CN106655859B - 一种用于电机驱动电路的桥臂及其控制方法 - Google Patents

一种用于电机驱动电路的桥臂及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明实施例公开了一种用于电机驱动电路的桥臂及其控制方法，涉及电气设备及电气工程技术领域，能够抑制大电流情况下电机桥臂MOSFET体二极管反向恢复问题，减小电机驱动电路损耗，提高系统效率。本发明包括：桥臂开关管，桥臂优化开关管，反向串联开关管，反向并联二极管，驱动器和延时环节。其中，反向串联开关管可以与上桥臂开关管串联，也可以与下桥臂开关管串联，还可以通过采用两个反向串联开关管对上下桥臂同时进行降低开关损耗的优化。反向并联二极管并联于有反向串联开关管的桥臂。本发明适用于电机桥臂的反向恢复抑制。

Description

一种用于电机驱动电路的桥臂及其控制方法
技术领域
本发明涉及电气设备及电气工程技术领域，尤其涉及一种用于电机驱动电路的桥臂及其控制方法。
背景技术
目前，在100V～600V输入电压的中小功率电机驱动设备中，主要采用基于三相桥式逆变器的电机驱动电路拓扑方案，比如：如图1所示的采用同步整流技术的电机驱动电路单相桥臂，其利用了Si沟道双向导通特性实现同步整流。但是，在桥臂工作过程中，为了避免桥臂直通，必然存在一定的死区时间。在上下管死区时间内，电流流经某一MOSFET的体二极管，当桥臂另一MOSFET管再次开通时，体二极管强迫关断，产生反向恢复问题。体二极管的反向恢复电流尖峰增加了开通MOSFET管的开通损耗，严重时甚至会损坏功率器件。
目前解决体二极管反向恢复问题，主要会在MOSFET的外部反向并联肖特基二极管，优化设置死区时间，增加吸收电路或者采用软开关技术等，由于肖特基二极管几乎没有反向恢复问题，因此反并肖特基二极管可以有效抑制电机桥臂MOSFET反向恢复问题。但是肖特基二极管正向导通压降随导通电流的增加而增加，在负载较重、相电流较大时，MOSFET体二极管的正向压降和肖特基二极管的相近，同时MOSFET的寄生电感抑制电流的变化，所以在桥臂死区时间内，由于之前电流流过沟道，因此此时电流趋向于从沟道换流至体二极管而不是肖特基二极管。因为体二极管流过电流，所以当上管开通时，仍会产生体二极管的反向恢复问题。所以在实际应用中，电机驱动电路的开关损耗率依然较高。
发明内容
本发明的实施例提供一种用于电机驱动电路的桥臂及其控制方法，能够抑制大电流情况下电机桥臂MOSFET体二极管反向恢复问题，减小电机驱动电路损耗，提高系统效率。
为达到上述目的，本发明的实施例采用如下技术方案：
所述用于电机驱动电路的桥臂包括：桥臂开关管(Q1)、桥臂优化开关管(Q2)、反向串联开关管(Q3)、反向并联二极管(D1)、延时环节和驱动电路；桥臂开关管(Q1)的漏极连接电源正端、源极连接桥臂中点、栅极与驱动电路直接相连；桥臂优化开关管(Q2)在所在桥臂支路上与反向串联开关管(Q3)串联，并与反向并联二极管(D1)并联；桥臂优化开关管(Q2)的栅极通过所述延时环节与驱动电路相连、漏极连接电源正端和桥臂中点，源极连接桥臂中点和电源负端；反向串联开关管(Q3)与桥臂优化开关管(Q2)串联，且与反向并联二极管(D1)并联；反向串联开关管(Q3)的栅极与驱动电路直接相连、漏极连接电源正端和桥臂中点、源极连接桥臂中点和电源负端；反向并联二极管(D1)并联于桥臂优化开关管(Q2)和反向串联开关管(Q3)；反向并联二极管(D1)的两端分别连接电源正端和桥臂中点、桥臂中点和电源负端；
所述控制方法包括：
通过驱动信号直接驱动反向串联开关管(Q3)；
并通过所述延时环节对桥臂优化开关管(Q2)的驱动信号增加延时，使反向串联开关管(Q3)早于桥臂优化开关管(Q2)关断，并使反向串联开关管(Q3)早于桥臂优化开关管(Q2)导通。
