CN102324833B - 低压工艺设计的电动车驱动器的专用集成电路 - Google Patents

Abstract

本发明低压工艺设计的电动车驱动器的专用集成电路，其特征在于P2和N3组成达林顿管作为上管输出，P3和N4组成达林顿下输出管，加上电阻R8和R10给Cbe电荷进行泄放以增加其响应速率；电阻R6、R7、N2组成死区调整结构，一方面防止上下管同时导通，另一方面可以减小死区时间；电阻R3、R4、N1为低压部分的输入级，R11为限流电阻、R5为泄放电阻；电阻R1、R2和P1为高压部分的输入接口，配合3路高压NPN管（5553）工作，R1为阻值较高，增加输入级阻抗，R2为限流电阻保护P1的BE结不易损坏，P1为小电流管；此处设计中P2只能在较低的频率下工作，以免发生异常响应出现损坏。

Description

低压工艺设计的电动车驱动器的专用集成电路

技术领域

本发明是电动车的三相无刷电机N沟道MOS管、IGBT管栅极驱动的专用集成电路，由于该产品采用低压集成电路工艺设计方法，使得整个驱动电路成本上有大幅度下降，属于半导体逻辑拓扑设计领域。

背景技术

电动自行车上使用的电机普遍采用永磁直流电机。所谓永磁电机，是指电机线圈采用永磁体激磁，不采用线圈激磁的方式。这样就省去了激磁线圈工作时消耗的电能，提高了电机机电转换效率，这对使用车载有限能源的电动车来讲，可以降低行驶电流，延长续行里程。永磁直流电机按照电机的通电形式来分，可分为有刷电机和无刷电机两大类，有刷电机由于采用机械换相装置导致可靠性和寿命降低，因此逐渐退出电动车市场。无刷电机又可分为有传感器和无传感器两类，对于无位置传感器的无刷电机，必须要先将车用脚蹬起来，等电机具有一定的旋转速度以后，控制器才能识别到无刷电机的相位，然后控制器才能对电机供电。由于无位置传感器无刷电机不能实现零速度启动，所以现在生产的电动车上用得较少。目前电动车行业内使用的无刷电机，普遍采用有位置传感器无刷电机。有位置传感器永磁直流无刷电机按照内部传感器的安装位置不同，又可分为60度电机和120度电机。在120°的霍尔信号中，不可能出现二进制000和111的编码，所以在一定程度上避免了因霍尔零件故障而导致的误操作。因此目前市面马达已经逐渐舍弃60°相位的霍尔排列。

图一所示为永磁直流电机主回路图和基本原理，图中ABC表示电机的3相绕组，采用星形接法，V1～V6表示功率场效应管，如果将V1～V6用如下的时序波形驱动，则3相绕组会按照AB-AC-BC-BA-CA-CB顺序通电(AB表示电流由A相流向B相)，产生一个旋转的磁场，牵引外转子(永磁体)旋转。我们注意到在60度～120度的区间里V1、V2导通，绕组A和C有电流流过，A和C分别承受0.5Vcc的压降。当继续旋转到120度～180度的区间时V2、V3导通，绕组电流从B流到C，此时中性点电压为Vcc(忽略饱和压降)，由于线圈电流不能突变，A绕组的电压将被抬升到1.5Vcc，能量将由续流二极管予以泄放。也就是由于变相的原因导致A、B、C三端电压都会存在1.5Vcc的高压，而此时对于上驱动管V1、V3、V5来说，导通它们就需要更高的电压1.5Vcc+Vgs，解决此问题的办法就是采用自举回路来抬高栅极驱动电压（此原理资料很多不再敷述）。

原理阐述完后我们可以得出结论，对于星型电机采用H桥式驱动，由于换相开关问题导致H桥式驱动电路的最高工作电压要达到1.5Vcc+Vgs以上，以最普通的48V电池的电动车来说，其峰值电压将会达到80V左右。如此高的电压对于驱动芯片的设计来说无非是一个巨大的压力。我们以现有的国外著名设计公司的驱动器来说，FAIRCHILD(仙童)的3相驱动ICFAN7888所采用的就是200V的制造工艺，而IR（国际整流器）IR2103半桥驱动则采用的是600V的工艺，我们国内设计公司的半桥驱动芯片EG3011也采用的是120V的制造工艺。这些设计方法对于电路要求来说都是可靠和必要的，但对用户的实际使用来说却无法带来实际的经济价值，甚至不如原来的分离器件来的价廉物美。

