CN106685194B - Ipm马达驱动应用中的自举电路 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种IPM马达驱动应用中的自举电路，包括自举电容、自举电阻、自举二极管。可以让驱动系统占整体系统的结构占比更小，更轻，能量效率更高，驱动系统整体成本也更低，而且IPM具有模块化，抗干扰能力强，性能参数更优异的有点。同时运用本文介绍的算法控制方式，通过PWM占空比判断马达运状态，再根据判断结果给出相应占空比的脉冲串对自举驱动电路进行充电控制，可以避免较大启动电流对器件的冲击，也能保证自举浮动电源电压可以稳定在欠压设计值以上，可以让驱动电路更稳定工作，避免启动时和PWM正常时马达因自举回路供电不足导致欠压功能启动而导致的马达故障。

Description

IPM马达驱动应用中的自举电路
技术领域
本发明涉及一种IPM马达驱动应用中的自举电路，尤其是一种智能功率模块在马达应用中的自举驱动电路，属于智能功率模块技术领域。
背景技术
IPM模块将功率半导体技术与集成电路整合在一起，在中低功率的应用中正发挥越来越大的作用。目前的中低功率的马达应用中，驱动系统紧凑小型化、效率提升、总体成本降低的需求越来越强烈，而IPM相对于传统的分立器件的驱动系统，具有更小、更轻、模块化、成本低、性能好、可靠性高的诸多优势，在中小功率的马达应用中愈发重要。
目前在马达驱动应用中，传统的分立器件驱动解决方案外围电路复杂，结构大，功耗高，成本很难降低。而IPM为核心的马达驱动电路具有外围电路简单，整体结构下，功耗更低，模块化，抗干扰能力强，总体成本更低的优点。目前的IPM自举电路和控制方法，在启动时容易产生较大电流冲击器件，而且启动工作时马达容易发生欠压故障；而且在驱动控制PWM正常的情况下，现行驱动方案也容易发生自举电路浮动源电压跌落导致HVIC供电偏低进入欠压保护模式，引起电机间歇性欠压故障的问题。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术中存在的不足，提供一种IPM马达驱动应用中的自举电路，解决IPM马达应用中启动时频繁出现的欠压故障和马达运行中控制PWM波正常的情况下马达欠压运行故障的问题，有效提高了整个系统的稳定性、可靠性，而且整体电路更简洁，成本更低。
按照本发明提供的技术方案，所述IPM马达驱动应用中的自举电路，其特征是：包括高压驱动集成电路、低压驱动集成电路、自举电阻R5、自举二极管D1和自举电容Cbs；所述自举电容Cbs的一端连接自举二极管D1的阴极、高压驱动集成电路，自举电容Cbs的另一端连接栅电阻R6的一端、第一IGBT器件的门极、第二IGBT器件的集电极和高压驱动集成电路，栅电阻R6的另一端连接高压驱动集成电路，自举二极管D1的阳极连接自举电阻R5的一端，自举电阻R5的另一端连接电容C1的一端的一端和电压Vcc，电容C1的另一端接地；第一IGBT器件的发射极连接第二IGBT器件的集电极，第二IGBT器件的发射极连接电容C2的一端、电阻R3的一端、电阻R4的一端，电阻R3的另一端加接低压驱动集成电路、电容C3的一端，电阻R4的另一端连接电容C3的另一端。
