ROHM课堂丨什么是无刷电机驱动器

本文将从技术角度出发，对三相无刷电机的电机驱动器的作用、种类和规格进行介绍。通过本文，您可以学习到电机驱动器选型所需的基础知识。

“什么是无刷电机驱动器”面向的是那些“想要尝试使三相无刷电机运转”以及想要了解“电机驱动器是什么？”的电机初学者，介绍使无刷电机运转所需的电机驱动器究竟是什么、有哪些种类及其各自的特点等电机驱动器的基础知识。

本文所介绍的是在选择和使用电机驱动器时需要预先掌握的知识，推荐那些为了理解电机驱动器的特点和规格而想要学习所需基础知识的读者阅读。另外，如果想了解电机转动的原理或者为了使其转动需要做什么等电机的基础知识，请先参阅本文所在的“Sugiken老师的电机图书馆”中的另一篇文章“初识电机”。

“什么是无刷电机驱动器”的内容

• 对三相无刷电机的要求

• 电机驱动器的作用

• 电机驱动器的结构（形态）

• 控制器（通电波形）

• 控制器（位置检测和控制功能）

• 功率晶体管

• 栅极驱动器

• 用途和特点

• 电机驱动器示例

• 最后

下面，首先介绍一下“对三相无刷电机的要求”。

对三相无刷电机的要求

电机被用于驱动从工业领域到车载、家电、玩具等领域的各种产品。因此，电机通常需要满足“效率”、“振动噪声”、“控制性和易用性”、“可靠性”和“成本”等方面的要求。本文所讨论的三相无刷电机（以下简称“无刷电机”或“电机”）能够全面且高水平地满足这些要求，因此近年来得到了广泛应用。

下面对这些要求进行逐一介绍。

效率

这里的效率是指电机输出相对于输入（功率）的比例。高效率电机可以说是一种损耗较小、有助于实现节能的电机。

振动噪声

如果电机产生的转矩存在脉动，就会引起振动。当该振动传递到电机的配套设备上时，可能会产生噪声。另外，电机本身也可能发出声音。对于要求静音性能的设备，通常会配备低振动、低噪声的电机。

控制性和易用性

这里的控制性是指对目标旋转工作和转速进行调节的便捷性、响应敏捷性以及对指令的跟随能力。电机不仅要能转动，还需要控制转速和转矩。另外，其控制的指令的易操作性、自动化程度、变动范围等，将电机安装到设备时的简便性也备受关注。

可靠性

可靠性要求电机不易损坏、特性不发生变化、不发生误动作，也不会危险运行。对于电气噪声和电磁噪声，不仅需要电机具备承受噪声时的耐受能力，而且其发出的噪声也必须在容许范围内。

成本

成本是指原材料费用和零部件价格，而减少材料用量和零部件数量也是关乎环保措施的重要考量。

电机的设计需满足其配套设备的性能要求。但是，若要使包括成本和资源在内的所有项目都达到非常高的水平是很困难的，或者也可以说是性能过剩。通常，性能要求是有优先级的，并且该顺序会根据配套设备的不同而有所变化。因此，设计人员需要在掌握包括电机在内的整个配套设备的基础上进行设计。

电机的性能是由机械性能（这里指由磁铁和铁芯等材料和结构决定的电机性能）和控制性能（由电机驱动器的功能和特性决定的电机性能）两者共同决定的。电机驱动器之所以存在多种类型，可以说是因为电机驱动器会影响电机特性，并且在进行整体设计时，对其要求也会发生变化。

接下来我们将在上述内容的基础上，介绍电机驱动器的作用。

电机驱动器的作用

无刷电机是通过电路对线圈施加电压或电流来生成基于线圈（电磁铁）的旋转磁场的，因此是一种必须使用电路（电机驱动器）的电机。

这种旋转磁场的生成是最基本的工作。除此之外，电机还要求具备下图所示的性能和功能。

为了实现这些性能和功能，电机驱动器承担着如下所述的作用。电机驱动器能够自由调节输出的电压值，利用这一性能，不仅可以进行电机的输出调节，还可以通过抑制转矩脉动提升静音性能、通过调整电压施加时序来减少损耗以高效获取转矩的控制、抑制旋转波动的转速控制以及支持在无法安装位置传感器的环境下的无传感器控制等。

