什麼是馬達驅動器？
馬達驅動器是一種基於半導體的電路，用於為馬達供電和控制馬達。許多此類設備使用智慧微控制器來產生數位控制訊號，以控制稱為橋臂的半導體對。有些控制器包含 2 個橋臂（4 個半導體開關），而有些則可能控制 3 個橋臂（6 個半導體開關）。微控制器協調的脈衝寬度調變 (PWM) 訊號用於控制小功率馬達中的金屬氧化物場效電晶體 (MOSFET)，而絕緣閘雙極型電晶體 (IGBT) 通常用於功率高達約 1000 馬力的馬達驅動。常見的馬達驅動器是電子調速器 (ESC)，它廣泛應用於遙控 (RC) 汽車、飛機和四軸飛行器。
本工程簡報是探討馬達驅動技術系列文章的第二篇。本文介紹了一種極簡但功能齊全的橋臂，可在試驗電路板（麵包板）上建造。如圖 1 所示，它可用於控制有刷直流馬達的轉速，但不能控制其方向。下一篇文章將展示如何使用兩個橋臂來建立一個完整的 H 橋，從而實現對直流馬達的轉速和方向控制。圖 2 顯示了圖 1 所示電路的原理圖。
我們鼓勵您搭建一個電路副本，以累積電子原型製作經驗。之後，您可以修改電路以更好地理解其工作原理。
圖 1：基於 MOSFET 的橋臂可用來控制直流馬達。Arduino Nano Every 用於產生 PWM 訊號。馬達轉速由電位器設定決定。
安全提示：為保護您的電腦，請在啟用 15V 直流電源時斷開電腦的 USB 連接埠。這可以防止 15V 直流電源與 Arduino 的任何引腳意外連接。
忽視此警告可能會損壞您電腦的 USB 連接埠、處理器或主機板。
建議使用獨立電源為 Arduino 供電，例如低成本的手機充電器。此外，您可能還需要購買 USB 連接埠隔離器來保護您的電腦。
如果您尚未閱讀本系列的前一篇文章，建議您先閱讀。前一篇文章探討了自舉電容的概念及其如何為高側 MOSFET 提供能量。
圖 2：橋臂示意圖，內含 IR2110 驅動器和 Arduino Nano Every。電容 C2 執行關鍵的引導操作。 Arduino 透過其 USB 連接埠（圖中未顯示）供電。
什麼是橋臂？
橋臂是 H 橋或完整三相橋電路的一部分。每個橋臂由兩個半導體裝置組成：通常是 MOSFET 或 IGBT。高側半導體裝置用於將負載拉高，而低側半導體裝置用於將負載拉低。
圖 2 所示為一個典型的橋臂和驅動器的示意圖。它包含一對 N 通道 MOSFET。請注意，負載連接到 MOSFET 的中間位置。相對於這個中心點，MOSFET Q1 被指定為高側元件，Q2 被指定為低側元件。
MOSFET 驅動器的特性
圖 2 所示電路採用了 Infineon IR2110PBF MOSFET 驅動器。該元件最初由 International Rectifier 於1990年代設計。它至今仍然適用，而 14 引腳 DIP 封裝版本尤其適合學習，因為它可用於如圖 1 所示的試驗電路板電路。
IR2110 驅動器適用於頻率高達約 100kHz 的脈衝寬度調變 (PWM) 操作。其功能框圖如圖 3 所示（ 規格書中）。請注意，IC 封裝內包含兩個半獨立的電路，分別是低側驅動器和高側驅動器，輸出分別為低輸出 (LO) 和高輸出 (HO)。輸入端低輸入 (LIN)、高輸入 (HIN) 和關閉 (SD) 均為低電平邏輯，相容於 3.3VDC 電源。
圖 3：IR2110 的功能框圖，圖中顯示了低側和高側驅動器。請注意，高側驅動器包含電平轉換電路，以支援自舉功能。
IR2110 具有多項特性，使其成為驅動橋式唱臂的理想選擇，其中包括低阻抗輸出驅動器和高側驅動器的自舉功能。
低阻抗
MOSFET 是一種電壓控制器零件。理論上，我們只需對 IRF520PBF 等裝置施加 15V 直流電壓，它就會導通，並具有低通道電阻。但實際上，這並非易事，尤其是在開關頻率為 1kHz 至 100kHz 範圍內時。
請記住，MOSFET 中的 MO 指的是金屬氧化物閘極材料，它用於將閘極與通道隔離。此外，電容器由兩個導體組成，中間由介質隔開。因此，MOSFET 的閘極結構是一個電容相對較大的電容器，必須對其進行充放電才能使 MOSFET 導通和關斷。當裝置在高頻下工作時，這可能會出現問題。
因此，需要一個具有低阻抗輸出的強驅動器來對 MOSFET 的閘極電容進行充放電。這就是為什麼 IR2110 驅動器的額定脈衝電流高達 2.5A 的原因。
技術提示：當兩個橋臂開關同時導通時，會發生一種稱為直通（交叉導通）的情況。這實際上會使電源短路，例如圖 2 中的 Q1 和 Q2 同時導通時。在這種情況下，某些零件會損壞 —— 根據墨菲定律（Murphy’s Law），損壞的往往是最昂貴且最難更換的零件。如果驅動器的邏輯電路發生故障，則可能發生此故障。如果 MOSFET 沒有及時導通和關斷，尤其是在高頻工作時，也可能發生此故障。低導通電阻要求是使用低阻抗驅動器的主要原因之一。
自舉操作
請注意，圖 3 包含三個電源輸入端，包括：
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VDD/VSS 輸入端（低電位邏輯，5VDC，如圖 2 所示）
