CN103138554A - 一种直流无刷电机驱动器的上下半桥驱动互锁方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种直流无刷电机驱动器的上下半桥驱动互锁方法，至少包括直流无刷电机驱动器的上半桥驱动电路、下半桥驱动电路，其特征是：上半桥驱动电路中的上半桥管与上半桥驱动互锁电路的输出控制端电连接，下半桥驱动电路中的下半桥管源极与下半桥驱动互锁电路输出控制端电连接，上半桥驱动互锁电路输入端与下半桥驱动电路的第一光电耦合器输入负端Ad电连接，下半桥驱动互锁电路输入端与上半桥驱动电路的第二光电耦合器输入负端Au电连接。该方法不会造成上下半桥管同时导通，产生短路电流使功率管损坏，进而使控制器损坏而无法工作等特点。
Description
技术领域
本发明属于直流无刷电机驱动器装置，特别是一种直流无刷电机驱动器的上下半桥驱动互锁方法。
背景技术
现有以MOSFET管为功率元件组成的直流无刷电机驱动器，其主回路如图1所示：直流无刷电机驱动器主回路由6个MOSFET管组成，6个MOSFET管组成3个半桥，分别为A上A下、B上B下、C上C下，其中A上A下为A相半桥，B上B下为B相半桥，C上C下为C相半桥。A上、B上、C上分别为ABC三相的上半桥，A下、B下、C下分别为ABC三相的下半桥。直流无刷电机驱动器根据电机转子位置传感器的6个位置信号，使不同半桥的一个上管和一个下管导通，使电机旋转，其6个转子位置传感器信号对应的上下半桥导通顺序为：A上B下、A上C下、B上C下、B上A下、C上A下、C上B下，依次循环，使电机连续旋转。从上下半桥的导通顺序知道，同一半桥的上下两个MOSFET管不会同时导通。
直流无刷电机调速，是通过调节加在电机绕组上的电压实现的，通过改变加在上半桥MOSFET管上的脉宽调制信号PWM的占空比，来改变加在电机绕组上的电压，下半桥MOSFET管维持导通来实现调节电机转速。
同一半桥上下两个MOSFET管的驱动电路如图1所示：MOSFET管的三个端分别叫栅极，用字母G标示，源极，用字母D标示，漏极，用字母S标示。由于MOSFET的GDS间存在着寄生电容，也叫结电容，和引线电感。因有结电容和电感的存在，当MOSFET的DS端突加电压时，通过结电容使GS端的电压上升，甚至能使MOSFET管导通，这叫做米勒效应。以图2为例，当上半桥MOSFET管导通时，电源电压相当于突然加到下半桥MOSFET管的DS端上，再通过DG端和GS端的结电容充电使GS端电压上升。当下半桥MOSFET管导通时，相当于上半桥MOSFET管的S端接电源的负，也相当于在上半桥MOSFET管的DS端上突加电压，再通过DG端和GS端的结电容充电使GS端电压上升。如果GS端电压超过MOSFET管的最低导通电压，就会使MOSFET管导通，造成上下半桥MOSFET管同时导通，也叫直通，相当于电源正端通过同桥臂MOSFET管与电源负端短接，短路电流使功率管损坏，进而使控制器损坏而无法工作。
米勒效应无法消除，但可以通过给GS端并接电容，增大栅极电阻Rg1和Rg2来减小米勒效应的影响，但这样处理，会使MOSFET管的导通和关断时间加长，增加了MOSFET管的开关损耗，运行时，温升会增加，还需要更大的散热器，不仅增加了成本，还不能完全消除同一半桥的上下半桥MOSFET管直通的风险。
