CN102412558B - 功率器件过温保护电路 - Google Patents

Abstract

一种直流电动工具过热保护电路，以及包含这种保护电路的电动工具。直流电动工具过热保护电路包含检测电路中电流的电流检测电路，功率器件控制电路，运算控制电路。当电机处于调速状态时，过热保护电路中不允许较长时间通过一个超过预设电流值的电流。对功率器件工作时是否会出现过热现象进行预判，从而快速关断功率器件，有效降低了功率器件过热失效的风险。

Description

功率器件过温保护电路

技术领域

本发明涉及一种直流电动工具的过温保护电路，尤其是一种直流电动工具上功率器件的过温保护电路。

背景技术

通常情况下，大部分直流工具都具有调速功能，且工作电流较大。对于直流工具内的控制器件一般为功率器件，如IGBT、MOSFET等。在大电流调速时必然导致功率器件迅速发热，工作温度的迅速上升使得功率器件很快过热失效。目前为了防止功率器件过热，一般采用在功率器件外安装测温元件进行实时测温的方式进行温度监控。

由于热量在物体间的传递是一个缓慢的过程，这个因素导致在现实应用中所采集温度滞后于功率器件的实际工作温度。体现在功率器件的温度控制上，具有以下几个情况：

1)功率器件真正的发热体是其内核，内核的热量传递到功率器件外围，热量的传递存在时间滞后现象。

2)测温元件只有在元件整体温度均达到被测温度时，其特征电阻才能真正与被测温度相吻合。而测温元件整体达到某一个温度存在时间滞后现象。

3)当使用带封装的测温元件安装于功率器件封装体或散热片上时，由于功率器件或测温元件的封装材料导热能力比较低，所测温度存在时间滞后现象。

4)当测温元件与功率器件两者的封装外形不匹配时，两者安装间隙间存在空气，空气的导热能力低，所测温度存在很明显的时间滞后现象。必需在两者安装间隙间填补导热材料的方式来改善两者间的导热能力，但测温度的时间滞后现象仍然存在。且在两者安装间隙间填补导热材料的操作存在一定的不确定性，批量生产时测温元件与功率器件两者的导热能力不一致，提高了温度补偿的难度。

5)根据功率器件的内部结构，其散热片的温度与内核温度比较接近。当测温元件安装于功率器件的散热片上时，由于功率器件的散热片一般都带有电气网络，所以必须将测温元件与功率器件的散热片间进行电气隔离，这样也降低了测温元件与功率器件间的导热能力。使得所测温度滞后于功率器件的实际工作温度。

以上几个现象，使得外部测温不能实时跟踪到功率器件内核温度的变化，监控实时性不足，往往做不到及时关闭功率器件，造成功率器件过热失效。

发明内容

为了克服现有技术中的不足和缺陷，本发明提供了一种改进这些问题的直流电动工具上功率器件的过温保护电路，及使用这种电路的电动工具。

为达到以上目的，本发明揭示的技术适用于直流电动工具，包含与电池包电连接、并检测电路中电流的电流检测电路，与直流电动工具的电机电连接、包含控制电路通断的功率器件的功率器件控制电路，根据电流检测电路检测到的电路电流值来控制对马达的供电的运算控制电路。当电机不处于调速状态时，该直流电动工具过热保护电路中允许通过的电流不超过预设的第一电流值；当电机处于调速状态时，该直流电动工具过热保护电路中在预设时间内允许通过的电流不超过预设的第二电流值，其中第二电流值小于第一电流值。

该直流电动工具过热保护电路，结合MCU的软件控制对功率器件工作时是否会出现过热现象进行预判，从而快速关断功率器件，有效降低了功率器件过热失效的风险。

且本发明中只用到已有的电流采集电路，没有增加额外的硬件成本。

同时该直流电动工具过热保护电路结合原有的外部测温方式的过温保护和过电流保护等等措施，更加有效的保护了功率器件，提高了机器的工作寿命。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步说明。

