CN1411136A - 一种低功耗有刷直流电机控制器 - Google Patents

Abstract

本发明为一种低功耗有刷直流电机控制器，属于一种电子控制器，它包括功率变换主回路、控制驱动电路以及电源，其中功率变换主回路包含续流开关管、与续流开关管串联的主开关管，与续流开关管并联的有刷直流电机；除非续流开关管、主开关管均不开通，否则控制驱动电路输出的控制逻辑和输出电压保证使续流开关管、主开关管中的一只开通时另一只关断。本发明解决有刷直流电机控制器功耗大的问题，在同样的散热器和同样的散热条件下，控制器温升降低，可靠性提高；且为达到同样的温升要求，控制器的体积和重量可减少约30％。

Description

一种低功耗有刷直流电机控制器

一、技术领域：

本发明涉及一种电子控制器，尤其涉及一种应用于各类压缩机、电动工具、电动玩具、电动车等的低功耗有刷直流电机控制器。

二、背景技术：

随着功率半导体器件、控制线路、微电子技术的迅速发展，采用电子控制器控制的有刷直流电机获得了越来越广泛的应用。然而由于电子控制器和电机的热惯性相差悬殊，控制器的短时过载能力相对于电机来说就要差很多，当电机工作于启动、制动、堵转、过载等方式时，短时间内电机和控制器中的电流都很大，甚至数倍于额定电流，在这种工况下的持续时间越长，对控制器构成的威胁就越大。为了使控制器和电机的短时过载能力相接近或匹配，目前的办法主要是靠选用更大功率的半导体功率元件和加大控制器散热面积来解决。但是，这种方法的缺点是：并没有真正降低功耗，带来的副作用十分明显，即增加控制器成本，增大体积和重量。尤其在对控制器体积和重量有严格限制的许多应用领域，光靠这种方法就无能为力了。

控制器本质上是一种功率变换装置，自身需要消耗一定的电能，自身消耗的电功率越大控制器的效率就越低。经过实验发现，控制器的功耗主要来自功率开关MOS管和续流二极管，而功率MOS管的功耗又主要有两部分构成，即开关功耗和导通功耗，这两部分功耗是可以通过选取开关速度快、通态电阻小的功率元件得到有效控制的，然而续流二极管产生的续流功耗则很难降低，因为即使选用导通压降很低的肖特基二极管，导通压降V_F一般也至少在0.6V以上，而随着续流电流的上升V_F还会进一步增大，那么在续流二极管上将产生P₁＝V_FI_u的稳态续流功耗，经测试发现该功耗占了整个控制器功耗相当大的比例。

三、发明内容：

本发明所要解决的技术问题是：提供一种功耗大幅度下降、过载能力强、可靠性高的有刷直流电机控制器。

本发明是这样来实现的：它包括功率变换主回路、控制功率变换主回路的控制驱动电路以及与功率变换主回路串联的电源，其特征在于：功率变换主回路包含续流开关管、与续流开关管串联的主开关管，与续流开关管并联的有刷直流电机；除非续流开关管、主开关管均不开通，否则控制驱动电路输出的控制逻辑和输出电压使续流开关管、主开关管中的一只开通时另一只关断。

MOS管内部存在的寄生二极管，当MOS管关断时，器件呈现二极管特性，如果用栅极短路的MOS管代替二极管使用，那么，只要MOS管的耐压和二极管一样，就完全可以代替二极管起到反向阻断作用，当二极管开始续流而正向导通时，如果MOS管处于完全关断状态，那么，续流电流I_u将全部从寄生二极管中通过，产生的功耗为P₁＝V_FI_u，显然功耗并没有被削减，但是，如果此时能设法控制MOS管的栅极，使MOS管导通，情况就发生了变化，由于所选用的MOS管的导通电阻R_ds(on)很低(一般都能做到)，电流I_u通过MOS管时形成的压降很小，远低于二极管的导通压降V_F，因此本来应该从MOS的寄生二极管中流过的续流电流，就改道从MOS管源极S和漏极D之间的电阻R_ds(on)中流过，形成的功耗为P₂＝I_u ²R_ds(on)，不难保证P₂＜＜P₁，这意味着续流功耗被大大降低，本发明将这种用MOS管代替续流二极管进行续流的方式称为“同步续流”，将起这种作用的MOS管称为续流开关管。

采用本发明的低功耗有刷直流电机控制器具有以下优点和效果：①实现方法简单；只要选取电流、电压、导通电阻等技术参数适当的MOS管代替续流二极管，再加上“同步续流”控制信号，就可大幅度降低功耗；②由于续流功耗降低，控制器的总功耗降低，效率提高，在同样的散热器和同样的散热条件下，控制器温升降低，可靠性提高；③为达到同样的温升要求，控制器的体积和重量可减少约30％。