现有以IGBT管为功率元件组成的直流无刷电机驱动器，其主回路如图3所示：直流无刷电机驱动器主回路由6个IGBT组成，6个IGBT组成3个半桥，分别为A上A下、B上B下、C上C下，其中A上A下为A相半桥，B上B下为B相半桥，C上C下为C相半桥。A上、B上、C上分别为ABC三相的上半桥，A下、B下、C下分别为ABC三相的下半桥。直流无刷电机驱动器根据电机转子位置传感器的6个位置信号，使不同半桥的一个上管和一个下管导通，使电机旋转，其6个转子位置传感器信号对应的上下半桥导通顺序为：A上B下、A上C下、B上C下、B上A下、C上A下、C上B下，依次循环，使电机连续旋转。从上下半桥的导通顺序知道，同一半桥的上下两个IGBT不会同时导通。
直流无刷电机调速，是通过调节加在电机绕组上的电压实现的，通过改变加在上半桥IGBT上的脉宽调制信号PWM的占空比，来改变加在电机绕组上的电压，下半桥IGBT维持导通来实现调节电机转速。
同一半桥上下两个IGBT的驱动电路如图4所示：IGBT的三个端分别叫栅极，用字母G标示，发射极，用字母E标示，集电极，用字母C标示。由于IGBT的GCE间存在着电容，也叫结电容，和引线电感。因有结电容和电感的存在，当IGBT的CE端突加电压时，通过结电容使GE端的电压上升，甚至能使IGBT导通，这种现象叫米勒效应。以图二为例，当上半桥IGBT导通时，电源电压相当于突然加到下半桥IGBT的CE端上，再通过CG端和GE端的结电容充电使GE端电压上升。当下半桥IGBT导通时，相当于上半桥IGBT的E端接电源的负，也相当于在上半桥IGBT管的CE端上突加电压，再通过CG端和GE端的结电容充电使GE端电压上升。如果GE端电压超过IBGT的最低导通电压，就会使IGBT导通，造成上下半桥IGBT同时导通，也叫直通，相当于电源正端通过同桥臂IGBT与电源负端短接，短路电流使功率管损坏，进而使控制器损坏而无法工作。
米勒效应无法消除，但可以通过给GE端并接电容，增大栅极电阻Rg1和Rg2来减小米勒效应的影响，但这样处理，会使IGBT的导通和关断时间加长，增加了IGBT的开关损耗，运行时，温升会增加，还需要更大的散热器，不仅增加了成本，还不能完全消除同一半桥的上下半桥IGBT直通的风险。
既然米勒效应无法消除，又不想增加IGBT的开关损耗，又由于直流无刷电机控制器的上下半桥不会同时导通，通过上下半桥驱动互锁的方法，就能实现上半桥导通时，下半桥可靠关断，下半桥导通时，上半桥可靠关断，彻底消除了上下半桥同时导通的可能。
发明内容
本发明的目的是提供一种不会造成上下半桥管同时导通，产生短路电流使功率管损坏，进而使控制器损坏而无法工作的一种直流无刷电机驱动器的上下半桥驱动互锁方法。
本发明的目的是这样实现的，一种直流无刷电机驱动器的上下半桥驱动互锁方法，至少包括直流无刷电机驱动器的上半桥驱动电路、下半桥驱动电路，其特征是：上半桥驱动电路中的上半桥管与上半桥驱动互锁电路的输出控制端电连接，下半桥驱动电路中的下半桥管源极与下半桥驱动互锁电路输出控制端电连接，上半桥驱动互锁电路输入端与下半桥驱动电路的第一光电耦合器输入负端Ad电连接，下半桥驱动互锁电路输入端与上半桥驱动电路的第二光电耦合器输入负端Au电连接。
所述的上半桥驱动电路中的上半桥管是MOSFET管，MOSFET管源极S和栅极G之间与上半桥驱动互锁电路的输出控制端电连接，所述的下半桥驱动电路中的下半桥管是MOSFET管，下半桥驱动电路中的MOSFET管源极S和栅极G之间与下半桥驱动互锁电路输出控制端电连接。
