CN106452272A - 一种用于电动车的开关磁阻电机集成驱动装置 - Google Patents
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Abstract
一种用于电动车的开关磁阻电机集成驱动装置，包括一块双层PCB板，所述PCB板的顶层设有控制电路、驱动电路和功率变换电路，所述功率变换电路的MOSFET和二极管分别并联固定在一块散热铝块的两侧，并直插固定于PCB板顶层上，电机绕组线路呈不对称半桥结构排布在PCB板顶层与MOSFET与二极管的接线处相连，驱动电路的驱动信号线与MOSFET栅极相连，PCB板的底层设有直流母线和直流侧电容，直流母线的一端正负极分别连接并联的MOSFET和二极管，另一端分别对应连接直流侧电容的正负两极，并且排列在PCB板底层的右侧。本发明极大地减小了驱动装置的体积，具有较高的集成度，成本低，和良好的扩展性。
Description
技术领域
本发明属于开关磁阻电机驱动装置领域，具体涉及一种用于电动车的开关磁阻电机集成驱动装置。
背景技术
开关磁阻电机结构简单牢固、启动转矩大、过载能力强、调速范围宽、容错性能好、效率高等优点使其非常适合作为电动车用驱动电机，但开关磁阻电机驱动装置主要由控制电路、驱动电路以及功率变换电路组成，其特殊的功率变换器与电动车对电机驱动装置低成本、集成化的需求特性相矛盾。电动车在启动、爬坡以及重载等工况下对驱动电机绕组电流有较大的需求，通常选择通流能力最强的IGBT作为车用功率变换器的主开关器件，但IGBT体积大，成本高，不利于整个驱动装置的集成化设计，且IGBT耐压值较高，而电动车采用低压蓄电池供电，造成了电压裕量的浪费。MOSFET体积小，成本低，开关速度快，工作频率高，但MOSFET通态电流较小，现有的电动车功率变换器大多采用若干MOSFET并联来满足较大的峰值电流，且MOSFFET通态电阻具有正温度系数，有利于器件并联时的均流；另一方面，为了提高散热效果，功率器件通常以平铺的方式固定在一块散热铝板上，然而较多的功率器件也增大了功率变换器的体积。
专利一种开关磁阻电机驱动电路(公开号CN104660115A，公开日2015.05.27)，包括信号放大电路，信号放大电路设有高边放大电路和低边放大电路，高边放大电路电连接有一个上开关管，低边放大电路电连接有若干个下开关管，上开关管和下开关管之间串接有电机线圈，上开关管和下开关管两端并联有电源，上开关管和电机线圈两端并联有续流二极管，电机线圈和下开关管两端并联有二极管。本发明虽然通过减少上开关管，降低了制造成本，减小了开关磁阻电机驱动器体积，但是电路中元件种类过多，布线复杂，存在杂散电感和不均流现象，无法真正地实现器件集成化和线路的稳定化，从而无法真正意义上地减小开关磁阻电机功率变换器的体积。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于电动车的开关磁阻电机集成驱动装置，改变多个功率器件并联平铺固定方式的布局，最大程度减小功率变换器的体积，实现开关磁阻电机驱动装置的集成化和低成本，提高电动车工作的可靠性。
本发明提供了如下的技术方案：
一种用于电动车的开关磁阻电机集成驱动装置，包括一块双层PCB板，所述PCB板的顶层设有控制电路、驱动电路和功率变换电路，所述PCB板的底层设有直流母线和直流侧电容，所述功率变换电路包括MOSFET、二极管、散热铝块和电机绕组线路,MOSFET和二极管分别并联固定在散热铝块的两侧，并以直插的方式固定于PCB板顶层上，所述电机绕组线路呈不对称半桥结构排布在PCB板顶层，MOSFET与二极管的接线处与电机的绕组线路相连，实现各相桥臂中MOSFET和二极管之间的并联连接，所述控制电路输出端和所述驱动电路输入端相连，直插在PCB的顶层左侧，所述驱动电路的驱动信号线与功率变换电路的MOSFET栅极相连，所述PCB板的底层直流母线的正极连接所述并联MOSFET和二极管的上桥臂，负极连接到所述并联MOSFET和二极管的下桥臂，所述直流侧电容的正负两极分别连接到对应的直流母线正负两极上，并且直插在PCB板底层的右侧。
优选的，所述控制电路包括依次连接的数字信号控制器、CMOS器件和逻辑芯片，所述CMOS器件和逻辑芯片对数字信号控制器发的控制信号进行逻辑处理并传输给所述驱动电路所述驱动电路包括相互电连接的驱动芯片和推挽电路，所述驱动芯片和推挽电路对控制电路输出的控制信号进行功率放大，驱动功率变换电路，所述逻辑芯片与所述驱动芯片相互电连接。
优选的，所述数字信号控制器、逻辑芯片和驱动芯片都采用贴片式封装电路，实现电路集成化。
优选的，所述电机绕组线路选择载流能力强的铜条，电动车载重时，相绕组中电流较大。
优选的，所述直流母线采用E型布线方式，E型布线的分支将等电位的MOSFET和二极管串接在一起，提高了功率变换器布线的对称性，可以较大程度减小布线的长度，进而减小杂散电感。
优选的，直流母线通过的电流较大，所述直流母线采用载流能力强的铜条。
优选的，所述直流侧电容采用若干个小容量的电解电容并联来提高电容大小，同时达到了减小器件体积的效果。
