一種直流無刷電機驅動器的上下半橋驅動互鎖方法
2023-09-18 16:20:35
專利名稱：一種直流無刷電機驅動器的上下半橋驅動互鎖方法
技術領域：
本發明屬於直流無刷電機驅動器裝置，特別是一種直流無刷電機驅動器的上下半橋驅動互鎖方法。
背景技術：
現有以MOSFET管為功率元件組成的直流無刷電機驅動器，其主迴路如圖1所示:直流無刷電機驅動器主迴路由6個MOSFET管組成，6個MOSFET管組成3個半橋，分別為A上A下、B上B下、C上C下，其中A上A下為A相半橋，B上B下為B相半橋，C上C下為C相半橋。A上、B上、C上分別為ABC三相的上半橋，A下、B下、C下分別為ABC三相的下半橋。直流無刷電機驅動器根據電機轉子位置傳感器的6個位置信號，使不同半橋的一個上管和一個下管導通，使電機旋轉，其6個轉子位置傳感器信號對應的上下半橋導通順序為:A上B下、A上C下、B上C下、B上A下、C上A下、C上B下，依次循環，使電機連續旋轉。從上下半橋的導通順序知道，同一半橋的上下兩個MOSFET管不會同時導通。直流無刷電機調速，是通過調節加在電機繞組上的電壓實現的，通過改變加在上半橋MOSFET管上的脈寬調製信號PWM的佔空比，來改變加在電機繞組上的電壓，下半橋MOSFET管維持導通來實現調節電機轉速。同一半橋上下兩個MOSFET管的驅動電路如圖1所示:M0SFET管的三個端分別叫柵極，用字母G標示，源極，用字母D標示，漏極，用字母S標示。由於MOSFET的GDS間存在著寄生電容，也叫結電容，和引線電感。因有結電容和電感的存在，當MOSFET的DS端突加電壓時，通過結電容使GS端的電壓上升，甚至能使MOSFET管導通，這叫做米勒效應。以圖2為例，當上半橋MOSFET管導通時，電源電壓相當於突然加到下半橋MOSFET管的DS端上，再通過DG端和GS端的結電容充電使GS端電壓上升。當下半橋MOSFET管導通時，相當於上半橋MOSFET管的S端接電源的負，也相當於在上半橋MOSFET管的DS端上突加電壓，再通過DG端和GS端的結電容充電使GS端電壓上升。如果GS端電壓超過MOSFET管的最低導通電壓，就會使MOSFET管導通，造成上下半橋MOSFET管同時導通，也叫直通，相當於電源正端通過同橋臂MOSFET管與電源負端短接，短路電流使功率管損壞，進而使控制器損壞而無法工作。米勒效應無法消除，但可以通過給GS端並接電容，增大柵極電阻Rgl和Rg2來減小米勒效應的影響，但這樣處理，會使MOSFET管的導通和關斷時間加長，增加了 MOSFET管的開關損耗，運行時，溫升會增加，還需要更大的散熱器，不僅增加了成本，還不能完全消除同一半橋的上下半橋MOSFET管直通的風險。
現有以IGBT管為功率元件組成的直流無刷電機驅動器，其主迴路如圖3所示:直流無刷電機驅動器主迴路由6個IGBT組成，6個IGBT組成3個半橋，分別為A上A下、B上B下、C上C下，其中A上A下為A相半橋，B上B下為B相半橋，C上C下為C相半橋。A上、B上、C上分別為ABC三相的上半橋，A下、B下、C下分別為ABC三相的下半橋。直流無刷電機驅動器根據電機轉子位置傳感器的6個位置信號，使不同半橋的一個上管和一個下管導通，使電機旋轉，其6個轉子位置傳感器信號對應的上下半橋導通順序為:A上B下、A上C下、B上C下、B上A下、C上A下、C上B下，依次循環，使電機連續旋轉。從上下半橋的導通順序知道，同一半橋的上下兩個IGBT不會同時導通。