所述的下半桥驱动互锁电路包括第四光电耦合器0b、三极管Nb、电阻R3、电阻R4，三极管Nb集电极和发射极为输出端与下半桥驱动电路中的MOSFET管源极S和栅极G之间电连接，三极管Nb的基极通过电阻R3与第四光电耦合器0b的光电三极管集电极电连接，第四光电耦合器0b的光电三极管发射极与三极管Nb的发射极电连接，第四光电耦合器0b的发光二极管正端通过电阻R4与第一光电耦合器输入端Aa电连接。
所述的上半桥驱动互锁电路包括第三光电耦合器0a、三极管Na、电阻R1、电阻R2，三极管Na集电极和发射极为输出端，输出端与上半桥驱动电路中的MOSFET管源极S和栅极G之间电连接，三极管Na的基极通过电阻R1与第三光电耦合器0a的光电三极管集电极电连接，第三光电耦合器0a的光电三极管发射极与三极管Na的发射极电连接，第三光电耦合器0a的发光二极管正端通过电阻R2与第二光电耦合器输入负端Ad电连接。
所述的第三光电耦合器0a是继电器。
所述的第四光电耦合器0b是继电器。
所述的上半桥驱动电路中的上半桥管是IGBT管，IGBT管发射极e和基极b之间与上半桥驱动互锁电路的输出控制端电连接，下半桥驱动电路中的下半桥管是IGBT管，IGBT管发射极e和基极b之间与下半桥驱动互锁电路输出控制端电连接。
所述的下半桥驱动互锁电路包括第四光电耦合器0b、三极管Nb、电阻R3、电阻R4和二极管Db，三极管Nb集电极与下半桥驱动电路中的IGBT管基极b电连接，三极管Nb集电极通过二极管Db与下半桥驱动电路中的IGBT管发射极e电连接，三极管Nb的基极通过电阻R3与第四光电耦合器0b的光电三极管集电极电连接，第四光电耦合器0b的光电三极管发射极与三极管Nb的集电极电连接，第四光电耦合器0b的发光二极管正端通过电阻R4与第一光电耦合器（7）输入端Au电连接。
所述的上半桥驱动互锁电路包括第三光电耦合器0a、三极管Na、电阻R1、电阻R2和二极管Da，三极管Na集电极和发射极为输出端，三极管Na发射极与上半桥驱动电路中的IGBT管基极b电连接，三极管Na集电极通过二极管Da与上半桥驱动电路中的IGBT管的发射极e电连接；三极管Na的基极通过电阻R1与第三光电耦合器0a的光电三极管集电极电连接，第三光电耦合器0a的光电三极管发射极与三极管Na的集电极电连接，第三光电耦合器0a的发光二极管正端通过电阻R2与第二光电耦合器输入负端Ad电连接。
本发明的优点是：无论什么原因造成上半桥管或下半桥管的控端电压上升，三极管Na或三极管Nb都把上半桥管或下半桥管的控端电压限制在三极管的的导通压降内。保证了下半桥管导通时，上半桥管可靠关断，达到上下半桥驱动互锁的目的。
附图说明
下面结合实施例附图对本发明作进一步说明：
图1是现有MOSFET管组成的直流无刷电机驱动器主电路；
图2是现有半桥MOSFET驱动电路；
图3是现有IGBT管组成的直流无刷电机驱动器主电路；
图4是现有半桥IGBT驱动电路；
图5是本发明实施例1电路原理图；
图6是本发明实施例2电路原理图；
图7是本发明实施例3电路原理图；
图8是本发明实施例4电路原理图。
图中，1、上半桥驱动电路；2、下半桥驱动电路；3、上半桥管；4、下半桥管；5、上半桥驱动互锁电路；6、下半桥驱动互锁电路；7、第一光电耦合器；8、第二光电耦合器。
具体实施方式
实施例1