发明内容

技术问题：

1.拓扑成熟应用回路的原理设计一颗驱动芯片，其性能指标均达到MOS驱动管的指标要求。（其结构见图二所示）

2.设计回路必须兼容输入级的高压及低压部分，增大高压部分输入阻抗，降低高压部分的工作电流，减小高压管的设计难度。

3.为了降低芯片组装成本，只设计一颗芯片兼容上驱动高压芯片和下驱动低压芯片，下驱动芯片其构成为3颗上驱动芯片，只在划片切割时将3组划分成1组芯片，减小封装组装时的工序。（见图四所示）

本发明从拓扑结构层次入手，电路输出上下桥臂单独受控，彻底解决了死区控制难的问题，同时本发明并不会对信号传输回路产生影响，也不会产生多余的引脚，确保了电路的稳定性与通用性。（此处用到专利《新型马达驱动自适应死区控制设计》）

技术方案：

一种低压工艺设计的电动车驱动器的专用集成电路，只设计一颗芯片兼容上驱动芯片和下驱动芯片，其中下驱动芯片由3颗上驱动芯片构成，在划片切割时将3组划分成1组芯片，减小封装组装时的工序；第二PNP管P2和第三NPN管N3组成第一达林顿管作为上输出管，第三PNP管P3和第四NPN管N4组成第二达林顿管作为下输出管，加上第八电阻R8和第十电阻R10给Cbe电荷进行泄放以增加其响应速率；第六电阻R6、第七电阻R7、第二NPN管N2组成死区调整结构，一方面防止上、下输出管同时导通，另一方面可以减小死区时间；第三电阻R3、第四电阻R4、第一NPN管N1为低压部分的输入级，第十一电阻R11为限流电阻、第五电阻R5为泄放电阻；第一电阻R1、第二电阻R2和第一PNP管P1为高压部分的输入接口，配合3路高压NPN管工作，第一电阻R1用于增加输入级阻抗，第二电阻R2为限流电阻，用于保护第一PNP管P1的BE结不易损坏，第一PNP管P1为小电流管；其中，

第一电阻R1的一端与上驱动芯片的高压端输入口（AHH/B/C）连接，第一电阻R1的另一端分别连接第二电阻R2的一端、第一PNP管P1的基极，第一PNP管P1的集电极、第三电阻的一端、第四电阻的一端分别连接下驱动芯片的低压端输入口（AH/B/C）；所述第二电阻R2的另一端、第一PNP管P1的发射极、第五电阻R5的一端、第二PNP管P2的发射极、第三NPN管N3的集电极分别与芯片的电源引脚连接；

第四电阻R4的另一端连接第一NPN管N1的基极，第一NPN管N1的集电极连接第十一电阻R11的一端；第三电阻R3的另一端、第一NPN管N1的发射极、第九电阻R9的一端、第十电阻R10的一端、第四NPN管N4的发射极分别与接地端口连接；

第五电阻R5的另一端分别与第十一电阻R11的另一端、第二PNP管P2的基极连接；第二PNP管P2的集电极分别与第六电阻R6的一端、第八电阻R8的一端、第二NPN管N2的集电极、第三NPN管N3的基极连接；第八电阻R8的另一端、第三NPN管N3的发射极、第三PNP管P3的发射极、第四NPN管N4的集电极分别与驱动端口连接；

第六电阻R6的另一端分别与第七电阻R7的一端、第二NPN管N2的基极连接；第七电阻R7的另一端、第二NPN管N2的发射极、第九电阻R9的另一端分别与第三PNP管P3的基极连接；第三PNP管P3的集电极分别与第十电阻R10的另一端、第四NPN管N4的基极连接；此处设计中必须要注意P2的选用，由于为平面工艺，PNP管能力相对较弱，而此管又是达林顿的驱动级，其值如果较大则对驱动电流来说十分有益，但是会造成寄生CB电容较大，对回路中的感性峰值脉冲会有高频响应，从而导致输出级的误触发，所以此处设计只能在较低的频率下工作，以免发生异常响应出现损坏。

采用HSOP28的封装形式，其管脚定义如下：

引脚序号	符号	功能	引脚序号	符号	功能
						1	VCC	电源电压	28	Vcc	电源电压
2	CH	低压输入3	27	CHH	高压输入3
						3	Vcc	电源电压	26	VBC	自举电源3
4	BH	低压输入2	25	BHH	高压输入2
						5	Vcc	电源电压	24	VBB	自举电源2
6	AH	低压输入1	23	AHH	高压输入1
						7	NC	空脚	22	VBA	自举电源1

