CN110911229A - 具有保护功能的感性线圈驱动电路 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有保护功能的感性线圈驱动电路，包括：感性线圈、续流回路、开关单元、开关单元驱动电路、主控单元以及过流或短路保护电路，所述感性线圈与所述续流回路并联后，一端与母线电压的一端相连，另一端与所述开关单元的第一端相连，所述开关单元的第二端与母线电压的另一端相连，所述开关单元的第三端通过所述开关单元驱动电路与所述主控单元相连，接受所述主控单元发出的控制信号，所述过流或短路保护电路的一端与所述母线电压的另一端相连，另一端连接于所述主控单元与所述开关单元驱动电路之间，所述感性线圈的两端作为输出端输出驱动电压。本发明利用电流反馈和电压反馈，提供了有效可靠的控制和保护机制。

Description

具有保护功能的感性线圈驱动电路

技术领域

本发明涉及中低速电动车和特种工程车辆电机控制器技术领域，特别是涉及其中接触器控制线圈驱动电路。

背景技术

对于中低速电动车和特种工程车辆(譬如叉车等)来说，动力电池电压一般都在48V～96V之间，而且往往没有蓄电池提供12V驱动电压。这对于整车中常用的接触器控制来说，就不能选用最常见的12V线圈电压的接触器，而只能用和母线电压一致的接触器，这就造成下面的2个缺点：

1.使用高线圈电压的接触器成本会增加；

2.线圈驱动电压较高，会存在安全隐患。

针对以上的不足，若采用PWM线圈驱动方式就能通过调整输出占空比的方式，在感性负载上产生不同的驱动电压，从而适应不同线圈电压的接触器。此外，对于电磁刹车、比例阀等应用也都需要用到PWM感性线圈驱动，但由于驱动电压较高，电流较大，通常会出现不同的失效模式：

1.驱动能力不足，无法驱动低阻抗线圈；

2.当线圈发生短路时，会造成驱动回路瞬间大电流导致功率器件过流损坏；

3.针对接触器的各种失效模式(线圈和触点的短路/开路)缺乏完善的故障检测手段。

综上所述，为了保证驱动系统的稳定性和可靠性，这就对PWM线圈驱动能力和保护机制提出了很高的要求。

发明内容

基于此，有必要针对上述缺限，提供一种具有保护功能的感性线圈驱动电路，以提高感性线圈驱动电路的可靠性。

一种具有保护功能的感性线圈驱动电路，包括：感性线圈、续流回路、开关单元、开关单元驱动电路、主控单元以及过流或短路保护电路，所述感性线圈与所述续流回路并联后，一端与母线电压的一端相连，另一端与所述开关单元的第一端相连，所述开关单元的第二端与母线电压的另一端相连，所述开关单元的第三端通过所述开关单元驱动电路与所述主控单元相连，接受所述主控单元发出的控制信号，切换所述开关单元导通或关闭，所述过流或短路保护电路的一端与所述母线电压的另一端相连，另一端连接于所述主控单元与所述开关单元驱动电路之间，所述感性线圈的两端作为输出端输出驱动电压。

进一步，所述感性线圈为接触器控制线圈或比例阀线圈或电磁刹车线圈。

进一步，所述母线电压为48V～96V，所述母线电压的一端为动力电池正极，所述母线电压的另一端为动力电池负极，所述驱动电压为12V。

进一步，所述过流或短路保护电路包括串联的电流采样电路、过流检测电路以及过流控制电路。

进一步，所述电流采样电路包括采样电阻，所述采样电阻的一端与所述母线电压的另一端相连，所述采样电阻的另一端与所述开关单元的第二端相连，并作为所述电流采样电路的输出端。

进一步，所述过流检测电路包括第一比较器、第一电阻、第二电阻以及第一电容，所述第一比较器的正向输入端连接门限电压，所述第一比较器的反向输入端连接所述电流采样电路的输出端，所述第一比较器的输出端作为所述过流检测电路的输出端，并同时连接所述第一电阻的一端、所述第二电阻的一端、所述第一电容的一端，所述第一电阻的另一端连接工作电源，所述第二电阻的另一端以及所述第一电容的另一端均连接于所述母线电压的另一端。