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VCC/COM 輸入端（15VDC，與 C3 相連，如圖 2 所示）
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VB/VS 輸入端（15VDC，浮動自舉，與 C2 相連，如圖 2 所示）
如果您尚未閱讀，我們強烈建議您閱讀 DigiKey 的《自舉操作指南》。該指南詳細介紹了自舉操作，重點闡述了接地參考訊號和浮動訊號之間的差異。它還探討了自舉電路，著重分析了高側 MOSFET 閘極驅動要求以及自舉充電電路的必要性。
簡而言之：自舉電路為橋臂中的高側 MOSFET 提供浮動電壓源。自舉電路的運作需要一個充電電路和一個帶有電平轉換電路的 MOSFET 驅動器。當低側開關啟動時，自舉電容（飛跨電容）開始充電。此電容為高側驅動器提供穩定的 15VDC 電壓。從以地為參考的示波器觀察，自舉電容的正極電壓會在 15VDC 和 15VDC 加上初級輸入電壓之間跳變。例如，如果橋臂的電源電壓為 50VDC，則自舉電壓會在 15VDC 和 65VDC 之間跳變。
自舉充電
如圖 2 所示，C2 為自舉電容。其負極連接至橋臂的輸出端。然後，該電容連接至 IR2110 的浮動 VB/VS 對。當 Q2 導通時，自舉電容會透過 D1 充電。
技術提示：「Q2 導通」有兩種解釋。第一種情況是指 MOSFET Q2 透過低側驅動器物理導通。第二種情況是指 Q2 的體二極體導通。假設橋臂連接到感性負載，則每次高側 MOSFET 關斷時都會發生這種情況。此時，感性反激電壓迫使 Q2 導通。這使得自舉電容 C2 的負極相對於地產生一個二極體壓降。在這種情況下，電容會透過二極體 D1 充電至約 15VDC。
技術提示：請勿將高側驅動器的佔空比設定為 100%。MOSFET Q1 必須週期性地關斷，以便為自舉電容充電。如果沒有這種緩衝，電容會緩慢放電。IR2110 驅動器最終會將此情況偵測為欠壓狀態。然而，由此產生的輸出將不穩定且難以排除故障。此外，雖然 IR2110 應該能夠保護 MOSFET，但其欠壓設定可能對於您的應用而言過低。這會導致 MOSFET 工作在高通道電阻下，從而導致過熱和裝置損壞。
電平轉換
圖 3 展示了高側驅動器的電平轉換電路。在前一篇文章中，我們介紹了使用光耦合器進行電平轉換的方法。這使得訊號能夠通過，同時高側 MOSFET 可以在地電壓和電源電壓之間自由切換。此外，自舉電容確保高側 MOSFET 接收乾淨的驅動訊號，該訊號在閘極到源極之間從 0VDC 過渡到 15VDC。
據我所知，IR2110 不使用光耦合器，但結果卻是一樣的。其內部電路允許高側驅動器和相關的自舉電容在電壓瞬變迅速（高 dv/dt）的系統中，從 0 到 500VDC 自由浮動。再次強調，高側驅動器必須與高側 MOSFET 的源極同步。即使只有一瞬間的偏差，也會超過設計最大值 V_{GS} ，從而損壞 MOSFET 的閘極絕緣層。
技術提示：差分探頭可用於測量高側閘極至源極電壓。回想一下，差分探頭有兩個輸入。探頭響應輸入訊號之間的差異。此測量可以使用兩個傳統探針和數學運算來執行。此技術用於測量升壓電壓，如圖 4 所示，其中以通道 2 減去通道 1 執行差分計算。
圖 4：與自舉電容器相關的電壓 通道 1（橘色）C2 的負極 通道 C2（藍色）C2 的正極，紅色表示通道 2 - 通道 1 的數學結果。紅線表示用於驅動上部 MOSFET 的 VB 到 VS 對之間的浮動電壓。
測試條件
如圖 2 和圖 5 所示，此電路採用單橋臂結構。這種結構可以改變馬達轉速，但不能改變其旋轉方向。對於有刷馬達的雙向調速，需要使用完整的 H 橋電路（將在後續文章中探討）。
關於圖 2，請注意直流馬達透過地線連接到橋臂的輸出端。這意味著高側驅動器 Q1 處於工作狀態，而低側驅動器 Q2 處於就緒狀態，但由於 LIN 指令線透過直接接地被停用，因此 Q2 處於停用狀態。同時，我們必須認識到 Q2 對於電路的正常工作至關重要，因為 MOSFET 的體二極體仍然需要用於捕獲馬達的感應反激電壓。
替代測試條件：
我們可以透過將 2 號直流馬達連接從地移至直流電源，來改變電路條件，從而使低側驅動器正常工作。同時，我們也需要交換 HIN 和 LIN 輸入端。
技術提示：MOSFET 的反向（本體）二極體通常設計為匹配相關 MOSFET 的特性。例如，假設 Q1 透過高電感直流馬達傳導 5A 電流。當 Q1 關閉時，此反激電流自然會經由 Q2 的二極體換向。了解了這一事實，我們就能更好地理解 MOSFET 和內部二極體匹配的必要性。
可以使用外部二極體來提高性能。然而，當我們考慮物料清單 (BOM) 時，零件數量的增加是不可取的。
Arduino 程式碼
以下是 Arduino Nano Every 的程式碼。請注意，微控制器讀取 10-bit 電位器值並將其轉換為 8-bit 值，以驅動 D3 引腳上的 PWM 訊號。另請注意，使用了飽和區將 PWM 限制在 98% 左右。
#define VREF_PIN A7