上述作用仅为部分示例。此外，实现这些作用的手段也多种多样。因此，在选择电机驱动器时，需要同时了解所需的功能及其实现方法。

接下来，我们将介绍承担这些作用的电机驱动器的电路结构。

电机驱动器的结构（形态）

电机驱动器的基本电路结构如下图所示。电机驱动器向电机线圈供电的作用是通过名为“功率晶体管”的电子器件来实现的。功率晶体管是指能够处理较大功率的晶体管。下图展示的是N沟道MOSFET的电路符号，但有时也会使用P沟道MOSFET、IGBT（N沟道或P沟道）或双极晶体管（PNP或NPN）。该功率晶体管连接电源，起到电气开关的作用。与电源正极相连的功率晶体管被称为“上臂晶体管”或“高边晶体管”等。与负极（接地端或Gnd端）相连的功率晶体管被称为“下臂晶体管”或“低边晶体管”等。通过高边和低边晶体管的任意一个导通，来决定施加到线圈上的电位。三相无刷电机通常使用3对（共6个）功率晶体管。

负责控制这些功率晶体管导通和关断的是控制器。通常采用IC（集成电路：Integrated Circuit，此处指不使用软件的控制器）或微控制器（Microcontroller，此处指使用软件的控制器）。控制器在考虑转子位置和从外部来的指令的同时，决定施加给线圈的电压，并生成功率晶体管的导通和关断指令信号（下图是使用霍尔元件确定转子位置时的电路示意图，霍尔元件安装在能够检测转子磁通量的位置）。

除了这些电路之外，还会使用连接控制器和功率晶体管的栅极驱动器。栅极驱动器的主要作用是将来自控制器的指令信号的电位和极性，转换为足以使功率晶体管工作的电位、极性和电流量。
这些电路的详细说明将在后文阐述。

这些电路模块以下表所示的单一功能或复合功能的形式被集成到IC中。因此，电机驱动器就是由其中一个或多个IC组合而成的。

组合方式需要从易用性、设计变更的灵活性、封装尺寸、电路板上的布线数量（难易程度）、外围电子元器件的数量、每个电路模块的耐压差异和温升（散热效果）等角度综合考虑，因此，无法一概而论哪种组合方式更为优越。关于下图所示结构示例的特点，请参阅本文所在的“Sugiken老师的电机图书馆”中的另一篇文章“Sugiken老师的电机驱动器课堂”的“第10集 电机驱动器的结构”。

这里先介绍一下施加在电机驱动器各电路模块上的电压。首先，施加于无刷电机线圈上的电压会受到电机机械模块特性的影响。有的电机仅需低至3.3V的电压，有的则需要高达340V以上的电压。为了在线圈上施加该电压，功率晶体管需要具备更高的耐压。

驱动该功率晶体管的栅极驱动器电路，会承受与功率晶体管同等或更高的电压。例如，为了使高边的N沟道MOSFET导通，需要比施加在功率晶体管上的电压更高的电压。

与上述两个电路模块不同，控制器不依赖于电机特性，且通常在相对较低的电压下使用。

基于以上原因，施加到电机驱动器上的电源电压，有时会使用高电压和低电压两个系统，有时也会仅使用一个相对较低的电压系统。这种电压差异也是判断电路模块的结构（是采用一体化封装还是多个元器件组合）的依据之一。

另外，施加在电机线圈上的电压大小是综合考虑配套设备的电源环境、功率转换效率、线路的容许电流、电机特性和可靠性等因素进行设计的。

下面介绍一下各个电路模块规格的主要特点。

控制器（通电波形）

无刷电机的电机驱动器中，通电波形是需要关注的规格之一。这里的通电波形是指施加在线圈上的电压波形。无刷电机通过这个施加的电压使线圈中流过电流，并产生旋转磁场。该旋转磁场的工作会影响电机的输出转矩，因此通电波形可以说是一项非常重要的规格。该通电波形是由控制器生成指令，并通过导通和关断功率晶体管而产生的。因此，配备了控制器模块的电机驱动器器件会标明通电波形的规格。

