～什麼是無刷馬達驅動器～

本文將從技術角度出發，對三相無刷馬達的馬達驅動器的作用、種類和規格進行介紹。透過本文，您可以學習到馬達驅動器選型所需的基礎知識。

“什麼是無刷馬達驅動器”針對的是那些“想要嘗試使三相無刷馬達運轉”以及想要瞭解“馬達驅動器是什麼？”的馬達初學者，介紹使無刷馬達運轉所需的馬達驅動器究竟是什麼、有哪些種類及其各自的特點等馬達驅動器的基礎知識。

本文所介紹的是在選擇和使用馬達驅動器時需要預先掌握的知識，推薦那些為了理解馬達驅動器的特點和規格而想要學習所需基礎知識的讀者閱讀。另外如果想瞭解馬達轉動的原理，或者為了使其轉動需要做什麼等馬達的基礎知識，請先參閱本文所在的「Sugiken老師的馬達知識圖書館」中的另一篇文章「初識馬達」。

“什麼是無刷馬達驅動器”的內容

• ・對三相無刷馬達的要求
• ・馬達驅動器的作用
• ・馬達驅動器的結構（形態）
• ・控制器（通電波形）
• ・控制器（位置檢測和控制功能）
• ・功率電晶體
• ・閘極驅動器
• ・用途和特點
• ・馬達驅動器示例
• ・最後

下面首先介紹一下“對三相無刷馬達的要求”。

對三相無刷馬達的要求

馬達被用於驅動從工業領域到車載、家電、玩具等領域的各種產品。因此馬達通常需要滿足“效率”、“振動雜訊”、“控制性和易用性”、“可靠性”和“成本”等方面的要求。本文所討論的三相無刷馬達（以下簡稱“無刷馬達”或“馬達”）能夠全面且高水準地滿足這些要求，因此近年來得到了廣泛應用。

下面對這些要求進行逐一介紹。

效率

這裡的效率是指馬達輸出相對於輸入（功率）的比例。高效率馬達可以說是一種損耗較小、有助實現節能的馬達。

振動雜訊

如果馬達產生的轉矩存在脈動，就會引起振動。當該振動傳遞到馬達的配套設備上時，可能會產生雜訊。另外馬達本身也可能發出聲音。對於要求靜音性能的設備，通常會配備低振動、低雜訊的馬達。

控制性和易用性

這裡的控制性是指對目標旋轉工作和轉速進行調節的便捷性、回應敏捷性以及對指令的跟隨能力。馬達不僅要能轉動，還需要控制轉速和轉矩。另外其控制的指令的易操作性、自動化程度、變動範圍等，將馬達安裝到設備時的簡便性也備受關注。

可靠性

可靠性要求馬達不易損壞、特性不發生變化、不發生誤動作，也不會危險運行。對於電氣雜訊和電磁雜訊，不僅需要馬達具備承受雜訊時的耐受能力，而且其發出的雜訊也必須在容許範圍內。

成本

成本是指原材料費用和零件價格，而減少材料用量和零件數量也是關乎環保措施的重要考量。

馬達的設計需滿足其配套設備的性能要求。但是若要使包括成本和資源在內的所有專案都達到非常高的水準是很困難的，或者也可以說是性能過剩。通常性能要求是有優先順序的，並且該順序會根據配套設備的不同而有所變化。因此設計人員需要在掌握包括馬達在內的整個配套設備的基礎上進行設計。

馬達的性能是由機械性能（這裡指由磁鐵和鐵芯等材料和結構決定的馬達性能）和控制性能（由馬達驅動器的功能和特性決定的馬達性能）兩者共同決定的。馬達驅動器之所以存在多種類型，可以說是因為馬達驅動器會影響馬達特性，並且在進行整體設計時，對其要求也會發生變化。

接下來我們將在上述內容的基礎上，介紹馬達驅動器的作用。

馬達驅動器的作用

無刷馬達是透過電路對線圈施加電壓或電流來生成基於線圈（電磁鐵）的旋轉磁場的，因此是一種必須使用電路（馬達驅動器）的馬達。

這種旋轉磁場的生成是最基本的工作。除此之外，馬達還要求具備下圖所示的性能和功能。

為了實現這些性能和功能，馬達驅動器承擔著如下所述的作用。馬達驅動器能夠自由調節輸出的電壓值，利用這一性能，不僅可以進行馬達的輸出調節，還可以透過抑制轉矩脈動提升靜音性能、透過調整電壓施加時序來減少損耗以高效獲取轉矩的控制、抑制旋轉波動的轉速控制以及支援在無法安裝位置感測器的環境下的無感測器控制等。