直流無刷電機調速，是通過調節加在電機繞組上的電壓實現的，通過改變加在上半橋IGBT上的脈寬調製信號PWM的佔空比，來改變加在電機繞組上的電壓，下半橋IGBT維持導通來實現調節電機轉速。同一半橋上下兩個IGBT的驅動電路如圖4所示:IGBT的三個端分別叫柵極，用字母G標示，發射極，用字母E標示，集電極，用字母C標示。由於IGBT的GCE間存在著電容，也叫結電容，和引線電感。因有結電容和電感的存在，當IGBT的CE端突加電壓時，通過結電容使GE端的電壓上升，甚至能使IGBT導通，這種現象叫米勒效應。以圖ニ為例，當上半橋IGBT導通吋，電源電壓相當於突然加到下半橋IGBT的CE端上，再通過CG端和GE端的結電容充電使GE端電壓上升。當下半橋IGBT導通時，相當於上半橋IGBT的E端接電源的負，也相當於在上半橋IGBT管的CE端上突加電壓，再通過CG端和GE端的結電容充電使GE端電壓上升。如果GE端電壓超過IBGT的最低導通電壓，就會使IGBT導通，造成上下半橋IGBT同時導通，也叫直通，相當於電源正端通過同橋臂IGBT與電源負端短接，短路電流使功率管損壞，進而使控制器損壞而無法工作。米勒效應無法消除，但可以通過給GE端並接電容，増大柵極電阻Rgl和Rg2來減小米勒效應的影響，但這樣處理，會使IGBT的導通和關斷時間加長，増加了 IGBT的開關損耗，運行時，溫升會増加，還需要更大的散熱器，不僅增加了成本，還不能完全消除同一半橋的上下半橋IGBT直通的風險。既然米勒效應無法消除，又不想增加IGBT的開關損耗，又由於直流無刷電機控制器的上下半橋不會同時導通，通過上下半橋驅動互鎖的方法，就能實現上半橋導通時，下半橋可靠關斷，下半橋導通時，上半橋可靠關斷，徹底消除了上下半橋同時導通的可能。
發明內容
本發明的目的是提供一種不會造成上下半橋管同時導通，產生短路電流使功率管損壞，進而使控制器損壞而無法工作的ー種直流無刷電機驅動器的上下半橋驅動互鎖方法。本發明的目的是這樣實現的，ー種直流無刷電機驅動器的上下半橋驅動互鎖方法，至少包括直流無刷電機驅動器的上半橋驅動電路、下半橋驅動電路，其特徵是:上半橋驅動電路中的上半橋管與上半橋驅動互鎖電路的輸出控制端電連接，下半橋驅動電路中的下半橋管源極與下半橋驅動互鎖電路輸出控制端電連接，上半橋驅動互鎖電路輸入端與下半橋驅動電路的第一光電耦合器輸入負端Ad電連接，下半橋驅動互鎖電路輸入端與上半橋驅動電路的第二光電耦合器輸入負端Au電連接。所述的上半橋驅動電路中的上半橋管是MOSFET管，MOSFET管源極S和柵極G之間與上半橋驅動互鎖電路的輸出控制端電連接，所述的下半橋驅動電路中的下半橋管是MOSFET管，下半橋驅動電路中的MOSFET管源極S和柵極G之間與下半橋驅動互鎖電路輸出控制端電連接。所述的下半橋驅動互鎖電路包括第四光電耦合器Ob、三極體Nb、電阻R3、電阻R4，三極體Nb集電極和發射極為輸出端與下半橋驅動電路中的MOSFET管源極S和柵極G之間電連接，三極體Nb的基極通過電阻R3與第四光電耦合器Ob的光電三極體集電極電連接，第四光電I禹合器Ob的光電三極體發射極與三極體Nb的發射極電連接,第四光電I禹合器Ob的發光二極體正端通過電阻R4與第一光電稱合器輸入端Aa電連接。所述的上半橋驅動互鎖電路包括第三光電耦合器0a、三極體Na、電阻R1、電阻R2，三極體Na集電極和發射極為輸出端，輸出端與上半橋驅動電路中的MOSFET管源極S和柵極G之間電連接，三極體Na的基極通過電阻Rl與第三光電耦合器Oa的光電三極體集電極電連接，第三光電耦合器Oa的光電三極體發射極與三極體Na的發射極電連接，第三光電耦合器Oa的發光二極體正端通過電阻R2與第二光電稱合器輸入負端Ad電連接。