下图展示了电机驱动器的基本通电波形。

120度通电是指将通电模式的一个周期设为360度时，在120度的区间内高边导通或低边导通，在60度（两处）处于关断状态的通电波形。有时也被称为“120度矩形波”。从控制电路的角度来看，这种通电波形生成相对简单，但输出转矩存在脉动。

150度通电是指在150度的区间内高边导通或低边导通，在30度（两处）处于关断状态的通电波形。有时也被称为“广角通电”。这种通电波形的控制电路比较复杂，但比下述的正弦波通电更易生成，并且具有能够抑制输出转矩脉动的特点。此外，为了进一步抑制转矩脉动，也有不采用单纯的矩形（方形）而改变形状的通电波形。这种波形有时也被称为“梯形波通电”等其他名称。

正弦波通电呈正弦波形状。有时被称为“180度通电”，但可能与180度矩形波（本文未详述）混淆，因此需要确认。这种通电波形的控制电路更为复杂，但电流波形为正弦波，理论上可以消除转矩脉动。

这里介绍一下可称为通电波形生成基础技术的PWM控制。PWM控制称为“脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation）”，是调节施加电压的方法之一。通过调节规定时间内高边和低边功率晶体管的导通和关断比率，将期望比例的电源电压作为平均电压施加到线圈上。例如，规定时间设为50us，其中40us为高边导通，10us为低边导通，则平均电压为80%。此外，高边和低边功率晶体管的导通和关断工作有多种类型。有根据比率使高低边互补导通的方式（一方导通则另一方关断，但需设置死区时间），有仅导通和关断高边而低边保持关断的方式，以及相反的高边保持关断而仅导通和关断低边的。关于这些控制的特点，请参阅本文所在的“Sugiken老师的电机图书馆”内的另一篇文章“电机相关术语集”中对“互补PWM”、“单边PWM”、“死区时间”等术语的详细解说。

使用这种控制方法，可以在120度通电方式下调整施加电压的大小。另外，若在360度的区间内使比率呈正弦波规律变化，就可以实现正弦波通电（这也是正弦波通电的控制电路更为复杂的原因之一）。

上述正弦波通电的波形呈正弦波形状，但正弦波通电还有其他的通电波形。

下图所示的双相调制正弦波，是大多数正弦波通电规格的电机驱动器IC所采用的波形。图中展示了施加到无刷电机U相和V相线圈的电压波形，以及U-V相之间（线间）的电压波形。双相调制正弦波虽然每相的电压不是正弦波，但线电压为正弦波。与常规正弦波（纯正弦波）相比，其特点是通过PWM控制使功率晶体管的开关范围较窄（降低开关损耗），并且可以增大线间电压的振幅（提高电压利用率）。

对于正弦波通电，波形的分割数（分辨率）也是一项规格指标。这里的分割数是指360度内波形变化的次数（见下图）。分割数越多，正弦波形越平滑，但控制电路也越复杂。此外，即使分割数很多，也无法生成超出前述PWM控制的每个脉冲所能实现的施加电压比率的性能波形。

控制器（位置检测和控制功能）

用于无刷电机的控制器，因转子位置检测方法、指令规格以及内置控制功能等的不同而存在多种类型。本节将对以下项目进行介绍。

位置检测

通常，控制器通过确定（考虑）转子位置来生成通电波形。该转子位置的检测主要有两种方法，一种是使用霍尔元件，另一种是检测感应电压。后者由于不使用直接的位置检测传感器，因此被称为“无传感器”。关于霍尔元件的工作，请参阅前述“电机相关术语集”中的“霍尔元件和霍尔IC”词条。关于通过感应电压确定转子位置，请参阅本文所在的“Sugiken老师的电机图书馆”中的另一篇文章“电机疑问解答专区”的“为什么可以通过感应电压知道转子的位置”一文。

由于该规格的差异，控制器的信号输入引脚的数量会发生变化。下图是引脚的示意图。使用霍尔元件的控制器有6个或3个输入引脚，无传感器控制器则没有用于输入霍尔元件信号的引脚（有时会设有用于输入电机线圈电压的引脚作为替代）。

使用霍尔元件的控制器之所以有两种，是因为使用了霍尔元件的电子元器件有两种不同的类型。这里，我们将其中一种称为“霍尔元件（作为电子元件的名称）”，另一种称为“霍尔IC”。

