CN112075001B - 电动机接地保护 - Google Patents

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Abstract

在用于接地断线保护的电路中，所述电路包含耦合在第一接地(272)与第二接地(274)之间的呈共源极布置(511，512)的功率晶体管元件。所述功率晶体管元件(511，512)经配置以在电动机系统中的接地断线事件(310)期间接通。此允许电流(530)在所述第一接地(272)与所述第二接地(274)之间通过，从而绕过控制电路(210)。

Description

电动机接地保护
背景技术
电动机系统通常包含各种电子器件以控制并监测电动机的操作。举例来说，直流电(DC)电动机包含用以将电流引导到电动机绕组并从电动机绕组引导电流的控制电子器件，所述控制电子器件可采取各种电路拓扑的形式。在一个实例中，半桥功率级拓扑控制不同DC电动机类型。这些半桥拓扑可尤其包含H桥、三重半桥及双重H桥类型。当使用这些拓扑时由于使用例如功率金属氧化物半导体场效晶体管(MOSFET)的切换元件而可能带来挑战。
在其它实例中，所述半桥功率级拓扑受控制电路系统控制。此控制电路系统驱动功率级晶体管的栅极以控制穿过电动机的各种电动机绕组的电流流动。虽然功率级经构造以处置电动机所需要的大电流，但控制电路系统不会如此。
发明内容
在用于接地断线保护的实例性电路中，所述电路包含耦合在第一接地与第二接地之间的呈共源极布置的功率晶体管元件。所述功率晶体管元件经配置以在电动机系统中的接地断线事件期间接通。此允许电流在所述第一接地与所述第二接地之间通过，从而绕过控制电路。
在用于电动机中的接地断线保护的电路的另一实例中，所述电路包含：耦合在第一接地与第二接地之间的呈共源极布置的功率金属氧化物半导体场效晶体管(MOSFET)，其经配置以在电动机系统中的接地断线事件期间接通，从而允许电流在所述第一接地与所述第二接地之间通过，所述电流绕过控制电路。
附图说明
图1在实例性实施方案中图解说明电动机系统。
图2在实例性实施方案中图解说明电动机功率控制系统。
图3在实例性实施方案中图解说明电动机功率控制系统中的接地断线。
图4在实例性实施方案中图解说明用于电动机功率控制系统的接地断线保护电路系统。
图5在实例性实施方案中图解说明用于电动机功率控制系统的接地断线保护电路系统。
图6A到6D图解说明适于经延伸共模范围的用于电动机功率控制系统的接地断线保护电路系统。
具体实施方式
如上文所描述，电动机系统包含功率电路系统及控制电路系统两者，其用于控制去往存在于电动机内的数个电线圈的电流。在至少一个实例中，所述功率电路系统包含高功率组件，其经设计而以受控方式使穿过电线圈的大电流流出及流入以便根据需要操作电动机。所述功率电路系统受控制电路系统所提供的多个信号控制。这些信号经配置而以受控方式接通及关断在所述功率电路系统内的所述高功率组件以便操作电动机。
在其它实例中，所述功率电路系统设置为紧密接近于电动机，而所述控制电路系统座落于单独板或模块上且经由数个电连接链接到所述功率电路系统。在额外实例中，所述功率电路系统及控制电路系统具有单独电压源及参考电位(接地)。在至少一个替代方案中，所述功率电路系统及控制电路系统可连接到同一电压源，但具有通过所述控制电路系统与所述功率电路系统之间的所述电连接中的一或多者耦合在一起的单独接地。
在正常操作中，所述接地链接在一起且保持处于相同电位。然而，当电动机及其控制器正在实际使用中时，所述接地中的一者可能由于振动或其它力而断线。在所述接地中的一者中的此接地断线事件中，所述电连接及所述控制电路系统可承受来自所述功率电路系统的所述大电流。举例来说，如果与所述功率电路系统的接地变得断线，那么流动穿过所述功率电路系统的所述大电流尝试流动穿过所述控制电路系统到达所述控制电路系统的接地。所述控制电路系统未经配置以处置这些大电流，且被破坏。