所述的第三光電耦合器Oa是繼電器。所述的第四光電耦合器Ob是繼電器。所述的上半橋驅動電路中的上半橋管是IGBT管，IGBT管發射極e和基極b之間與上半橋驅動互鎖電路的輸出控制端電連接，下半橋驅動電路中的下半橋管是IGBT管，IGBT管發射極e和基極b之間與下半橋驅動互鎖電路輸出控制端電連接。所述的下半橋驅動互鎖電路包括第四光電耦合器Ob、三極體Nb、電阻R3、電阻R4和二極體Db，三極體Nb集電極與下半橋驅動電路中的IGBT管基極b電連接，三極體Nb集電極通過二極體Db與下半橋驅動電路中的IGBT管發射極e電連接，三極體Nb的基極通過電阻R3與第四光電I禹合器Ob的光電三極體集電極電連接,第四光電I禹合器Ob的光電三極體發射極與三極體Nb的集電極電連接，第四光電耦合器Ob的發光二極體正端通過電阻R4與第一光電稱合器(7)輸入端Au電連接。所述的上半橋驅動互鎖電路包括第三光電耦合器0a、三極體Na、電阻R1、電阻R2和二極體Da，三極體Na集電極和發射極為輸出端，三極體Na發射極與上半橋驅動電路中的IGBT管基極b電連接，三極體Na集電極通過二極體Da與上半橋驅動電路中的IGBT管的發射極e電連接；三極體Na的基極通過電阻Rl與第三光電耦合器Oa的光電三極體集電極電連接，第三光電稱合器Oa的光電三極體發射極與三極體Na的集電極電連接,第三光電率禹合器Oa的發光二極體正端通過電阻R2與第二光電稱合器輸入負端Ad電連接。本發明的優點是:無論什麼原因造成上半橋管或下半橋管的控端電壓上升，三極體Na或三極體Nb都把上半橋管或下半橋管的控端電壓限制在三極體的的導通壓降內。保證了下半橋管導通時，上半橋管可靠關斷，達到上下半橋驅動互鎖的目的。
下面結合實施例附圖對本發明作進一步說明:
圖1是現有MOSFET管組成的直流無刷電機驅動器主電路；
圖2是現有半橋MOSFET驅動電路；
圖3是現有IGBT管組成的直流無刷電機驅動器主電路；
圖4是現有半橋IGBT驅動電路；
圖5是本發明實施例1電路原理 圖6是本發明實施例2電路原理 圖7是本發明實施例3電路原理圖； 圖8是本發明實施例4電路原理圖。圖中，1、上半橋驅動電路；2、下半橋驅動電路；3、上半橋管；4、下半橋管；5、上半橋驅動互鎖電路；6、下半橋驅動互鎖電路；7、第一光電耦合器；8、第二光電耦合器。
具體實施例方式實施例1
如圖5所示，圖5是半橋驅動及光耦隔離上下半橋驅動互鎖電路，至少包括上半橋驅動電路1、下半橋驅動電路2，其特徵是:上半橋驅動電路I中的上半橋管3 (MOSFET)源極S和柵極G之間與上半橋驅動互鎖電路5的輸出控制端電連接，下半橋驅動電路2中的下半橋管4 (MOSFET)源極S和柵極G之間與下半橋驅動互鎖電路6輸出控制端電連接，上半橋驅動互鎖電路5輸入端與下半橋驅動電路2的第一光電耦合器7輸入負端Ad電連接，下半橋驅動互鎖電路6輸入端與上半橋驅動電路I的第二光電耦合器8輸入負端Au電連接。所述的下半橋驅動互鎖電路6包括第四光電耦合器Ob、三極體Nb、電阻R3、電阻R4，三極體Nb集電極和發射極為輸出端與下半橋管4 (MOSFET)源極S和柵極G之間電連接，三極體Nb的基極通過電阻R3與第四光電耦合器Ob的光電三極體集電極電連接，第四光電稱合器Ob的光電三極體發射極與三極體Nb的發射極電連接,第四光電稱合器Ob的發光二極體正端通過電阻R4與第一光電稱合器7輸入端Aa電連接。