进一步，所述过流控制电路包括第二比较器，所述第二比较器的正向输入端连接所述过流检测电路的输出端，所述第二比较器的反向输入端连接所述主控单元发出的控制信号，所述控制信号为PWM信号，所述第二比较器的输出端作为所述过流控制电路的输出端连接所述开关单元驱动电路。

进一步，所述具有保护功能的感性线圈驱动电路还包括电压保护电路，所述电压保护电路的一端与所述感性线圈的另一端相连，所述电压保护电路的另一端与所述主控单元相连。

进一步，所述电压保护电路为分压网络，所述分压网络包括串联的第三电阻和第四电阻，所述第三电阻的一端与所述感性线圈的另一端相连，所述第三电阻的另一端与所述第四电阻的一端相连，并与所述主控单元相连，所述第四电阻的另一端接地。

进一步，所述开关单元为IGBT或MOSFET，所述第一端为漏极，所述第二端为源极，所述第三端为栅极；所述续流回路为超快速续流二极管或MOSFET寄生的体二极管，所述超快速续流二极管或MOSFET寄生的体二极管的正极连接所述感性线圈的另一端，负极连接所述母线电压的一端。

本发明具有保护功能的感性线圈驱动电路，利用电流反馈和电压反馈，提供了有效可靠的控制和保护机制。它具有以下几个方面的优点：

1.提高了感性线圈驱动回路自身的可靠性；

2.针对感性线圈负载的各种失效模式，提供了准确有效的故障检测手段。

附图说明

图1为本发明一实施方式提供的具有保护功能的感性线圈驱动电路的原理框图；

图2为根据图1所述具有保护功能的感性线圈驱动电路的电路原理图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

需要说明的是，当元件被称为“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是在于限制本发明。

请参见图1所示，本发明一实施方式一种具有保护功能的感性线圈驱动电路，包括：感性线圈、续流回路、开关单元、开关单元驱动电路、主控单元以及过流或短路保护电路，所述感性线圈与所述续流回路并联后，一端与母线电压的一端相连，另一端与所述开关单元的第一端相连，所述开关单元的第二端与母线电压的另一端相连，所述开关单元的第三端通过所述开关单元驱动电路与所述主控单元相连，接受所述主控单元发出的控制信号，切换所述开关单元导通或关闭，所述过流或短路保护电路的一端与所述母线电压的另一端相连，另一端连接于所述主控单元与所述开关单元驱动电路之间，所述感性线圈的两端作为输出端输出驱动电压。

请同时参见图2所示，其中，所述感性线圈L1，作为输出负载，有多种形式，如接触器控制线圈、比例阀线圈、电磁刹车线圈等。它能将输出的以母线电压为幅值的PWM方波，通过感性线圈负载滤波成基本稳定的直流电压，作为驱动电压进行输出。

VOUT＝UDC×(1-D％)

其中：VOUT为感性线圈L1的两端输出的驱动电压，即图中B+与Coil-的压差；UDC为母线电压，所述母线电压的一端B+为动力电池正极，所述母线电压的另一端B-为动力电池负极，所述母线电压一般为48V～96V；D％为PWM信号的正占空比，所述PWM信号为所述主控单元发出的控制信号。根据需要，通过调节所述PWM信号的占空比，可以获得所需的驱动电压，所述驱动电压一般为12V。

感性线圈驱动电路主要依靠所述开关单元的导通和关闭来控制所述感性线圈L1的两端的电压。常见的开关单元主要为MOSFET或MOSFET，也称功率开关Q1，所述第一端为漏极，所述第二端为源极，所述第三端为栅极。针对不同的开关频率和功率器件需要设计不同的开关单元驱动电路，满足不同开关损耗/速度的要求。在本具体实施例中，所述开关单元驱动电路为一驱动电阻RG。当然，根据需要，也可采用其他更复杂的结构，比如三极管推挽电路。所述功率开关Q1的电压等级根据最高母线电压UDC来选取，而电流等级需要根据最高母线电压UDC和感性线圈的阻值RC来选取：

