CN106208637B - 一种开关磁阻电机mosfet功率变换器的驱动电路 - Google Patents

一种开关磁阻电机mosfet功率变换器的驱动电路 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种开关磁阻电机MOSFET功率变换器驱动电路，采用三极管、电阻等分立元件并结合自举工作模式设计而成，包括上管驱动、下管驱动电路以及自举电容特有充电电路；功率变换器采用不对称半桥拓扑结构，主开关器件采用MOSFET。驱动电路提供两种充电方式，上管驱动电路中自举电容能根据开关管控制方式灵活选择充电回路，保证驱动输出功率和驱动信号稳定性；充电电路根据下管驱动信号实现两种充电回路的互锁。上、下管驱动电路与充电回路协同工作，保证驱动输出信号使MOSFET可靠开通与关断。能够实现斩双管和斩单管控制，结构简单、成本低、驱动功率大、隔离性好，驱动输出信号延时小、响应快、驱动电流大、驱动电压稳定。

Description

一种开关磁阻电机MOSFET功率变换器的驱动电路
技术领域
本发明涉及一种功率变换器驱动电路，尤其适用于开关磁阻电机的MOSFET不对称半桥结构功率变换器。
背景技术
开关磁阻电机因其结构简单牢固、启动转矩大、过载能力强、调速范围宽、容错性能好、效率高等优点，非常适合作为驱动电机。对于空间有限的使用场合，要求电机驱动系统具有尽可能小的体积和成本以及简单的结构，电力MOSFET相比其他开关器件具有体积小、成本低、开关速度快、工作频率高等优点，以电力MOSFET为开关器件的功率变换器是目前发展的主流。功率变换器的正常工作需要外接驱动电路，良好的驱动电路是开关器件可靠工作的重要保障，电力MOSFET对栅、源极驱动电路提出了以下要求：(1)能够驱动MOSFET可靠开通和关断，即输出的驱动信号能够提供所需的驱动电压和足够快的上升、下降速度；(2)驱动电路的输出电阻要小，以提高栅、源极电容的充放电速度，从而提高MOSFET的开关速度；(3)驱动电流较大，保证开关波形具有足够的上升和下降陡度；(4)驱动脉冲幅值应高于电力MOSFET的开启电压，保证可靠导通，电力MOSFET截止时，能够提供负电压，保证可靠关断；(5)驱动电路应简单可靠、体积小且成本低。电力MOSFET以及IGBT的驱动电路主要存在四种形式：分立元件驱动电路、光电耦合器驱动电路、厚膜驱动电路以及专用集成驱动电路，其中分立元件驱动电路无需专用集成芯片，具有维修方便、成本低廉、结构简单等特点，用于驱动MOSFET功率变换器能够有效减小电机驱动系统的体积和成本，因而采用分立元件设计驱动电路非常适合空间受限的应用场合。
发明内容
针对上述技术中存在问题，提供一种开关磁阻电机MOSFET功率变换器的驱动电路，该驱动电路应易于调试、成本低、结构简单可靠；驱动信号应延时小响应快，具有较大的驱动电流和驱动电压，能驱动中小功率等级且开关频率达到20kHz的MOSFET，满足不同运行工况。
为实现上述技术目的，本发明的开关磁阻电机MOSFET功率变换器的驱动电路采用分立元件设计而成，以开关磁阻电机不对称半桥功率变换器为驱动对象，包括上桥臂驱动电路、下桥臂驱动电路以及自举电容特有的充电回路。
1.本发明的开关磁阻电机MOSFET功率变换器驱动电路，其电路特征在于：
a)上桥臂MOSFET T1驱动电路采用5只三极管Qu1、Qu2、Qu3、Qu4、Qu5，8只电阻Ru1、Ru2、Ru3、Ru4、Ru5、Ru6、Ru7、Rst1,1只自举二极管Du，1只自举电容Ca，1只稳压二极管Dst，1只发光二极管Dl1,1只稳压电容Cst1，来自控制器的控制信号的输入端口为Hin，驱动信号的驱动电流为iu，驱动信号的泄放电流为ia，自举电容的充电电流为ic；将控制信号的输入端口Hin与电阻Ru1的(lu1)端相连，电阻Ru1的(ru1)端与三极管Qu1的基极(bu1)相连；三极管Qu1的集电极(cu1)与三极管Qu2的基极(bu2)以及电阻Ru2的(ru2)端相连，电阻Ru2的(lu2)端与自举二极管Du的阴极(Cu)相连，Qu1发射极(eu1)与电阻Ru3的(lu3)端相连，电阻Ru3的(ru3)端接地；三极管Qu2的发射极(eu2)与自举二极管Du的阴极(Cu)相连，Qu2的集电极(cu2)与三极管Qu3的基极(bu3)相连；三极管Qu3的集电极(cu3)与自举二极管Du的阴极(Cu)相连，Qu3的发射极(eu3)与电阻Ru4的(lu4)端相连，电阻Ru4的(ru4)端与上桥臂MOSFET T1的栅极(G1)相连；三极管Qu4的基极(bu4)与三极管Qu5的发射极(eu5)相连，Qu4的发射极(eu4)与电阻Ru5的(ru5)端相连，电阻Ru5的(lu5)端与上桥臂MOSFET T1的栅极(G1)相连，Qu4的集电极(cu4)与上桥臂MOSFET T1的源极(S1)相连；三极管Qu5的基极(bu5)与三极管Qu2的集电极(cu2)和三极管Qu3的基极(bu3)相连，同时还与电阻Ru6的(lu6)端相连，电阻Ru6的(ru6)端与上桥臂MOSFET