所述的上半橋驅動互鎖電路5包括第三光電耦合器0a、三極體Na、電阻R1、電阻R2，三極體Na集電極和發射極為輸出端，輸出端與上半橋管3 (MOSFET)源極S和柵極G之間電連接，三極體Na的基極通過電阻Rl與第三光電耦合器Oa的光電三極體集電極電連接，第三光電耦合器Oa的光電三極體發射極與三極體Na的發射極電連接，第三光電耦合器Oa的發光二極體正端通過電阻R2與第二光電稱合器8輸入負端Ad電連接。實施例2
如圖6所示，圖6是半橋驅動及繼電器隔離上下半橋驅動互鎖電路，第三光電耦合器Oa和第四光電耦合器Ob或是繼電器，繼電器OC和繼電器OD分別代替第三光電耦合器Oa和第四光電I禹合器Ob。本發明工作時，當使上半橋MOSFET管Mu導通時，則輸入信號Au為高電平，Ad為低電平。Ad為低電平時，光耦或繼電器Oa不導通，三極體Na不導通，驅動互鎖電路不影響上半橋MOSFET管Mu的GS端的狀態，MOSFET管GS端的信號取決於脈寬調製信號PWM。因Au是高電平，則光耦或繼電器Ob導通，使三極體Nb導通。Nb的導通使下半橋MOSFET管Md的GS端短接，無論什麼原因造成GS端電壓上升，三極體Nb都把MOSFET管的GS端電壓鉗位在三極體的的導通壓降內。這樣保證了上半橋MOSFET管導通時，下半橋MOSFET管可靠關斷。當使下半橋MOSFET管Md導通時，則輸入信號Au為低電平，Ad為高電平。Au為低電平時，光耦或繼電器Ob不導通，三極體Nb不導通，驅動互鎖電路不影響下半橋MOSFET管Md的GS端的狀態，下半橋MOSFET管GS端的信號取決於Ad。因Ad是高電平，則光耦或繼電器Oa導通，使三極體Na導通。Na的導通使上半橋MOSFET管Mu的GS端短接，無論什麼原因造成GS端電壓上升，三極體Na都把MOSFET管的GS端電壓鉗位在三極體的的導通壓降內。這樣保證了下半橋MOSFET管導通吋，上半橋MOSFET管可靠關斷，達到上下半橋驅動互鎖的目的。實施例3
如圖7所示，圖7是IGBT管構成的半橋驅動及光耦隔離上下半橋驅動互鎖電路，至少包括上半橋驅動電路1、下半橋驅動電路2，上半橋驅動電路I中的上半橋管3 (IGBT)發射極e和基極b之間與上半橋驅動互鎖電路5的輸出控制端電連接，下半橋驅動電路2中的下半橋管4 (IGBT)發射極e和基極b之間與下半橋驅動互鎖電路6輸出控制端電連接，上半橋驅動互鎖電路5輸入端與下半橋驅動電路2的第一光電耦合器8輸入負端Ad電連接，下半橋驅動互鎖電路6輸入端與上半橋驅動電路I的第二光電耦合器7輸入負端Au電連接。所述的下半橋驅動互鎖電路6包括第四光電耦合器Ob、三極體Nb、電阻R3、電阻R4和二極體Db,三極體Nb集電極與下半橋管4 (IGBT)基極b電連接,三極體Nb集電極通過二極體Db與下半橋管4 (IGBT)發射極e電連接，三極體Nb的基極通過電阻R3與第四光電稱合器Ob的光電三極體集電極電連接,第四光電稱合器Ob的光電三極體發射極與三極體Nb的集電極電連接,第四光電稱合器Ob的發光二極體正端通過電阻R4與第一光電率禹合器7輸入端Au電連接。所述的上半橋驅動互鎖電路5包括第三光電耦合器0a、三極體Na、電阻R1、電阻R2和二極體Da，三極體Na集電極和發射極為輸出端，三極體Na發射極與上半橋管3( IGBT)基極b電連接,三極體Na集電極通過二極體Da與上半橋管3 (IGBT)的發射極e電連接；三極體Na的基極通過電阻Rl與第三光電稱合器Oa的光電三極體集電極電連接,第三光電率禹合器Oa的光電三極體發射極與三極體Na的集電極電連接,第三光電稱合器Oa的發光二極體正端通過電阻R2與第二光電耦合器8輸入負端Ad電連接。實施例4