表一是采用本发明前后控制器各点的温升实测数据，从表中可以看出，采用本发明后在同样的散热条件下控制器的温升有了大幅度的下降，这表明控制器的功耗减小了，达到了本发明预期的目标。表一：

	各测试点温升(℃)	采用本发明前	采用本发明后
				1	功率管表面温升	62	41
2	控制器内部温升	56	34
				3	控制器外壳温升	50	28

注：测试条件为，电流12A，电机堵转，环境温度27℃，散热器NY-016，二极管为16QCT100，MOS管为IRFZ48N。

四、附图说明：附图1低功耗有刷直流电机控制器的结构示意图。附图2续流开关管、主开关管的栅极驱动电压波形。附图3低功耗有刷直流电机控制器的实施例一。附图4低功耗有刷直流电机控制器的实施例二。附图5本发明采用的的控制驱动电路示意图。

五、具体实施方式：

根据附图1、附图2和附图5，控制驱动电路CU₁的3、4脚分别与主开关MOS管M₂的G、S极相连，控制驱动电路CU₁的1、2脚分别与续流开关MOS管M₁的G、S极相连，主开关MOS管M₂的D极与续流开关MOS管M₁的S极相连，同时与电机M的下端相连，主开关MOS管M₂的S极与电源E₁的负极相连，续流开关MOS管M₁的D极与电源E₁的正极相连，同时与电机M的上端相连。主开关MOS管M₂工作于PWM方式，续流开关MOS管M₁代替续流二极管起同步续流作用，主开关MOS管M₂和续流开关MOS管M₁均由控制驱动电路CU₁控制，控制驱动电路CU₁的控制逻辑和输出电压保证使主开关MOS管M₂开通时续流开关MOS管M₁关断，主开关MOS管M2关断时续流开关MOS管M₁开通，续流开关MOS管M₁跟随主开关MOS管M₂工作，续流开关MOS管M₁与主开关MOS管M₂工作波形的极性相反。为了防止续流开关MOS管M₁与主开关MOS管M₂在开关转换过程中出现“直通”现象，控制驱动电路CU₁的控制逻辑中插入了“互锁时间”T_d1和T_d2。在控制驱动电路CU1输出的PWM电压方波脉冲的一个开关周期T内，主开关MOS管M₂导通的时间为t，关断的时间为(T-t)，电源E₁在时间t内向直流电机供电，若忽略T_d1和T_d2的影响(T_d1和＜＜T，T_d2＜＜T)，电机两端得到的平均电压为E₁(t/T)，电机工作电流为Iu，改变PWM的占空比δ％，就可以改变电机两端的电压，从而实现对直流电机的连续调速。附图5只列举了控制驱动电路CU₁的一种形式，并为现有技术，还可以有其它的电路形式。

其中：δ％为PWM的占空比；δ％＝(t/T)×100％，t≤T主开关MOS管M₂上的平均导通功耗为P_M2，则有：

P_M2＝δ％I_u ²R_ds(on)                                         (1)

假设I_u连续，续流开关MOS管M₁、主开关MOS管M₂为同型号的MOS管，续流开关MOS管M₁的平均续流功耗为P_M1，则有：

P_M1＝[1-δ％]I_u ²R_ds(on)                                     (2)

总功耗为：

    P₂＝P_M1+P_M2＝δ％I_u ²R_ds(on)+(1-δ％)I_u ²R_ds(on)＝I_u ²R_ds(on)    (3)

最大总功耗为：

    P_2max＝I_umax ²R_ds(on)                                          (4)

采用本发明前的总功耗为：

    P₁＝δ％I_u ²R_ds(on)+(1-δ％)I_uV_F                               (5)

采用本发明前的最大总功耗为：

    P_1max＝δ％I_umax ²R_ds(on)+(1-δ％)I_umaxV_F                      (6)

