CN213661498U - 一种直流变频电机的上桥臂驱动电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种直流变频电机的上桥臂驱动电路，其包括依次连接的一级三极管模块、二级三极管模块、三级三极管模块以及驱动模块，所述一级三极管模块还与控制端电压连接，所述控制端电压使一级三极管模块产生恒定电流、使二级三极管模块和三级三极管模块导通或者截止，进而通过驱动模块控制上桥臂的开通或者关断。本实用新型通过分立器件代替大规模集成电路，适合低成本电机控制应用；并且，以三极管级联方式搭建电路，器件性能稳定，电路可靠性高，实现了直流变频电机上桥臂的恒定电流驱动。

Description

一种直流变频电机的上桥臂驱动电路

技术领域

本实用新型属于直流变频技术领域，具体涉及一种直流变频电机的上桥臂驱动电路。

背景技术

直流变频电机的驱动电路为桥式电路，分为上桥臂和下桥臂，各桥臂的主驱动器件为功率器件IGBT，IGBT连接输入电压和电机绕组，起到控制电压输入到电机的开关作用。

然而，驱动IGBT产生开关动作的电路目前普遍采用集成的预驱芯片，即一个芯片集成多路驱动电路来分别驱动多个IGBT以达到电机控制目的。预驱芯片价格取决于需要驱动的IGBT数目，一般三相电机(每相需要2个IGBT)应用中至少需要6个IGBT，致使预驱芯片成本在电机控制板成本占比较高。

实用新型内容

为了解决上述问题，本实用新型提供一种直流变频电机的上桥臂驱动电路，适合低成本电机控制应用，器件性能稳定，电路可靠性高。

本实用新型所采用的技术方案是：

一种直流变频电机的上桥臂驱动电路，其包括依次连接的一级三极管模块、二级三极管模块、三级三极管模块以及驱动模块，所述一级三极管模块还与控制端电压连接，所述控制端电压使一级三极管模块产生恒定电流、使二级三极管模块和三级三极管模块导通或者截止，进而通过驱动模块控制上桥臂的开通或者关断。

优选地，所述一级三极管模块包括第四三极管Q4，所述第四三极管Q4的基极一路通过第十二电阻R12与控制端电压连接，另一路通过第十三电阻R13接地，所述第四三极管Q4的发射极通过第十四电阻R14接地，所述第四三极管Q4的集电极与第十一电阻R11连接，所述第十一电阻R11一路通过第十电阻R10和第一二极管D1接+12V，另一路和二级三极管模块连接。

优选地，所述二级三极管模块包括第三三极管Q3，所述第三三极管Q3的基极和一级三极管模块连接，所述第三三极管Q3的发射极和三级三极管模块连接，所述三级三极管模块的集电极接+12V。

优选地，所述三级三极管模块包括第一三极管Q1，所述第一三极管Q1的集电极接+12V，所述第一三极管Q1的基极一路和第三三极管Q3的发射极连接，另一路和第九电阻R9连接，所述第一三极管Q1的发射极和第二三极管Q2的集电极连接，所述第二三极管Q2的基极与第九电阻R9连接。

优选地，所述驱动模块包括与第一三极管Q1的发射极和第二三极管Q2的集电极连接的第八电阻R8，所述第八电阻R8与第七电阻R7连接，所述第七电阻R7与电容C并联，还包括自举电容C11，所述自举电容C11的一端接V_C，另一端接地。

优选地，还包括用于防止电流反流的第七二极管D7，所述第七二极管D7设置在一级三极管模块和三级三极管模块之间的。

优选地，还包括用于驱动直流变频电机的电机驱动模块，所述电机驱动模块连接所述驱动模块。

优选地，所述电机驱动模块包括桥臂U、桥臂V、桥臂W和电机，所述桥臂U包括第一IGBT管M1和第四IGBT管M4，所述桥臂V包括第二IGBT管M2和第五IGBT管M5，所述桥臂W包括第三IGBT管M3和第六IGBT管M6，所述第一IGBT管M1和第四IGBT管M4并联后连接电机的U相，所述第二IGBT管M2和第五IGBT管M5并联后连接电机的V相，第三IGBT管M3和第六IGBT管M6并联后连接电机的W相。

优选地，所述第一IGBT管M1的集电极、第二IGBT管M2的集电极和第三IGBT管M3的集电极均接高压电源，所述高压电源并联第一电容C1、第二电容C2和第三电容C3后均接地，所述第一IGBT管M1的发射极连接所述第四IGBT管M4的集电极和电机的U相，所述第二IGBT管M2的发射极连接所述第五IGBT管M5的集电极和电机的V相，所述第三IGBT管M3的发射极连接所述第六IGBT管M6的集电极和电机的W相，所述第四IGBT管M4的发射极、第五IGBT管M5的发射极和第六IGBT管M6的发射极均接地。