T1的源极(S1)相连，Qu5的集电极(cu5)与上桥臂MOSFET T1的源极(S1)相连；15V电源端与自举二极管Du的阳极(Au)相连，Du的阴极(Cu)与电阻Ru2的(lu2)端、三极管Qu2的发射极(eu2)端、三极管Qu3的集电极(cu3)端以及自举极性电容Ca的正极端(p)相连，自举极性电容Ca的负极端(n)与上桥臂MOSFET T1的源极(S1)相连；稳压二极管Dst并联在上桥臂MOSFET T1的栅(G1)、源(S1)两端，其中Dst的阳极(ast)与上桥臂MOSFET T1的源极(S1)相连，Dst的阴极(cst)与上桥臂MOSFET T1的栅极(G1)相连；发光二极管Dl1的阳极(al1)与电阻Ru7的(ru7)端相连，电阻Ru7的(lu7)端与上桥臂MOSFETT1的栅极(G1)相连，Dl1的阴极(cl1)与上桥臂MOSFET T1的源极(S1)相连；电容Cst1并联在上桥臂MOSFET T1的栅极(G1)、源极(S1)两端，其中Cst1的(1)端与上桥臂MOSFET T1的栅极(G1)相连，Cst1的(2)端与上桥臂MOSFET T1的源极(S1)相连；电阻Rst1并联在上桥臂MOSFET T1的栅极(G1)、源极(S1)两端，其中Rst1的(lst1)端与上桥臂MOSFET T1的栅极(G1)相连，Rst1的(rst1)端与上桥臂MOSFET T1的源极(S1)相连；
b)下桥臂MOSFET T2驱动电路采用5只三极管Qd1、Qd2、Qd3、Qd4、Qd5，8只电阻Rd1、Rd2、Rd3、Rd4、Rd5、Rd6、Rd7、Rst2，1只发光二极管Dl2,1只稳压电容Cst2，来自控制器的控制信号的输入端口为Lin，驱动信号的驱动电流为id，驱动信号的泄放电流为ib；将控制信号的输入端口Lin与电阻Rd1的(ld1)端相连，电阻Rd1的(rd1)端与三极管Qd1的基极(bd1)相连；三极管Qd1的集电极(cd1)与三极管Qd2的基极(bd2)以及电阻Rd2的(rd2)端相连，电阻Rd2的(ld2)端与15V电源相连，Qd1发射极(ed1)与电阻Rd3的(ld3)端相连，电阻Rd3的(rd3)端与下桥臂MOSFET T2的源极(S2)相连并接地；三极管Qd2的发射极(ed2)与15V电源端相连，Qd2的集电极(cd2)与三极管Qd3的基极(bd3)相连；三极管Qd3的集电极(cd3)与15V电源端相连，Qd3的发射极(ed3)与电阻Rd4的(ld4)端相连，电阻Rd4的(rd4)端与下桥臂MOSFET T2的栅极(G2)相连；三极管Qd4的基极(bd4)与三极管Qd5的发射极(ed5)相连，Qd4的发射极(ed4)与电阻Rd5的(rd5)端相连，电阻Rd5的(ld5)端与下桥臂MOSFET T2的栅极(G2)相连，Qd4的集电极(cd4)与下桥臂MOSFET T2的源极(S2)相连；三极管Qd5的基极(bd5)与三极管Qd2的集电极(cd2)和三极管Qd3的基极(bd3)相连，同时还与电阻Rd6的(ld6)端相连，电阻Rd6的(rd6)端与下桥臂MOSFET T2的源极(S2)相连，Qd5的集电极(cd5)与下桥臂MOSFET T2的源极(S2)相连；15V电源端与电阻Rd2的(ld2)端、三极管Qd2的发射极(ed2)端、三极管Qd3的集电极(cd3)端相连；发光二极管Dl2的阳极(al2)与电阻Rd7的(rd7)端相连，电阻Rd7的(ld7)端与下桥臂MOSFET T2的栅极(G2)相连，Dl2的阴极(cl2)与下桥臂MOSFET T2的源极(S2)相连；稳压电容Cst2并联在下桥臂MOSFET T2的栅极(G2)、源极(S2)两端，其中Cst2的(3)端与下桥臂MOSFET T2的栅极(G2)相连，Cst2的(4)端与下桥臂MOSFET T2的源极(S2)相连；电阻Rst2并联在下桥臂MOSFET T2的栅极(G2)、源极(S2)两端，其中Rst2的(lst2)端与下桥臂MOSFET T2的栅极(G2)相连，Rst2的(rst2)端与下桥臂MOSFET T2的源极(S2)相连；
c)自举电容特有的充电回路采用2只三极管Qs1、Qs2，1只二极管Df，3只电阻Rf、Rs1、Rs2，自举电容充电电流为ic；将上桥臂MOSFET T1的源极(S1)与二极管Df的阳极(Af)相连，二极管Df的阴极(Cf)与电阻Rf的(lf)端相连，电阻Rf的(rf)端与三极管Qs1的集电极(cs1)相连；15V电源端与电阻Rs1的(ls1)端相连，电阻Rs1的(rs1)端与三极管Qs1的基极(bs1)相连，三极管Qs1的发射极(es1)接地；将下桥臂MOSFET T2的栅极(G2)与电阻Rs2的(ls2)端相连，电阻Rs2的(rs2)端与三极管Qs2的基极(bs2)相连，三极管Qs2的集电极(cs2)与电阻Rs1的(rs1)端和三极管Qs1的基极(bs1)相连，三极管Qs2的发射极(es2)接地。
2.本发明的开关磁阻电机MOSFET功率变换器驱动电路，其控制特征在于：