进一步的，所述高压驱动集成电路包括第一脉冲发生模块、滤波模块、第一欠压监测模块、触发器、电阻R1、电阻R2、功率管Q1、功率管Q2、功率管Q3和功率管Q4；所述第一脉冲发生模块的一端连接输入端IN，第一脉冲发生模块的另一端分别连接功率Q1的栅极和功率管Q2的栅极，功率管Q1的源极和功率管Q2的源极接地，功率管Q1的漏极分别连接电阻R1的一端和滤波模块，功率管Q2的漏极分别连接电阻R2的一端和滤波模块，电阻R1的另一端和电阻R2的另一端均分别连接第一欠压监测模块和功率管Q3的漏极，第一欠压监测模块连接触发器的R端，滤波模块分别连接触发器、功率管Q4的源极、栅电阻R6的一端、自举电容Cbs的另一端、第一IGBT器件的发射极、以及第二IGBT器件的集电极，触发器连接功率管Q3的栅极和功率管Q4的栅极，功率管Q3的发射极连接功率管Q4的集电极和栅电阻R6的另一端。
进一步的，所述自举电容Cbs上并联电容Cbsc。
进一步的，所述低压驱动集成电路包括第二欠压监测模块、第二脉冲发生模块、故障输出模块、第一时钟模块、欠压保护模块、短路保护模块、短路锁定模块、欠压锁定模块、缓冲模块、软关断控制模块、第二时钟模块、输出模块和短路监测模块；所述第二脉冲发生模块的一端连接输入端IN，第二脉冲发生模块的另一端连接缓冲模块，缓冲模块连接输出模块，输出模块连接软关断控制模块和第二IGBT器件的门极，软关断控制模块连接短路保护模块，短路保护模块连接故障输出模块，故障输出模块连接电压VFO和电容CFO的一端，电容CFO的另一端连接电容C2的一端、第二IGBT器件的发射极、电阻R3的一端和电阻R4的一端，短路监测模块连接第二时钟模块，第二时钟模块连接短路锁定模块。
本发明具有以下有益效果：本发明所述IPM自举驱动电路在马达不运行的状态下，关断上桥臂并启动脉冲串充电模式，保证自举电路浮动源供电稳定在欠压值以上，能够给HVIC进行稳定供电，且无较大的启动充电电流冲击器件，解决IPM马达驱动启动时初始化电压不足，电机启动异常的状况；解决在在半桥电路下桥臂开通后关闭，上桥臂尚未开始的间隔时间内，自举电容放电导致自举回路浮动电源电压跌落导致PWM驱动波正常时马达无法正常工作的问题。
附图说明
图1为本发明所述自举电路的示意图。
图2为下桥臂闭合时自举电容Cbs充电过程示意图。
图3为自举充电控制逻辑示意图。
图4为脉冲串控制的自举电路充电过程波形图。
图5为多脉冲控制的Vbs电压仿真结果示意图。
具体实施方式
下面结合具体附图对本发明作进一步说明。
如图1所示，本发明所述IPM马达驱动应用中的自举电路包括高压驱动集成电路和低压驱动集成电路；所述高压驱动集成电路包括第一脉冲发生模块1、滤波模块2、第一欠压监测模块3、触发器4、电阻R1、电阻R2、功率管Q1、功率管Q2、功率管Q3和功率管Q4；所述低压驱动集成电路包括第二欠压监测模块5、第二脉冲发生模块6、故障输出模块7、第一时钟模块8、欠压保护模块9、短路保护模块10、短路锁定模块11、欠压锁定模块12、缓冲模块13、软关断控制模块14、第二时钟模块15、输出模块16和短路监测模块17。
所述第一脉冲发生模块1的一端连接输入端IN，第一脉冲发生模块1的另一端分别连接功率Q1的栅极和功率管Q2的栅极，功率管Q1的源极和功率管Q2的源极接地，功率管Q1的漏极分别连接电阻R1的一端和滤波模块2，功率管Q2的漏极分别连接电阻R2的一端和滤波模块2，电阻R1的另一端和电阻R2的另一端均分别连接第一欠压监测模块3、自举二极管D1的阴极、自举电容Cbs的一端和功率管Q3的漏极，第一欠压监测模块3连接触发器4的R端，滤波模块2分别连接触发器4、功率管Q4的源极、栅电阻R6的一端、自举电容Cbs的另一端、第一IGBT器件18的发射极、以及第二IGBT器件19的集电极，栅电阻R6的一端连接第一IGBT器件18的门极，触发器4连接功率管Q3的栅极和功率管Q4的栅极，功率管Q3的发射极连接功率管Q4的集电极和栅电阻R6的另一端，自举二极管D1的阳极连接自举电阻R5的一端，自举电阻R5的另一端连接电容C1的一端和电压Vcc，电容C1的另一端接地。所述自举电容Cbs上并联电容Cbsc。