霍尔元件是一种将作为磁检测元件的霍尔元件的输入输出直接当作4个引脚进行连接的电子元件。在下图的①和③引脚间施加电压使电流流过时，根据穿过IC的磁通量，在②和④引脚上会出现如图所示的电压。通常，在采用霍尔元件的控制器中，会将这两个引脚的电压差作为磁通量检测结果使用。因此，这种规格的控制器为U、V、W各相均准备了P和N两个输入引脚（见上图）。

霍尔IC是将作为磁检测元件的霍尔元件的输出电压，通过IC内部电路进行信号处理，使其输出High和Low两种电位的电子器件。由于输出信号只有1个，因此采用霍尔IC规格的控制器的信号输入引脚为3个。（霍尔元件和霍尔IC等名称仅为示例，引脚名称也可能采用数字或+/-，如H1+、H1-或H1、H2等）

使用霍尔元件（电子元件）规格的控制器，有时也支持使用霍尔IC。此时，在空着的输入引脚上输入基准电压（例如，如果向HUP输入High电压5V、Low电压0V的霍尔IC信号，则向HUN输入2.5V等）。但是，控制器引脚对输入电压范围是有规定的，因此使用时需要进行确认。

另外，在采用霍尔元件的控制器中，也存在仅使用1个或2个霍尔元件的规格型号。

在无传感器方式中，通过检测感应电压的相位来确定转子位置（虽然还存在其他无传感器方法，但本文仅对感应电压检测进行说明）。感应电压可以在电机处于旋转状态且目标线圈没有电流流过时，作为线圈引脚的电压被检测到。因此，如果线圈引脚本来就已经连接到电机驱动器，则无需其他的信号输入引脚。

对于采用检测感应电压方式的无传感器控制器，需要确认以下两种情况的规格：电机未旋转时的应对策略（未产生感应电压时的应对），以及为了检测感应电压必须使线圈电流为零的应对策略。特别是前者的电机旋转启动方法和后者的正弦波通电时的通电波形均因控制器不同而有所差异，因此需要根据应用需求选择更合适的控制器。

另外，在正弦波通电的控制器中，有时会标注名为“全正弦波”等的通电方式。这一表述是指相较于因检测感应电压而导致正弦波波形畸变的无传感器电机驱动器（控制器），这种控制器的通电波形能够保持正弦波形状而不产生畸变。

指令

控制器接收的指令信号包括输出电压大小、转速等调整值的指令。该指令信号主要有3种规格，分别是模拟电压、使用脉冲的High/Low比率（Duty）指令的脉冲信号和使用频率（周期）指令的脉冲信号。以下对各个信号分别进行介绍。

・模拟电压指令

控制器接收电压值作为指令。通常会设定指令电压值的上限值和下限值，通过该设定值与指令电压值的相对比较来决定指令信息。例如，上限值为5V、下限值为1V的规格情况下，将1V以下的指令视为0，5V以上的指令视为100（%），其间的值按比例决定。这种情况下，输入3V则为50（%），输入4V则为75（%）等。

如果这是输出电压大小的指令，那么通常驱动电路会在输入3V时输出50%的电压，输入4V时输出75%的电压。如果是转速指令，则需要确认控制器等的产品规格书中记载的指令值与转速关系的特性数据（图表等）后再使用。

・Duty脉冲指令

接收Duty脉冲作为指令。这里的Duty脉冲是指在下图所示的一定频率的脉冲信号中，High所占比例发生变化（High与Low的比率发生变化）的信号，该比率即为指令。识别信号High和Low的电压电平（阈值）以及可输入频率的范围需确认所使用的控制器的产品规格书等。

如果这是输出电压大小的指令，那么通常指令的比率会直接反映出来。如果是转速指令，则需要确认控制器的产品规格书中记载的指令值与转速关系的特性数据（图表等）后再使用。

・频率脉冲指令

接收频率脉冲作为指令。这里的频率脉冲是指在下图所示的脉冲信号中频率发生变化的信号，其频率即为指令。有时会将该频率转换为0到100的指令，用作输出电压大小或转速指令，但通常的控制方式是直接将此频率脉冲指令与电机的转速信息脉冲进行比较。具体来说，是将控制器生成的电机转速信息信号（频率根据电机转速变化的信号，由霍尔元件信号等生成）与指令信号的频率（周期）进行比较，控制电机转速使其与指令信号频率一致的方式。要掌握指令信号频率与实际电机转速的关系，需要确认控制器的产品规格书和电机的规格（极数等）。