a)当上桥臂控制信号输入端Hin为高电平，三极管Qu1饱和导通，Qu2、Qu3导通，Qu4、Qu5截止，驱动输出高电平，Dl1亮，自举电容Ca相当于一个悬浮电源，其储存的电荷通过路径①[Ca正极端(p)→Qu2、Qu3→Ru4→G1→S1→Ca负极端(n)]形成驱动电流iu，驱动MOSFET T1导通；当输入信号Hin为低电平，三极管Qu1截止，Qu2、Qu3截止，Qu4、Qu5导通，驱动输出低电平，Dl1灭，T1关断；当输入信号由高电平向低电平跳变时，由于Qu3的关断延迟，MOSFET T1门极维持短暂的高电平，Qu5的基极由Ru6拉为低电平，MOSFET T1通过路径③(G1→Ru5→Qu4、Qu5→S1)进行泄放电荷。
b)当下桥臂控制信号输入端Lin为高电平，三极管Qd1饱和导通，Qd2、Qd3导通，Qd4、Qd5截止，驱动输出高电平，Dl2亮，驱动电流id通过路径④(15V→Qd3→Rd4→G2→S2→VSS)，MOSFET T2开通；当输入信号Lin为低电平，三极管Qd1截止，Qd2、Qd3截止，Qu4、Qu5导通，驱动输出低电平，Dl2灭，MOSFET T2关断；当输入信号由高电平向低电平跳变时，由于Qd3的关断延迟，MOSFET T2门极维持短暂的高电平，Qd5的基极由Rd6拉为低电平，MOSFET T2通过路径⑤(G2→Rd5→Qd4、Qd5→S2)进行泄放电荷。
c)当上、下桥臂驱动电路均输出低电平，MOSFET T1和MOSFET T2关断，属于本相的非导通区间，G2为低电平，三极管Qs1导通、Qs2截止，自举电容的充电路径为“15V→Du→Ca→Df→Rf→Qs1→VSS”，即通过路径②和路径⑥进行充电，改变电阻Rf的值可以改变充电的速率，由于S1点处的电位是浮动的，Rf在实际中选择功率电阻。
d)当上、下桥臂驱动电路均输出高电平，MOSFET T1和MOSFET T2导通，属于本相的导通区间，G2为高电平，三极管Qs1截止、Qs2导通，忽略器件压降，S1点电位升至Us。若Us低于15V，则S1电位低于驱动电源15V，自举电容的充电路径为“15V→Du→Ca→绕组→T2→VSS”，即通过路径②和路径⑦进行充电，其中驱动电源15V与主电路直流母线电压Us共地。若Us高于15V，自举电容无相应充电的回路。
e)当上桥臂驱动电路输出低电平，下桥臂驱动电路输出高电平时，MOSFET T1关断、MOSFET T2导通，功率变换器工作在斩上管的工作状态，此时G2为高电平，三极管Qs1截止、Qs2导通，；G1为低电平，功率变换器存在“VD2→绕组→T2”近似于零电压的续流回路，自举电容的充电路径为“15V→Du→Ca→绕组→T2→VSS”，即通过路径②和路径⑦进行充电。事实上，VD2有导通压降，S1点实际电位低于VSS，如电机负载较大时，续流时间较长，S1点不断存储负电荷，Ca可能会过充电至两端电压大于15V，因此在G1、S1两端加20V稳压二极管Dst，保障输出的驱动电压不高于20V。
f)当上桥臂驱动电路输出高电平，下桥臂驱动电路输出低电平时，MOSFET T1导通、MOSFET T2关断，功率变换器工作在斩下管的工作状态，此时G1为高电平，G2为低电平，Qs1导通、Qs2截止，存在“Us→T1→Df→Rf→Qs1→VSS”的工作路径，电阻Rf的存在，虽然避免了主电路直流母线电压直接短路的故障，但不适合电机重载情况下的斩下管控制，此时主电路处于零电压续流工作状态，S1点电位约为主电路电源电压Us，不存在自举电容充电回路。
g)上桥臂MOSFET T1驱动电路中自举二极管Du采用快恢复二极管，防止15V电源端与自举电容Ca的(p)极存在较大的反向电位差而引起电流倒灌；电阻Ru4串联在MOSFET T1的栅极能够限制较大的驱动电流；Ru5能够影响MOSFET T1的关断速率，通过调节Ru5的值能够减小MOSFET T1关断时的电压振荡；稳压二极管Dst保证输出稳定的驱动电压；Ru6为限流电阻，防止三极管Qu2、Qu3过饱和；电阻Rst1并联在栅极(G1)、源极(S1)两端，防止因米勒效应造成MOSFET T1误导通；电容Cst1并联在栅极(G1)、源极(S1)两端能够减缓MOSFET T1开通及关断速率，减小产生的电压尖峰。
下桥臂MOSFET T2驱动电路中Rd6为限流电阻，防止三极管Qd2、Qd3过饱和；电阻Rd4串联在MOSFET T2的栅极能够限制较大的驱动电流；Rd5能够影响MOSFET T2的关断速率，通过调节Rd5的值能够减小MOSFET T2关断时的电压振荡；电阻Rst2并联在栅极(G2)、源极(S2)两端，防止因米勒效应造成MOSFET T2误导通；电容Cst2并联在栅极(G2)、源极(S2)两端能够减缓MOSFET T2开通及关断速率，减小产生的电压尖峰。
当主电路中VD2损坏、电机反电动势、电压振荡等原因使S1电位低于零，自举电容充电路径中二极管Df可防止负压加于三极管Qs1的集电极、发射极两端造成器件损坏；电阻Rf能够控制充电的速率，但会流过较大的电流，实际中选择功率电阻。