上述作用僅為部分示例。此外實現這些作用的手段也多種多樣。因此在選擇馬達驅動器時，需要同時瞭解所需的功能及其實現方法。

接下來，我們將介紹承擔這些作用的馬達驅動器的電路結構。

馬達驅動器的結構（形態）

馬達驅動器的基本電路結構如下圖所示。馬達驅動器向馬達線圈供電的作用是透過名為“功率電晶體”的電子元件來實現的。功率電晶體是指能夠處理較大功率的電晶體。下圖展示的是N通道MOSFET的電路符號，但有時也會使用P通道MOSFET、IGBT（N通道或P通道）或雙極電晶體（PNP或NPN）。該功率電晶體連接電源，起到電氣開關的作用。與電源正極相連的功率電晶體被稱為“上臂電晶體”或“高側電晶體”等。與負極（接地端或Gnd端）相連的功率電晶體被稱為“下臂電晶體”或“低側電晶體”等。透過高側和低側電晶體的任意一個導通，來決定施加到線圈上的電位。三相無刷馬達通常使用3對（共6個）功率電晶體。

負責控制這些功率電晶體導通和關斷的是控制器。通常採用IC（積體電路：Integrated Circuit，此處指不使用軟體的控制器）或微控制器（Microcontroller，此處指使用軟體的控制器）。控制器在考慮轉子位置和從外部來的指令的同時，決定施加給線圈的電壓，並生成功率電晶體的導通和關斷指令訊號（下圖是使用霍爾元件確定轉子位置時的電路示意圖，霍爾元件安裝在能夠檢測轉子磁通量的位置）。

除了這些電路之外，還會使用連接控制器和功率電晶體的閘極驅動器。閘極驅動器的主要作用是將來自控制器的指令訊號的電位和極性，轉換為足以使功率電晶體工作的電位、極性和電流量。

這些電路的詳細說明將在後文闡述。

這些電路模組以下表所示的單一功能或複合功能的形式被集約到IC中。因此馬達驅動器就是由其中一個或多個IC組合而成的。

組合方式需要從易用性、設計變更的靈活性、封裝尺寸、電路板上的佈線數量（難易程度）、週邊電子元件的數量、每個電路模組的耐壓差異和溫升（散熱效果）等角度綜合考慮，因此無法一概而論哪種組合方式更為優越。關於下圖所示結構示例的特點，請參閱本文所在的“Sugiken老師的馬達知識圖書館”中的另一篇文章“Sugiken老師的馬達驅動器講堂”的“第10集 馬達驅動器的結構”。

這裡先介紹一下施加在馬達驅動器各電路模組上的電壓。首先施加於無刷馬達線圈上的電壓會受到馬達機械模組特性的影響。有的馬達僅需低至3.3V的電壓，有的則需要高達340V以上的電壓。為了在線圈上施加該電壓，功率電晶體需要具備更高的耐壓。

驅動該功率電晶體的閘極驅動器電路，會承受與功率電晶體同等或更高的電壓。例如為了使高側的N通道MOSFET導通，需要比施加在功率電晶體上的電壓更高的電壓。
與上述兩個電路模組不同，控制器不依賴於馬達特性，且通常在相對較低的電壓下使用。

基於以上原因，施加到馬達驅動器上的電源電壓，有時會使用高電壓和低電壓兩個系統，有時也會僅使用一個相對較低的電壓系統。這種電壓差異也是判斷電路模組的結構（是採用一體化封裝還是多個元件組合）的依據之一。

另外，施加在馬達線圈上的電壓大小是綜合考慮配套設備的電源環境、功率轉換效率、線路的容許電流、馬達特性和可靠性等因素進行設計的。

下面介紹一下各個電路模組規格的主要特點。

控制器（通電波形）

無刷馬達的馬達驅動器中，通電波形是需要關注的規格之一。這裡的通電波形是指施加在線圈上的電壓波形。無刷馬達透過這個施加的電壓使線圈中流過電流，並產生旋轉磁場。該旋轉磁場的工作會影響馬達的輸出轉矩，因此通電波形可以說是一項非常重要的規格。該通電波形是由控制器生成指令，並透過導通和關斷功率電晶體而產生的。因此配備了控制器模組的馬達驅動器元件會標明通電波形的規格。

下圖展示了馬達驅動器的基本通電波形。

120度通電是指將通電模式的一個週期設為360度時，在120度的區間內高側導通或低側導通，在60度（兩處）處於關斷狀態的通電波形。有時也被稱為“120度矩形波”。從控制電路的角度來看，這種通電波形生成相對簡單，但輸出轉矩存在脈動。