图1是本发明的直流电动工具过热保护电路的电路模块图。

图2是本发明的直流电动工具过热保护电路的电路图。

图3是本发明的直流电动工具过热保护电路的流程图。

具体实施方案

下面结合附图及具体实施例对本发明详细说明。

直流电动工具，在通常工作情况下，包含安装在机壳内的马达，开关，以及含有多节可充电电池的电池包。电池包为电动工具提供动力。

该直流电动工具具有调速功能，通过调整功率器件开通和关闭的PWM占空比，可以在直流电机线圈中得到不同的平均电流，从而实现调速功能。功率器件可以为IGBT、MOSFET、SCR等，此处优选的为MOSFET。

MOSFET的发热功率即为其损耗，主要是由导通损耗和开关损耗组成，而开关损耗由MOSTET的开通损耗和关断损耗组成。

(1)导通损耗：P_(conduct)＝I_pk ²×R_DS(on)×D  ---------------公式1

式中 $D=\frac{T_{\mathrm{ON}}}{T}$ --------------------------------------公式2

(2)由于MOSFET开通时有相对较大的电机线圈电感存在，所以MOSFET由关断状态到完全开通状态的过程中，流过MOSFET的电流很小，所以开通损耗可以忽略。关断损耗：

$P_{\left(\mathrm{off}\right)}=\frac{1}{2}\×V_{\mathrm{clamp}}\×I_{\mathrm{pk}}\×T_{\mathrm{off}}\×F_{\mathrm{sw}}$ ---------------------------公式3

式中V_clamp为MOSFET关断时的钳位电压(电池电压E+线路电感L*di/dt)，

T_off为MOSFET关断钳位时间，

Fsw为PWM频率。

实际测得，当MOSFET工作于PWM状态时，I_pk＝10A，R_DS(on)＝5mohm，D＝80％，V_clamp＝24V，T_off＝20us，Fsw＝9.7kHz，MOSFET的损耗为P_(conduct)+P_(off)＝0.4W+24W＝24.4W；

当MOSFET处于常开通时，公式1中的D等于1，其损耗为：0.5W，

即，MOSFET工作于较大电流时，PWM状态时的发热功率远高于常开通时的发热功率，MOSFET工作于调速状态时，内核的温度更高，上升速度也更快。如技术背景中所述，由于MOSFET与测温元件间各种热阻的存在，常用的外部测温方式难以及时有效的反映场效应管内核工作温度的变化。

由公式1和公式3可知，在一个给定的直流电机调速电路中，PWM频率和MOSFET关断时间都是确定的，则I_pk是MOSFET损耗功率的关键。

所以在本发明中，MOSFET工作时的电流采集，采集到的电流值不但用于过电流保护中，也用于MOSFET过温保护的预判。对采集到的电流值按时间进行积分，并根据限值，及时关断MOSFET。

限值有3个：MOSFET工作于常开通状态下时，限值为I_{(ALL_ON)}；MOSFET工作于常PWM状态下时，限值为I_(PWM)；MOSFET最大工作电流限制值，限值为I_{(OVER_CURRENT)}。

一般情况下，MOSFET在调速状态下的损耗大于常开通状态下的损耗，所以I_{(OVER_CURRENT)}＞I_{(ALL_ON)}＞I_(PWM)。

如图1所示为直流电动工具过热保护电路的电路模块图。包含电源12，马达11，功率器件控制电路10，检测电路13，运算控制电路9，指示电路8，调速开关检测电路4，以及电源开关检测电路5。

该电路工作时，电源12为马达11供电，同时电源12经升压电路升压后为功率器件控制电路10供电，经降压电路降压后为运算控制电路9供电。检测电路13包含检测电池包和MOSFET温度的温度检测电路、检测放电电流的电流检测电路、以及检测电池包电压的电压检测电路，检测电路13将检测到的电源12相关数据反馈给运算控制电路9。同时调速开关检测电路4和电源开关检测电路5的控制信号也发送给运算控制电路9。

调速开关检测电路4和电源开关检测电路5的控制信号以及检测电路13检测到的电源相关信号经运算控制电路9运算、判断后，输出显示电量及异常情况的控制信号给指示电路8，并输出MOSFET控制信号给MOSFET控制电路10，通过控制MOSFET控制电路的通断，控制对马达11的供电。