有益效果：驱动电路采用三极管等分立元件设计而成，相比其他形式的驱动电路，结构简单、成本低廉，在电机不同的工况下均能保持可靠稳定的驱动信号输出，同时具备良好的电气隔离性能，实现了主电路与控制电路的隔离。上桥臂驱动电路中自举电容充电回路的设计，增大了驱动功率，保证了驱动输出信号电压的稳定性；下桥臂驱动电路能够配合上桥臂驱动电路，实现斩双管、斩单管控制。驱动信号延时小响应快，具有较大的驱动电流和驱动脉动电压幅值，能够驱动中小功率级别且开关频率达到20kHz的MOSFET功率变换器，满足中小型开关磁阻电机在不同工况下控制系统的驱动需求，具有良好的工程应用价值。
附图说明
图1是本发明的上桥臂驱动电路及其工作路径。
图2是本发明的下桥臂驱动电路及其工作路径。
图3是本发明的自举电容特有充电电路及其工作路径。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的一个实施例作进一步的描述。
1.本发明的开关磁阻电机MOSFET功率变换器的驱动电路拓扑设计方法：
a)如图1所示，a)上桥臂MOSFET T1驱动电路采用5只三极管Qu1、Qu2、Qu3、Qu4、Qu5，8只电阻Ru1、Ru2、Ru3、Ru4、Ru5、Ru6、Ru7、Rst1，1只自举二极管Du，1只自举电容Ca，1只稳压二极管Dst，1只发光二极管Dl1,1只稳压电容Cst1，来自控制器的控制信号的输入端口为Hin，驱动信号的驱动电流为iu，驱动信号的泄放电流为ia，自举电容的充电电流为ic；将控制信号的输入端口Hin与电阻Ru1的(lu1)端相连，电阻Ru1的(ru1)端与三极管Qu1的基极(bu1)相连；三极管Qu1的集电极(cu1)与三极管Qu2的基极(bu2)以及电阻Ru2的(ru2)端相连，电阻Ru2的(lu2)端与自举二极管Du的阴极(Cu)相连，Qu1发射极(eu1)与电阻Ru3的(lu3)端相连，电阻Ru3的(ru3)端接地；三极管Qu2的发射极(eu2)与自举二极管Du的阴极(Cu)相连，Qu2的集电极(cu2)与三极管Qu3的基极(bu3)相连；三极管Qu3的集电极(cu3)与自举二极管Du的阴极(Cu)相连，Qu3的发射极(eu3)与电阻Ru4的(lu4)端相连，电阻Ru4的(ru4)端与上桥臂MOSFET T1的栅极(G1)相连；三极管Qu4的基极(bu4)与三极管Qu5的发射极(eu5)相连，Qu4的发射极(eu4)与电阻Ru5的(ru5)端相连，电阻Ru5的(lu5)端与上桥臂MOSFET T1的栅极(G1)相连，Qu4的集电极(cu4)与上桥臂MOSFET T1的源极(S1)相连；三极管Qu5的基极(bu5)与三极管Qu2的集电极(cu2)和三极管Qu3的基极(bu3)相连，同时还与电阻Ru6的(lu6)端相连，电阻Ru6的(ru6)端与上桥臂MOSFET T1的源极(S1)相连，Qu5的集电极(cu5)与上桥臂MOSFET T1的源极(S1)相连；15V电源端与自举二极管Du的阳极(Au)相连，Du的阴极(Cu)与电阻Ru2的(lu2)端、三极管Qu2的发射极(eu2)端、三极管Qu3的集电极(cu3)端以及自举极性电容Ca的正极端(p)相连，自举极性电容Ca的负极端(n)与上桥臂MOSFET T1的源极(S1)相连；稳压二极管Dst并联在上桥臂MOSFET T1的栅(G1)、源(S1)两端，其中Dst的阳极(ast)与上桥臂MOSFET T1的源极(S1)相连，Dst的阴极(cst)与上桥臂MOSFET T1的栅极(G1)相连；发光二极管Dl1的阳极(al1)与电阻Ru7的(ru7)端相连，电阻Ru7的(lu7)端与上桥臂MOSFET T1的栅极(G1)相连，Dl1的阴极(cl1)与上桥臂MOSFET T1的源极(S1)相连；电容Cst1并联在上桥臂MOSFET T1的栅极(G1)、源极(S1)两端，其中Cst1的(1)端与上桥臂MOSFETT1的栅极(G1)相连，Cst1的(2)端与上桥臂MOSFET T1的源极(S1)相连；电阻Rst1并联在上桥臂MOSFET T1的栅极(G1)、源极(S1)两端，其中Rst1的(lst1)端与上桥臂MOSFET T1的栅极(G1)相连，Rst1的(rst1)端与上桥臂MOSFET T1的源极(S1)相连；其中①为上桥臂驱动电路的驱动电流路径；②为上桥臂驱动电路的自举电容充电路径；③为上桥臂驱动电路的驱动电流泄放路径。
b)如图2所示，下桥臂MOSFET T2驱动电路采用5只三极管Qd1、Qd2、Qd3、Qd4、Qd5，8只电阻Rd1、Rd2、Rd3、Rd4、Rd5、Rd6、Rd7、Rst2，1只发光二极管Dl2,1只稳压电容Cst2，来自控制器的控制信号的输入端口为Lin，驱动信号的驱动电流为id，驱动信号的泄放电流为ib；将控制信号的输入端口Lin与电阻Rd1的(ld1)端相连，电阻Rd1的(rd1)端与三极管Qd1的基极(bd1)相连；三极管Qd1的集电极(cd1)与三极管Qd2的基极(bd2)以及电阻Rd2的(rd2)端相连，电阻Rd2的(ld2)端与15V电源相连，Qd1发射极(ed1)与电阻Rd3的(ld3)端相连，电阻Rd3的(rd3)端与下桥臂MOSFETT2的源极(S2)相连并接地；三极管Qd2的发射极(ed2)与15V电源端相连，Qd2的集电极(cd2)与三极管Qd3的基极(bd3)相连；三极管Qd3的集电极(cd3)与15V电源端相连，Qd3的发射极(ed3)与电阻Rd4的(ld4)端相连，电阻Rd4的(rd4)端与下桥臂MOSFET