通过在两个(或多于两个)接地之间提供接地断线保护电路系统，可保护所述控制电路系统免受这些大电流影响。在实例中，接地断线保护电路系统经配置以在两个接地节点之间的电压差超过阈值时使电流在两个接地节点之间通过。在各种实例中，所述阈值介于Vdiode(约0.7V)与约4V之间。此电压差被称作电路的共模范围。当所述电压差超过所述阈值(或电路的共模范围)时，激活接地断线保护电路以保护所述控制电路系统免受大电流影响。在本文中描述各种接地断线保护电路，一些接地断线保护电路包含经延伸共模范围。
本文中所描述的实例提供宽共模范围，同时维持所述控制电路系统与所述功率电路系统的隔离。出于可靠性及电磁干扰(EMI)的考虑，来自功率级的电动机电流不得渗漏到低功率接地中。这些实例还在操作期间提供免受接地断线影响的保护，因为对控制电路系统(或任何其它装置)的损坏是不可接受的，特别是在汽车及安全应用中。
先前解决方案包含放置于印刷电路板(PCB)上的接地端子之间的一对背对背高功率二极管。此对二极管提供Vdiode或约0.7V的共模范围。为了延伸共模范围，额外高功率二极管被放置成与所述对背对背二极管中的每一者串联，其中每一额外对高功率二极管将Vdiode或约0.7V添加到共模范围。因此，将四个串联高功率二极管放置成背对背配置(需要总共八个高功率二极管)，可实现大约4X Vdiode或约2.8V的共模范围。然而，这些高功率二极管是昂贵的且需要PCB上的大量空间，从而导致解决方案不合意。
在本文中描述可用以控制直流电(DC)电动机及其它元件的电动机控制系统。取决于电动机类型及配置，一或多个电动机绕组可设置于电动机内。电动机绕组在电动机中用以提供旋转或线性运动，且这些绕组可包含在本文中称为电动机相的线圈。控制系统控制去往及来自电动机绕组的电流的分布。一个实例性控制电路拓扑(半桥功率级)包含控制电路系统以及功率切换元件。这些功率切换元件可包含金属氧化物半导体场效晶体管(MOSFET)、绝缘栅极双极晶体管(IGBT)或晶闸管及其它切换元件。尽管本文中所描述的电动机控制电路系统采用功率MOSFET，但可应用所描述电路系统以控制其它类型的切换元件。
图1展示电动机控制电路系统的第一实例。图1图解说明将电力提供到电动机101的一或多个相绕组140到142(称为相)的系统100。系统100包含控制电路系统110、功率电路系统120及电动机101。控制电路系统110可经由链路160与一或多个外部系统通信，以便为系统100的元件提供编程接口。在操作中，控制电路系统110经由一或多个链路150指示功率电路系统120切换用于电动机相140的电流。功率电路系统120因此经由链路151将如从VMOTOR流出的电力提供到作为电动机101的一部分的电动机相120。可针对电动机101的额外相141到142包含额外控制电路系统及功率电路系统，或这些相可受系统100的元件控制。
使用于控制电路系统110的电力从VSUPPLY流出。在所图解说明的实例中，控制电路系统110具有与功率电路系统120相比较较低的功率，且具有与功率电路系统120分开的接地。这些接地通常通过链路150中的一者耦合在一起。控制电路系统110包含一或多个处理元件及控制电路以指示功率控制电路系统120使来自相140的电流经由链路151选择性地流出或流入。控制电路系统110确定耦合到功率控制电路系统120的功率晶体管元件的栅极端子的控制电压或控制信号。
可使用各种微处理器、控制逻辑、可编程逻辑装置、离散逻辑装置或其它装置及元件来实施控制电路系统110。控制电路系统110还可包含驱动功率晶体管元件的栅极端子的栅极驱动器电路系统。此驱动器电路系统可包含功率放大器、栅极驱动变压器、DC-DC转换器元件或其它电路组件以将充足电压提供到相关联功率晶体管元件的控制栅极端子。
功率电路系统120包含关于电动机相(例如相140)而充当功率切换元件的功率晶体管元件。功率电路系统120的切换元件耦合在图1中经指示为VMOTOR的电压源与参考电位(或接地)之间。尽管功率电路系统120可采用各种晶体管电路拓扑，但本文中的实例包含半桥拓扑。半桥功率级拓扑可用于控制不同电动机类型，例如DC电动机。这些半桥拓扑可尤其包含H桥、三重半桥及双重H桥类型。通常，半桥功率级包含经布置以具有耦合在共同输出节点处的第一(高侧)切换元件及第二(低侧)切换元件的两个切换元件，例如功率晶体管。此共同输出节点经展示为图1中的链路151，尽管各种无源电路元件可定位于所述共同输出节点与链路151之间。所述第一切换元件还耦合到所述电压源，而所述第二切换元件还耦合到所述参考电位。