本发明的有益效果是：本发明以PCB设计为基础，极大地减小了驱动装置的体积，具有较高的集成度；器件布局和布线方式合理地利用了空间，增加了布线的对称性，减小了杂散电感，有利于器件的均流；这种设计思想满足不同相数、不同数目器件并联的功率变换器，具有良好的扩展性；驱动装置的PCB集成化设计省去了复杂的手工接线带来的误差，有利于提高驱动系统的可靠性，降低了成本，这些有益效果对电动车用开关磁阻电机驱动装置的设计具有很好的工程应用价值。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1是本发明开关磁阻电机集成驱动装置PCB设计顶层布线示意图；
图2是本发明开关磁阻电机集成驱动装置PCB设计底层布线示意图；
图3是本发明每相MOSFET排列方式的主视图；
图4是本发明每相MOSFET排列方式的左视图；
图5是本发明每相MOSFET排列方式的俯视图；
图6是本发明每相二极管排列方式的主视图；
图7是本发明每相二极管排列方式的左视图；
图8是本发明每相二极管排列方式的俯视图；
图中，1.二极管，2.绕组线路，3.MOSFET，4.直流侧电容，5.直流母线，6.散热铝块。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例作进一步的描述：
实施例1：如图1所示，本发明的开关磁阻电机集成驱动装置PCB板顶层主要对控制电路、驱动电路、功率变换电路的布线以及器件的布局进行设计。控制电路部分数字信号控制器选用dsPIC4012单片机，选用74HC04以及HEF4081芯片对输出信号进行逻辑处理。驱动电路选取IR2110驱动芯片和推挽电路对控制信号进行功率放大，为保证各相桥臂中并联的MOSFET 3具有相同的开关状态，一路驱动信号线同时连接到相应桥臂中并联MOSFET 3的栅极上，因此需要八路驱动线。功率变换电路中各相以及每相的上下桥臂均设计成相同的走线和器件布局，以提高功率变换电路的对称性；设计中在确保散热正常和不受电磁干扰影响的情况下，适当缩短各相电路之间的距离；阴影部分为覆铜区域，该区域为MOSFET 3和二极管1之间的接线处，在该区域固定载流能力较强的铜条实现MOSFET 3和二极管1的并联接线，并通过绕组线路2连接。控制电路和驱动电路中的电子器件均选用贴片式，有利于集成化的设计。
实施例2：结合图1、图3和图4，本发明中融合了直插式芯片的外观设计思想，将并联的MOSFET 3和二极管1分别固定在一块散热铝块6的两侧，并以直插的方式横跨于覆铜区域之上，相比散热板上的平铺方式，实现了空间的充分利用。
实施例3：如图2所示，本发明的开关磁阻电机集成驱动装置PCB板底层主要对功率变换器直流母线5的布线方式以及直流侧电容4的布局进行设计。直流母线5通过的电流较大，仍采用载流能力强的铜条作为直流母线5。直流母线5的正负两极到各相桥臂之间的连线采用E型布线结构，E型布线的分支将等电位的MOSFET 3和二极管1串接在一起，提高了功率变换器布线的对称性；直流侧电容4选用9个100μF的电解电容并联代替传统功率变换器中体积较大的电解电容，采用如图所示的布局一字排列，使得电解电容的正负极恰好连接到两个E型布线的分支上，充分利用了PCB设计空间，减小了系统体积和成本，进一步实现了集成化。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种用于电动车的开关磁阻电机集成驱动装置，包括一块双层PCB板，其特征在于，所述PCB板的顶层设有控制电路、驱动电路和功率变换电路，所述PCB板的底层设有直流母线和直流侧电容，所述功率变换电路包括MOSFET、二极管、散热铝块和电机绕组线路,所述MOSFET和所述二极管分别并联固定在所述散热铝块的两侧，并直插固定于所述PCB板顶层上，所述电机绕组线路呈不对称半桥结构排布在所述PCB板顶层，所述MOSFET与所述二极管的接线处与所述电机绕组线路相连，所述控制电路输出端和所述驱动电路输入端相连，直插在所述PCB的顶层左侧，所述驱动电路的驱动信号线与所述MOSFET栅极相连，所述直流母线的正负极分别连接所述并联MOSFET和所述二极管的上下桥臂，所述直流侧电容的正负两极分别连接到对应的所述直流母线正负两极上，并且直插在所述PCB板底层的右侧。
2.根据权利要求1所述的一种用于电动车的开关磁阻电机集成驱动装置，其特征在于，所述控制电路包括依次连接的数字信号控制器、CMOS器件和逻辑芯片，所述驱动电路包括相互电连接的驱动芯片和推挽电路，所述逻辑芯片与所述驱动芯片相互电连接。
3.根据权利要求2所述的一种用于电动车的开关磁阻电机集成驱动装置，其特征在于，所述数字信号控制器、逻辑芯片和驱动芯片都采用贴片式封装电路，直插在所述PCB的顶层左侧。
4.根据权利要求1所述的一种用于电动车的开关磁阻电机集成驱动装置，其特征在于，所述直流母线采用E型布线方式，E型布线的分支连接所述MOSFET和所述二极管的等电位。
5.根据权利要求1所述的一种用于电动车的开关磁阻电机集成驱动装置，其特征在于，所述电机绕组线路和所述直流母线选用铜条。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的一种用于电动车的开关磁阻电机集成驱动装置，其特征在于，所述直流侧电容选用若干个小容量的电解电容并联，且呈竖直线直插在PCB板底层右侧。
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