所述第二脉冲发生模块6的一端连接输入端IN，第二脉冲发生模块6的另一端连接缓冲模块13，缓冲模块13连接输出模块16，输出模块16连接软关断控制模块14和第二IGBT器件19的门极，软关断控制模块14连接短路保护模块10，短路保护模块10连接故障输出模块7，故障输出模块7连接电压VFO和电容CFO的一端，电容CFO的另一端连接电容C2的一端、第二IGBT器件19的发射极、电阻R3的一端和电阻R4的一端，电容C2的另一端连接是压Vcc，电阻R3的另一端连接电容C3的一端和短路监测模块17，电阻R4的另一端连接电容C3的另一端，短路监测模块17连接第二时钟模块15，第二时钟模块15连接短路锁定模块11。
如图1所示，Vbs为HVIC驱动IGBT的浮动电源电压，由于电路有欠压保护模块，Vbs的浮动电源电压必须保证大于欠压保护设定值（一般在13V附近）。图2为自举电路的充电过程，当下桥臂IGBT开通，上桥臂关闭时，Vs被拉低到地，自举电路开始有电流流过，此时电路将给Cbs自举电容充电。此时如果采用单脉冲充电，充电脉冲必须足够长以保证Vbs浮动源电压大于欠压点电压，保证HVIC能够驱动IGBT工作，但是单脉冲控制会导致启动时有较大的初始充电电流，较大的电流会对器件造成冲击，容易引起电机损坏。图3为一种连续脉冲串控制的充电方式逻辑，每次控制PWM刷新时，程序先判断PWM占空比，当PWM占空比小于电机正常运行的占空比时，认为马达不运行，此时程序给上桥臂负压关断，对下桥臂进行连续脉冲串充电控制，连续脉冲串控制可以避免起始充电电流过大，同时也能保证Vbs浮动源电压可以稳定在欠压保护设计值以上，保证HVIC能够稳定的驱动IGBT工作。图4为脉冲串控制的自举充电电路的充电过程，可以看出脉冲串充电起始充电电流较小，自举电容电压在脉冲串结束后电压值稳定。图5为自举电容Cbs电压值的仿真结果，从仿真结果可以看出，脉冲串控制的自举电压稳定，最小值为14.89V，平均值为15.13V，可以保证自举电路能够稳定为HVIC供电，保证马达驱动电路正常运行。
本发明的工作原理为：本发明所述自举电路包括自举电容、自举电阻、自举二极管，在逻辑判断完成后，电路通过脉冲串控制对自举电容充电，自举电容通过下桥臂闭合，与VCC电源形成导通回路，产生充电电流，对自举电路进行充电提供浮动电压给HVIC供电。通过逻辑判断后确认马达电路的运行状态，进行判断是否启动脉冲串对自举电路进行充电，对HVIC进行供电。占空比检测判断马达的运行状态，当占空比小于马达正常运行的预设值时，判断马达未运行，启动脉冲充电。自举电路通过脉冲串充电完成后，在多个周期内运行电压稳定在欠压值以上，可以稳定供电。在判断占空比确认马达运行状态后，充电脉冲串占空比控制，保证起始充电电路不会冲击器件，同时可以得到稳定可靠的自举电压。马达运行状态逻辑判断后，在启动充电回路前，系统会先关闭上桥臂，避免桥臂间发生直通故障，也可以保证充电电路能够正常充电。