在本文中的实例中，所述切换元件包含功率金属氧化物半导体场效晶体管(MOSFET)。具体来说，n沟道功率MOSFET由于比p沟道功率MOSFETS低的接通电阻而被采用。功率MOSFET包含栅极端子、漏极端子及源极端子以用于连接到外部组件。另外，功率MOSFET包含由于结构性地形成在每一功率MOSFET内部的半导体连接而产生的“体二极管”组件。这些体二极管组件或元件可在对应功率MOSFET已切换成‘关断’或非主动状态之后继续传导电流。图3展示体二极管组件的操作。
半桥功率级拓扑可采用第一(高侧)及第二(低侧)功率MOSFET装置。第一功率MOSFET在漏极端子处耦合到电压源(VMOTOR)，而源极端子耦合到功率电路系统120的共同输出节点。第二功率MOSFET在源极端子处耦合到参考电位(例如，电接地)，而漏极端子耦合到功率电路系统120的共同输出节点。第一MOSFET及第二MOSFET的栅极端子经由一或多个链路150耦合到控制电路系统110的栅极驱动器元件。各种无源或有源电路组件可设置于功率电路系统120中以支持功率MOSFET(例如电阻器、电容器、电感器、电压限制器、二极管、逻辑门或其它元件)的操作。
图2展示控制电路系统110及功率电路系统120的特定实施方案。图2包含作为功率电路系统120的实例的功率切换电路200及作为控制电路系统110的实例的控制电路系统210，尽管可能发生变化。电路200包含各自由两个功率MOSFET装置形成的两个半桥拓扑230及240。半桥230由分别包含其体二极管233及234的MOSFET装置231及232形成。半桥240由分别包含其体二极管243及244的MOSFET装置241及242形成。
在此实例中，从VSUPPLY 270向控制电路系统210及功率电路系统200两者提供电力，但控制电路系统210使用GND 1 272(第一接地)作为参考电位而功率电路系统200使用GND2 274(第二接地)作为参考电位。单独接地的此配置通常归因于其中控制电路系统210及功率电路系统200例如在不同电路板上物理地分开的例子。然而，注意，GND 1 272(第一接地)及GND 2 274(第二接地)通过ESD箝位电路220电耦合。在其它版本中，从单独电源向控制电路系统210及功率电路系统200提供电力。在所图解说明的实例中，ESD箝位电路220经配置以每当两个参考电位之间的电压差超过10伏特时将GND 2 274(第二接地)连接到GND 1272(第一接地)。此电压差称为共模范围。
MOSFET装置231为半桥230的“高侧”(HS)装置，而MOSFET装置232为半桥230的“低侧”(LS)装置。每一功率MOSFET装置还具有对应体二极管233及234。第一MOSFET装置231在漏极端子处耦合到电压源，在图2中称为VSUPPLY。MOSFET装置231在栅极端子处耦合到控制系统210。MOSFET装置231在源极端子处耦合到MOSFET装置232的漏极端子，所述漏极端子也是电路200的输出节点215。输出节点215耦合到电动机的相，在图2中展示为电动机绕组250。第二MOSFET装置232在栅极端子处耦合到控制系统210，且在源极端子处耦合到电压参考(电接地)GND 2 274。
MOSFET装置241为半桥240的“高侧”(HS)装置，而MOSFET装置242为半桥240的“低侧”(LS)装置。每一功率MOSFET装置还具有对应体二极管243及244。MOSFET装置241在漏极端子处耦合到电压源，在图2中称为VSUPPLY。MOSFET装置241在栅极端子处耦合到为了简单而未在此处图解说明的控制电路系统。MOSFET装置241在源极端子处耦合到MOSFET装置242的漏极端子，所述漏极端子也是电路200的输出节点264。输出节点264耦合到电动机的相，在图2中展示为电动机绕组250。MOSFET装置242在栅极端子处耦合到为了简单而未在此处图解说明的控制电路系统，且在源极端子处耦合到电压参考(电接地)GND 2 274。
