CN104639012B - 基于速度指令电压的过热保护回路及过热保护方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于速度指令电压的过热保护回路，该回路处于外围速度指令电压Vsp与芯片速度信号输入电压Vsp之间；该回路包括一个钳流二极管D1、一个RC滤波电路，一个NPN三极管Q1、一个缓压电阻R3、一个热敏电阻NTC、一个分压电阻R2；其中，RC滤波电路包括一个滤波电阻R1和一个滤波电容C1；外围速度指令电压Vsp与芯片速度信号输入电压Vsp之间形成一个主回路；钳流二极管D1一端连接在该主回路上，另一个与电源Vcc连通；滤波电阻R1串接在主回路上，滤波电容C1一端连接在主回路上，另一端接地；NPN三级管Q1的C极连接在主回路上，E极连接缓压电阻R3，B极分别连接热敏电阻NTC和分压电阻R2；上述热敏电阻NTC同时连接VDD,分压电阻R2同时接地。本发明具有可控制性高，稳定可靠，保护集成功率芯片不受热冲击破坏的优点。

Description

基于速度指令电压的过热保护回路及过热保护方法
技术领域
本发明涉及一种空调用无刷直流电机过热保护回路及其过热保护方法。
背景技术
目前空调用无刷直流电机的过热保护方案大体分为两种。一种通过将过热保护作用于复位回路的保护方式。复位回路一般都会设置一个电压回差，以防止误动作。因为电机内部温度不可能突变，所以这个电压回差导致电机在一定条件下出现转速忽快忽慢，甚至出现时停时转。另一种通过将过热保护作用于限流保护回路。这种方式使用PTC热敏电阻，由于该元件的温度阻抗特性，导致过热保护动作范围较大。并且这种方式一定程度上会限制集成芯片的电流能力。
中国专利申请号201120140698.9，公开了一种带温度保护的直流无刷电机控制器，，包括电机智能功率芯片(IC1)，电机智能功率芯片(IC1) 设置有速度信号输入端口(Vsp)，其特征在于：它还包括温度探测电路和比较电路，温度探测电路检测电机智能功率芯片(IC1) 的温度信号并输入比较电路，比较电路的信号输出端连接电机智能功率芯片(IC1) 设置的速度信号输入端口(Vsp)。当电机智能功率芯片(IC1) 的工作温度过高时，马上拉低速度信号输入端口(Vsp) 的电压值，使电机停止运转，达到保护的目的，提高可靠性。
中国专利申请号201280001952.4，公开了一种具有温度自动调节功能的无刷电机，包括电机智能功率芯片(IC3)、温度探测电路和减法电路，电机智能功率芯片设置有速度信号输入端口(Vsp)，温度探测电路检测电机智能功率芯片的温度信号并转换成电压信号(U1)输入到减法电路的一个输入端，外部系统控制信号(Vout)转换成电压信号(U2)输入到减法电路的另一个输入端，减法电路的输出端(Vsp_in)连接电机智能功率芯片设置的速度信号输入端口。当电机温度升高到一定程度，温敏电阻(NTC)的阻值急剧减少，从而使速度信号输入端口的输入电压降低，电机转速会自动降低，但不停机，电机转速降低，发热就降低，电机温度自动下降，因此使电机可靠性提高，满足了客户高温不停机的要求。
上述专利都是采用了一个比较器作为调节速度指令电压Vsp的关键器件，其价格好，电路复杂，不实用；而且该专利在过热保护启动时，将Vsp电压直接拉到1V以下，使电机停转，当过热保护把Vsp强行降低后，因为电机停转，空调接收不到FG反馈，会不断提高Vsp电压，当过热保护解除时，因为空调给电机输入Vsp太高，会使电机智能功率模块在启动过程中烧毁；另外，上述专利将NTC型温度传感器放置在智能功率芯片表面，其在实际应用中较难操作，而且测出的数据也不是很准确。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于速度指令电压的过热保护回路，该方案具有可控制性高，稳定可靠，保护集成功率芯片不受热冲击破坏的优点。
基于速度指令电压的过热保护回路，该回路处于外围速度指令电压Vsp与芯片速度信号输入电压Vsp之间；该回路包括一个钳流二极管D1、一个RC滤波电路，一个NPN三极管Q1、一个缓压电阻R3、一个热敏电阻NTC、一个分压电阻R2；其中，RC滤波电路包括一个滤波电阻R1和一个滤波电容C1；外围速度指令电压Vsp与芯片速度信号输入电压Vsp之间形成一个主回路；钳流二极管D1一端连接在该主回路上，另一个与电源Vcc连通；滤波电阻R1串接在主回路上，滤波电容C1一端连接在主回路上，另一端接地；NPN三级管Q1的C极连接在主回路上，E极连接缓压电阻R3，B极分别连接热敏电阻NTC和分压电阻R2；上述热敏电阻NTC同时连接VDD, 分压电阻R2同时接地。