150度通電是指在150度的區間內高側導通或低側導通，在30度（兩處）處於關斷狀態的通電波形。有時也被稱為“廣角通電”。這種通電波形的控制電路比較複雜，但比下述的正弦波通電更易生成，並且具有能夠抑制輸出轉矩脈動的特點。此外，為了進一步抑制轉矩脈動，也有不採用單純的矩形（方形）而改變形狀的通電波形。這種波形有時也被稱為“梯形波通電”等其他名稱。

正弦波通電呈正弦波形狀。有時被稱為“180度通電”，但可能與180度矩形波（本文未詳述）混淆，因此需要確認。這種通電波形的控制電路更為複雜，但電流波形為正弦波，理論上可以消除轉矩脈動。

這裡介紹一下可稱為通電波形生成基礎技術的PWM控制。PWM控制稱為“脈衝寬度調製（Pulse Width Modulation）”，是調節施加電壓的方法之一。透過調節規定時間內高側和低側功率電晶體的導通和關斷比率，將期望比例的電源電壓作為平均電壓施加到線圈上。例如規定時間設為50us，其中40us為高側導通，10us為低側導通，則平均電壓為80%。此外高側和低側功率電晶體的導通和關斷工作有多種類型。有根據比率使高低側互補導通的方式（一方導通則另一方關斷，但需設置死區時間），有僅導通和關斷高側而低側保持關斷的方式，以及相反的高側保持關斷而僅導通和關斷低側的。關於這些控制的特點，請參閱本文所在的“Sugiken老師的馬達圖書館”內的另一篇文章“馬達相關術語集”中對“互補PWM”、“單側PWM”、“死區時間”等術語的詳細解說。

使用這種控制方法，可以在120度通電方式下調整施加電壓的大小。另外若在360度的區間內使比率呈正弦波規律變化，就可以實現正弦波通電（這也是正弦波通電的控制電路更為複雜的原因之一）。

上述正弦波通電的波形呈正弦波形狀，但正弦波通電還有其他的通電波形。

下圖所示的雙相調製正弦波，是大多數正弦波通電規格的馬達驅動器IC所採用的波形。圖中展示了施加到無刷馬達U相和V相線圈的電壓波形，以及U-V相之間（線間）的電壓波形。雙相調製正弦波雖然每相的電壓不是正弦波，但線電壓為正弦波。與常規正弦波（純正弦波）相比，其特點是透過PWM控制使功率電晶體的開關範圍較窄（降低開關損耗），並且可以增大線間電壓的振幅（提高電壓利用率）。

對於正弦波通電，波形的分割數（解析度）也是一項規格指標。這裡的分割數是指360度內波形變化的次數（見下圖）。分割數越多，正弦波形越平滑，但控制電路也越複雜。此外即使分割數很多，也無法生成超出前述PWM控制的每個脈衝所能實現的施加電壓比率的性能波形。

控制器（位置檢測和控制功能）

用於無刷馬達的控制器，因轉子位置檢測方法、指令規格以及內建控制功能等的不同而存在多種類型。本節將對以下項目進行介紹。

位置檢測

通常控制器透過確定（考慮）轉子位置來生成通電波形。該轉子位置的檢測主要有兩種方法，一種是使用霍爾元件，另一種是檢測感應電壓。後者由於不使用直接的位置檢測感測器，因此被稱為“無感測器”。關於霍爾元件的工作，請參閱前述“馬達相關術語集”中的“霍爾元件和霍爾IC”詞條。關於透過感應電壓確定轉子位置，請參閱本文所在的“Sugiken老師的馬達圖書館”中的另一篇文章“馬達疑問解答專區”的“為什麼可以透過感應電壓知道轉子的位置”一文。

由於該規格的差異，控制器的訊號輸入引腳的數量會發生變化。下圖是引腳的示意圖。使用霍爾元件的控制器有6個或3個輸入引腳，無感測器控制器則沒有用於輸入霍爾元件訊號的引腳（有時會設有用於輸入馬達線圈電壓的引腳作為替代）。

使用霍爾元件的控制器之所以有兩種，是因為使用了霍爾元件的電子元件有兩種不同的類型。這裡，我們將其中一種稱為“霍爾元件（作為電子元件的名稱）”，另一種稱為“霍爾IC”。

