在上一篇文章中介紹了PWM驅動方式下的有刷直流電機的四種電流再生方法。本文將介紹有刷直流電機的PWM驅動時的注意事項：損耗和開關方法。

使用PWM輸出方式驅動有刷直流電機：損耗的思路

由于PWM驅動是脈沖驅動，因此其功耗僅是一個周期內電機的電壓施加（導通）期間的功耗和電流再生（關斷）期間的功耗的平均值。嚴格來講，如下圖所示，可以分電壓施加期間（紅色）、電流再生期間（藍色）和轉換期間（黃色）三種狀態的功耗來考慮。通常，穩態期間的損耗為傳導損耗，開/關轉換期間的損耗為開關損耗。

●施加電壓期間的功耗

（a）圖顯示了施加電壓時的開關（MOSFET）狀態。由于電流流過兩個MOSFET導通的路徑，因此這里的損耗為導通的MOSFET的導通電阻之和×電流的平方。

●電流再生期間的功耗

如上一篇文章中所述，有四種電流再生的方法，并且電流路徑不同損耗也不同。

在（b）和（e）中，由于兩個導通的MOSFET成為電流路徑，因此，損耗為導通的MOSFET的導通電阻之和×電流的平方。

在（d）中，由于電流經由兩個MOSFET的寄生二極管，因此損耗是各寄生二極管的VF之和×電流。

在（c）中，由于電流經由導通的MOSFET和關斷的MOSFET的寄生二極管，因此損耗是導通的MOSFET的導通電阻×電流的平方＋關斷的MOSFET的寄生二極管的VF×電流。

● 轉換時的損耗

這項有些復雜。 ?通常，開關損耗可以通過以下公式來計算。

轉換時的損耗=0.5×Ea×I×（tr+tf）×fsw

Ea：施加電壓，I：電流，tr：上升時間，tf：下降時間，fsw：開關頻率

但是，tr和fr需要根據實際波形求得，而實際波形并不總是如圖所示的整齊線形，因此需要考慮到這一點。另外，對施加的電壓和電流進行實際測量更能獲得可靠的結果。

使用PWM輸出方式驅動的有刷直流電機：注意事項

●轉換時的損耗和噪聲

從前面的公式可以看出，隨著上升時間tr和下降時間tf變快，轉換損耗（即開關損耗）會變小。開關速度（壓擺率）越快，開關損耗越小，最終功耗越小=效率越高，但另一方面，開關噪聲也會增加。這是因為效率和噪聲之間存在此起彼消的矛盾關系，因此需要在兩者之間找到折衷方案。

●高邊/低邊開關切換時序

這是同步整流開關穩壓器必不可少的控制，關于H橋的高邊/低邊對（在上圖中為Q1/Q2、Q3/Q4）的ON/OFF，必須控制H橋，使高邊和低邊不發生同時導通期間。如果它們同時導通，則電源和GND將會短路，并可能會流過被稱為“直通（Shoot Through）電流的大電流，甚至還會造成損壞。

為了防止同時導通，需要設置一個控制電路，以實現包含可以使高低邊開關同時關斷期間（俗稱“死區時間”）的開關動作。但是，死區時間段會成為損耗，需要盡可能地縮短該時間段，并需要非常先進的控制以同時兼顧高效高速開關（轉換速率）。實際上，很難用外部電路來組成這樣的控制電路，因此通常使用電機驅動器IC中配備的防止同時導通的電路。

●PWM頻率

開關損耗隨著PWM頻率（即電壓施加和電流再生周期）的增加而增加。從前面的公式中也可以清楚地看出這一點。當希望通過增加頻率來減輕電流紋波時，就需要在頻率與效率之間進行權衡。

●確認電機驅動器IC是否支持PWM驅動

很簡單，如果在電機驅動器IC的技術規格書中沒有“支持PWM驅動”的描述，則有可能無法進行PWM驅動。當特別希望用PWM方式驅動某款驅動器時，就需要與制造商確認。

如果用PWM方式驅動了不支持PWM驅動的驅動器，則很有可能無法工作，即使工作也會發生誤動作或者需要外置部件或電路，因此原則上不建議嘗試。

關鍵要點：

?關于有刷直流電機的PWM驅動損耗，可以從施加電壓時、電流再生時和轉換時三個狀態來考慮。

?關于有刷直流電機的PWM驅動損耗，當提高開關速度（轉換速率）時，效率會提高，但噪聲會增加。

?關于有刷直流電機的PWM驅動損耗，當提高PWM頻率時，可以減少電流紋波，但效率會降低。

責任編輯：tzh