8	NC	空脚	21	U	星型U相
						9	ALO	U相下驱动	20	AHO	U相上驱动
10	GND	地	19	V	星型V相
						11	BLO	V相下驱动	18	BHO	V相上驱动
12	GND	地	17	W	星型W相
						13	CLO	W相下驱动	16	CHO	W相上驱动
14	GND	地	15	GND	地

有益效果：

本发明采用低压工艺设计驱动芯片，工作电压为15V耐压设计为30V，对于高压部分采用芯片分立组装的方法造成芯片浮地，并将设计回路中的高压部分独立出来设计，配合驱动部分的线路结构将高压部分做成小电流低功耗的三组高压集成管，最大程度上降低了高压部分所带来的芯片成本增加。通过整个芯片方案的设计，分别在芯片制造方式、芯片组装、塑封体选料等环节都进行了成本控制，附加设计的高压三极管（5553）由于其设计电流很小，所以其成本微乎其微。整体方案设计下来，其成本远低于现有的高压工艺驱动芯片，比分立器件回路更为经济实用可靠，具有很强的市场竞争力。

附图说明

图一是星型电机的工作原理图及导通时序图。

图二是本发明采用的驱动线路拓扑结构。

图三是芯片框图和芯片管脚排列方式。

图四是芯片组装方式和划片方式。

图五是制成后的电路管脚排列图。

图六是本发明在整机线路中的应用图。

具体实施方式

1.本发明的芯片设计部分整体拓扑结构如图二所示，芯片有5个引脚分别通用于上下驱动芯片。对于高压上驱动来说分别是高压端输入（AHH）、自举电源（VBA）、星型端（U/V/W）、驱动端（AHO）。对于低压下驱动来说分别是低压端输入（AH）、电源（Vcc）、地（GND）、驱动端（ALO）。

2.为了方便打线，芯片各管脚引出端布图位置及对应的框图见图三所示，此布图设计可以使得打线变得较为容易，不会出现绞丝问题，管脚排列也相对合理。

3.本发明采用4芯片绝缘组装的方式，芯片之间不需连线，这样可以降低芯片组装的成本。而由于第4颗低压芯片是3颗驱动芯片一次划片而成，则不用另行设计，此方法的采用大大降低了芯片设计费用，减少了不必要的浪费。

4.封装采用的HSOP28的薄型封装形式，由于其热阻较小很好的解决了散热问题，而且此封装为通用件性价比很高，制造工艺成熟可靠性高。

基本工作原理：

驱动芯片的工作原理：

如图二所示，第二PNP管P2和第三NPN管N3组成达林顿管作为上管输出，第三PNP管P3和第四NPN管N4组成达林顿下输出管，其优点为输出电流大，缺点是退饱和缓慢，所以加上电阻R8和电阻R10给Cbe电荷进行泄放以增加其响应速率。电阻R6、电阻R7、第二NPN管N2组成死区调整结构，一方面防止上下管同时导通，另一方面可以减小死区时间。电阻R3、电阻R4、第一NPN管N1为低压部分的输入级，第十一电阻R11为限流电阻、第五电阻R5为泄放电阻。第一电阻R1、第二电阻R2、第一PNP管P1为高压部分的输入接口，配合3路高压NPN管（5553）工作，第一电阻R1为阻值较高，增加输入级阻抗，第二电阻R2为限流电阻保护第一PNP管P1的BE结不易损坏，第一PNP管P1为小电流管。此处设计中必须要注意第二PNP管P2的选用，由于为平面工艺，PNP管能力相对较弱，而此管又是达林顿的驱动级，其值如果较大则对驱动电流来说十分有益，但是会造成寄生CB电容较大，对回路中的感性峰值脉冲会有高频响应，从而导致输出级的误触发，所以此处设计只能在较低的频率下工作，以免发生异常响应出现损坏。

整机电路的工作原理：

如图六所示，由MCU分别产生6组驱动信号（上驱动3组、下驱动3组），其驱动信号幅度为（0～5V），上3路通过高压三极管（5553）转换成电流信号经过电阻传输到驱动芯片的高压输入级，此时驱动级的高压部分由5553和限流电阻分别承担，