霍爾元件是一種將作為磁檢測元件的霍爾元件的輸入輸出直接當作4個引腳進行連接的電子元件。在下圖的①和③引腳間施加電壓使電流流過時，根據穿過IC的磁通量，在②和④引腳上會出現如圖所示的電壓。通常在採用霍爾元件的控制器中，會將這兩個引腳的電壓差作為磁通量檢測結果使用。因此這種規格的控制器為U、V、W各相均準備了P和N兩個輸入引腳（見上圖）。

霍爾IC是將作為磁檢測元件的霍爾元件的輸出電壓，透過IC內部電路進行訊號處理，使其輸出High和Low兩種電位的電子元件。由於輸出訊號只有1個，因此採用霍爾IC規格的控制器的訊號輸入引腳為3個。（霍爾元件和霍爾IC等名稱僅為示例，引腳名稱也可能採用數位或+/-，如H1+、H1-或H1、H2等）

使用霍爾元件（電子元件）規格的控制器，有時也支援使用霍爾IC。此時在空著的輸入引腳上輸入基準電壓（例如，如果向HUP輸入High電壓5V、Low電壓0V的霍爾IC訊號，則向HUN輸入2.5V等）。但是控制器引腳對輸入電壓範圍是有規定的，因此使用時需要進行確認。

另外在採用霍爾元件的控制器中，也存在僅使用1個或2個霍爾元件的規格型號。

在無感測器方式中，透過檢測感應電壓的相位來確定轉子位置（雖然還存在其他無感測器方法，但本文僅對感應電壓檢測進行說明）。感應電壓可以在馬達處於旋轉狀態且目標線圈沒有電流流過時，作為線圈引腳的電壓被檢測到。因此如果線圈引腳本來就已經連接到馬達驅動器，則無需其他的訊號輸入引腳。

對於採用檢測感應電壓方式的無感測器控制器，需要確認以下兩種情況的規格：馬達未旋轉時的應對策略（未產生感應電壓時的應對），以及為了檢測感應電壓必須使線圈電流為零的應對策略。特別是前者的馬達旋轉啟動方法和後者的正弦波通電時的通電波形均因控制器不同而有所差異，因此需要根據應用需求選擇更合適的控制器。

另外在正弦波通電的控制器中，有時會標注名為“全正弦波”等的通電方式。這一表述是指相較於因檢測感應電壓而導致正弦波波形畸變的無感測器馬達驅動器（控制器），這種控制器的通電波形能夠保持正弦波形狀而不產生畸變。

指令

控制器接收的指令訊號包括輸出電壓大小、轉速等調整值的指令。該指令訊號主要有3種規格，分別是類比電壓、使用脈衝的High/Low比率（Duty）指令的脈衝訊號和使用頻率（週期）指令的脈衝訊號。以下對各個訊號分別進行介紹。

・類比電壓指令

控制器接收電壓值作為指令。通常會設定指令電壓值的上限值和下限值，透過該設定值與指令電壓值的相對比較來決定指令資訊。例如，上限值為5V、下限值為1V的規格情況下，將1V以下的指令視為0，5V以上的指令視為100（%），其間的值按比例決定。這種情況下，輸入3V則為50（%），輸入4V則為75（%）等。

如果這是輸出電壓大小的指令，那麼通常驅動電路會在輸入3V時輸出50%的電壓，輸入4V時輸出75%的電壓。如果是轉速指令，則需要確認控制器等的產品規格書中記載的指令值與轉速關係的特性資料（圖表等）後再使用。

・Duty脈衝指令

接收Duty脈衝作為指令。這裡的Duty脈衝是指在下圖所示的一定頻率的脈衝訊號中，High所占比例發生變化（High與Low的比率發生變化）的訊號，該比率即為指令。識別訊號High和Low的電壓電平（閾值）以及可輸入頻率的範圍需確認所使用的控制器的產品規格書等。

如果這是輸出電壓大小的指令，那麼通常指令的比率會直接反映出來。如果是轉速指令，則需要確認控制器的產品規格書中記載的指令值與轉速關係的特性資料（圖表等）後再使用。

・頻率脈衝指令

接收頻率脈衝作為指令。這裡的頻率脈衝是指在下圖所示的脈衝訊號中頻率發生變化的訊號，其頻率即為指令。有時會將該頻率轉換為0到100的指令，用作輸出電壓大小或轉速指令，但通常的控制方式是直接將此頻率脈衝指令與馬達的轉速資訊脈衝進行比較。具體來說，是將控制器生成的馬達轉速資訊訊號（頻率根據馬達轉速變化的訊號，由霍爾元件訊號等生成）與指令訊號的頻率（週期）進行比較，控制馬達轉速使其與指令訊號頻率一致的方式。要掌握指令訊號頻率與實際馬達轉速的關係，需要確認控制器的產品規格書和馬達的規格（極數等）。