所述滤波电阻R1为0.9-1.3KΩ，滤波电容C1为0.01-0.03uF。
所述滤波电阻R1为1.2KΩ，滤波电容C1为0.02uF。
所述热敏电阻NTC的B值为4000-4100K。
所述热敏电阻NTC的B值为4100K。
所述R2为30-35KΩ。
所述R2为32KΩ。
所述NTC型温度传感器的安装位置位于芯片与基板焊接的对面位置后者芯片的侧面位置。
基于速度指令电压的过热保护方法，其利用上述基于速度指令电压的过热保护回路，将NTC型温度传感器的安装位置位于芯片与基板焊接的对面位置后者芯片的侧面位置，通过实时监测集成功率芯片的温度，在NTC型温度传感器上产生相应的分压；通过以上的分压驱动NPN三极管的基极，控制三极管的开通程度；当集成功率芯片温度过高时，三极管完全打开，将速度指令电压Vsp拉低，限制集成芯片温度继续上升。
本发明的有益效果是：
本发明涉及的过热保护设计回路直接与速度指令电压Vsp相连，所以过热保护动作可以直接对速度指令电压Vsp产生影响，通过限制或者降低速度指令电压Vsp来控制集成功率芯片的温度保持在设计目标之内，当温度没有达到过热保护动作点时，该回路对速度指令电压Vsp的影响很小，基本可以忽略。
本发明涉及的过热保护设计回路最关键的元件是NTC型温度传感器，该元件放置位置应该是电机集成功率芯片与基板焊接的对面位置，并且在集成功率芯片高压侧下方。这个位置监测到的温度虽然不能代表集成功率芯片内部的结温，但是基本接近集成功率芯片外部能够监测到的最高温度。通过NTC型温度传感器实时监测集成功率芯片的温度，NTC型温度传感器上产生相应的分压将发生变化，由于NTC的温度电阻特性线性度比较好，所以对于集成功率芯片的温度监测精度也会高很多。不会因为温度的细微变化，使电阻上分压产生较大变化。
本发明涉及的过热保护设计回路采用NTC型温度传感器进行分压，直接控制速度指令电压Vsp，可控制性高，稳定可靠，保护集成功率芯片不受热冲击破坏，所得电压驱动NPN三极管的基极，控制三极管的开通程度。
当集成功率芯片温度超过设计目标值时，NPN三极管导通，将速度指令电压Vsp拉低，从而减小PWM的占空比，降低输出功率；当集成功率芯片的温度低于设计目标值，NPN三极管导通程度下降，使速度指令电压Vsp拉高，增大PWM的占空比，提高输出功率；经过多次自动调节，进入平衡状态。因为采用NTC型温度传感器，这种方式的设计在温度达到温度后的转速波动小，不会出现忽停忽转的情况，如图2所示。
该保护电路与背景技术中的专利提到的过热保护相比，其采用NPN三极管作为调节速度指令电压Vsp的关键器件，其简单方便、成本低、适合产业化；在过热保护时，采用降低度指令电压Vsp，从而降低转速，减少发热；将NTC型温度传感器的安装位置位于芯片与基板焊接的对面位置后者芯片的侧面位置并用导热胶覆盖，这样就能很好的接近反映芯片实际的温度。
附图说明
图1是本发明涉及的过热保护回路图；图2是本发明涉及的过热保护时的温度与速度指令电压Vsp曲线；图3是NTC温度传感器的温度电阻特性。
具体实施方式
请参考图1至图3，一般的速度指令电压Vsp的电压范围在2.1V到5.4之间，当速度指令电压Vsp上升，马达端电压的有效值增大，输出功率增加；当速度指令电压Vsp下降，马达端电压有效值减小，输出功率减少。调节速度指令电压Vsp就是控制马达输出功率变换最有效的途径。
速度指令电压Vsp进入马达后，首先通过一个钳位二极管D1，滤除特大的电压突波，保证速度指令电压Vsp小于VCC+0.7V，然后速度指令电压Vsp再通过低通RC滤波电路，滤除高频小信号干扰。这个RC参数建议使用1.2KΩ和0.02uF。如果时间常数选的太大，在关电源的时候，这个电容C1上还存在残留电压，可能导致电机集成功率模块击穿。如果时间常数选的太小，无法起到滤波的效果。之后这个速度指令电压Vsp一路到控制芯片，一路到过热保护回路三极管的集电极。