T2的栅极(G2)相连；三极管Qd4的基极(bd4)与三极管Qd5的发射极(ed5)相连，Qd4的发射极(ed4)与电阻Rd5的(rd5)端相连，电阻Rd5的(ld5)端与下桥臂MOSFET T2的栅极(G2)相连，Qd4的集电极(cd4)与下桥臂MOSFET T2的源极(S2)相连；三极管Qd5的基极(bd5)与三极管Qd2的集电极(cd2)和三极管Qd3的基极(bd3)相连，同时还与电阻Rd6的(ld6)端相连，电阻Rd6的(rd6)端与下桥臂MOSFET T2的源极(S2)相连，Qd5的集电极(cd5)与下桥臂MOSFET T2的源极(S2)相连；15V电源端与电阻Rd2的(ld2)端、三极管Qd2的发射极(ed2)端、三极管Qd3的集电极(cd3)端相连；发光二极管Dl2的阳极(al2)与电阻Rd7的(rd7)端相连，电阻Rd7的(ld7)端与下桥臂MOSFET T2的栅极(G2)相连，Dl2的阴极(cl2)与下桥臂MOSFET T2的源极(S2)相连；稳压电容Cst2并联在下桥臂MOSFET T2的栅极(G2)、源极(S2)两端，其中Cst2的(3)端与下桥臂MOSFET T2的栅极(G2)相连，Cst2的(4)端与下桥臂MOSFET T2的源极(S2)相连；电阻Rst2并联在下桥臂MOSFET T2的栅极(G2)、源极(S2)两端，其中Rst2的(lst2)端与下桥臂MOSFET T2的栅极(G2)相连，Rst2的(rst2)端与下桥臂MOSFET T2的源极(S2)相连；其中④为下桥臂驱动电路的驱动电流路径；⑤为下桥臂驱动电路的驱动电流泄放路径。
c)如图3所示，自举电容特有的充电回路采用2只三极管Qs1、Qs2，1只二极管Df，3只电阻Rf、Rs1、Rs2，自举电容充电电流为ic；将上桥臂MOSFET T1的源极(S1)与二极管Df的阳极(Af)相连，二极管Df的阴极(Cf)与电阻Rf的(lf)端相连，电阻Rf的(rf)端与三极管Qs1的集电极(cs1)相连；15V电源端与电阻Rs1的(ls1)端相连，电阻Rs1的(rs1)端与三极管Qs1的基极(bs1)相连，三极管Qs1的发射极(es1)接地；将下桥臂MOSFET T2的栅极(G2)与电阻Rs2的(ls2)端相连，电阻Rs2的(rs2)端与三极管Qs2的基极(bs2)相连，三极管Qs2的集电极(cs2)与电阻Rs1的(rs1)端和三极管Qs1的基极(bs1)相连，三极管Qs2的发射极(es2)接地；其中⑥为Qs1开通时，自举电容充电电路中的电流路径；⑦为Qs2开通时，自举电容的部分充电路径。
2.本发明的开关磁阻电机MOSFET功率变换器的驱动电路控制方法：
a)如图1所示，当上桥臂控制信号输入端Hin为高电平，三极管Qu1饱和导通，Qu2、Qu3导通，Qu4、Qu5截止，驱动输出高电平，Dl1亮，自举电容Ca相当于一个悬浮电源，其储存的电荷通过路径①[Ca正极端(p)→Qu2、Qu3→Ru4→G1→S1→Ca负极端(n)]形成驱动电流iu，驱动MOSFET T1导通；当输入信号Hin为低电平，三极管Qu1截止，Qu2、Qu3截止，Qu4、Qu5导通，驱动输出低电平，Dl1灭，T1关断；当输入信号由高电平向低电平跳变时，由于Qu3的关断延迟，MOSFETT1门极维持短暂的高电平，Qu5的基极由Ru6拉为低电平，MOSFET T1通过路径③(G1→Ru5→Qu4、Qu5→S1)进行泄放电荷。
b)如图2所示，当下桥臂控制信号输入端Lin为高电平，三极管Qd1饱和导通，Qd2、Qd3导通，Qd4、Qd5截止，驱动输出高电平，Dl2亮，驱动电流id通过路径④(15V→Qd3→Rd4→G2→S2→VSS)，MOSFET T2开通；当输入信号Lin为低电平，三极管Qd1截止，Qd2、Qd3截止，Qu4、Qu5导通，驱动输出低电平，Dl2灭，MOSFET T2关断；当输入信号由高电平向低电平跳变时，由于Qd3的关断延迟，MOSFET T2门极维持短暂的高电平，Qd5的基极由Rd6拉为低电平，MOSFET T2通过路径⑤(G2→Rd5→Qd4、Qd5→S2)进行泄放电荷。
c)如图1、图2、图3所示，当上、下桥臂驱动电路均输出低电平，MOSFET T1和MOSFETT2关断，属于本相的非导通区间，G2为低电平，三极管Qs1导通、Qs2截止，自举电容的充电路径为“15V→Du→Ca→Df→Rf→Qs1→VSS”，即通过图1路径②和图3路径⑥进行充电，改变电阻Rf的值可以改变充电的速率，由于S1点处的电位是浮动的，Rf在实际中选择功率电阻。