#define PWM_PIN 3
void setup() {
pinMode(PWM_PIN, OUTPUT);
TCB1_CTRLA = 0b00000011; // pin D3
}
void loop() {
uint16_t setpoint = analogRead(VREF_PIN);
uint16_t drive = setpoint >> 2;
if (drive > 250) {
drive = 250;
}
analogWrite(PWM_PIN, drive);
delay(50);
}
請參考另一文章有介紹採用直接操作特殊功能暫存器 (SFR) 的方法，將預設 PWM 頻率從 980Hz 提高到 32kHz。更高的頻率使馬達嗡嗡聲超出人耳可聽範圍，並將馬達從斷續（脈衝）模式切換到連續模式。此處，「連續」是指考慮到開關頻率和馬達電感，馬達電流幾乎是連續的。頻率較低時，由於感性能量在每個 PWM 週期內都會耗散至零，因此電流是不連續（脈衝）的。
圖 5：使用 B&K Precision DC 電源供應器和 Digilent Analog Discovery 的橋臂測試設定。
結論
至此，我們得到了一個功能尚可但略顯有限的馬達控制器。利用 Arduino 的 PWM 訊號和 IR2110 MOSFET 驅動器，我們能夠控制橋臂中的高側 MOSFET。該方案的核心是一個巧妙的電路，其核心是一個電平轉換器和一個自舉電容，用於在 MOSFET 源極在接地和電源電壓之間切換時提供穩定的開關訊號。
雖然可能看起來並不明顯，但我們在理解高級馬達驅動方面已經取得了顯著進展。下一步，我們將使用兩個橋臂來建造一個 H 橋。這將實現有刷直流馬達的雙向速度控制。在此基礎上，只需稍作調整，即可產生用於無刷直流馬達的梯形波形驅動，或產生工業變頻器（VFD）用於百馬力感應馬達的三相正弦波形驅動。
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什麼是 MOSFET 體二極體（反向二極體）？它在橋臂電路中何時導通？
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描述橋臂電路中的直通現象。
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為什麼在高工作頻率下直通現象更容易出現問題？
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描述自舉電容的充電步驟。
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MOSFET 是電壓控制器零件，請用三個字以內解釋為什麼需要大電流驅動器。
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解釋為什麼 IR2110 可以或不可以用作兩個獨立低側 MOSFET 的驅動器？例如，能否以 10kHz 的頻率驅動一個接地參考的 MOSFET，同時以 15kHz 的頻率驅動另一個接地參考的 MOSFET？提示：IR2110 內部是否有防止直通的內部電路？
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請查閱 IR2110PBF 和 IRF520PBF 的 規格書。
A) 每個元件的最大供電電壓是多少？
B) 為了適應更高的電壓，需要對圖 2 進行哪些修改？
C) 為系統的最大工作電壓選擇適當的自舉充電二極體（D1）。
批判性思考問題
這些批判性思考問題拓展了文章內容，幫助你從整體上理解材料及其與相關主題的關係。這些問題通常是開放式的，需要進行研究，最好以論文形式回答。
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修改圖 2 的電路圖，使其使用 50VDC 電源供電。為了獲得滿分，請從 50VDC 電源導出所需的電壓。提示：為簡化電路，可使用線性穩壓器。
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修改電路，使其以 100% 佔空比運作。為了獲得滿分，請從 50VDC 電源導出閘極電壓源。
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尋找能夠切換 75A 電流的 N 通道 50VDC MOSFET 的規格書。
A) DigiKey 的零件編號是多少？
B) 輸入電容是多少？
C) 假設驅動器的輸出阻抗為 50ohm，計算所得 RC 電路的時間常數。
D) 假設導通時間必須是開關時間的 10 倍，佔空比設定為 50%，建議一個最大工作頻率。
E) 重新計算阻抗為 5ohm 的驅動器。
F) 基於這些計算結果，為涉及大電流和高開關速度的 PCB 設計提供建議。
原文作者: Aaron Dahlen | MSEE | Senior Applications Engineer, DigiKey