优选地，所述第一三极管Q1和第四三极管Q4为NPN三极管，所述第二三极管Q2和第三三极管Q3为PNP三极管。

与现有技术相比，本实用新型通过分立器件代替大规模集成电路，适合低成本电机控制应用；并且，以三极管级联方式搭建电路，器件性能稳定，电路可靠性高，实现了直流变频电机上桥臂的恒定电流驱动。

附图说明

图1是本实用新型实施例提供的一种直流变频电机的上桥臂驱动电路的电路图；

图2是本实用新型实施例提供的一种直流变频电机的上桥臂驱动电路的电机驱动模块的电路图；

图3是本实用新型实施例提供的一种直流变频电机的上桥臂驱动电路的MCU输出高电平的等效电路图；

图4是本实用新型实施例提供的一种直流变频电机的上桥臂驱动电路的MCU输出低电平的等效电路图。

其中：

1.一级三极管模块，2.二级三极管模块，3.三级三极管模块，4.驱动模块，5.电机驱动模块。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

本实用新型实施例提供一种直流变频电机的上桥臂驱动电路，如图1所示，其包括依次连接的一级三极管模块1、二级三极管模块2、三级三极管模块3以及驱动模块4，所述一级三极管模块1还与控制端电压连接，所述控制端电压使一级三极管模块1产生恒定电流、使二级三极管模块2和三级三极管模块3导通或者截止，进而通过驱动模块4控制上桥臂的开通或者关断；

这样，采用上述结构，在上桥臂驱动电路工作时，控制端电压使一级三极管模块1产生恒定电流，所述控制端电压和恒定电流驱动共同作用使二级三极管模块2和三级三极管模块3导通或者截止；

当使二级三极管模块2和三级三极管模块3导通时通过驱动模块4控制上桥臂的开通；反之通过驱动模块4控制上桥臂的开通关断，整个过程通过三极管级联方式搭建电路代替传统的成本高的预驱芯片，节约了成本，并且，以三极管级联方式搭建电路，器件性能稳定，电路可靠性高，实现了直流变频电机上桥臂的恒定电流驱动。

在具体实施例中，所述一级三极管模块1包括第四三极管Q4，所述第四三极管Q4的基极一路通过第十二电阻R12与控制端电压连接，另一路通过第十三电阻R13接地，所述第四三极管Q4的发射极通过第十四电阻R14接地，所述第四三极管Q4的集电极与第十一电阻R11连接，所述第十一电阻R11一路通过第十电阻R10和第一二极管D1接+12V，另一路和二级三极管模块2连接；

这样，通过第十四电阻R14，起到电流负反馈作用，其作用于电流I，使得电流I保持恒定，从而避免通路第十电阻R10、第十一电阻R11、第四三极管Q4、第十四电阻R144和地因为Vc不确定，使电流I不确定，进而导致通路的功率不确定而发生故障；其中，电流I为所述通路的电流。

所述二级三极管模块2包括第三三极管Q3，所述第三三极管Q3的基极和一级三极管模块1连接，所述第三三极管Q3的发射极和三级三极管模块3连接，所述三级三极管模块3的集电极接+12V。

所述三级三极管模块3包括第一三极管Q1，所述第一三极管Q1的集电极接+12V，所述第一三极管Q1的基极一路和第三三极管Q3的发射极连接，另一路和第九电阻R9连接，所述第一三极管Q1的发射极和第二三极管Q2的集电极连接，所述第二三极管Q2的基极与第九电阻R9连接。

所述驱动模块4包括与第一三极管Q1的发射极和第二三极管Q2的集电极连接的第八电阻R8，所述第八电阻R8与第七电阻R7连接，所述第七电阻R7与电容C并联，还包括自举电容C11，所述自举电容C11的一端接V_C，另一端接地。

还包括用于防止电流反流的第七二极管D7，所述第七二极管D7设置在一级三极管模块1和三级三极管模块3之间的。

还包括用于驱动直流变频电机的电机驱动模块5，所述电机驱动模块5连接所述驱动模块4。

如图2所示，所述电机驱动模块5包括桥臂U、桥臂V、桥臂W和电机，所述桥臂U包括第一IGBT管M1和第四IGBT管M4，所述桥臂V包括第二IGBT管M2和第五IGBT管M5，所述桥臂W包括第三IGBT管M3和第六IGBT管M6，所述第一IGBT管M1和第四IGBT管M4并联后连接电机的U相，所述第二IGBT管M2和第五IGBT管M5并联后连接电机的V相，第三IGBT管M3和第六IGBT管M6并联后连接电机的W相。