MOSFET装置231的栅极端子及MOSFET装置232的栅极端子经由相关联链路214及218分别耦合到栅极驱动器电路212及216。半桥布置中的共同或共享节点215还包含用于半桥的输出节点。在操作中，半桥布置将电力以电流的形式提供到电动机绕组250。此电流具有两个极性，即所指示的正及负极性。正电流极性在图2中称为从半桥230到电动机绕组250的传出电流，而负电流极性在图2中称为从半桥240到电动机绕组250的传出电流。MOSFET装置231、232、241及241当中的各种开关状态使得电动机绕组电流及相关联极性流入或流出。举例来说，当半桥230的第一(高侧)晶体管231为作用中时，接着通过MOSFET装置231将电流从VSUPPLY供应到电动机绕组250。同样地，当半桥230的第二(低侧)晶体管232为作用中时，通过MOSFET装置232将电流汲取到接地。
图3图解说明在已发生与GND 2 274的断线310的情形中来自图2的控制电路系统210及功率电路系统200。在此实例中，节点312现在与GND 2 274断线，同时电动机绕组250仍由半桥230及240驱动。由虚线320图解说明的大电流现在不具有到达电接地的直接路径。此致使电流320流动穿过控制电路系统210。当节点312与GND 1 272之间的电压差超过10伏特时，ESD箝位电路220尝试将电流从节点312路由到GND 1 272。然而，由于控制电路系统210为低功率装置，因此其不能够处置功率电路系统300所需要的电流量，且ESD箝位电路220被破坏，控制电路系统210内的其它电路系统也可能被破坏。
图4图解说明来自图3的控制电路系统210及功率电路系统200以及经配置以保护控制电路系统210的接地断线保护电路系统。在此实例中，已在GND 1 272与GND 2 274之间添加包含背对背功率二极管410及412的接地断线保护电路系统(在发生断线310之前)。在此实例中，功率二极管410的阴极端子及功率二极管412的阳极端子耦合到GND 2 274(在发生断线310之前)，而功率二极管410的阳极端子及功率二极管412的阴极端子耦合到GND 1272。
在操作中，此实例提供Vdiode或约0.7伏特的共模范围。在发生断线310之后，当GND1与节点312之间的电压差超过0.7伏特时，功率二极管410或功率二极管412将接通(取决于电压差的极性)且使电流从节点312流入到GND 1 272。此电流路径在图4中经图解说明为虚线420。
图5图解说明来自图3的控制电路系统210及功率电路系统200以及经配置以保护控制电路系统210的接地断线保护电路系统。在此实例中，包含功率MOSFET 511及512的接地断线保护电路系统在GND 1 272与GND 2 274之间设置成共源极布置(在发生断线310之前)。在此实例中，功率MOSFET 511的源极端子在节点522处与功率MOSFET 512的源极端子耦合。功率MOSFET 511的漏极端子与GND 1 272耦合，而功率MOSFET 512的漏极端子与GND2 274耦合(在发生断线310之前)。功率MOSFET 511的栅极端子在节点520处与功率MOSFET512的栅极端子耦合。功率MOSFET 511及512各自分别包含体二极管513及514。
在此实例中，接地断线保护电路系统进一步包含两个低功率二极管515及516以及栅极低功率电阻器517以提供对功率MOSFET对的栅极偏置。二极管515的阴极端子与功率MOSFET 511的栅极端子(节点520)耦合，而二极管516的阳极端子与GND 1 272(第一接地)耦合。二极管516的阴极端子与功率MOSFET 512的栅极端子(节点520)耦合，而二极管516的阳极端子与GND 2 274(第二接地)耦合(在发生断线310之前)。
