一種低功耗有刷直流電機控制器的製作方法
2023-05-12 06:49:26 1
專利名稱：一種低功耗有刷直流電機控制器的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種電子控制器，尤其涉及一種應用於各類壓縮機、電動工具、電動玩具、電動車等的低功耗有刷直流電機控制器。
控制器本質上是一種功率變換裝置，自身需要消耗一定的電能，自身消耗的電功率越大控制器的效率就越低。經過實驗發現，控制器的功耗主要來自功率開關MOS管和續流二極體，而功率MOS管的功耗又主要有兩部分構成，即開關功耗和導通功耗，這兩部分功耗是可以通過選取開關速度快、通態電阻小的功率元件得到有效控制的，然而續流二極體產生的續流功耗則很難降低，因為即使選用導通壓降很低的肖特基二極體，導通壓降VF一般也至少在0.6V以上，而隨著續流電流的上升VF還會進一步增大，那麼在續流二極體上將產生P1＝VFIu的穩態續流功耗，經測試發現該功耗佔了整個控制器功耗相當大的比例。
本發明是這樣來實現的它包括功率變換主迴路、控制功率變換主迴路的控制驅動電路以及與功率變換主迴路串聯的電源，其特徵在於功率變換主迴路包含續流開關管、與續流開關管串聯的主開關管，與續流開關管並聯的有刷直流電機；除非續流開關管、主開關管均不開通，否則控制驅動電路輸出的控制邏輯和輸出電壓使續流開關管、主開關管中的一隻開通時另一隻關斷。
MOS管內部存在的寄生二極體，當MOS管關斷時，器件呈現二極體特性，如果用柵極短路的MOS管代替二極體使用，那麼，只要MOS管的耐壓和二極體一樣，就完全可以代替二極體起到反向阻斷作用，當二極體開始續流而正嚮導通時，如果MOS管處於完全關斷狀態，那麼，續流電流Iu將全部從寄生二極體中通過，產生的功耗為P1＝VFIu，顯然功耗並沒有被削減，但是，如果此時能設法控制MOS管的柵極，使MOS管導通，情況就發生了變化，由於所選用的MOS管的導通電阻Rds(on)很低(一般都能做到)，電流Iu通過MOS管時形成的壓降很小，遠低於二極體的導通壓降VF，因此本來應該從MOS的寄生二極體中流過的續流電流，就改道從MOS管源極S和漏極D之間的電阻Rds(on)中流過，形成的功耗為P2＝Iu2Rds(on)，不難保證P2＜＜P1，這意味著續流功耗被大大降低，本發明將這種用MOS管代替續流二極體進行續流的方式稱為「同步續流」，將起這種作用的MOS管稱為續流開關管。
採用本發明的低功耗有刷直流電機控制器具有以下優點和效果①實現方法簡單；只要選取電流、電壓、導通電阻等技術參數適當的MOS管代替續流二極體，再加上「同步續流」控制信號，就可大幅度降低功耗；②由於續流功耗降低，控制器的總功耗降低，效率提高，在同樣的散熱器和同樣的散熱條件下，控制器溫升降低，可靠性提高；③為達到同樣的溫升要求，控制器的體積和重量可減少約30％。
表一是採用本發明前後控制器各點的溫升實測數據，從表中可以看出，採用本發明後在同樣的散熱條件下控制器的溫升有了大幅度的下降，這表明控制器的功耗減小了，達到了本發明預期的目標。表一
注測試條件為，電流12A，電機堵轉，環境溫度27℃，散熱器NY-016，二極體為16QCT100，MOS管為IRFZ48N。
其中δ％為PWM的佔空比；δ％＝(t/T)×100％，t≤T主開關MOS管M2上的平均導通功耗為PM2，則有PM2＝δ％Iu2Rds(on)(1)假設Iu連續，續流開關MOS管M1、主開關MOS管M2為同型號的MOS管，續流開關MOS管M1的平均續流功耗為PM1，則有PM1＝[1-δ％]Iu2Rds(on)(2)總功耗為
P2＝PM1+PM2＝δ％Iu2Rds(on)+(1-δ％)Iu2Rds(on)＝Iu2Rds(on)(3)最大總功耗為P2max＝Iumax2Rds(on)(4)採用本發明前的總功耗為P1＝δ％Iu2Rds(on)+(1-δ％)IuVF(5)採用本發明前的最大總功耗為P1max＝δ％Iumax2Rds(on)+(1-δ％)IumaxVF(6)其中Iu為電機中的平均工作電流；Iumax為電機中的最大平均工作電流；Rds(on)為MOS管的平均通態電阻；VF為原普通續流二極體的平均正向通態壓降。