除了这些之外，有时也使用数据通信作为指令。

控制功能

本节简单介绍一下控制器中配备的各种控制和功能。

・转速信息输出

在装有电机的设备中，有些会利用电机的转速信息来实现电机控制。对于这类设备，控制器会输出名为“FG（Frequency Generator）”的信号作为转速信息。

FG信号是一种频率（周期）随电机转速而变化的信号。控制器通常输出采用单个霍尔元件信号（见下图）生成的信号（例1）或输出对三个信号进行处理后的信号（例2），也有些控制器可以在两者之间进行选择。以此方式生成的FG信号，电机每旋转一周的脉冲数会因其极数不同而不同。对于4极电机，每旋转一周的脉冲数为2个或6个脉冲；而对于8极电机，则为4个或12个脉冲。

如果电机的配套设备所能应对的电机每旋转一周的脉冲数是固定的，那么要使用极数与此不匹配的电机，就需要设法改变FG信号的频率。有些控制器还具备该信号频率的转换功能。

・保护功能

控制器具有保护电机驱动器和电机的功能。下表列举了几种保护功能的示例。这些功能用于检测需要保护的状态或异常状态，并执行关断功率晶体管等工作。保护功能名称有时会有不同的叫法，因此不能仅凭名称来判断，还需要了解其内容。

保护功能

内容

主要工作

・旋转方向切换

在保持转子位置检测用霍尔元件的安装位置固定（不变）的情况下，改变电机旋转方向的功能。即使输入给控制器的霍尔元件信息（N极和S极）相同，只要切换旋转方向的设置，线圈产生的电磁铁的磁极就会发生变化，从而使电机产生反向转矩。这里虽以霍尔元件规格的工作为例进行说明，但无传感器控制器中也有该功能。另外，实际电机是顺时针旋转还是逆时针旋转，取决于线圈和电机驱动器的连接方式以及霍尔元件的安装位置。

・超前角控制

无刷电机通过持续在与转子位置对应的合适角度产生旋转磁场（由电磁铁产生的磁场），以获得更大转矩。如果这个角度存在偏差，即使电磁铁大小相同，所能获得的转矩也会降低。这意味着输出功率相对于输入功率的下降，从而导致效率降低。因此，控制器通过确定转子位置来调整施加在线圈上的电压时序。

但是，在实际使电机转动时，由于电枢反应和线圈电感，会产生电流延迟。补偿这种影响的功能就是超前角控制。由于该控制会使时序从初始的通电时序向比相位更超前的方向变化，因此被称为“超前角”（使角度提前）。

这种因电枢反应和电感引起的电流延迟，会随电磁铁磁力的大小和电机转速的不同而变化，因此通电时序的提前量也需要相应进行调整。关于调整的规格，有多种方法。一种是控制器从外部接收超前角值指令的方法（直接指令）。此外，还有控制器利用转速、电压指令和电流大小等物理量来决定超前角值的方法（比例调整）。由于相对于物理量的更优超前角值因电机而异，因此有些控制器支持比例系数的设定。另外，比例的形式除了简单的线性比例外，也有从某个值开始改变比例系数，或进行二次比例的情况。还有一些控制器无需这些繁琐操作，能自动进行超前角调整（自动调整）。要实现这种方法，需要检测电流相位。

・速度控制

至此，我们主要介绍了电机驱动器（控制器）接收输出电压指令，并向电机线圈施加指定电压的工作原理。另外，前文也提到通过输出FG信号（转速信息信号），使电机的配套设备能够实现转速调节，但部分电机驱动器的控制器内置了该转速调节功能。

此类控制器接收转速指令后，会与电机的转速信息进行比较，并自动调节输出电压。需要注意的是指令转速可能存在上限值和下限值。

・待机

控制器在电机停转时仍保持电路运转，以便接收指令并启动控制工作。此时，电路中仍有电流流过，消耗电力。为了降低这种待机时的功耗，有些控制器具有停止部分电路工作的功能。该功能被称为“待机功能”、“降低待机功耗模式”或“节能功能”等。

