环的反激到一定的限制,因为动能被你的 MOSFET 和反激二极管耗散了。超过此限制,您必须使用镇流电阻器将热量转入。

如果您不想主动制动,通常会使用齐纳旁路。应该注意的是,除了特殊情况(例如电动汽车下坡时,传入的机械能使摩擦力相形见绌),直流电机不能产生比刚驱动时更高的电压。所以齐纳二极管通常只需要吸收线圈的反电动势,然后它就不会再导通了。它只吸收线圈能量,而不是电机的动能(在再循环反激的情况下,MOSFET 也必须吸收)。

齐纳 + 电容器是个好主意,但只有当您的 MOSFET 的额定电压明显高于轨电压时,您才能负担得起用您无法精确控制的电压驱动电机。

处理反激电流的最佳方法是什么?

问题是 LDO 往往是电流的单向供应商(发射极或漏极跟随器),因此稳压器输出阻抗将开路,产生更高的电源电压,除非能量以节能的方式再循环。

这不是电池电源的问题,因为它可以存储反激能量。

反激电流的来源:

1) 换向期间的死区时间

  • 传统的解决方案是使用肖特基二极管到低压侧的 PWM 进行再循环
  • 在高端开关上使用 N 沟道分流 FET 进行再循环,但需要自举电压,因为栅极电压必须高于 V+,这是一种更昂贵但可能更低的有功功率浪费在驱动器中,现在由电机在短时间内吸收 T=L/R .
    • 两种情况下的 VI 下降决定了 L/R 衰减时间期间的损耗能量,T 对于 E = V(t) * I(t) * T [ watt-seconds ] 其中电流开始与换向前相同,然后衰减为零并以相同的方向通过线圈,而电压降在开关上的极性相反。二极管的 I(t)*ESR * Vf 决定了瞬时功率损耗,但由于此二极管电流占空比在 PWM 期间通常较低,电流额定值必须等于或大于 FET,但热上升取决于热开关前后二极管对场效应管的电阻和压降比。
    • 如果有一个零谷同步谐振开关,则有可能在关闭期间将能量转移到 LC 负载,但由于它是不连续的,因此可能不容易甚至不可能将 LC 谐振频率与 PWM 换向速率同步零相移(零谷开关)

2) 改变扭矩方向

  • 在这种模式下,电机充当为两者储存能量的发电机,并充当电子制动器,然后停止。
  • 再生模式意味着您可以将能量存储在其中,例如超级电容器或电池,并且不适用于 LDO。
  • 退化模式意味着您想要消耗发电机中存储的能量或将其他一些开关切换到虚拟负载。
  • 因为这比线圈电感中存储的电流要高得多,因为它具有电机和负载的惯性来产生存储的动能。