d)如图1、图2、图3所示，当上、下桥臂驱动电路均输出高电平，MOSFET T1和MOSFETT2导通，属于本相的导通区间，G2为高电平，三极管Qs1截止、Qs2导通，忽略器件压降，S1点电位升至Us。若Us低于15V，则S1电位低于驱动电源15V，自举电容的充电路径为“15V→Du→Ca→绕组→T2→VSS”，即通过图1路径②和图3路径⑦进行充电，其中驱动电源15V与主电路直流母线电压Us共地。若Us高于15V，自举电容无相应充电的回路。
e)如图1、图2、图3所示，当上桥臂驱动电路输出低电平，下桥臂驱动电路输出高电平时，MOSFET T1关断、MOSFET T2导通，功率变换器工作在斩上管的工作状态，此时G2为高电平，三极管Qs1截止、Qs2导通，；G1为低电平，功率变换器存在“VD2→绕组→T2”近似于零电压的续流回路，自举电容的充电路径为“15V→Du→Ca→绕组→T2→VSS”，即通过图1路径②和图3路径⑦进行充电。事实上，VD2有导通压降，S1点实际电位低于VSS，如电机负载较大时，续流时间较长，S1点不断存储负电荷，Ca可能会过充电至两端电压大于15V，因此在G1、S1两端加20V稳压二极管Dst，保障输出的驱动电压不高于20V。
f)如图1、图2、图3所示，当上桥臂驱动电路输出高电平，下桥臂驱动电路输出低电平时，MOSFET T1导通、MOSFET T2关断，功率变换器工作在斩下管的工作状态，此时G1为高电平，G2为低电平，Qs1导通、Qs2截止，存在“Us→T1→Df→Rf→Qs1→VSS”的工作路径，电阻Rf的存在，虽然避免了主电路直流母线电压直接短路的故障，但不适合电机重载情况下的斩下管控制，此时主电路处于零电压续流工作状态，S1点电位约为主电路电源电压Us，不存在自举电容充电回路。
g)上桥臂MOSFET T1驱动电路中自举二极管Du采用快恢复二极管，防止15V电源端与自举电容Ca的(p)极存在较大的反向电位差而引起电流倒灌；电阻Ru4串联在MOSFET T1的栅极能够限制较大的驱动电流；Ru5能够影响MOSFET T1的关断速率，通过调节Ru5的值能够减小MOSFET T1关断时的电压振荡；稳压二极管Dst保证输出稳定的驱动电压；Ru6为限流电阻，防止三极管Qu2、Qu3过饱和；电阻Rst1并联在栅极(G1)、源极(S1)两端，防止因米勒效应造成MOSFET T1误导通；电容Cst1并联在栅极(G1)、源极(S1)两端能够减缓MOSFET T1开通及关断速率，减小产生的电压尖峰。
下桥臂MOSFET T2驱动电路中Rd6为限流电阻，防止三极管Qd2、Qd3过饱和；电阻Rd4串联在MOSFET T2的栅极能够限制较大的驱动电流；Rd5能够影响MOSFET T2的关断速率，通过调节Rd5的值能够减小MOSFET T2关断时的电压振荡；电阻Rst2并联在栅极(G2)、源极(S2)两端，防止因米勒效应造成MOSFET T2误导通；电容Cst2并联在栅极(G2)、源极(S2)两端能够减缓MOSFET T2开通及关断速率，减小产生的电压尖峰。
当主电路中VD2损坏、电机反电动势、电压振荡等原因使S1电位低于零，自举电容充电路径中二极管Df可防止负压加于三极管Qs1的集电极、发射极两端造成器件损坏；电阻Rf能够控制充电的速率，但会流过较大的电流，实际中选择功率电阻。

Claims (1)

1.一种开关磁阻电机MOSFET功率变换器驱动电路，包括上桥臂MOSFET驱动电路、下桥臂MOSFET驱动电路以及自举电容特有充电电路，其特征在于：
a)开关磁阻电机MOSFET功率变换器为不对称半桥拓扑结构，一相绕组桥臂包括上桥臂开关器件MOSFET T1、上桥臂续流二极管VD1、下桥臂开关器件MOSFET T2、下桥臂续流二极管VD2以及一相电机绕组，一相绕组的一端同上桥臂MOSFET T1的源极以及下桥臂续流二极管VD2的阴极相连，绕组的另一端同上桥臂续流二极管VD1的阳极以及下桥臂MOSFET T2的漏极相连，上桥臂MOSFET T1的漏极同续流二极管VD1的阴极相连后再连接到直流侧电压源Us的正极，下桥臂MOSFET T2的源极同续流二极管VD2的阳极相连后再连接到直流侧电压源Us的负极；
b)上桥臂MOSFET T1驱动电路采用5只三极管Qu1、Qu2、Qu3、Qu4、Qu5，8只电阻Ru1、Ru2、Ru3、Ru4、Ru5、Ru6、Ru7、Rst1,1只自举二极管Du，1只自举电容Ca，1只稳压二极管Dst，1只发光二极管Dl1,1只稳压电容Cst1，来自控制器的控制信号的输入端口为Hin，驱动信号的驱动电流为iu，驱动信号的泄放电流为ia，自举电容的充电电流为ic；将控制信号的输入端口Hin与电阻Ru1的一端相连，电阻Ru1的另一端与三极管Qu1的基极相连；三极管Qu1的集电极与三极管Qu2的基极以及电阻Ru2的一端相连，电阻Ru2的另一端与自举二极管Du的阴极相连，Qu1发射极与电阻Ru3的一端相连，电阻Ru3的另一端接15V电源地VSS；三极管Qu2的发射极与自举二极管Du的阴极相连，Qu2的集电极与三极管Qu3的基极相连；三极管Qu3的集电极与自举二极管Du的阴极相连，Qu3的发射极与电阻Ru4的一端相连，电阻Ru4的另一端与上桥臂MOSFET