如圖8所示，圖8是半橋驅動及繼電器隔離上下半橋驅動互鎖電路，第三光電耦合器Oa和第四光電耦合器Ob或是繼電器，繼電器OC和繼電器OD分別代替第三光電耦合器Oa和第四光電I禹合器Ob。本發明工作時，當使上半橋IGBT管Mu導通時，則輸入信號Au為高電平，Ad為低電平。Ad為低電平時，光耦或繼電器Oa不導通，三極體Na不導通，驅動互鎖電路不影響上半橋IGBT管Mu的基極和發射極端的狀態，IGBT管控制端的信號取決於脈寬調製信號PWM。因Au是高電平，則光耦或繼電器Ob導通，使三極體Nb導通。Nb的導通使下半橋IGBT管Md的基極和發射極短接，無論什麼原因造成基極和發射極端電壓上升，三極體Nb都把IGBT管的基極和發射極端電壓鉗位在三極體的導通壓降內。這樣保證了上半橋IGBT管導通時，下半橋IGBT管可靠關斷。當使下半橋IGBT管Md導通時，則輸入信號Au為低電平，Ad為高電平。Au為低電平時，光耦或繼電器Ob不導通，三極體Nb不導通，驅動互鎖電路不影響下半橋IGBT管Md的基極和發射極端的狀態，下半橋IGBT管基極和發射極端的信號取決於Ad。因Ad是高電平，則光耦或繼電器Oa導通，使三極體Na導通。Na的導通使上半橋IGBT管Mu的基極和發射極端短接，無論什麼原因造成基極和發射極端電壓上升，三極體Na都把IGBT管的基極和發射極端電壓鉗位在三極體的的導通壓降內。這樣保證了下半橋IGBT管導通時，上半橋IGBT管可靠關斷，達到上下半橋驅動互鎖的目的。
本實施例沒有詳細敘述的部件和結構屬本行業的公知部件和常用結構或常用手段，這裡不一一敘述。
權利要求
1.ー種直流無刷電機驅動器的上下半橋驅動互鎖方法，至少包括直流無刷電機驅動器的上半橋驅動電路(I)、下半橋驅動電路(2)，其特徵是:上半橋驅動電路(I)中的上半橋管(3)與上半橋驅動互鎖電路(5)的輸出控制端電連接，下半橋驅動電路(2)中的下半橋管(4)源極與下半橋驅動互鎖電路(6)輸出控制端電連接，上半橋驅動互鎖電路(5)輸入端與下半橋驅動電路(2)的第一光電耦合器(7)輸入負端Ad電連接，下半橋驅動互鎖電路(6)輸入端與上半橋驅動電路(I)的第二光電耦合器(8)輸入負端Au電連接。
2.根據權利要求1所述的ー種直流無刷電機驅動器的上下半橋驅動互鎖方法，其特徵是:所述的上半橋驅動電路(I)中的上半橋管(3)是MOSFET管，MOSFET管源極S和柵極G之間與上半橋驅動互鎖電路(5)的輸出控制端電連接，所述的下半橋驅動電路(2)中的下半橋管(4)是MOSFET管，下半橋驅動電路(2)中的MOSFET管源極S和柵極G之間與下半橋驅動互鎖電路(6)輸出控制端電連接。
3.根據權利要求1或2所述的ー種直流無刷電機驅動器的上下半橋驅動互鎖方法，其特徵是:所述的下半橋驅動互鎖電路(6)包括第四光電耦合器Ob、三極體Nb、電阻R3、電阻R4，三極體Nb集電極和發射極為輸出端與下半橋驅動電路(2)中的MOSFET管源極S和柵極G之間電連接，三極體Nb的基極通過電阻R3與第四光電耦合器Ob的光電三極體集電極電連接，第四光電耦合器Ob的光電三極體發射極與三極體Nb的發射極電連接，第四光電耦合器Ob的發光二極體正端通過電阻R4與第一光電稱合器(7)輸入端Aa電連接。