其中：I_u为电机中的平均工作电流；

I_umax为电机中的最大平均工作电流；

R_ds(on)为MOS管的平均通态电阻；

V_F为原普通续流二极管的平均正向通态压降。

从式(1)～(6)可以看出，在低速时，δ％接近于0，P_M2＜＜P_M1，续流开关MOS管M₁的续流功耗占主导地位；在高速时，δ％接近于1，P_M2＞＞P_M1，主开关MOS管M₂的导通功耗占主导地位；在中速时，δ％接近50％，P_M2＝P_M1，续流功耗和导通功耗各占一半。电机启动或堵转时速度接近于零，反电势尚未建立，在控制驱动电路CU₁的控制作用下，PWM波的占空比δ％很小，电机电流被限定于最大电流I_umax，因此在启动过程中，续流功耗占主导地位。采用本发明前，此续流功耗全部在续流二极管上，有(4)、(6)式知，由于V_F＞＞I_umaxR_ds(on)，所以P_1max＞＞P_2max二极管的工况相当恶劣，发热严重，控制器的过载能力和可靠性都下降。采用本发明后，此续流功耗由续流开关MOS管M₁承担，最大功耗仅为P_2max，控制器的工况得到改善，发热减小，过载能力和可靠性都有提高。

根据附图3，本发明也可以采用如下结构：控制驱动电路CU₁的3、4脚分别与主开关MOS管M₂的G、S极相连，控制驱动电路CU₁的1、2脚分别与续流开关MOS管M₁的G、S极相连，续流开关MOS管M₁的D极与主开关MOS管M₂的S极相连，同时与电机M的上端相连，主开关MOS管M₂的D极与电源E₁的正极相连，续流开关MOS管M₁的S极与电源E1的负极相连，同时与电机M的下端相连。

附图4为本发明的一个具体实施例。根据附图4，续流开关MOS管M₁为P沟道MOS管，型号为IRF4905，栅极阈值电压V_g(th)为-2～-4V，主关开MOS管M₂为N沟道MOS管，型号为IRFZ48N，栅极阈值电压为2～4V，上述两种管子的最大栅极电压Vgmax均为±20V。在控制驱动电路CU₁到续流开关MOS管M₁、主开关MOS管M₂的连线之间串联了电阻R_g1、R_g2，并联了齐纳二极管Z₁、Z₂，其中，R_g1、R_g2的作用是适当延缓MOS管的开关速度，降低电磁噪音，并防止栅极电压振荡，Z₁、Z₂的作用是防止MOS管的栅极被过压击穿。在续流开关MOS管M₁的S极和电机M的上端之间串联了电感L，在续流开关MOS管M₁的S极和电源E₁的正极之间串联了熔断器FU、控制驱动电路CU₁通过并联电阻R_s与主关开MOS管M₂的S极与电源E₁的负极相连，续流开关MOS管M₁、主开关MOS管M₂与电容C并联。其中，熔断器FU的作用是当线路发生大电流故障时熔断器FU自熔断，将电源从线路中断开，防止故障扩大；电感L的作用是平滑电机M的电枢电流，减小电机力矩脉动，降低噪音；电阻R_s是母线电流采样电阻，电流信号被送到控制驱动电路CU₁，以便控制驱动电路CU₁对母线电流进行监测和控制；电容C的作用是吸收续流开关MOS管M₁、主开关MOS管M₂在开关过程中造成的母线电压尖峰，避免MOS管遭到过压击穿的危险。

Claims (6)

1、一种低功耗有刷直流电机控制器，包括功率变换主回路、控制功率变换主回路的控制驱动电路以及与功率变换主回路串联的电源，其特征在于：功率变换主回路包含续流开关管、与续流开关管串联的主开关管，与续流开关管并联的有刷直流电机；除非续流开关管、主开关管均不开通，否则控制驱动电路输出的控制逻辑和输出电压使续流开关管、主开关管中的一只开通时另一只关断。

2、根据权利要求1所述的一种低功耗有刷直流电机控制器，其特征在于：续流开关管、主开关管可以选用N沟道或P沟道的MOS管，并可以任意组合。

3、根据权利要求1或2所述的一种低功耗有刷直流电机控制器，其特征在于：控制驱动电路的输出为高电平、低电平、或高低电平交替的矩形脉冲波，高电平的电压范围为Vg_(th)～Vg_max，低电平的电压范围为-Vg_max～Vg_(th)，其中，Vg_max为MOS管的最大栅极电压，Vg_(th)为MOS管的栅极阈值电压。

4、根据权利要求1或2所述的一种低功耗有刷直流电机控制器，其特征在于：主开关管和续流开关管可以分别用多个相同或不相同型号、参数、封装、结构、材料的MOS管并联使用。

5、根据权利要求4所述的一种低功耗有刷直流电机控制器，其特征在于：功率变换主回路中可以在任何位置串联无源元件，可以在任何位置并联无源元件。

6、根据权利要求1或5所述的一种低功耗有刷直流电机控制器，其特征在于：从控制驱动电路到主开关管和续流开关管之间的连接线上可以在任何位置插入串联无源元件，可以在两连接线之间任何位置并联无源元件。

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