其中，运算控制电路9包含起运算、判断、控制作用的MCU及相关的外围电路。此处MCU也可由CPU或ARM等微控制器代替。MCU对电池包检测电路13检测到的电压、电流、电池温度、MOSFET温度等数据分别与预设电压值、预设电流值、预设电池温度值、MOSFET温度进行比较、运算、判断。然后将判断和运算后的控制信号反馈给MOSFET控制电路10、指示电路8，以控制马达11是否工作，指示电路8的显示情况。具体的比较、运算、判断过程将在下文详述。

如图2为直流电动工具过热保护电路的电路图。包含检测电池温度和MOSFET温度的温度检测电路1，检测电流的电流检测电路2，电池电压检测电路3，检测调速开关输入信号的调速开关检测电路4，检测电源开关输入信号的电源开关检测电路5，运算控制电路9，MOSFET控制电路10，以及为运算控制电路9提供降压电源的降压电路6，为MOSFET控制电路10提供升压电源的升压电路7，和为使用者提供电量指示和照明指示的指示电路8。

在电路中，起开关作用的MOSFET为上管Q13、Q15，和下管Q14、Q16。本发明检测和控制的MOS管电流、温度等系数也皆为关于上述4个MOSFET。当换向开关16输入正转信号时，电机正转，MOSFETQ15和Q14导通；当换向开关16输入反转信号时，电机反转，MOSFETQ13和Q16导通。

检测电路13包含温度检测电路1、电流检测电路2、电压检测电路3。

在温度检测电路1中，热敏电阻R56和R57位于MOSFET附近，用于检测MOSFET的温度，热敏电阻R70位于电池包附近，用于检测电池温度。其中R56用于检测上管Q13、Q15的温度，R57用于检测下管Q14、Q16的温度。热敏电阻的电阻值随温度的变化而变化，从而从电阻值上反映出温度的变化。

在电流检测电路2中，R56为电流采样电阻，通过检测R56两端电压，输入MCU运算得到电路电流。

在电压检测电路3中，通过检测电阻R10两端的电压，通过分压原理，MCU运算得到电池电压。

调速开关检测电路4检测并向MCU输出电动工具是否处于调速状态的控制信号，电源开关检测电路5检测并向MCU输出电动工具是否开机的控制信号。

运算控制电路9包含起运算作用的MCU以及外围电路。降压电路6通过对电池包提供电源的降压，向运算控制电路9提供电压合适的电源。

MOSFET控制电路10包含上管控制电路14和下管控制电路15。MOSFET控制电路10工作时，以右侧边为例，当Q10导通，则Q11导通，Q12截止，Q16导通，同时，由于VGS2端输出高电平，故Q9导通，Q15截止。当Q10截止时情况相反，Q15导通。从而上管控制电路14和下管控制电路15二者产生互锁信号，以确保同边的MOSFETQ15和Q16，以及Q13和Q14不同时导通。与MOSFET控制电路10连接的升压电路7将电池提供的电压升压，为上管Q13和Q15提供合适的工作电压。

指示电路8包含照明指示电路8a和电量指示电路8b。照明指示电路8a包含白光LED灯LED1，根据MCU输出的照明控制信号工作。当电路正常工作时，MCU持续输出高电平，LED1常亮；当电池温度或MOS管温度过温时，MCU输出周期较长的高低交替电平，LED1慢闪；当电池过压或电流超过预设值时，MCU输出周期较短的高低交替电平，该照明LED1快速闪烁。在电量指示电路8b中，具有双色LED灯LED3，此处为红绿双色LED。当电池电压正常时，MCU向1管脚输出高电平，3管脚输出低电平，绿灯亮；当电池电压较低时，MCU向1、3管脚均输出高电平，红、绿灯均亮，显示黄色；当电池电压过低时，MCU向1管脚输出低电平，3管脚输出高电平，红灯亮。