如图5所示，图5是半桥驱动及光耦隔离上下半桥驱动互锁电路，至少包括上半桥驱动电路1、下半桥驱动电路2，其特征是：上半桥驱动电路1中的上半桥管3（MOSFET）源极S和栅极G之间与上半桥驱动互锁电路5的输出控制端电连接，下半桥驱动电路2中的下半桥管4（MOSFET）源极S和栅极G之间与下半桥驱动互锁电路6输出控制端电连接，上半桥驱动互锁电路5输入端与下半桥驱动电路2的第一光电耦合器7输入负端Ad电连接，下半桥驱动互锁电路6输入端与上半桥驱动电路1的第二光电耦合器8输入负端Au电连接。
所述的下半桥驱动互锁电路6包括第四光电耦合器0b、三极管Nb、电阻R3、电阻R4，三极管Nb集电极和发射极为输出端与下半桥管4（MOSFET）源极S和栅极G之间电连接，三极管Nb的基极通过电阻R3与第四光电耦合器0b的光电三极管集电极电连接，第四光电耦合器0b的光电三极管发射极与三极管Nb的发射极电连接，第四光电耦合器0b的发光二极管正端通过电阻R4与第一光电耦合器7输入端Aa电连接。
所述的上半桥驱动互锁电路5包括第三光电耦合器0a、三极管Na、电阻R1、电阻R2，三极管Na集电极和发射极为输出端，输出端与上半桥管3（MOSFET）源极S和栅极G之间电连接，三极管Na的基极通过电阻R1与第三光电耦合器0a的光电三极管集电极电连接，第三光电耦合器0a的光电三极管发射极与三极管Na的发射极电连接，第三光电耦合器0a的发光二极管正端通过电阻R2与第二光电耦合器8输入负端Ad电连接。
实施例2
如图6所示，图6是半桥驱动及继电器隔离上下半桥驱动互锁电路，第三光电耦合器0a和第四光电耦合器0b或是继电器，继电器OC和继电器OD分别代替第三光电耦合器0a和第四光电耦合器0b。
本发明工作时，当使上半桥MOSFET管Mu导通时，则输入信号Au为高电平，Ad为低电平。Ad为低电平时，光耦或继电器Oa不导通，三极管Na不导通，驱动互锁电路不影响上半桥MOSFET管Mu的GS端的状态，MOSFET管GS端的信号取决于脉宽调制信号PWM。因Au是高电平，则光耦或继电器Ob导通，使三极管Nb导通。Nb的导通使下半桥MOSFET管Md的GS端短接，无论什么原因造成GS端电压上升，三极管Nb都把MOSFET管的GS端电压钳位在三极管的的导通压降内。这样保证了上半桥MOSFET管导通时，下半桥MOSFET管可靠关断。
当使下半桥MOSFET管Md导通时，则输入信号Au为低电平，Ad为高电平。Au为低电平时，光耦或继电器Ob不导通，三极管Nb不导通，驱动互锁电路不影响下半桥MOSFET管Md的GS端的状态，下半桥MOSFET管GS端的信号取决于Ad。因Ad是高电平，则光耦或继电器Oa导通，使三极管Na导通。Na的导通使上半桥MOSFET管Mu的GS端短接，无论什么原因造成GS端电压上升，三极管Na都把MOSFET管的GS端电压钳位在三极管的的导通压降内。这样保证了下半桥MOSFET管导通时，上半桥MOSFET管可靠关断，达到上下半桥驱动互锁的目的。
实施例3
如图7所示，图7是IGBT管构成的半桥驱动及光耦隔离上下半桥驱动互锁电路，至少包括上半桥驱动电路1、下半桥驱动电路2，上半桥驱动电路1中的上半桥管3（IGBT）发射极e和基极b之间与上半桥驱动互锁电路5的输出控制端电连接，下半桥驱动电路2中的下半桥管4（IGBT）发射极e和基极b之间与下半桥驱动互锁电路6输出控制端电连接，上半桥驱动互锁电路5输入端与下半桥驱动电路2的第一光电耦合器8输入负端Ad电连接，下半桥驱动互锁电路6输入端与上半桥驱动电路1的第二光电耦合器7输入负端Au电连接。