除了這些之外，有時也使用資料通訊作為指令。

控制功能

本節簡單介紹一下控制器中配備的各種控制和功能。

・轉速資訊輸出

在裝有馬達的設備中，有些會利用馬達的轉速資訊來實現馬達控制。對於這類設備，控制器會輸出名為“FG（Frequency Generator）”的訊號作為轉速資訊。

FG訊號是一種頻率（週期）隨馬達轉速而變化的訊號。控制器通常輸出採用單個霍爾元件訊號（見下圖）生成的訊號（例1）或輸出對三個訊號進行處理後的訊號（例2），也有些控制器可以在兩者之間進行選擇。以此方式生成的FG訊號，馬達每旋轉一周的脈衝數會因其極數不同而不同。對於4極馬達，每旋轉一周的脈衝數為2個或6個脈衝；而對於8極馬達，則為4個或12個脈衝。

如果馬達的配套設備所能應對的馬達每旋轉一周的脈衝數是固定的，那麼要使用極數與此不匹配的馬達，就需要設法改變FG訊號的頻率。有些控制器還具備該訊號頻率的轉換功能。

・保護功能

控制器具有保護馬達驅動器和馬達的功能。下表列舉了幾種保護功能的示例。這些功能用於檢測需要保護的狀態或異常狀態，並執行關斷功率電晶體等工作。保護功能名稱有時會有不同的叫法，因此不能僅憑名稱來判斷，還需要瞭解其內容。

・旋轉方向切換

在保持轉子位置檢測用霍爾元件的安裝位置固定（不變）的情況下，改變馬達旋轉方向的功能。即使輸入給控制器的霍爾元件資訊（N極和S極）相同，只要切換旋轉方向的設置，線圈產生的電磁鐵的磁極就會發生變化，從而使馬達產生反向轉矩。這裡雖以霍爾元件規格的工作為例進行說明，但無感測器控制器中也有該功能。另外實際馬達是順時針旋轉還是逆時針旋轉，取決於線圈和馬達驅動器的連接方式以及霍爾元件的安裝位置。

・超前角控制

無刷馬達透過持續在與轉子位置對應的合適角度產生旋轉磁場（由電磁鐵產生的磁場），以獲得更大轉矩。如果這個角度存在偏差，即使電磁鐵大小相同，所能獲得的轉矩也會降低。這意味著輸出功率相對於輸入功率的下降，從而導致效率降低。因此控制器透過確定轉子位置來調整施加在線圈上的電壓時序。

但是在實際使馬達轉動時，由於電樞反應和線圈電感，會產生電流延遲。補償這種影響的功能就是超前角控制。由於該控制會使時序從初始的通電時序向比相位更超前的方向變化，因此被稱為“超前角”（使角度提前）。

這種因電樞反應和電感引起的電流延遲，會隨電磁鐵磁力的大小和馬達轉速的不同而變化，因此通電時序的提前量也需要相應進行調整。關於調整的規格，有多種方法。一種是控制器從外部接收超前角值指令的方法（直接指令）。此外還有控制器利用轉速、電壓指令和電流大小等物理量來決定超前角值的方法（比例調整）。由於相對於物理量的更優超前角值因馬達而異，因此有些控制器支持比例係數的設定。另外比例的形式除了簡單的線性比例外，也有從某個值開始改變比例係數，或進行二次比例的情況。還有一些控制器無需這些繁瑣操作，能自動進行超前角調整（自動調整）。要實現這種方法，需要檢測電流相位。

・速度控制

至此，我們主要介紹了馬達驅動器（控制器）接收輸出電壓指令，並向馬達線圈施加指定電壓的工作原理。另外前文也提到透過輸出FG訊號（轉速資訊訊號），使馬達的配套設備能夠實現轉速調節，但部分馬達驅動器的控制器內建了該轉速調節功能。

此類控制器接收轉速指令後，會與馬達的轉速資訊進行比較，並自動調節輸出電壓。需要注意的是指令轉速可能存在上限值和下限值。

・待機

控制器在馬達停轉時仍保持電路運轉，以便接收指令並啟動控制工作。此時電路中仍有電流流過，消耗電力。為了降低這種待機時的功耗，有些控制器具有停止部分電路工作的功能。該功能被稱為“待機功能”、“降低待機功耗模式”或“節能功能”等。