当功率开关Q1由导通变为截止的瞬间，为了维持感性线圈L1中的电流方向不变，需要在感性线圈L1两端并联续流回程。所述续流回路为超快速续流二极管或MOSFET寄生的体二极管，在本具体实施例中，所述续流回路为超快速续流二极管D1。所述超快速续流二极管D1的正极连接所述感性线圈L1的另一端，负极连接所述母线电压的一端B+，其电压和电流等级选择，由母线电压和线圈驱动电流决定。

所述感性线圈、续流回路、开关单元、开关单元驱动电路以及主控单元，构成了主回路。所述主回路的工作原理如下：

当功率开关Q1导通时，电流从母线电压一端B+通过感性线圈L1流至COIL-点，再通过功率开关Q1流至母线电压另一端B-，从而使感性线圈L1在直流母线上形成通路；

当功率开关Q1截止时，由于感性线圈L1中电感的存在，截止瞬间流过感线圈L1的电流方向保持不变，电流逐渐减小直至为零，此过程中由于线圈感应电动势的缘故，电流仍从母线电压一端B+通过感性线圈L1流至COIL-点，然后通过超快速续流二极管D1流回到母线电压一端B+。

本发明一种具有保护功能的感性线圈驱动电路，除了主回路之外，还有两个至关重要的保护电路：过流或短路保护电路和电压保护电路，分别从不同的方面对感性线圈的驱动回路进行实时有效的检测和保护。

其中，所述过流或短路保护电路包括串联的电流采样电路、过流检测电路以及过流控制电路。所述电流采样电路包括采样电阻RS，所述采样电阻RS的一端与所述母线电压的另一端B-相连，所述采样电阻RS的另一端与所述开关单元的第二端相连，并作为所述电流采样电路的输出端。不同于传统的电流传感器采样，本电路在功率开关Q1的源极串联一个大功率小阻值的采样电阻RS，检测流过功率开关Q1的漏极电流ID，这样通过采样电阻可以得到对应的采样电压VCS：

VCS＝ID×RS。

所述过流检测电路包括第一比较器U1、第一电阻R1、第二电阻R2以及第一电容C1，所述第一比较器U1的正向输入端连接门限电压VREF，所述第一比较器的反向输入端连接所述电流采样电路的输出端，所述第一比较器的输出端作为所述过流检测电路的输出端，并同时连接所述第一电阻R1的一端、所述第二电阻R2的一端、所述第一电容C1的一端，所述第一电阻R1的另一端连接工作电源VCC，所述第二电阻R2的另一端以及所述第一电容C1的另一端均连接于所述母线电压的另一端B-。

所述过流控制电路包括第二比较器U2，所述第二比较器U2的正向输入端连接所述过流检测电路的输出端，所述第二比较器U2的反向输入端连接所述主控单元发出的控制信号，所述第二比较器U2的输出端作为所述过流控制电路的输出端连接所述开关单元驱动电路。

所述过流或短路保护电路的工作原理如下：

当感性线圈的驱动回路工作在过流或短路状态时，就会有大电流通过功率开关Q1和采样电阻RS，此时采样电压VCS将超过过流检测电路中预先设定的门限电压VREF，第一比较器U1就会输出一个低电平有效的关断信号，此信号传输至过流控制电路，通过与正在输出的PWM信号进行电压比较，第二比较器U2就产生持续拉低的门级驱动信号，从而使功率开关Q1一直处于截止状态，即从硬件上完成了线圈过流和短路的自动保护功能，而且响应时间极快。

当感性线圈的驱动回路的过流或短路状态解除后，功率开关Q1的漏极电流ID恢复正常值，采样电压VCS小于门限电压VREF，过流检测电路输出正常电压(工作电源VCC在电阻R1和电阻R2上的分压值)，此信号传输至过流控制电路，与PWM信号比较，产生一个与输入PWM信号相比负逻辑的PWM信号，从而正常的开通/关断功率开关Q1，恢复了线圈的正常驱动。