4.根據權利要求1或2所述的ー種直流無刷電機驅動器的上下半橋驅動互鎖方法，其特徵是:所述的上半橋驅動互鎖電路(5)包括第三光電耦合器0a、三極體Na、電阻R1、電阻R2，三極體Na集電極和發射極為輸出端，輸出端與上半橋驅動電路(I)中的MOSFET管源極S和柵極G之間電連接，三極體Na的基極通過電阻Rl與第三光電耦合器Oa的光電三極體集電極電連接，第三光電耦合器Oa的光電三極體發射極與三極體Na的發射極電連接，第三光電稱合器Oa的發光二極體正端通過電阻R2與第二光電稱合器(8)輸入負端Ad電連接。
5.根據權利要求4所述的ー種直流無刷電機驅動器的上下半橋驅動互鎖方法，其特徵是:所述的第三光電耦合器Oa是繼電器。
6.根據權利要求3所述的ー種直流無刷電機驅動器的上下半橋驅動互鎖方法，其特徵是:所述的第四光電耦合器Ob是繼電器。
7.根據權利要求1所述的ー種直流無刷電機驅動器的上下半橋驅動互鎖方法，其特徵是:所述的上半橋驅動電路(I)中的上半橋管(3)是IGBT管，IGBT管發射極e和基極b之間與上半橋驅動互鎖電路(5)的輸出控制端電連接，下半橋驅動電路(2)中的下半橋管(4)是IGBT管，IGBT管發射極e和基極b之間與下半橋驅動互鎖電路(6)輸出控制端電連接。
8.根據權利要求1或7所述的ー種直流無刷電機驅動器的上下半橋驅動互鎖方法，其特徵是:所述的下半橋驅動互鎖電路(6)包括第四光電耦合器Ob、三極體Nb、電阻R3、電阻R4和ニ極管Db，三極體Nb集電極與下半橋驅動電路(2)中的IGBT管基極b電連接，三極體Nb集電極通過ニ極管Db與下半橋驅動電路(2)中的IGBT管發射極e電連接，三極體Nb的基極通過電阻R3與第四光電耦合器Ob的光電三極體集電極電連接，第四光電耦合器Ob的光電三極體發射極與三極體Nb的集電極電連接,第四光電稱合器Ob的發光二極體正端通過電阻R4與第一光電稱合器(7)輸入端Au電連接。
9.根據權利要求1或7所述的ー種直流無刷電機驅動器的上下半橋驅動互鎖方法，其特徵是:所述的上半橋驅動互鎖電路(5)包括第三光電耦合器Oa、三極體Na、電阻R1、電阻R2和二極體Da，三極體Na集電極和發射極為輸出端，三極體Na發射極與上半橋驅動電路(I)中的IGBT管基極b電連接，三極體Na集電極通過二極體Da與上半橋驅動電路(I)中的IGBT管的發射極e電連接；三極體Na的基極通過電阻Rl與第三光電耦合器Oa的光電三極體集電極電連接，第三光電耦合器Oa的光電三極體發射極與三極體Na的集電極電連接，第三光電稱合 器Oa的發光二極體正端通過電阻R2與第二光電稱合器(8)輸入負端Ad電連接。
全文摘要
本發明涉及一種直流無刷電機驅動器的上下半橋驅動互鎖方法，至少包括直流無刷電機驅動器的上半橋驅動電路、下半橋驅動電路，其特徵是上半橋驅動電路中的上半橋管與上半橋驅動互鎖電路的輸出控制端電連接，下半橋驅動電路中的下半橋管源極與下半橋驅動互鎖電路輸出控制端電連接，上半橋驅動互鎖電路輸入端與下半橋驅動電路的第一光電耦合器輸入負端Ad電連接，下半橋驅動互鎖電路輸入端與上半橋驅動電路的第二光電耦合器輸入負端Au電連接。該方法不會造成上下半橋管同時導通，產生短路電流使功率管損壞，進而使控制器損壞而無法工作等特點。
文檔編號H02M1/38GK103138554SQ201310114630
公開日2013年6月5日 申請日期2013年4月3日 優先權日2013年4月3日
發明者李桃峰 申請人:西安西馳電子傳動與控制有限公司