・軟啟動

當馬達驅動器的工作及馬達處於停止狀態時，如果接收到高電壓指令（如100%輸出電壓指令等），高電壓施加到線圈上會導致電流急遽開始流動。該電流的增加若引發過大轉矩，可能會產生雜訊和劇烈振動。防止這種情況發生的正是軟啟動。軟啟動是在馬達啟動階段抑制電流急遽上升，使其逐漸增大的功能。

・短路制動

短路制動是指在馬達旋轉期間將線圈短路（電氣連接），使生成負轉矩的電流流過的狀態。該功能透過導通所有高側功率電晶體或所有低側功率電晶體來使線圈短路。通常與將所有功率電晶體關斷以停止馬達驅動相比，短路制動能使馬達更快停止旋轉。

下圖展示了轉子位於圖示位置的瞬間，線圈中流過的電流、電磁鐵以及生成轉矩的方向。當所有低側功率電晶體導通時，會流過與正常驅動方向相反的電流，電磁鐵的極性也反轉，從而生成負轉矩（轉子停止旋轉方向上的轉矩）。

另外，關於短路制動的更多資訊，請參閱前述“馬達相關術語集”中的“短路制動”詞條。

至此我們介紹了與控制器相關的規格和功能。實際使用的控制器通常會配備上述部分規格和功能。在轉動馬達時，需要從這些控制器中選擇符合應用需求的型號。

功率電晶體

在馬達中，功率晶體管用於向線圈施加電壓並流過電流。因此其指標包括可施加的電壓、可流過的電流、流過電流時的損耗以及導通和關斷的開關速度（SW速度）。

下圖是馬達中常用的功率電晶體的種類和特點。雙極型（雙極結型電晶體）是一種透過使基極流過電流來實現導通狀態的電流驅動型電晶體。導通狀態下的損耗包括V_CE（集極-射極間的電壓）乘以集電極電流所得的功率和基極電流的功率。這是歷史悠久的基礎型電晶體，但由於無法進行高速開關，故不適用於PWM控制，近年來此類電晶體已經很少被馬達應用採用。MOSFET是透過給閘極施加電壓來實現導通的電壓驅動型電晶體。其損耗為導通電阻（R_ON）乘以漏極電流的平方所得的功耗。該電晶體的優點是無需持續向閘極提供電流且開關速度快，缺點是當漏極電流增大時，損耗會呈平方級增長。IGBT是一種兼具雙極電晶體和MOSFET優點的電晶體。由於是電壓驅動，閘極電流消耗較低，損耗僅與電流的一次方成正比。缺點是開關速度中等。

近年來以R_ON×電流與V_CE的大小關係為分界點，在小電流應用中多採用MOSFET，而大電流應用中則多選用IGBT。

接下來，我們以MOSFET為例說明馬達中功率電晶體的結構。MOSFET有兩種規格，分別被稱為“N通道（N型）”和“P通道（P型）”。這兩者在原理上的區別可以說是在於電流透過電子流動還是透過電洞（Hole）流動。由於這一差異，N通道MOSFET的規格是相對於源極引腳（S），向閘極引腳（G）施加高於閾值的電壓來使MOSFET導通；而P通道MOSFET的規格是相對於源極引腳，向閘極引腳施加低於閾值的電壓來使其導通。另外，如果要使N型和P型具有相同大小的載流特性，通常N型可做到比P型更小的尺寸。這也受是使用電子還是電洞的影響。

在無刷馬達的馬達驅動器中，低側MOSFET通常採用N型。原因是低側MOSFET的源極電位是Gnd（接地）電位，生成閘極指令電壓相對容易，並且如上所述，N型比P型尺寸更小。高側MOSFET既有採用N型的也有採用P型的。兩者都會使用的原因是若使用N型，可以與低側MOSFET的特性保持一致（也能實現更小尺寸），但維持導通需要高於功率電晶體所連接電源（V）的電壓；而若使用P型則無需高於電源（V）的電壓，但相對於N型的尺寸更大（或者特性會改變）。從外部供給馬達驅動器電路的電源，通常以功率電晶體所連接的電源電壓為更高。因此是否需要該電壓以上的電壓便成為關鍵選擇之一。