・软启动

当电机驱动器的工作及电机处于停止状态时，如果接收到高电压指令（如100%输出电压指令等），高电压施加到线圈上会导致电流急剧开始流动。该电流的增加若引发过大转矩，可能会产生噪声和剧烈振动。防止这种情况发生的正是软启动。软启动是在电机启动阶段抑制电流急剧上升，使其逐渐增大的功能。

・短路制动

短路制动是指在电机旋转期间将线圈短路（电气连接），使生成负转矩的电流流过的状态。该功能通过导通所有高边功率晶体管或所有低边功率晶体管来使线圈短路。通常，与将所有功率晶体管关断以停止电机驱动相比，短路制动能使电机更快停止旋转。

下图展示了转子位于图示位置的瞬间，线圈中流过的电流、电磁铁以及生成转矩的方向。当所有低边功率晶体管导通时，会流过与正常驱动方向相反的电流，电磁铁的极性也反转，从而生成负转矩（转子停止旋转方向上的转矩）。

另外，关于短路制动的更多信息，请参阅前述“电机相关术语集”中的“短路制动”词条。

至此我们介绍了与控制器相关的规格和功能。实际使用的控制器通常会配备上述部分规格和功能。在转动电机时，需要从这些控制器中选择符合应用需求的型号。

功率晶体管

在电机中，功率晶体管用于向线圈施加电压并流过电流。因此，其指标包括可施加的电压、可流过的电流、流过电流时的损耗以及导通和关断的开关速度（SW速度）。

下图是电机中常用的功率晶体管的种类和特点。双极型（双极结型晶体管）是一种通过使基极流过电流来实现导通状态的电流驱动型晶体管。导通状态下的损耗包括VCE（集电极-发射极间的电压）乘以集电极电流所得的功率和基极电流的功率。这是历史悠久的基础型晶体管，但由于无法进行高速开关，故不适用于PWM控制，近年来此类晶体管已经很少被电机应用采用。MOSFET是通过给栅极施加电压来实现导通的电压驱动型晶体管。其损耗为导通电阻（RON）乘以漏极电流的平方所得的功耗。该晶体管的优点是无需持续向栅极提供电流且开关速度快，缺点是当漏极电流增大时，损耗会呈平方级增长。IGBT是一种兼具双极晶体管和MOSFET优点的晶体管。由于是电压驱动，栅极电流消耗较低，损耗仅与电流的一次方成正比。缺点是开关速度中等。

近年来，以RON×电流与VCE的大小关系为分界点，在小电流应用中多采用MOSFET，而大电流应用中则多选用IGBT。

接下来，我们以MOSFET为例说明电机中功率晶体管的结构。MOSFET有两种规格，分别被称为“N沟道（N型）”和“P沟道（P型）”。这两者在原理上的区别可以说是在于电流通过电子流动还是通过空穴（Hole）流动。由于这一差异，N沟道MOSFET的规格是相对于源极引脚（S），向栅极引脚（G）施加高于阈值的电压来使MOSFET导通；而P沟道MOSFET的规格是相对于源极引脚，向栅极引脚施加低于阈值的电压来使其导通。另外，如果要使N型和P型具有相同大小的载流特性，通常N型可做到比P型更小的尺寸。这也受是使用电子还是空穴的影响。

在无刷电机的电机驱动器中，低边MOSFET通常采用N型。原因是低边MOSFET的源极电位是Gnd（接地）电位，生成栅极指令电压相对容易，并且如上所述，N型比P型尺寸更小。高边MOSFET既有采用N型的也有采用P型的。两者都会使用的原因是若使用N型，可以与低边MOSFET的特性保持一致（也能实现更小尺寸），但维持导通需要高于功率晶体管所连接电源（V）的电压；而若使用P型则无需高于电源（V）的电压，但相对于N型的尺寸更大（或者特性会改变）。从外部供给电机驱动器电路的电源，通常以功率晶体管所连接的电源电压为更高。因此，是否需要该电压以上的电压便成为关键选择之一。