当电动工具处于调速时，以电机正转为例，上管控制电路14将驱动电压加给上管Q15，并输出高电平使Q15导通。下管控制电路15将增压后的驱动电压加给下管Q14，并将MCU输出的调速控制信号输出给Q14。电动工具的调速通过PWM信号占空比的改变实现。当电动工具处于中速时，PWM信号为一周期恒定的方波信号；当电动工具处于低速时，方波信号的周期变短；当电动工具处于高速时，PWM信号为全高电平信号，同时幅值增大。

如图3所示为直流电动工具过热保护电路的流程图。当本电路开始工作后，程序先初始化负责运算的MCU，然后对电池和MOSFET的多个参数进行检测并判断。分别检测电池温度、MOSFET温度、电池电压，以及放电电流，然后将检测的电池温度值与预设的电池温度范围进行比较，检测的MOSFET温度与预设的MOSFET温度范围进行比较，检测的电池电压值与预设的电池电压范围进行比较，检测的放电电流值与预设的电池放电电流最大值I_{(OVER_CURRENT)}进行比较。同时，MOSFET温度的实时数据传输给MCU后，在MCU内部进行MOSFET温度上升率ΔT的计算，并将计算值与预设的MOSFET温度上升率范围进行比较。如上述电池和MOSFET的各项参数符合允许的预设值范围，则程序向下运行至根据电源开关和调速开关的输入控制电机。如上述电池和MOSFET的任一参数不符合允许的预设值范围，则程序运行至关断MOSFET，作保护动作处理，并进行故障指示。

故障指示由LED灯完成，正常情况下，该LED灯常亮，起照明的作用。当电池温度或MOSFET温度过温时，该照明LED灯慢闪；当电池过压或电流超过预设值时，该照明LED灯快速闪烁。

如电源开关检测电路5输出开机信号，且调速开关检测电路4输出调速信号，则表示电动工具正在工作，且处于调速状态，此时进行调速电流的比对。由于大电流可能导致MOSFET过温，如测得调速电流大于预设的调速最大电流值I_(PWM)，则MCU对电流进行积分运算，并进一步将运算出的电流积分值与预设的电流积分值范围进行比较。如电流积分值不在允许的范围内，则表示电流增大速度过快，将导致MOSFET过温，程序进行至关断MOSFET，作保护动作处理，并进行故障指示，照明LED灯快速闪烁。

如电源开关检测电路5输出开机信号，但调速开关检测电路4无调速信号输出，则表示电动工具正在工作，但不在调速状态，此时进行电流的比较，如电流大于常开通时电流最大值I_{(ALL_ON)}，则对电流进行积分，如积分值不在允许的范围内，表示MOSFET过流，在此情况下很快将温度升高至过温状态，程序进行至关断MOSFET并作保护动作处理，并进行故障指示，照明LED灯快速闪烁。

该直流电动工具过热保护电路，在保证实际工具应用需求的前提下，结合MCU的软件控制，对功率器件工作时是否会出现过热现象进行预判，从而快速关断功率器件，有效降低了功率器件过热失效的风险。且本发明中只用到已有的电流采集电路，没有增加额外的硬件成本。同时该直流电动工具过热保护电路结合原有的外部测温方式的过温保护和过电流保护等等措施，更加有效的保护了功率器件，提高了机器的工作寿命。

本发明揭示的电动工具的剩余电量显示电路并不局限于以上实施例所述的内容以及附图所表示的结构。在发明的基础上对其中元器件所做的显而易见地改变、替代或者修改，都在本发明要求保护的范围之内。

Claims (2)

1.一种直流电动工具过热保护电路，包含

一与电池包电连接、并检测电路中电流的电流检测电路，

一与直流电动工具的电机电连接、包含控制电路通断的功率器件的功率器件控制电路，

一根据电流检测电路检测到的电路电流值来控制对马达的供电的运算控制电路，

其中当电机不处于调速状态时，该直流电动工具过热保护电路中允许通过的电流不超过预设的第一电流值，

其特征在于，当电机处于调速状态时，该直流电动工具过热保护电路中允许通过的电流不超过预设的第二电流值，其中第二电流值小于第一电流值；该直流电动工具过热保护电路还包含一用于检测功率器件温度的温度检测电路，当功率器件的温度超过预设值，停止对马达供电。