本发明实施例提供的用于电机驱动电路的桥臂及其控制方法，反向串联开关管可以与上桥臂开关管串联，也可以与下桥臂开关管串联，还可以通过采用两个反向串联开关管对上下桥臂同时进行降低开关损耗的优化。反向并联二极管并联于有反向串联开关管的桥臂。与现有方案相比，在大电流情况下与反串开关管串联的桥臂优化开关管仍可以实现零电流关断；且与反串开关管串联的开关管体二极管不存在反向恢复问题；并且桥臂结构较简单、控制容易，开关损耗小。有效抑制大电流情况下电机桥臂MOSFET体二极管反向恢复问题，减小电机驱动电路损耗，提高系统效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1为现有技术方案的示意图；
图2为本发明实施例提供的用于电机驱动电路的桥臂的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的开关管结构示意图的结构示意图；
图4为反并肖特基二极管的电机驱动桥臂的结构示意图；
图5为本发明实施例提供的用于电机驱动电路的控制方法在执行过程中的控制策略驱动信号和相关电压电流波形示意图。
具体实施方式
为使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述。下文中将详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语包括技术术语和科学术语具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
本发明实施例提供一种用于电机驱动电路的桥臂，如图2所示，包括：
桥臂开关管Q1、桥臂优化开关管Q2、反向串联开关管Q3、反向并联二极管D1、延时环节和驱动电路；
桥臂开关管Q1的漏极连接电源正端、源极连接桥臂中点、栅极与驱动电路直接相连；具体的，桥臂开关管Q1的漏极和源极分别接于电源正端和桥臂中点(作为上管)或桥臂中点和电源负端(作为下管)。
桥臂优化开关管Q2在所在桥臂支路上与反向串联开关管Q3串联，并与反向并联二极管D1并联；桥臂优化开关管Q2的栅极通过所述延时环节与驱动电路相连、漏极连接电源正端和桥臂中点，源极连接桥臂中点和电源负端；具体的，桥臂优化开关管Q2接于电源正端和桥臂中点(作为上管)或桥臂中点和电源负端(作为下管)。
反向串联开关管Q3与桥臂优化开关管Q2串联，且与反向并联二极管D1并联；反向串联开关管Q3的栅极与驱动电路直接相连、漏极连接电源正端和桥臂中点、源极连接桥臂中点和电源负端；具体的，反向串联开关管Q3接于电源正端和桥臂中点(优化管为上管)或桥臂中点和电源负端(优化管为下管)。
反向并联二极管D1并联于桥臂优化开关管Q2和反向串联开关管Q3；反向并联二极管D1的两端分别连接电源正端和桥臂中点、桥臂中点和电源负端。具体的，反向并联二极管D1接于电源正端和桥臂中点(优化管为上管)或桥臂中点和电源负端(优化管为下管)。
需要说明的是，本实施例中所述的桥臂可以理解为由两个开关管串联在电源两端形成的支路，此时桥臂由两个开关管组成，其中有一端连接在电源正端的开关管一般称为桥臂上管，所处部分桥臂称为上桥臂，同理另一个开关管为桥臂下管，所处部分桥臂称为下桥臂。桥臂中点在没有加入桥臂优化开关管的时候是指桥臂上管的源极和桥臂下管的漏极的连接点，此处作为输出端连接电机负载。电源正端和桥臂中点(作为上管)可以理解为：在将桥臂上管作为桥臂开关管的场景中，桥臂上管的漏极接在电源的正端，源极接在桥臂中点。“桥臂中点和电源负端(作为下管)”可以理解为：在将桥臂下管作为桥臂开关管的场景中，桥臂下管的漏极接在桥臂中点，源极接在电源负端。
在本专业的论文和其他文献中，“桥臂中点”为一种约定俗称的术语，为了便于理解，本实施例中也采用“桥臂中点”以及关联说法，比如：“桥臂上管”和“桥臂下管”。进一步的，当采用的电源为一个直流源时，电源正端、负端也可以替换成直流母线正端和负端，同时为电源到桥臂之间加入其他器件例如断路器等留下余地。
其中，反向串联开关管可以与上桥臂开关管串联，也可以与下桥臂开关管串联，还可以通过采用两个反向串联开关管对上下桥臂同时进行降低开关损耗的优化，本实施例中以与下桥臂开关管串联为例，反向并联二极管D1并联于有反向串联开关管的桥臂并作为下桥臂。