所述的下半桥驱动互锁电路6包括第四光电耦合器0b、三极管Nb、电阻R3、电阻R4和二极管Db，三极管Nb集电极与下半桥管4 （IGBT）基极b电连接，三极管Nb集电极通过二极管Db与下半桥管4（IGBT）发射极e电连接，三极管Nb的基极通过电阻R3与第四光电耦合器0b的光电三极管集电极电连接，第四光电耦合器0b的光电三极管发射极与三极管Nb的集电极电连接，第四光电耦合器0b的发光二极管正端通过电阻R4与第一光电耦合器7输入端Au电连接。
所述的上半桥驱动互锁电路5包括第三光电耦合器0a、三极管Na、电阻R1、电阻R2和二极管Da，三极管Na集电极和发射极为输出端，三极管Na发射极与上半桥管3（IGBT）基极b电连接，三极管Na集电极通过二极管Da与上半桥管3（IGBT）的发射极e电连接；三极管Na的基极通过电阻R1与第三光电耦合器0a的光电三极管集电极电连接，第三光电耦合器0a的光电三极管发射极与三极管Na的集电极电连接，第三光电耦合器0a的发光二极管正端通过电阻R2与第二光电耦合器8输入负端Ad电连接。
实施例4
如图8所示，图8是半桥驱动及继电器隔离上下半桥驱动互锁电路，第三光电耦合器0a和第四光电耦合器0b或是继电器，继电器OC和继电器OD分别代替第三光电耦合器0a和第四光电耦合器0b。
本发明工作时，当使上半桥IGBT管Mu导通时，则输入信号Au为高电平，Ad为低电平。Ad为低电平时，光耦或继电器Oa不导通，三极管Na不导通，驱动互锁电路不影响上半桥IGBT管Mu的基极和发射极端的状态，IGBT管控制端的信号取决于脉宽调制信号PWM。因Au是高电平，则光耦或继电器Ob导通，使三极管Nb导通。Nb的导通使下半桥IGBT管Md的基极和发射极短接，无论什么原因造成基极和发射极端电压上升，三极管Nb都把IGBT管的基极和发射极端电压钳位在三极管的导通压降内。这样保证了上半桥IGBT管导通时，下半桥IGBT管可靠关断。
当使下半桥IGBT管Md导通时，则输入信号Au为低电平，Ad为高电平。Au为低电平时，光耦或继电器Ob不导通，三极管Nb不导通，驱动互锁电路不影响下半桥IGBT管Md的基极和发射极端的状态，下半桥IGBT管基极和发射极端的信号取决于Ad。因Ad是高电平，则光耦或继电器Oa导通，使三极管Na导通。Na的导通使上半桥IGBT管Mu的基极和发射极端短接，无论什么原因造成基极和发射极端电压上升，三极管Na都把IGBT管的基极和发射极端电压钳位在三极管的的导通压降内。这样保证了下半桥IGBT管导通时，上半桥IGBT管可靠关断，达到上下半桥驱动互锁的目的。
本实施例没有详细叙述的部件和结构属本行业的公知部件和常用结构或常用手段，这里不一一叙述。
Claims (9)
1.一种直流无刷电机驱动器的上下半桥驱动互锁方法，至少包括直流无刷电机驱动器的上半桥驱动电路（1）、下半桥驱动电路（2），其特征是：上半桥驱动电路（1）中的上半桥管（3）与上半桥驱动互锁电路（5）的输出控制端电连接，下半桥驱动电路（2）中的下半桥管（4）源极与下半桥驱动互锁电路（6）输出控制端电连接，上半桥驱动互锁电路（5）输入端与下半桥驱动电路（2）的第一光电耦合器（7）输入负端Ad电连接，下半桥驱动互锁电路（6）输入端与上半桥驱动电路（1）的第二光电耦合器（8）输入负端Au电连接。
2.根据权利要求1所述的一种直流无刷电机驱动器的上下半桥驱动互锁方法，其特征是：所述的上半桥驱动电路（1）中的上半桥管（3）是MOSFET管，MOSFET管源极S和栅极G之间与上半桥驱动互锁电路（5）的输出控制端电连接，所述的下半桥驱动电路（2）中的下半桥管（4）是MOSFET管，下半桥驱动电路（2）中的MOSFET管源极S和栅极G之间与下半桥驱动互锁电路（6）输出控制端电连接。