由于以上的过流和短路保护纯属硬件保护，具有自恢复功能，所以当过流或短路发生时，虽然能关断功率开关Q1停止线圈驱动输出，但是停止后功率开关Q1的漏极电流ID和采样电压VCS又很快恢复正常值，至此功率开关Q1又会被打开，若此时过流或短路状态仍然存在，电流反馈电路将再次让功率开关Q1关断，这种关断-打开-关断-打开的过程将周而复始，不断循环，直至过流或短路状态解除。此时需要注意的是第一电阻R1和第一电容C1的取值，因为这两个器件直接决定了这种硬件循环的时间常数，即周期，应尽量增大第一电阻R1和第一电容C1的值，使得硬件打开功率开关Q1的周期尽量长，次数尽量少，从而最大程度的降低功率开关Q1和采样电阻RS的损耗，不至于让器件因过热而损坏。

在上述过流和短路状态下，即使通过电流反馈能在很大程度上减少功率开关Q1的开通时间，但也不足以让功率开关Q1完全关断，这时就需要电压反馈进行检测和保护。

所以，本发明具有保护功能的感性线圈驱动电路还包括电压保护电路，所述电压保护电路的一端与所述感性线圈的另一端相连，所述电压保护电路的另一端与所述主控单元相连。所述电压保护电路最简单的方式可以采用分压网络，当然，根据需要，也可采用其他更复杂的结构。在本实施例中，所述电压保护电路为分压网络，所述分压网络包括串联的第三电阻R3和第四电阻R4，所述第三电阻R3的一端与所述感性线圈L1的另一端相连，所述第三电阻R3的另一端与所述第四电阻R4的一端相连，并与所述主控单元相连，所述第四电阻R4的另一端接地。

所述电压保护电路的工作原理如下：

在感性线圈L1正常状态下，当功率开关Q1关断瞬间，反馈电压VFB应能采样到与母线电压一端B+相应的电压值，即高电压值；当功率开关Q1开通瞬间，反馈电压VFB应能采样到与母线电压另一端B-相应的电压值，即低电压值。

在感性线圈L1在短路状态时，无论功率开关Q1处于关断或者开通瞬间，反馈电压VFB采样到的始终是与母线电压一端B+相应的电压值，即高电压值

在感性线圈L1在开路状态时，无论功率开关Q1处于关断或者开通瞬间，反馈电压VFB采样到的始终是与母线电压另一端B-相应的电压值，即低电压值。

相应的关系如下表所示：

	正常状态	短路状态	开路状态
				Q1关断	高电压值	高电压值	低电压值
Q1开通	低电压值	高电压值	低电压值

所以通过检测反馈电压VFB以及功率开关的开通或判断状态可以有效地判断感性线圈L1的异常状态，并且由主控单元实时的，在尽可能短的时间内关断PWM信号，并发出对应的故障信息用于排查感性线圈L1的异常状态。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

本发明具有保护功能的感性线圈驱动电路可应用于中低速场地车和特种工程车辆应用场合中。本发明具有保护功能的感性线圈驱动电路，针对常用的接触器、电磁刹车、比例阀等线圈负载，利用电流反馈和电压反馈，提供了有效可靠的控制和保护机制。它具有以下几个方面的优点：

1.提高了感性线圈驱动回路自身的可靠性；

2.针对感性线圈负载的各种失效模式，提供了准确有效的故障检测手段。

在一具体实施例中，感性线圈的电阻值RC一般在100Ω～1000Ω之间，母线电压在48V～96V，所以感性线圈驱动电流一般在几百mA，最大电流应小于1A。

针对不同母线电压和线圈电流，选取不同功率开关Q1和超快速续流二极管D1。例如对于母线电压为48V、72V、96V的系统，功率开关Q1可分别选用56A/75V、35A/100V、33A/150V的MOSFET。由于线圈电流一般小于1A，所以超快速续流二极管D1可以选取2A～3A，100V～200V的超快速二极管。

由于开关频率一般在200Hz～20kHz之间，所以MOSFET的驱动电阻取值在10Ω～20Ω。

因为线圈电流一般小于1A，所以考虑充分的余量后，首先把过流保护点设置在2A～3A，然后根据采样电阻Rs的功率选取合适的阻值，从而得到过流检测电路的门限电压VREF。