從式(1)～(6)可以看出，在低速時，δ％接近於0，PM2＜＜PM1，續流開關MOS管M1的續流功耗佔主導地位；在高速時，δ％接近於1，PM2＞＞PM1，主開關MOS管M2的導通功耗佔主導地位；在中速時，δ％接近50％，PM2＝PM1，續流功耗和導通功耗各佔一半。電機啟動或堵轉時速度接近於零，反電勢尚未建立，在控制驅動電路CU1的控制作用下，PWM波的佔空比δ％很小，電機電流被限定於最大電流Iumax，因此在啟動過程中，續流功耗佔主導地位。採用本發明前，此續流功耗全部在續流二極體上，有(4)、(6)式知，由於VF＞＞IumaxRds(on)，所以P1max＞＞P2max二極體的工況相當惡劣，發熱嚴重，控制器的過載能力和可靠性都下降。採用本發明後，此續流功耗由續流開關MOS管M1承擔，最大功耗僅為P2max，控制器的工況得到改善，發熱減小，過載能力和可靠性都有提高。
根據附圖
3，本發明也可以採用如下結構控制驅動電路CU1的3、4腳分別與主開關MOS管M2的G、S極相連，控制驅動電路CU1的1、2腳分別與續流開關MOS管M1的G、S極相連，續流開關MOS管M1的D極與主開關MOS管M2的S極相連，同時與電機M的上端相連，主開關MOS管M2的D極與電源E1的正極相連，續流開關MOS管M1的S極與電源E1的負極相連，同時與電機M的下端相連。
附圖4為本發明的一個具體實施例。根據附圖4，續流開關MOS管M1為P溝道MOS管，型號為IRF4905，柵極閾值電壓Vg(th)為-2～-4V，主關開MOS管M2為N溝道MOS管，型號為IRFZ48N，柵極閾值電壓為2～4V，上述兩種管子的最大柵極電壓Vgmax均為±20V。在控制驅動電路CU1到續流開關MOS管M1、主開關MOS管M2的連線之間串聯了電阻Rg1、Rg2，並聯了齊納二極體Z1、Z2，其中，Rg1、Rg2的作用是適當延緩MOS管的開關速度，降低電磁噪音，並防止柵極電壓振蕩，Z1、Z2的作用是防止MOS管的柵極被過壓擊穿。在續流開關MOS管M1的S極和電機M的上端之間串聯了電感L，在續流開關MOS管M1的S極和電源E1的正極之間串聯了熔斷器FU、控制驅動電路CU1通過並聯電阻Rs與主關開MOS管M2的S極與電源E1的負極相連，續流開關MOS管M1、主開關MOS管M2與電容C並聯。其中，熔斷器FU的作用是當線路發生大電流故障時熔斷器FU自熔斷，將電源從線路中斷開，防止故障擴大；電感L的作用是平滑電機M的電樞電流，減小電機力矩脈動，降低噪音；電阻Rs是母線電流採樣電阻，電流信號被送到控制驅動電路CU1，以便控制驅動電路CU1對母線電流進行監測和控制；電容C的作用是吸收續流開關MOS管M1、主開關MOS管M2在開關過程中造成的母線電壓尖峰，避免MOS管遭到過壓擊穿的危險。
權利要求
1.一種低功耗有刷直流電機控制器，包括功率變換主迴路、控制功率變換主迴路的控制驅動電路以及與功率變換主迴路串聯的電源，其特徵在於功率變換主迴路包含續流開關管、與續流開關管串聯的主開關管，與續流開關管並聯的有刷直流電機；除非續流開關管、主開關管均不開通，否則控制驅動電路輸出的控制邏輯和輸出電壓使續流開關管、主開關管中的一隻開通時另一隻關斷。
2.根據權利要求1所述的一種低功耗有刷直流電機控制器，其特徵在於續流開關管、主開關管可以選用N溝道或P溝道的MOS管，並可以任意組合。
3.根據權利要求1或2所述的一種低功耗有刷直流電機控制器，其特徵在於控制驅動電路的輸出為高電平、低電平、或高低電平交替的矩形脈衝波，高電平的電壓範圍為Vg(th)～Vgmax，低電平的電壓範圍為-Vgmax～Vg(th)，其中，Vgmax為MOS管的最大柵極電壓，Vg(th)為MOS管的柵極閾值電壓。
4.根據權利要求1或2所述的一種低功耗有刷直流電機控制器，其特徵在於主開關管和續流開關管可以分別用多個相同或不相同型號、參數、封裝、結構、材料的MOS管並聯使用。
5.根據權利要求4所述的一種低功耗有刷直流電機控制器，其特徵在於功率變換主迴路中可以在任何位置串聯無源元件，可以在任何位置並聯無源元件。
6.根據權利要求1或5所述的一種低功耗有刷直流電機控制器，其特徵在於從控制驅動電路到主開關管和續流開關管之間的連接線上可以在任何位置插入串聯無源元件，可以在兩連接線之間任何位置並聯無源元件。
全文摘要
本發明為一種低功耗有刷直流電機控制器，屬於一種電子控制器，它包括功率變換主迴路、控制驅動電路以及電源，其中功率變換主迴路包含續流開關管、與續流開關管串聯的主開關管，與續流開關管並聯的有刷直流電機；除非續流開關管、主開關管均不開通，否則控制驅動電路輸出的控制邏輯和輸出電壓保證使續流開關管、主開關管中的一隻開通時另一隻關斷。本發明解決有刷直流電機控制器功耗大的問題，在同樣的散熱器和同樣的散熱條件下，控制器溫升降低，可靠性提高；且為達到同樣的溫升要求，控制器的體積和重量可減少約30％。
文檔編號H02P7/18GK1411136SQ0214526
公開日2003年4月16日 申請日期2002年11月12日 優先權日2002年11月12日
發明者錢文明 申請人:上海博傑科技有限公司