另外施加在馬達線圈上的電壓及電流，會因馬達的配套設備和馬達的特性而有所不同，因此需要選擇能夠滿足馬達所需電壓和電流規格的功率電晶體。

閘極驅動器

閘極驅動器是將來自控制器的指令訊號傳遞給功率電晶體的電子元件。

下圖是高低側均為N通道MOSFET時的訊號示例。控制器輸出Low為0V、High為5V的指令訊號。僅憑此訊號無法直接導通和關斷高低側MOSFET。如前文所述，N通道MOSFET需要相對於源極施加閾值以上的電壓，而高側MOSFET的源極電壓有時會達到電源電壓（下圖中的V_M）。在下圖中，閘極驅動器將低側指令訊號的振幅提升至V_CC。該V_CC需設定為遠高於MOSFET閾值的電壓。此外使高側MOSFET導通的電壓需達到V_M＋V_CC。通常，閘極驅動器的輸出能力，即其能提供和吸收的電流量，比控制器的輸出能力要大。這是因為MOSFET的導通和關斷需要一定的電流（該電流量不足時，MOSFET的開關速度可能會受到限制）。

綜上所述，閘極驅動器的作用包括調整指令訊號的振幅、調節成與電源電壓（V_M）相匹配的電位以及提升最大電流量。此外如果高側是P通道MOSFET，還會進行極性的反轉。

下面展示了實現上述工作的電路結構示意圖。N通道-N通道型（N-N）的低側指令訊號透過緩衝電路輸出（這裡的緩衝電路是指調整訊號大小（振幅）和電流供應能力的電路）。高側的指令訊號則先經由訊號傳輸電路進行訊號電平調整後，再透過緩衝電路輸出。此時的電壓也會使用高於V_M的電壓。

P通道-N通道型（P-N）的低側與N-N型相同。高側的結構示例如圖所示，導通的指令會使緩衝電路後的電晶體導通。透過這一工作，高側MOSFET的閘極電壓降低，從而實現導通。由此可見，根據功率電晶體是N-N型還是P-N型，閘極驅動器的電路結構也會有所不同。

在N-N型電路中，需要比V_M（功率電晶體高側的電源）更高的電壓。該電壓通常由馬達驅動器內部的升壓電路生成。此升壓電路主要有以下兩種類型。

一種是被稱為“電荷泵”的電路。透過使VCP1引腳的電壓在0和V_M電壓之間交替重複的工作，對電容C2充電。透過這一工作，VCP引腳的電壓將達到V_M＋V_CC（不包括二極體的電壓降），從而可作為升壓電壓使用。

另一種是自舉電路。當低側功率電晶體導通且VS引腳電壓接近0（Gnd電位）時，電容C1會被充電。透過這一工作，使VB引腳相對於VS保持V_CC的電位差，從而可作為升壓電壓使用。

關於這兩種電路的工作和特點，請參閱本文所在的“Sugiken老師的馬達圖書館”內的另一篇文章“Sugiken老師的馬達驅動器課”的“第12集　電路的深度知識　＜升壓電路＞”。

用途和特點

無刷馬達被安裝於各類設備中，並廣泛應用於多種領域。例如僅以部分家電和消費電子為例，馬達就被應用於風扇、壓縮機、洗衣機的滾筒、影印機的多稜鏡和送紙器、電腦的驅動（硬碟和光碟機）、吸塵器的吸力裝置等場景中。

當使這些設備運轉時，它們各自都有其特點和要求（限制）事項（或者非要求事項）。例如風扇要求以恒定速度旋轉，但對旋轉波動和轉速精度的要求並不嚴格。對旋轉波動和轉速精度有嚴格要求的是驅動與設備性能直接相關的部件（如多稜鏡、送紙器和驅動器等）旋轉的馬達。壓縮機要求無感測器控制，而吸塵器則需要較高轉速。

如果試圖用一種馬達驅動器來應對具有各種特點和要求（限制）的馬達，可能導致性能過剩或者功能衝突。因此，馬達驅動器有針對風扇或多棱鏡等應用特點而設計的產品，具備與之相匹配的性能。

另外輸入至馬達的功率電源（連接功率電晶體的電源）主要有兩種類型：一種是將商用電源（AC100V或AC200V）整流後得到的直流電壓，另一種是比該電壓更低的直流電源。前者為DC140V或DC280V，有時被稱為“高壓（高電壓）”；後者為DC24V、DC12V或DC5V等，有時被稱為“低壓（低電壓）”。為了表明能夠適配這些電壓範圍，有時會用“高壓驅動器”或“低壓驅動器”等用以表示馬達驅動器額定電壓範圍的名稱。