图1所示.NTC是该设计采用的负温度系数的温度传感器，B常数为4100K,R2=32KΩ。当电机内部的温度上升，该NTC自身阻抗下降。如图3所示，NTC温度传感器的电阻温度特性基本呈线性变化。通过查表所得，当NTC温度传感器温度达到90°C的时候，NTC温度传感器的阻抗为2.789KΩ，以此选择电阻R2的阻抗值。三极管Q1是NPN型，工作于放大状态。当温度上升，基极电流变大时，IC=ßIB，集电极电流也变大，三极管VCE降低，速度指令电压Vsp下降。反之，当温度上升下降，基极电流减小时，集电极电流减小，三极管VCE上升，速度指令电压Vsp上升。其中，R2电阻上的电压变化等同NTC型温度传感器的温度变化。
图1所示.电阻R3起到缓冲作用。如果三极管处于饱和状态，该电阻可以防止速度指令电压Vsp下降过快，导致电机转速出现大的波动。
基于速度指令电压的过热保护方法，其利用上述基于速度指令电压的过热保护回路，将NTC型温度传感器的安装位置位于芯片与基板焊接的对面位置后者芯片的侧面位置，通过实时监测集成功率芯片的温度，在NTC型温度传感器上产生相应的分压；通过以上的分压驱动NPN三极管的基极，控制三极管的开通程度；当集成功率芯片温度过高时，三极管完全打开，将速度指令电压Vsp拉低，限制集成芯片温度继续上升。
以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非对本发明做任何形式上的限制，凡本行业的普通技术人员，均可按本说明书附图所述和以上所述，而顺畅的实施本发明；但是，凡熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用以上所揭示的技术内容，而作出的变动、修饰与演变的等同变化，均为本发明的等效实施例；同时，凡依据本发明的实质技术对以上实施例所作的任何等同变化的变动、修饰及演变等，均仍属于本发明的技术方案的范围内。

Claims (7)

1.基于速度指令电压的过热保护回路，其特征在于：该回路处于外围速度指令电压Vsp与芯片速度信号输入电压Vsp之间；该回路包括一个钳流二极管D1、一个RC滤波电路，一个NPN三极管Q1、一个缓压电阻R3、一个热敏电阻NTC、一个分压电阻R2；其中，RC滤波电路包括一个滤波电阻R1和一个滤波电容C1；外围速度指令电压Vsp与芯片速度信号输入电压Vsp之间形成一个主回路；钳流二极管D1一端连接在该主回路上，另一个与电源Vcc连通；滤波电阻R1串接在主回路上，滤波电容C1一端连接在主回路上，另一端接地；NPN三极管Q1的C极连接在主回路上，E极连接缓压电阻R3，B极分别连接热敏电阻NTC和分压电阻R2；上述热敏电阻NTC同时连接VDD,分压电阻R2同时接地；热敏电阻NTC的放置位置位于集成功率芯片与基板焊接的对面位置，并且在集成功率芯片高压侧下方，用于实时监测集成功率芯片的温度；所述滤波电阻R1为0.9-1.3KΩ，滤波电容C1为0.01-0.03uF。
2.根据权利要求1中所述的基于速度指令电压的过热保护回路，其特征在于：所述滤波电阻R1为1.2KΩ，滤波电容C1为0.02uF。
3.根据权利要求1中所述的基于速度指令电压的过热保护回路，其特征在于：所述热敏电阻NTC的B值为4000-4100K。
4.根据权利要求3中所述的基于速度指令电压的过热保护回路，其特征在于：所述热敏电阻NTC的B值为4100K。
5.根据权利要求1中所述的基于速度指令电压的过热保护回路，其特征在于：所述R2为30-35KΩ。
6.根据权利要求5中所述的基于速度指令电压的过热保护回路，其特征在于：所述R2为32KΩ。
7.使用权利要求1中所述基于速度指令电压的过热保护回路的基于速度指令电压的过热保护方法，其特征在于：其利用上述基于速度指令电压的过热保护回路，将NTC型温度传感器安装于集成功率芯片与基板焊接的对面位置，并且在集成功率芯片高压侧下方，通过实时监测集成功率芯片的温度，在NTC型温度传感器上产生相应的分压；通过以上的分压驱动NPN三极管的基极，控制三极管的开通程度；当集成功率芯片温度过高时，三极管完全打开，将速度指令电压Vsp拉低，限制集成芯片温度继续上升。
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