二极管515及516在GND 1 272与GND 2 274(或在发生断线310之后节点312)之间有效地提供逻辑或功能。在发生断线310之后，当节点312或GND 1 272与节点520之间的电压差超过0.7伏特时，功率MOSFET 511及512将接通且使电流从节点312流入到GND 1272。此提供功率MOSFET的2*Vdiode+Vt(大致3伏特多一点儿)的基线共模范围。电阻器517耦合在节点520与522之间以便提供所述两个节点之间的低电流泄漏路径且用于在正常操作期间使功率MOSFET 511及512保持在关断状态中。在实例中，电阻器517为具有至少10,000欧姆的电阻的低功率电阻器。
与图4中所图解说明的电路相比较，改进基线共模范围，且此电路允许通过添加低成本低功率组件而非高成本高功率组件来延伸共模范围。在图6A到6D中展示共模范围的延伸的实例。
图6A到6D图解说明适于经延伸共模范围的用于电动机功率控制系统的接地断线保护电路系统的实例。图6A图解说明来自图4的接地断线保护电路系统，所述接地断线保护电路系统包含位于GND 1 272与GND 2 274之间的功率二极管410及412(在发生断线310之前)。
图6B图解说明经修改以提供约4伏特的经延伸共模范围的来自图6A的接地断线保护电路系统。在此实例中，为了达到4伏特的共模范围，二极管410已替换成串联耦合的6个高功率二极管610，且二极管412已替换成也串联耦合的6个高功率二极管612，总共12个高功率二极管。虽然实例性解决方案有效，但高功率二极管是昂贵的，且需要PCB上的大量空间。
相比之下，图6C图解说明来自图5的接地断线保护电路系统，所述接地断线保护电路系统包含位于GND 1 272与GND 2 274之间的呈共源极布置的功率MOSFET 511及512(在发生断线310之前)。如上文所描述，此配置具有大致3伏特多一点儿的共模功率范围。
图6D图解说明经修改以提供约4伏特的经延伸共模范围的来自图6C的接地断线保护电路系统。在此实例中，为了达到4伏特的共模范围，低功率二极管515已替换成包含低功率二极管621及622的一对串联二极管620，且低功率二极管516已替换成包含低功率二极管625及626的一对串联二极管624。每一对串联二极管包含在阳极端子处耦合到第二二极管的阴极端子的第一二极管。此配置使共模范围增加Vdiode或约0.7伏特，达到总共大致4伏特。
在此实例中，所述第一对串联二极管在阴极端子处耦合到所述第一功率MOSFET的栅极端子及所述第二功率MOSFET的栅极端子，且在阳极端子处耦合到所述第一功率MOSFET的所述漏极端子。所述第二对串联二极管在阴极端子处耦合到所述第二功率MOSFET的所述栅极端子及所述第一功率MOSFET的所述栅极端子并且在阳极端子处耦合到所述第二功率MOSFET的所述漏极端子。
在此实例中，所述第一对串联二极管包含在阳极端子处耦合到第二二极管的阴极端子的第一二极管。所述第一对串联二极管的所述阴极端子为所述第一二极管的阴极端子，且所述第一对串联二极管的所述阳极端子为所述第二二极管的阳极端子。
所述第二对串联二极管包括在阳极端子处耦合到第四二极管的阴极端子的第三二极管。所述第二对串联二极管的所述阴极端子为所述第三二极管的阴极端子，且所述第二对串联二极管的所述阳极端子为所述第四二极管的阳极端子。
在任选实例中，电阻分压器可用于控制所述功率MOSFET的所述栅极端子，然而，此并非像将额外低功率二极管添加到电路一样高效。
与图6A及6B中所图解说明的电路相比较，图6C及6D的电路仅仅通过添加串联的低功率二极管而提供共模范围的延伸。这些低功率二极管比图6A及6B的电路所需要的高功率二极管小得多且便宜。在各种其它实例中，图6D中所图解说明的接地断线保护电路系统包含三个或多于三个串联二极管以便根据需要增加电路的共模范围。
修改在所描述实施例中为可能的，且其它实施例在权利要求书的范围内为可能的。

Claims (14)

1.一种用于接地断线保护的电路，所述电路包括：
第一功率金属氧化物半导体场效晶体管MOSFET，其具有连接到第一接地的第一漏极端子、第一源极端子和第一栅极端子；
第二功率MOSFET，其具有连接到第二接地的第二漏极端子、连接到所述第一源极端子的第二源极端子和连接到所述第一栅极端子的第二栅极端子；