具体的，桥臂结构以下桥臂开关管为桥臂优化开关管为例，上桥臂包括上桥臂开关管Q1，下桥臂包括桥臂优化开关管Q2、反向串联开关管Q3和反向并联二极管D1。反向串联开关管Q3与桥臂优化开关管Q2串联，反向并联二极管D1并联于下桥臂，控制器包括驱动电路及延时环节。
若将反向串联开关管接于下桥臂，上桥臂开关管Q1漏极与输入电源正端相连，Q1源极与桥臂中点相连。Q1栅极与驱动电路的上桥臂驱动信号相连。下桥臂Q2与Q3串联，Q2漏极与桥臂中点相连，Q2源极与Q3源极相连，Q3漏极与输入电源负端相连。Q3的栅极与驱动电路的下桥臂驱动信号相连，Q2的栅极通过延时环节与驱动电路的下桥臂驱动信号相连。反向并联二极管D1的阴极与Q2的漏极相连，阳极和Q3的漏极相连。
在本实施例中，如图3所示的，桥臂开关管Q1、桥臂优化开关管Q2、反向串联开关管Q3的结构均包括开关管的沟道、体二极管和寄生电感；桥臂开关管Q1、桥臂优化开关管Q2、反向串联开关管Q3的结构均为硅半导体。具体的，所述桥臂开关管Q1，其类型包括但不限于MOSFET或IGBT，P沟道或N沟道，桥臂上管或桥臂下管。材料包括但不限于硅半导体；所述桥臂优化开关管Q2，其类型包括但不限于MOSFET或IGBT，P沟道或N沟道，桥臂上管或桥臂下管。材料包括但不限于硅半导体；所述反向串联开关管Q3，其类型包括但不限于MOSFET或IGBT，P沟道或N沟道。材料包括但不限于硅半导体；所述反向并联二极管D1，其类型包括但不限于肖特基二极管，但需要其基本不存在反向恢复问题，材料包括但不限于硅半导体；
所述驱动电路包括：DSP、驱动芯片或驱动模块；所述延时环节包括硬件延时电路。所述驱动电路采用正常的电机驱动电路桥臂驱动策略。具体的，所述延时环节的延时时间大于反向串联开关管Q3的开通关断时间，小于死区时间。所述延时环节还可以实现为一种用于实现“延时时间大于反向串联开关管Q3的开通关断时间，小于死区时间”功能的软件延时模块。
基于如图2所示的用于电机驱动电路的桥臂，本发明实施例还提供一种用于电机驱动电路的桥臂的控制方法。其中，所述用于电机驱动电路的桥臂包括：桥臂开关管Q1、桥臂优化开关管Q2、反向串联开关管Q3、反向并联二极管D1、延时环节和驱动电路；桥臂开关管Q1的漏极连接电源正端、源极连接桥臂中点、栅极与驱动电路直接相连；桥臂优化开关管Q2在所在桥臂支路上与反向串联开关管Q3串联，并与反向并联二极管D1并联；桥臂优化开关管Q2的栅极通过所述延时环节与驱动电路相连、漏极连接电源正端和桥臂中点，源极连接桥臂中点和电源负端；反向串联开关管Q3与桥臂优化开关管Q2串联，且与反向并联二极管D1并联；反向串联开关管Q3的栅极与驱动电路直接相连、漏极连接电源正端和桥臂中点、源极连接桥臂中点和电源负端；反向并联二极管D1并联于桥臂优化开关管Q2和反向串联开关管Q3；反向并联二极管D1的两端分别连接电源正端和桥臂中点、桥臂中点和电源负端。
所述控制方法包括：
通过驱动信号直接驱动反向串联开关管Q3；并通过所述延时环节对桥臂优化开关管Q2的驱动信号增加延时，使反向串联开关管Q3早于桥臂优化开关管Q2关断，并使反向串联开关管Q3早于桥臂优化开关管Q2导通。
具体的，在电机一般采用的带死区的驱动逻辑包括但不限于六阶梯波驱动、SVPWM驱动的基础上，使相应桥臂的驱动信号直接驱动反向串联开关管Q3，并通过延时环节对桥臂优化开关管Q2的驱动信号增加必要的延时，使反向串联开关管Q3早于桥臂优化开关管Q2关断，同时早于桥臂优化开关管Q2导通。
其中，为了降低开关损耗，所采用的电机驱动电路控制策略，主要包括Q1，Q2和Q3的驱动逻辑。所述控制策略，其驱动信号波形和相关电压电流波形如图5所示。其中：在电机一般采用的带死区的驱动逻辑包括但不限于六阶梯波驱动、SVPWM驱动的基础上，使下桥臂驱动信号直接驱动Q3，并通过延时环节对驱动信号增加必要的延时后驱动Q2，使Q3先于Q2关断，同时先于Q2开通。
具体的，Q2开通过程包括：t2时刻先开通Q3，当Q3完全导通后，在t3时刻开通Q2，电流由D1换流至Q2和Q3。以便于Q3不影响Q2的开通。