馬達驅動器示例

本節我們將介紹ROHM官網產品資訊頁面中幾款馬達驅動器IC的規格、特點和主要應用領域。

・三霍爾低電壓120度矩形波

BD63006MUV是一款全集成馬達驅動器IC，推薦電壓為8V～24V，可輸出1.5A的電流。採用三個霍爾元件檢測轉子位置，通電波形為120度矩形波。可以透過施加Duty脈衝指令來調節輸出電壓。內建N-N型功率電晶體，透過電荷泵生成電壓。

配備有節能電路、旋轉方向切換、短路制動功能和各種保護功能，主要適用於OA設備及普通消費電子產品中安裝的馬達。

單霍爾低電壓正弦波

BD63251MUV是一款預驅動器（控制器+閘極驅動器），推薦電壓為5.5V～15V，需搭配P-N型功率電晶體使用。採用單個霍爾元件檢測轉子位置，通電波形為正弦波。可以選擇施加類比電壓指令或Duty脈衝指令的任意一種來調節輸出電壓指令（給功率電晶體的訊號）。由於是P-N型，因此沒有升壓電路。

配備有自動超前角控制、固定超前角調節、軟啟動功能、旋轉方向切換和各種保護功能，主要適用於伺服器和電腦散熱風扇中安裝的馬達。

無感測器中電壓正弦波

BD64070MUV是一款預驅動器，推薦電壓為28V～77V，需搭配N-N型功率電晶體使用。透過感應電壓的過零點（電壓極性發生變化的點）檢測轉子位置，通電波形為正弦波（為檢測感應電壓，正弦波波形中有部分為斷電區間）。內建速度控制（回饋）電路，可透過施加頻率脈衝指令將轉速調節至任意值。由於是N-N型，因此透過電荷泵生成電壓。

配備有死區時間設置功能、節能功能、旋轉方向切換、短路制動功能和各種保護功能。主要適用於風扇和普通消費電子產品中安裝的馬達。

無感測器低電壓正弦波

BD63242EFV是一款全集成馬達驅動器IC，推薦電壓為5V～16V，可輸出1.0A的電流。透過感應電壓的過零點（電壓極性發生變化的點）檢測轉子位置，通電波形為正弦波（為檢測感應電壓，正弦波波形中有部分為斷電區間）。可以選擇施加類比電壓指令或Duty脈衝指令的任意一種來調節輸出電壓。內建P-N型功率電晶體，沒有升壓電路。

配備有旋轉方向切換和各種保護功能。主要適用於冰箱風扇和普通消費電子產品中安裝的馬達。

三霍爾正弦波

BD62018BFS是一款控制器IC，推薦電壓為10V～18V，需搭配支援N-N型的閘極驅動器和功率電晶體使用。推薦電壓為控制器IC電源電壓，因此不限制閘極驅動器和功率電晶體的電壓。採用三個霍爾元件檢測轉子位置，通電波形為正弦波。可以透過類比電壓指令來調節輸出電壓。控制器IC輸出的功率電晶體通斷指令訊號，其極性是預設為N-N結構設計的。

配備有超前角調節功能、旋轉方向切換和各種保護功能。主要適用於風扇、泵類和家電產品中安裝的馬達。

高壓閘極驅動器和功率電晶體（IPM）

BM6242FS是一款IPM（智慧功率模組），推薦電壓為400V以下，可輸出1.5A的電流，需搭配控制器IC使用。內建N-N型功率電晶體，透過自舉電路生成電壓。

配備有各種保護功能和顯示保護工作狀態的訊號輸出功能。主要適用於風扇、泵類和家電產品中安裝的馬達。

三霍爾高電壓正弦波

BM6249FS是一款全集成馬達驅動器IC，推薦電壓為400V以下，可輸出2.5A的電流。採用三個霍爾元件檢測轉子位置，通電波 形為正弦波。可以透過施加類比電壓指令來調節輸出電壓。內建N-N型功率電晶體，透過自舉電路生成電壓。

配備有超前角調節功能、旋轉方向切換、各種保護功能和顯示保護工作狀態的訊號輸出功能。主要適用於風扇、泵類和家電產品中安裝的馬達。

最後

以上就是“什麼是無刷馬達驅動器”的介紹。

無刷馬達驅動器不僅在額定電壓和額定電流等常規規格上存在差異，在轉子位置檢測方式、通電波形以及控制功能方面也有多種不同的類型。在選擇馬達驅動器時，需要從中篩選出符合應用需求和應用場景的產品，為此瞭解所安裝的馬達和設備的知識以及馬達驅動器的知識至關重要。

希望以上關於“什麼是無刷馬達驅動器”的介紹，能夠為閱讀者今後在選擇馬達驅動器時提供一些參考和幫助。