所述第一IGBT管M1的集电极、第二IGBT管M2的集电极和第三IGBT管M3的集电极均接高压电源，所述高压电源并联第一电容C1、第二电容C2和第三电容C3后均接地，所述第一IGBT管M1的发射极连接所述第四IGBT管M4的集电极和电机的U相，所述第二IGBT管M2的发射极连接所述第五IGBT管M5的集电极和电机的V相，所述第三IGBT管M3的发射极连接所述第六IGBT管M6的集电极和电机的W相，所述第四IGBT管M4的发射极、第五IGBT管M5的发射极和第六IGBT管M6的发射极均接地；

这样，三相直流变频电机的U、V、W相分别由桥臂U、V、W控制，每个桥臂分为上下两个桥臂，分别以IGBT(M1～M6)作为功率开关器件。图示为U相接通高电压24V，W相接通地端时的电流方向，具体地：

上桥臂IGBT开通则对应的相接通高电压24V，上桥臂IGBT关闭则对应的相断开高电压24V；

下桥臂IGBT开通则对应的相接通地端，上桥臂IGBT关闭则对应的相断开地端；

控制IGBT开关时，严禁同一桥臂的上下桥臂IGBT同时接通，否则造成+24V和地端短路。

所述第一三极管Q1和第四三极管Q4为NPN三极管，所述第二三极管Q2和第三三极管Q3为PNP三极管。

本实施例的直流变频电机的上桥臂驱动电路，采用NPN三极管和PNP三极管级联电路实现控制IGBT通断，当IGBT的U_L_OUT端为高电平12V时则IGBT开通，当IGBT的U_L_OUT端为低电平时则IGBT关断；

本实用新型的原理为：MCU控制端U_L_IN输出0-3.3V电平控制三极管级联电路，选通自举电容C11相关回路使得第一IGBT管M1开通，关断自举电容C11相关回路使得第一IGBT管M1关断；

具体为：

a、在控制直流变频电机运转的过程中，所述第四IGBT管M4的开通状态是不确定的，故Va点(如图1所示)的电压也是不确定的，所以对第一IGBT管M1而言，不能通过施加对地的绝对电压12V给第一IGBT管M1的G端使第一IGBT管M1开通，而是采用相对Va点的相对电压12V使第一IGBT管M1开通，此处采用设置自举电容C11，由于自举电容C11常接+12V故被充电至+12V，由于Va点的电压是不确定的，即相当于浮动的水平面，故Vc＝Va+12；

另外，为了防止电流反向流向+12V电源故设置第一二极管D1作隔离；为防止电流反向流向电源地故设置第七二极管D7作隔离。

b、因Va不确定，故Vc不确定，当第四三极管Q4导通时，第十电阻R10、第十一电阻R11、第四三极管Q4、第十四电阻R144和地形成通路，此时加在第四三极管Q4的集电极的电压可能很大或很小，故第四三极管Q4需选用耐高压的三极管；

同时，随着Vc的增大或减小，该通路的电流I也随之增大或减小，故需要采取措施使电流I恒定，否则不恒定的电流I会使得该通路功率过大或过小导致故障；此处采取的措施是设置第十四电阻R14形成电流负反馈电路，其原理为：

(1)第四三极管Q4的基极电流Ib通过如下公式计算：

Ib＝(Vb-Ve)/R_Q4

上式中，R_Q4为第四三极管Q4的内部电阻；

当第四三极管Q4导通时，第四三极管Q4的发射极电压Ve＝I*R14，故第四三极管Q4的基极电流通过如下公式计算：

Ib＝(Vb-I*R14)/R_Q4 公式(1)

(2)根据三极管电流放大原理知，第四三极管Q4的集电极电流通过如下公式计算：

Ic＝β*Ib 公式(2)

上式中，β为电流系数；

Vb固定为MCU输出的控制电压，即：

Vb＝3.3V 公式(3)

(3)当电流I增大，根据公式(1)知：Ib减小；根据公式(2)知：第十三极管Q4的Ic减小，减小的Ic作用于I将使得I减小；

(4)当电流I减小，根据公式(1)知：Ib增大；根据公式(2)知：第十三极管Q4的Ic增大，增大的Ic作用于I将使得I增大；

故，第十四电阻R14起到电流负反馈作用，其作用于电流I，使得电流I保持恒定，从而避免通路第十电阻R10、第十一电阻R11、第四三极管Q4、第十四电阻R144和地因为Vc不确定，使电流I不确定，进而导致通路的功率不确定而发生故障；其中，电流I为所述通路的电流。

c、U_L_IN为MCU的控制信号，幅值为0-3.3V，当U_L_IN为3.3V时，第四三极管Q4的基极为高电平，第四三极管Q4导通，第三三极管Q3的集电极和基极形成电压差，第三三极管Q3导通，第一三极管Q1的基极为高电平，第一三极管Q1导通，第二三极管Q2的基极为高电平，第二三极管Q2截止，第一IGBT管M1的G端电压相对于Va的电压差为12V(即等于自举电容C11两端的电压)故第一IGBT管M1开通；