Q2关断过程包括：在t4时刻之前，Q1关断，Q2和Q3导通，电流通过Q2、Q3流入电机；在t4时刻下管关断，电流由Q2和Q3支路换流至D1支路。以便于为Q2零电流关断做准备。
在t5时刻由于Q3已关断，且Q3的体二极管反向截止，Q2和Q3支路不流过电流，Q2零电流关断，电流通过D1续流。
在t6时刻Q1开通。且由于D1基本不存在反向恢复，因此Q1开通电流不会叠加由二极管反向恢复问题产生的电流尖峰，开关损耗降低。又由于Q3导通时流过双向电流，因此能实现电机四象限运行。Q3体二极管与Q2相反，因此Q3截止时无法流过反向电流，强制续流电流切换至D1续流，避免大电流情况下体二极管的反向恢复问题。
目前，针对二极管的反向恢复问题的解决方案，主要是通过在MOSFET的外部反向并联肖特基二极管，优化设置死区时间，增加吸收电路或者采用软开关技术等，比如：如图4所示为在下管Q2两端反向并联肖特基二极管D1的某一相电机驱动桥臂。由于肖特基二极管几乎没有反向恢复问题，因此反并肖特基二极管可以有效抑制电机桥臂MOSFET反向恢复问题。但是肖特基二极管正向导通压降随导通电流的增加而增加，在负载较重、相电流较大时，MOSFET体二极管的正向压降和肖特基二极管的相近，同时MOSFET的寄生电感抑制电流的变化，所以在桥臂死区时间内，由于之前电流流过沟道，因此此时电流趋向于从沟道换流至体二极管而不是肖特基二极管。因为体二极管流过电流，所以当上管Q1开通时，仍会产生反向恢复问题，采用反并肖特基二极管并不能有效抑制体二极管的反向恢复问题。且对于死区时间优化，增加吸收电路或者采用软开关技术等也存在不足。死区时间优化增加了桥臂直通的风险；吸收电路仅通过阻容吸收了反向恢复电流尖峰，并未减小损耗；软开关技术采用谐振的方式，增加了开关器件的电压电流应力。
而本发明实施例能够提供了一种新的电机驱动电路桥臂结构以及对应的控制方法，反向串联开关管可以与上桥臂开关管串联，也可以与下桥臂开关管串联，还可以通过采用两个反向串联开关管对上下桥臂同时进行降低开关损耗的优化。反向并联二极管并联于有反向串联开关管的桥臂。与现有方案相比，在大电流情况下与反串开关管串联的桥臂优化开关管仍可以实现零电流关断；且与反串开关管串联的开关管体二极管不存在反向恢复问题；并且桥臂结构较简单、控制容易，开关损耗小。有效抑制包括了大电流情况在内的电机桥臂MOSFET体二极管反向恢复问题，减小电机驱动电路损耗，提高系统效率。
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于设备实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (1)

1.一种用于电机驱动电路的桥臂，其特征在于，包括：
桥臂开关管(Q1)、桥臂优化开关管(Q2)、反向串联开关管(Q3)、反向并联二极管(D1)、延时环节和驱动电路；
桥臂开关管(Q1)的漏极连接电源正端、源极连接桥臂中点、栅极与驱动电路直接相连；
桥臂优化开关管(Q2)在所在桥臂支路上与反向串联开关管(Q3)串联，并与反向并联二极管(D1)并联；
桥臂优化开关管(Q2)的栅极通过所述延时环节与驱动电路相连、漏极连接桥臂中点，源极连接电源负端；
反向串联开关管(Q3)与桥臂优化开关管(Q2)串联，且与反向并联二极管(D1)并联；
反向串联开关管(Q3)的栅极与驱动电路直接相连、漏极连接桥臂中点、源极连接电源负端；
反向并联二极管(D1)并联于桥臂优化开关管(Q2)和反向串联开关管(Q3)；
反向并联二极管(D1)的两端分别连接桥臂中点和电源负端，所述驱动电路包括：DSP、驱动芯片或驱动模块；所述延时环节包括硬件延时电路；
所述延时环节的延时时间大于反向串联开关管(Q3)的开通关断时间，小于死区时间；
所述延时环节还包括软件延时模块；
桥臂开关管(Q1)、桥臂优化开关管(Q2)、反向串联开关管(Q3)的结构均包括沟道、体二极管和寄生电感；
桥臂开关管(Q1)、桥臂优化开关管(Q2)、反向串联开关管(Q3)的结构均为硅半导体。
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