基于改善当前马达驱动应用的相关问题，本发明所述基于IPM模块的马达驱动电路，采用自举供电方式，在正确逻辑控制的情况下，首先判断控制PWM波的占空比，确认马达运行状况，根据判断结果进行脉冲串的充电控制，可以避免启动时大电流对器件的冲击，也能保证自举电路浮动电压稳定在欠压设计值以上，可以有效解决马达驱动上电启动与控制PWM正常而运行状态不稳定的问题，同时将整个驱动系统变得更紧凑，小型化，模块化，抗干扰能力更强，稳定性更好，总体成本也更低。

Claims (2)

1.一种IPM马达驱动应用中的自举电路，其特征是：包括高压驱动集成电路、低压驱动集成电路、自举电阻R5、自举二极管D1和自举电容Cbs；所述自举电容Cbs的一端连接自举二极管D1的阴极、高压驱动集成电路，自举电容Cbs的另一端连接栅电阻R6的一端、第一IGBT器件（18）的门极、第二IGBT器件（19）的集电极和高压驱动集成电路，栅电阻R6的另一端连接高压驱动集成电路，自举二极管D1的阳极连接自举电阻R5的一端，自举电阻R5的另一端连接电容C1的一端和电压Vcc，电容C1的另一端接地；第一IGBT器件（18）的发射极连接第二IGBT器件（19）的集电极，第二IGBT器件（19）的发射极连接电容C2的一端、电阻R3的一端、电阻R4的一端，电阻R3的另一端连接低压驱动集成电路、电容C3的一端，电阻R4的另一端连接电容C3的另一端；
其中，所述自举电容Cbs上并联电容Cbsc；
其中，所述低压驱动集成电路包括第二欠压监测模块（5）、第二脉冲发生模块（6）、故障输出模块（7）、第一时钟模块（8）、欠压保护模块（9）、短路保护模块（10）、短路锁定模块（11）、欠压锁定模块（12）、缓冲模块（13）、软关断控制模块（14）、第二时钟模块（15）、输出模块（16）和短路监测模块（17）；所述第二脉冲发生模块（6）的一端连接输入端IN，第二脉冲发生模块（6）的另一端连接缓冲模块（13），缓冲模块（13）连接输出模块（16），输出模块（16）连接软关断控制模块（14）和第二IGBT器件（19）的门极，软关断控制模块（14）连接短路保护模块（10），短路保护模块（10）连接故障输出模块（7），故障输出模块（7）连接电压VFO和电容CFO的一端，电容CFO的另一端连接电容C2的一端、第二IGBT器件（19）的发射极、电阻R3的一端和电阻R4的一端，短路监测模块（17）连接第二时钟模块（15），第二时钟模块（15）连接短路锁定模块（11）。
2.如权利要求1所述的IPM马达驱动应用中的自举电路，其特征是：所述高压驱动集成电路包括第一脉冲发生模块（1）、滤波模块（2）、第一欠压监测模块（3）、触发器（4）、电阻R1、电阻R2、功率管Q1、功率管Q2、功率管Q3和功率管Q4；所述第一脉冲发生模块（1）的一端连接输入端IN，第一脉冲发生模块（1）的另一端分别连接功率管Q1的栅极和功率管Q2的栅极，功率管Q1的源极和功率管Q2的源极接地，功率管Q1的漏极分别连接电阻R1的一端和滤波模块（2），功率管Q2的漏极分别连接电阻R2的一端和滤波模块（2），电阻R1的另一端和电阻R2的另一端均分别连接第一欠压监测模块（3）和功率管Q3的漏极，第一欠压监测模块（3）连接触发器（4）的R端，滤波模块（2）分别连接触发器（4）、功率管Q4的源极、栅电阻R6的一端、自举电容Cbs的另一端、第一IGBT器件（18）的发射极、以及第二IGBT器件（19）的集电极，触发器（4）连接功率管Q3的栅极和功率管Q4的栅极，功率管Q3的发射极连接功率管Q4的集电极和栅电阻R6的另一端。
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