另外，施加在电机线圈上的电压及电流会因电机的配套设备和电机的特性而有所不同，因此需要选择能够满足电机所需电压和电流规格的功率晶体管。

栅极驱动器

栅极驱动器是将来自控制器的指令信号传递给功率晶体管的电子元器件。

下图是高低边均为N沟道MOSFET时的信号示例。控制器输出Low为0V、High为5V的指令信号。仅凭此信号无法直接导通和关断高低边MOSFET。如前文所述，N沟道MOSFET需要相对于源极施加阈值以上的电压，而高边MOSFET的源极电压有时会达到电源电压（下图中的VM）。在下图中，栅极驱动器将低边指令信号的振幅提升至VCC。该VCC需设定为远高于MOSFET阈值的电压。此外，使高边MOSFET导通的电压需达到VM＋VCC。通常，栅极驱动器的输出能力，即其能提供和吸收的电流量，比控制器的输出能力要大。这是因为MOSFET的导通和关断需要一定的电流（该电流量不足时，MOSFET的开关速度可能会受到限制）。

综上所述，栅极驱动器的作用包括调整指令信号的振幅、调节成与电源电压（VM）相匹配的电位以及提升最大电流量。此外，如果高边是P沟道MOSFET，还会进行极性的反转。

下面展示了实现上述工作的电路结构示意图。N沟道-N沟道型（N-N）的低边指令信号通过缓冲电路输出（这里的缓冲电路是指调整信号大小（振幅）和电流供应能力的电路）。高边的指令信号则先经由信号传输电路进行信号电平调整后，再通过缓冲电路输出。此时的电压也会使用高于VM的电压。

P沟道-N沟道型（P-N）的低边与N-N型相同。高边的结构示例如图所示，导通的指令会使缓冲电路后的晶体管导通。通过这一工作，高边MOSFET的栅极电压降低，从而实现导通。由此可见，根据功率晶体管是N-N型还是P-N型，栅极驱动器的电路结构也会有所不同。

在N-N型电路中，需要比VM（功率晶体管高边的电源）更高的电压。该电压通常由电机驱动器内部的升压电路生成。此升压电路主要有以下两种类型。

一种是被称为“电荷泵”的电路。通过使VCP1引脚的电压在0和VM电压之间交替重复的工作，对电容器C2充电。通过这一工作，VCP引脚的电压将达到VM＋VCC（不包括二极管的电压降），从而可作为升压电压使用。

另一种是自举电路。当低边功率晶体管导通且VS引脚电压接近0（Gnd电位）时，电容器C1会被充电。通过这一工作，使VB引脚相对于VS保持VCC的电位差，从而可作为升压电压使用。

关于这两种电路的工作和特点，请参阅本文所在的“Sugiken老师的电机图书馆”内的另一篇文章“Sugiken老师的电机驱动器课”的“第12集　电路的深度知识　＜升压电路＞”。

用途和特点

无刷电机被安装于各类设备中，并广泛应用于多种领域。例如，仅以部分家电和消费电子为例，电机就被应用于风扇、压缩机、洗衣机的滚筒、复印机的多棱镜和送纸器、电脑的驱动（硬盘和光驱）、吸尘器的吸力装置等场景中。

当使这些设备运转时，它们各自都有其特点和要求（限制）事项（或者非要求事项）。例如，风扇要求以恒定速度旋转，但对旋转波动和转速精度的要求并不严格。对旋转波动和转速精度有严格要求的是驱动与设备性能直接相关的部件（如多棱镜、送纸器和驱动器等）旋转的电机。压缩机要求无传感器控制，而吸尘器则需要较高转速。

如果试图用一种电机驱动器来应对具有各种特点和要求（限制）的电机，可能导致性能过剩或者功能冲突。因此，电机驱动器有针对风扇或多棱镜等应用特点而设计的产品，具备与之相匹配的性能。

另外，输入至电机的功率电源（连接功率晶体管的电源）主要有两种类型：一种是将商用电源（AC100V或AC200V）整流后得到的直流电压，另一种是比该电压更低的直流电源。前者为DC140V或DC280V，有时被称为“高压（高电压）”；后者为DC24V、DC12V或DC5V等，有时被称为“低压（低电压）”。为了表明能够适配这些电压范围，有时会用“高压驱动器”或“低压驱动器”等用以表示电机驱动器额定电压范围的名称。