T1的栅极相连；三极管Qu4的基极与三极管Qu5的发射极相连，Qu4的发射极与电阻Ru5的一端相连，电阻Ru5的另一端与上桥臂MOSFET T1的栅极相连，Qu4的集电极与上桥臂MOSFET T1的源极相连；三极管Qu5的基极与三极管Qu2的集电极和三极管Qu3的基极相连，同时还与电阻Ru6的一端相连，电阻Ru6的另一端与上桥臂MOSFET T1的源极相连，Qu5的集电极与上桥臂MOSFET T1的源极相连；15V电源正极与自举二极管Du的阳极相连，Du的阴极与电阻Ru2的另一端、三极管Qu2的发射极、三极管Qu3的集电极以及自举极性电容Ca的正极相连，自举极性电容Ca的负极与上桥臂MOSFET T1的源极相连；稳压二极管Dst并联在上桥臂MOSFET T1的栅、源两端，其中Dst的阳极与上桥臂MOSFET T1的源极相连，Dst的阴极与上桥臂MOSFET T1的栅极相连；发光二极管Dl1的阳极与电阻Ru7的一端相连，电阻Ru7的另一端与上桥臂MOSFET T1的栅极相连，Dl1的阴极与上桥臂MOSFET T1的源极相连；电容Cst1并联在上桥臂MOSFET T1的栅极、源极两端，其中Cst1的一端与上桥臂MOSFET T1的栅极相连，Cst1的另一端与上桥臂MOSFET T1的源极相连；电阻Rst1并联在上桥臂MOSFET T1的栅极、源极两端，其中Rst1的一端与上桥臂MOSFET T1的栅极相连，Rst1的另一端与上桥臂MOSFET T1的源极相连；
c)下桥臂MOSFET T2驱动电路采用5只三极管Qd1、Qd2、Qd3、Qd4、Qd5，8只电阻Rd1、Rd2、Rd3、Rd4、Rd5、Rd6、Rd7、Rst2，1只发光二极管Dl2,1只稳压电容Cst2，来自控制器的控制信号的输入端口为Lin，驱动信号的驱动电流为id，驱动信号的泄放电流为ib；将控制信号的输入端口Lin与电阻Rd1的一端相连，电阻Rd1的另一端与三极管Qd1的基极相连；三极管Qd1的集电极与三极管Qd2的基极以及电阻Rd2的一端相连，电阻Rd2的另一端与15V电源正极相连，Qd1发射极与电阻Rd3的一端相连，电阻Rd3的另一端与下桥臂MOSFET T2的源极相连并接15V电源地VSS；三极管Qd2的发射极与15V电源正极相连，Qd2的集电极与三极管Qd3的基极相连；三极管Qd3的集电极与15V电源正极相连，Qd3的发射极与电阻Rd4的一端相连，电阻Rd4的另一端与下桥臂MOSFETT2的栅极相连；三极管Qd4的基极与三极管Qd5的发射极相连，Qd4的发射极与电阻Rd5的一端相连，电阻Rd5的另一端与下桥臂MOSFET T2的栅极相连，Qd4的集电极与下桥臂MOSFET T2的源极相连；三极管Qd5的基极与三极管Qd2的集电极和三极管Qd3的基极相连，同时还与电阻Rd6的一端相连，电阻Rd6的另一端与下桥臂MOSFET T2的源极相连，Qd5的集电极与下桥臂MOSFETT2的源极相连；15V电源正极与电阻Rd2的另一端、三极管Qd2的发射极、三极管Qd3的集电极相连；发光二极管Dl2的阳极与电阻Rd7的一端相连，电阻Rd7的另一端与下桥臂MOSFET T2的栅极相连，Dl2的阴极与下桥臂MOSFET T2的源极相连；稳压电容Cst2并联在下桥臂MOSFET T2的栅极、源极两端，其中Cst2的一端与下桥臂MOSFET T2的栅极相连，Cst2的另一端与下桥臂MOSFET T2的源极相连；电阻Rst2并联在下桥臂MOSFET T2的栅极、源极两端，其中Rst2的一端与下桥臂MOSFET T2的栅极相连，Rst2的另一端与下桥臂MOSFET T2的源极相连；
d)自举电容特有的充电回路采用2只三极管Qs1、Qs2，1只二极管Df，3只电阻Rf、Rs1、Rs2，自举电容充电电流为ic；将上桥臂MOSFET T1的源极与二极管Df的阳极相连，二极管Df的阴极与电阻Rf的一端相连，电阻Rf的另一端与三极管Qs1的集电极相连；15V电源正极与电阻Rs1的一端相连，电阻Rs1的另一端与三极管Qs1的基极相连，三极管Qs1的发射极接15V电源地VSS；将下桥臂MOSFET T2的栅极与电阻Rs2的一端相连，电阻Rs2的另一端与三极管Qs2的基极相连，三极管Qs2的集电极与电阻Rs1的另一端和三极管Qs1的基极相连，三极管Qs2的发射极接15V电源地VSS；
e)当上桥臂控制信号输入端Hin为高电平，三极管Qu1饱和导通，Qu2、Qu3导通，Qu4、Qu5截止，驱动输出高电平，Dl1亮，自举电容Ca相当于一个悬浮电源，产生驱动电流iu通过路径①驱动上桥臂MOSFET T1开通，其中路径①具体为：Ca正极端→Qu2,Qu3→Ru4→T1→Ca负极端；当输入信号Hin为低电平，三极管Qu1截止，Qu2、Qu3截止，Qu4、Qu5导通，驱动输出低电平，Dl1灭，T1关断；当输入信号由高电平向低电平跳变时，由于Qu3的关断延迟，MOSFET T1门极维持短暂的高电平，Qu5的基极由Ru6拉为低电平，MOSFET T1通过路径③泄放电荷，实现关断过程，其中路径③具体为：MOSFET T1的栅极→Ru5→Qu4,Qu5→MOSFET T1的源极；