3.根据权利要求1或2所述的一种直流无刷电机驱动器的上下半桥驱动互锁方法，其特征是：所述的下半桥驱动互锁电路（6）包括第四光电耦合器0b、三极管Nb、电阻R3、电阻R4，三极管Nb集电极和发射极为输出端与下半桥驱动电路（2）中的MOSFET管源极S和栅极G之间电连接，三极管Nb的基极通过电阻R3与第四光电耦合器0b的光电三极管集电极电连接，第四光电耦合器0b的光电三极管发射极与三极管Nb的发射极电连接，第四光电耦合器0b的发光二极管正端通过电阻R4与第一光电耦合器(7)输入端Aa电连接。
4.根据权利要求1或2所述的一种直流无刷电机驱动器的上下半桥驱动互锁方法，其特征是：所述的上半桥驱动互锁电路（5）包括第三光电耦合器0a、三极管Na、电阻R1、电阻R2，三极管Na集电极和发射极为输出端，输出端与上半桥驱动电路（1）中的MOSFET管源极S和栅极G之间电连接，三极管Na的基极通过电阻R1与第三光电耦合器0a的光电三极管集电极电连接，第三光电耦合器0a的光电三极管发射极与三极管Na的发射极电连接，第三光电耦合器0a的发光二极管正端通过电阻R2与第二光电耦合器（8）输入负端Ad电连接。
5.根据权利要求4所述的一种直流无刷电机驱动器的上下半桥驱动互锁方法，其特征是：所述的第三光电耦合器0a是继电器。
6.根据权利要求3所述的一种直流无刷电机驱动器的上下半桥驱动互锁方法，其特征是：所述的第四光电耦合器0b是继电器。
7.根据权利要求1所述的一种直流无刷电机驱动器的上下半桥驱动互锁方法，其特征是：所述的上半桥驱动电路（1）中的上半桥管（3）是IGBT管，IGBT管发射极e和基极b之间与上半桥驱动互锁电路（5）的输出控制端电连接，下半桥驱动电路（2）中的下半桥管（4）是IGBT管，IGBT管发射极e和基极b之间与下半桥驱动互锁电路（6）输出控制端电连接。
8. 根据权利要求1或7所述的一种直流无刷电机驱动器的上下半桥驱动互锁方法，其特征是：所述的下半桥驱动互锁电路（6）包括第四光电耦合器0b、三极管Nb、电阻R3、电阻R4和二极管Db，三极管Nb集电极与下半桥驱动电路（2）中的IGBT管基极b电连接，三极管Nb集电极通过二极管Db与下半桥驱动电路（2）中的IGBT管发射极e电连接，三极管Nb的基极通过电阻R3与第四光电耦合器0b的光电三极管集电极电连接，第四光电耦合器0b的光电三极管发射极与三极管Nb的集电极电连接，第四光电耦合器0b的发光二极管正端通过电阻R4与第一光电耦合器（7）输入端Au电连接。
9.根据权利要求1或7所述的一种直流无刷电机驱动器的上下半桥驱动互锁方法，其特征是：所述的上半桥驱动互锁电路（5）包括第三光电耦合器0a、三极管Na、电阻R1、电阻R2和二极管Da，三极管Na集电极和发射极为输出端，三极管Na发射极与上半桥驱动电路（1）中的IGBT管基极b电连接，三极管Na集电极通过二极管Da与上半桥驱动电路（1）中的IGBT管的发射极e电连接；三极管Na的基极通过电阻R1与第三光电耦合器0a的光电三极管集电极电连接，第三光电耦合器0a的光电三极管发射极与三极管Na的集电极电连接，第三光电耦合器0a的发光二极管正端通过电阻R2与第二光电耦合器（8）输入负端Ad电连接。
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