第一二极管，其具有连接到所述第一栅极端子的第一阴极，且具有第一阳极；
第二二极管，其具有连接到所述第一阳极的第二阴极和连接到所述第一漏极端子的第二阳极；
第三二极管，其具有连接到所述第二栅极端子的第三阴极，且具有第三阳极；
第四二极管，其具有连接到所述第三阳极的第四阴极和连接到所述第二漏极端子的第四阳极；以及
电阻器，其在第一端子处连接到所述第一功率MOSFET和所述第二功率MOSFET的栅极端子，且在第二端子处连接到所述第一功率MOSFET和所述第二功率MOSFET的源极端子。
2.根据权利要求1所述的电路，其中所述第一功率MOSFET及所述第二功率MOSFET为n沟道功率MOSFET。
3.根据权利要求1所述的电路，其进一步包括：
第五二极管，其具有耦合到所述第一漏极端子的第五阴极端子和耦合到所述第一源极端子的第五阳极端子；
第六二极管，其具有耦合到所述第二漏极端子的第六阴极端子和耦合到所述第二源极端子的第六阳极端子。
4.根据权利要求1所述的电路，其中所述第一二极管、所述第二二极管、所述第三二极管和所述第四二极管经配置以在所述第一漏极端子与所述第二漏极端子之间的电压差超过阈值时接通所述第一功率MOSFETS及所述第二功率MOSFETS。
5.根据权利要求1所述的电路，其中所述电阻器经配置以提供所述第一栅极端子及所述第二栅极端子之间的泄漏路径，且在正常操作期间在不存在接地断线事件时使所述第一功率MOSFETS及所述第二功率MOSFETS保持关断。
6.根据权利要求5所述的电路，其中所述电阻器具有至少10,000欧姆的电阻。
7.根据权利要求1所述的电路，其中所述第一二极管、所述第二二极管、所述第三二极管和所述第四二极管被配置为所述第一接地与所述第二接地之间的逻辑或。
8.根据权利要求1所述的电路，其中所述第一二极管、所述第二二极管、所述第三二极管和所述第四二极管以及所述电阻器为低功率装置。
9.根据权利要求5所述的电路，其中所述第一二极管、所述第二二极管、所述第三二极管和所述第四二极管经配置以在所述第一漏极端子与所述第二漏极端子之间的电压差超过阈值时接通所述第一功率MOSFETS及所述第二功率MOSFETS。
10.一种用于电动机中的接地断线保护的电路，所述电路包括：
第一功率金属氧化物半导体场效晶体管MOSFET，其具有耦合到第一接地的第一漏极端子、第一源极端子和第一栅极端子；
第二功率MOSFET，其具有耦合到第二接地的第二漏极端子、耦合到所述第一源极端子的第二源极端子和耦合到所述第一栅极端子的第二栅极端子；
第一对串联二极管，其在阴极端子处耦合到所述第一栅极端子和所述第二栅极端子，且在阳极端子处耦合到所述第一漏极端子；
第二对串联二极管，其在阴极端子处耦合到所述第一栅极端子和所述第二栅极端子，且在阳极端子处耦合到所述第二漏极端子；以及
电阻器，其在第一端子处耦合到所述第一栅极端子和所述第二栅极端子，且在第二端子处耦合到所述第一源极端子和所述第二源极端子；
其中所述第一功率MOSFET和所述第二功率MOSFET经配置以在电动机系统中的接地断线事件器件接通，以允许电流在所述第一接地与所述第二接地之间通过。
11.根据权利要求10所述的电路，其进一步包括：
第一旁路二极管，其具有耦合到所述第一漏极端子的第一旁路阴极端子及耦合到所述第一源极端子的第一旁路阳极端子；
第二旁路二极管，其具有耦合到所述第二漏极端子的第二旁路阴极端子及耦合到所述第二源极端子的第二旁路阳极端子。
12.根据权利要求10所述的电路，其中所述电阻器经配置以提供所述第一栅极端子与所述第二栅极端子之间的泄漏路径，且在正常操作期间在不存在接地断线事件时使所述第一功率MOSFETS及所述第二功率MOSFETS保持关断。
13.根据权利要求10所述的电路，其中所述电阻器具有至少10,000欧姆的电阻。
14.根据权利要求10所述的电路，其中所述第一对串联二极管和所述第二对串联二极管被配置为所述第一接地与所述第二接地之间的逻辑或。
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