下三路信号则直接输入到驱动芯片的低压输入级。FR107和电容组成自举回路，抬升上驱动芯片的电压，由于上驱动芯片的供电均为电容电压，而电容电压最大值又是Vcc-Vpn,所以上驱动芯片的耐压只需和下驱动芯片耐压做到一致就可以了，一般设计余量为2倍电源电压。驱动输出分别连至三相桥式的上下管和U、V、W端，由于U、V、W端为高压脉冲输入至电路内部，所以芯片封装的绝缘胶耐压必须大于120V。

本发明产品具有很好的性价比，在电动车领域和变频器、逆变器领域均能得到很好的应用。而针对不同耐压的实用要求，只需对封装绝缘工艺提出要求即可，本身的设计制造方法则可以继续沿用。

Claims (2)

1.一种低压工艺设计的电动车驱动器的专用集成电路，其特征在于，只设计一颗芯片兼容上驱动芯片和下驱动芯片，其中下驱动芯片由3颗上驱动芯片构成，在划片切割时将下驱动芯片中的3颗上驱动芯片划分构成一个下驱动芯片，减小封装组装时的工序；第二PNP管P2和第三NPN管N3组成第一达林顿管作为上输出管，第三PNP管P3和第四NPN管N4组成第二达林顿管作为下输出管，加上第八电阻R8和第十电阻R10给Cbe电荷进行泄放以增加其响应速率；第六电阻R6、第七电阻R7、第二NPN管N2组成死区调整结构，一方面防止上、下输出管同时导通，另一方面可以减小死区时间；第三电阻R3、第四电阻R4、第一NPN管N1为低压部分的输入级，第十一电阻R11为限流电阻、第五电阻R5为泄放电阻；第一电阻R1、第二电阻R2和第一PNP管P1为高压部分的输入接口，配合3路高压NPN管工作，第一电阻R1用于增加输入级阻抗，第二电阻R2为限流电阻，用于保护第一PNP管P1的BE结不易损坏，第一PNP管P1为小电流管；其中，

第一电阻R1的一端与上驱动芯片的高压端输入口（AHH/B/C）连接，第一电阻R1的另一端分别连接第二电阻R2的一端、第一PNP管P1的基极，第一PNP管P1的集电极、第三电阻的一端、第四电阻的一端分别连接下驱动芯片的低压端输入口（AH/B/C）；所述第二电阻R2的另一端、第一PNP管P1的发射极、第五电阻R5的一端、第二PNP管P2的发射极、第三NPN管N3的集电极分别与芯片的电源引脚连接；

第四电阻R4的另一端连接第一NPN管N1的基极，第一NPN管N1的集电极连接第十一电阻R11的一端；第三电阻R3的另一端、第一NPN管N1的发射极、第九电阻R9的一端、第十电阻R10的一端、第四NPN管N4的发射极分别与接地端口连接；

第五电阻R5的另一端分别与第十一电阻R11的另一端、第二PNP管P2的基极连接；第二PNP管P2的集电极分别与第六电阻R6的一端、第八电阻R8的一端、第二NPN管N2的集电极、第三NPN管N3的基极连接；第八电阻R8的另一端、第三NPN管N3的发射极、第三PNP管P3的发射极、第四NPN管N4的集电极分别与驱动端口连接；

第六电阻R6的另一端分别与第七电阻R7的一端、第二NPN管N2的基极连接；第七电阻R7的另一端、第二NPN管N2的发射极、第九电阻R9的另一端分别与第三PNP管P3的基极连接；第三PNP管P3的集电极分别与第十电阻R10的另一端、第四NPN管N4的基极连接。

2.根据权利要求1所述的低压工艺设计的电动车驱动器的专用集成电路,其特征在于采用HSOP28的封装形式，其管脚定义如下：

引脚序号 符号 功能 引脚序号 符号 功能 1 VCC 电源电压 28 Vcc 电源电压

2 CH 低压输入3 27 CHH 高压输入3 3 Vcc 电源电压 26 VBC 自举电源3 4 BH 低压输入2 25 BHH 高压输入2 5 Vcc 电源电压 24 VBB 自举电源2 6 AH 低压输入1 23 AHH 高压输入1 7 NC 空脚 22 VBA 自举电源1 8 NC 空脚 21 U 星型U相 9 ALO U相下驱动 20 AHO U相上驱动 10 GND 地 19 V 星型V相 11 BLO V相下驱动 18 BHO V相上驱动 12 GND 地 17 W 星型W相 13 CLO W相下驱动 16 CHO W相上驱动 14 GND 地 15 GND 地

Images