电机驱动器示例

本节我们将介绍ROHM官网产品信息页面中几款电机驱动器IC的规格、特点和主要应用领域。

・三霍尔低电压120度矩形波

BD63006MUV是一款全集成电机驱动器IC，推荐电压为8V～24V，可输出1.5A的电流。采用三个霍尔元件检测转子位置，通电波形为120度矩形波。可以通过施加Duty脉冲指令来调节输出电压。内置N-N型功率晶体管，通过电荷泵生成电压。

配备有节能电路、旋转方向切换、短路制动功能和各种保护功能，主要适用于OA设备及普通消费电子产品中安装的电机。

单霍尔低电压正弦波

BD63251MUV是一款预驱动器（控制器+栅极驱动器），推荐电压为5.5V～15V，需搭配P-N型功率晶体管使用。采用单个霍尔元件检测转子位置，通电波形为正弦波。可以选择施加模拟电压指令或Duty脉冲指令的任意一种来调节输出电压指令（给功率晶体管的信号）。由于是P-N型，因此没有升压电路。

配备有自动超前角控制、固定超前角调节、软启动功能、旋转方向切换和各种保护功能，主要适用于服务器和电脑散热风扇中安装的电机。

无传感器中电压正弦波

BD64070MUV是一款预驱动器，推荐电压为28V～77V，需搭配N-N型功率晶体管使用。通过感应电压的过零点（电压极性发生变化的点）检测转子位置，通电波形为正弦波（为检测感应电压，正弦波波形中有部分为断电区间）。内置速度控制（反馈）电路，可通过施加频率脉冲指令将转速调节至任意值。由于是N-N型，因此通过电荷泵生成电压。

配备有死区时间设置功能、节能功能、旋转方向切换、短路制动功能和各种保护功能。主要适用于风扇和普通消费电子产品中安装的电机。

无传感器低电压正弦波

BD63242EFV是一款全集成电机驱动器IC，推荐电压为5V～16V，可输出1.0A的电流。通过感应电压的过零点（电压极性发生变化的点）检测转子位置，通电波形为正弦波（为检测感应电压，正弦波波形中有部分为断电区间）。可以选择施加模拟电压指令或Duty脉冲指令的任意一种来调节输出电压。内置P-N型功率晶体管，没有升压电路。

配备有旋转方向切换和各种保护功能。主要适用于冰箱风扇和普通消费电子产品中安装的电机。

三霍尔正弦波

BD62018BFS是一款控制器IC，推荐电压为10V～18V，需搭配支持N-N型的栅极驱动器和功率晶体管使用。推荐电压为控制器IC电源电压，因此不限制栅极驱动器和功率晶体管的电压。采用三个霍尔元件检测转子位置，通电波形为正弦波。可以通过模拟电压指令来调节输出电压。控制器IC输出的功率晶体管通断指令信号，其极性是预设为N-N结构设计的。

配备有超前角调节功能、旋转方向切换和各种保护功能。主要适用于风扇、泵类和家电产品中安装的电机。

高压栅极驱动器和功率晶体管（IPM）

BM6242FS是一款IPM（智能功率模块），推荐电压为400V以下，可输出1.5A的电流，需搭配控制器IC使用。内置N-N型功率晶体管，通过自举电路生成电压。

配备有各种保护功能和显示保护工作状态的信号输出功能。主要适用于风扇、泵类和家电产品中安装的电机。

三霍尔高电压正弦波

BM6249FS是一款全集成电机驱动器IC，推荐电压为400V以下，可输出2.5A的电流。采用三个霍尔元件检测转子位置，通电波 形为正弦波。可以通过施加模拟电压指令来调节输出电压。内置N-N型功率晶体管，通过自举电路生成电压。

配备有超前角调节功能、旋转方向切换、各种保护功能和显示保护工作状态的信号输出功能。主要适用于风扇、泵类和家电产品中安装的电机。

最后

以上就是“什么是无刷电机驱动器”的介绍。

无刷电机驱动器不仅在额定电压和额定电流等常规规格上存在差异，在转子位置检测方式、通电波形以及控制功能方面也有多种不同的类型。在选择电机驱动器时，需要从中筛选出符合应用需求和应用场景的产品，为此，了解所安装的电机和设备的知识以及电机驱动器的知识至关重要。