2.如权利要求1所述的直流电动工具过热保护电路，其特征在于，该温度检测电路还用于检测电池包温度，当电池包的温度超过预设值，停止对马达供电。

3. 如权利要求1所述的直流电动工具过热保护电路，其特征在于，当电路中的电流超过预设的第三电流值，停止对马达供电，其中第三电流值大于第一电流值。

4. 如权利要求1所述的直流电动工具过热保护电路，其特征在于，该直流电动工具过热保护电路还包含一用于检测电池包电压的电压检测电路，当电池包电压超过预设电压值，停止对马达供电。

5. 如权利要求1所述的直流电动工具过热保护电路，其特征在于，当电机处于调速状态时，且电路中通过的电流大于第二预设电流值，则功率器件控制电路将电路中电流值对时间积分得到积分值，大于预设积分值则停止对马达供电。

6. 如权利要求1所述的直流电动工具过热保护电路，其特征在于，当电机不处于调速状态时，且电路中通过的电流大于第一预设电流值，则功率器件控制电路将电路中电流值对时间积分得到积分值，大于预设积分值则停止对马达供电。

7. 如权利要求1所述的直流电动工具过热保护电路，其特征在于，该直流电动工具过热保护电路还包含一指示电路，对该直流电动工具的电路状态进行指示。

8. 如权利要求7所述的直流电动工具过热保护电路，其特征在于，该指示电路包含一LED灯，电路正常工作时LED灯常亮作为照明，电路工作异常时LED灯闪烁。

9. 如权利要求1所述的直流电动工具过热保护电路，其特征在于，该功率器件为MOSFET。

10. 一种直流电动工具，包含

一包含多个电池单元的电池包，

一与电池包连接、并由其供电驱动的直流电机，

一与电池包电连接的直流电动工具过热保护电路，

其中该直流电动工具过热保护电路包含一检测该过热保护电路中电流的电流检测电路、一功率器件控制电路、一根据电流检测电路检测到的电路电流值来控制对马达的供电的运算控制电路，

其中当电机不处于调速状态时，该过热保护电路中允许通过的电流不超过预设的第一电流值，

其特征在于，当电机处于调速状态时，电路中在预设时间内允许通过的电流不超过预设的第二电流值，其中第二电流值小于第一电流值；该直流电动工具过热保护电路还包含一用于检测功率器件温度的温度检测电路，当功率器件的温度超过预设值，停止对马达供电。

11. 如权利要求10所述的直流电动工具，其特征在于，该温度检测电路还用于检测电池包温度，当电池包的温度超过预设值，停止对马达供电。

12. 如权利要求10所述的直流电动工具，其特征在于，当电路中的电流超过预设的第三电流值，停止对马达供电，其中第三电流值大于第一电流值。

13. 如权利要求10所述的直流电动工具，其特征在于，该直流电动工具过热保护电路还包含一用于检测电池包电压的电压检测电路，当电池包电压超过预设电压值，停止对马达供电。

14. 如权利要求10所述的直流电动工具，其特征在于，当电机处于调速状态时，且电路中通过的电流大于第二预设电流值，则功率器件控制电路将电路中电流值对时间积分得到积分值，大于预设积分值则停止对马达供电。

15. 如权利要求10所述的直流电动工具，其特征在于，当电机不处于调速状态时，且电路中通过的电流大于第一预设电流值，则功率器件控制电路将电路中电流值对时间积分得到积分值，大于预设积分值则停止对马达供电。

16. 如权利要求10所述的直流电动工具，其特征在于，该直流电动工具过热保护电路还包含一指示电路，对该直流电动工具的电路状态进行指示。

17. 如权利要求16所述的直流电动工具，其特征在于，该指示电路包含一LED灯，电路正常工作时LED灯常亮作为照明，电路工作异常时LED灯闪烁。

18. 如权利要求10所述的直流电动工具，其特征在于，该功率器件为MOSFET。