f)当下桥臂控制信号输入端Lin为高电平，三极管Qd1饱和导通，Qd2、Qd3导通，Qd4、Qd5截止，驱动输出高电平，Dl2亮，产生驱动电流id通过路径④驱动下桥臂MOSFET T2开通，其中路径④具体为：15V电源正极→Qd2,Qd3→Rd4→T2→15V电源地VSS；当输入信号Lin为低电平，三极管Qd1截止，Qd2、Qd3截止，Qu4、Qu5导通，驱动输出低电平，Dl2灭，MOSFET T2关断；当输入信号由高电平向低电平跳变时，由于Qd3的关断延迟，MOSFET T2门极维持短暂的高电平，Qd5的基极由Rd6拉为低电平，MOSFET T2通过路径⑤泄放电荷，实现关断过程，其中路径⑤具体为：MOSFET T2的栅极→Rd5→Qd4,Qd5→MOSFET T2的源极；
g)当上、下桥臂驱动电路均输出低电平，MOSFET T1和MOSFET T2关断，属于本相的非导通区间，MOSFET T2栅极为低电平，三极管Qs1导通、Qs2截止，15V电源通过路径②和路径⑥对自举电容进行充电，其中路径②具体为：15V电源正极→Du→Ca→MOSFET T1的源极,路径⑥具体为：MOSFET T1的源极→Df→Rf→Qs1→15V电源地VSS，改变电阻Rf的值可以改变充电的速率，由于MOSFET T1的源极处的电位是浮动的，Rf在实际中选择功率电阻；
h)当上、下桥臂驱动电路均输出高电平，MOSFET T1和MOSFET T2导通，属于本相的导通区间，MOSFET T2栅极为高电平，三极管Qs1截止、Qs2导通，忽略器件压降，MOSFET T1源极电位升至直流侧电源电压Us，若Us低于15V，则MOSFET T1源极电位低于驱动电源15V，15V电源通过路径②和路径⑦对自举电容进行充电，其中路径⑦具体为：MOSFET T1的源极→电机绕组→MOSFET T2→15V电源地VSS，其中驱动电源15V与主电路直流母线电压Us共地，若Us高于15V，自举电容无相应充电的回路；
i)当上桥臂驱动电路输出低电平，下桥臂驱动电路输出高电平时，MOSFET T1关断、MOSFET T2导通，功率变换器工作在斩上管的工作状态，此时MOSFET T2栅极为高电平，三极管Qs1截止、Qs2导通，MOSFET T1栅极为低电平，功率变换器存在“电机绕组→MOSFET T2→续流二极管VD2→电机绕组”近似于零电压的续流回路，15V电源通过路径②和路径⑦对自举电容进行充电，事实上，VD2有导通压降，MOSFET T1源极实际电位低于母线电压Us的地，当电机负载较大时，续流时间较长，MOSFET T1源极不断存储负电荷，Ca会过充电至两端电压大于15V，因此在MOSFET T1栅、源极两端加20V稳压二极管Dst，保障输出的驱动电压不高于20V；
j)当上桥臂驱动电路输出高电平，下桥臂驱动电路输出低电平时，MOSFET T1导通、MOSFET T2关断，功率变换器工作在斩下管的工作状态，此时MOSFET T1栅极为高电平，MOSFET T2栅极为低电平，Qs1导通、Qs2截止，存在“母线电压Us正极→MOSFET T1→Df→Rf→Qs1→15V电源地VSS”的工作路径，电阻Rf的存在，虽然避免了主电路直流母线电压直接短路的故障，但不适合电机重载情况下的斩下管控制，此时主电路处于零电压续流工作状态，MOSFET T1源极电位为主电路电源电压Us，不存在自举电容充电回路；
k)上桥臂MOSFET T1驱动电路中自举二极管Du采用快恢复二极管，防止15V电源正极与自举电容Ca的正极存在较大的反向电位差而引起电流倒灌；电阻Ru4串联在MOSFET T1的栅极能够限制较大的驱动电流；Ru5能够影响MOSFET T1的关断速率，通过调节Ru5的值能够减小MOSFET T1关断时的电压振荡；稳压二极管Dst保证输出稳定的驱动电压；Ru6为限流电阻，防止三极管Qu2、Qu3过饱和；电阻Rst1并联在MOSFET T1栅极、源极两端，防止因米勒效应造成MOSFET T1误导通；电容Cst1并联在MOSFET T1栅极、源极两端能够减缓MOSFET T1开通及关断速率，减小产生的电压尖峰；
下桥臂MOSFET T2驱动电路中Rd6为限流电阻，防止三极管Qd2、Qd3过饱和；电阻Rd4串联在MOSFET T2的栅极能够限制较大的驱动电流；Rd5能够影响MOSFET T2的关断速率，通过调节Rd5的值能够减小MOSFET T2关断时的电压振荡；电阻Rst2并联在MOSFET T2栅极、源极两端，防止因米勒效应造成MOSFET T2误导通；电容Cst2并联在MOSFET T2栅极、源极两端能够减缓MOSFET T2开通及关断速率，减小产生的电压尖峰；
由于主电路中续流二极管VD2损坏、电机反电动势、电压振荡使MOSFET T1源极电位低于零，自举电容充电路径中二极管Df可防止负压加于三极管Qs1的集电极、发射极两端造成器件损坏；电阻Rf能够控制充电的速率，但会流过较大的电流，实际中选择功率电阻。
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