在过流和短路保护时，为了最大程度的降低功率器件的损耗，保证硬件打开功率开关Q1的周期尽量长，次数尽量少，第一电阻R1和第一电容C1的取值应尽量大，常见的第一电阻R1取值大于100KΩ，第一电容C1取值大于100nF。

此外，为了提供合理的电平容错空间，所述过流检测电路的输出值VEN高电压值应取值在：

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种具有保护功能的感性线圈驱动电路，其特征在于，包括：感性线圈、续流回路、开关单元、开关单元驱动电路、主控单元以及过流或短路保护电路，所述感性线圈与所述续流回路并联后，一端与母线电压的一端相连，另一端与所述开关单元的第一端相连，所述开关单元的第二端与母线电压的另一端相连，所述开关单元的第三端通过所述开关单元驱动电路与所述主控单元相连，接受所述主控单元发出的控制信号，切换所述开关单元导通或关闭，所述过流或短路保护电路的一端与所述母线电压的另一端相连，另一端连接于所述主控单元与所述开关单元驱动电路之间，所述感性线圈的两端作为输出端输出驱动电压。

2.根据权利要求1所述的具有保护功能的感性线圈驱动电路，其特征在于，所述感性线圈为接触器控制线圈或比例阀线圈或电磁刹车线圈。

3.根据权利要求1所述的具有保护功能的感性线圈驱动电路，其特征在于，所述母线电压为48V~96V，所述母线电压的一端为动力电池正极，所述母线电压的另一端为动力电池负极，所述驱动电压为12V。

4.根据权利要求1所述的具有保护功能的感性线圈驱动电路，其特征在于，所述过流或短路保护电路包括串联的电流采样电路、过流检测电路以及过流控制电路。

5.根据权利要求4所述的具有保护功能的感性线圈驱动电路，其特征在于，所述电流采样电路包括采样电阻，所述采样电阻的一端与所述母线电压的另一端相连，所述采样电阻的另一端与所述开关单元的第二端相连，并作为所述电流采样电路的输出端。

6.根据权利要求5所述的具有保护功能的感性线圈驱动电路，其特征在于，所述过流检测电路包括第一比较器、第一电阻、第二电阻以及第一电容，所述第一比较器的正向输入端连接门限电压，所述第一比较器的反向输入端连接所述电流采样电路的输出端，所述第一比较器的输出端作为所述过流检测电路的输出端，并同时连接所述第一电阻的一端、所述第二电阻的一端、所述第一电容的一端，所述第一电阻的另一端连接工作电源，所述第二电阻的另一端以及所述第一电容的另一端均连接于所述母线电压的另一端。

7.根据权利要求6所述的具有保护功能的感性线圈驱动电路，其特征在于，所述过流控制电路包括第二比较器，所述第二比较器的正向输入端连接所述过流检测电路的输出端，所述第二比较器的反向输入端连接所述主控单元发出的控制信号，所述控制信号为PWM信号，所述第二比较器的输出端作为所述过流控制电路的输出端连接所述开关单元驱动电路。

8.根据权利要求1所述的具有保护功能的感性线圈驱动电路，其特征在于，所述具有保护功能的感性线圈驱动电路还包括电压保护电路，所述电压保护电路的一端与所述感性线圈的另一端相连，所述电压保护电路的另一端与所述主控单元相连。

9.根据权利要求1所述的具有保护功能的感性线圈驱动电路，其特征在于，所述电压保护电路为分压网络，所述分压网络包括串联的第三电阻和第四电阻，所述第三电阻的一端与所述感性线圈的另一端相连，所述第三电阻的另一端与所述第四电阻的一端相连，并与所述主控单元相连，所述第四电阻的另一端接地。

10.根据权利要求1所述的具有保护功能的感性线圈驱动电路，其特征在于，所述开关单元为IGBT或MOSFET，所述第一端为漏极，所述第二端为源极，所述第三端为栅极；所述续流回路为超快速续流二极管或MOSFET寄生的体二极管，所述超快速续流二极管或MOSFET寄生的体二极管的正极连接所述感性线圈的另一端，负极连接所述母线电压的一端。

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