等效电路如图3所示，箭头所示为电流流动方向，此时电源+12V持续给自举电容C11充电，而自举电容C11通过箭头所示的回路持续放电，使第一IGBT管M1的G端持续达到相对于Va的高电平12V，使第一IGBT管M1开通。

d、当U_L_IN为0V时，第四三极管Q4的基极为低电平，第四三极管Q4截止，第三三极管Q3的集电极和基极没有形成电压差，第三三极管Q3截止，第一三极管Q1的基极为低电平，第一三极管Q1截止，第二三极管Q2的基极为低电平Q2导通，第一IGBT管M1的G端电压等于Va的电压，故电压差为0V使得第一IGBT管M1开始关断，此时第一IGBT管M1内部的结电容C开始放电；

等效电路如图4所示，箭头所示为结电容C放电电流方向，直至C放电完毕M1关断。

本实施例提供的直流变频电机的上桥臂驱动电路采用分立器件代替大规模集成电路，适合低成本电机控制应用；

并且，以三极管级联方式搭建电路，器件性能稳定，电路可靠性高；

实现了直流变频电机上桥臂恒定电流驱动，和自举驱动功能。

以上所述，仅为本实用新型较佳的具体实施方式，但本实用新型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实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种直流变频电机的上桥臂驱动电路，其特征在于，其包括依次连接的一级三极管模块(1)、二级三极管模块(2)、三级三极管模块(3)以及驱动模块(4)，所述一级三极管模块(1)还与控制端电压连接，所述控制端电压使一级三极管模块(1)产生恒定电流、使二级三极管模块(2)和三级三极管模块(3)导通或者截止，进而通过驱动模块(4)控制上桥臂的开通或者关断。

2.根据权利要求1所述的一种直流变频电机的上桥臂驱动电路，其特征在于，所述一级三极管模块(1)包括第四三极管Q4，所述第四三极管Q4的基极一路通过第十二电阻R12与控制端电压连接，另一路通过第十三电阻R13接地，所述第四三极管Q4的发射极通过第十四电阻R14接地，所述第四三极管Q4的集电极与第十一电阻R11连接，所述第十一电阻R11一路通过第十电阻R10和第一二极管D1接+12V，另一路和二级三极管模块(2)连接。

3.根据权利要求2所述的一种直流变频电机的上桥臂驱动电路，其特征在于，所述二级三极管模块(2)包括第三三极管Q3，所述第三三极管Q3的基极和一级三极管模块(1)连接，所述第三三极管Q3的发射极和三级三极管模块(3)连接，所述三级三极管模块(3)的集电极接+12V。

4.根据权利要求3所述的一种直流变频电机的上桥臂驱动电路，其特征在于，所述三级三极管模块(3)包括第一三极管Q1，所述第一三极管Q1的集电极接+12V，所述第一三极管Q1的基极一路和第三三极管Q3的发射极连接，另一路和第九电阻R9连接，所述第一三极管Q1的发射极和第二三极管Q2的集电极连接，所述第二三极管Q2的基极与第九电阻R9连接。

5.根据权利要求4所述的一种直流变频电机的上桥臂驱动电路，其特征在于，所述驱动模块(4)包括与第一三极管Q1的发射极和第二三极管Q2的集电极连接的第八电阻R8，所述第八电阻R8与第七电阻R7连接，所述第七电阻R7与电容C并联，还包括自举电容C11，所述自举电容C11的一端接V_C，另一端接地。

6.根据权利要求1-5任一项所述的一种直流变频电机的上桥臂驱动电路，其特征在于，还包括用于防止电流反流的第七二极管D7，所述第七二极管D7设置在一级三极管模块(1)和三级三极管模块(3)之间的。

7.根据权利要求1所述的一种直流变频电机的上桥臂驱动电路，其特征在于，还包括用于驱动直流变频电机的电机驱动模块(5)，所述电机驱动模块(5)连接所述驱动模块(4)。

8.根据权利要求7所述的一种直流变频电机的上桥臂驱动电路，其特征在于，所述电机驱动模块(5)包括桥臂U、桥臂V、桥臂W和电机，所述桥臂U包括第一IGBT管M1和第四IGBT管M4，所述桥臂V包括第二IGBT管M2和第五IGBT管M5，所述桥臂W包括第三IGBT管M3和第六IGBT管M6，所述第一IGBT管M1和第四IGBT管M4并联后连接电机的U相，所述第二IGBT管M2和第五IGBT管M5并联后连接电机的V相，第三IGBT管M3和第六IGBT管M6并联后连接电机的W相。

9.根据权利要求8所述的一种直流变频电机的上桥臂驱动电路，其特征在于，所述第一IGBT管M1的集电极、第二IGBT管M2的集电极和第三IGBT管M3的集电极均接高压电源，所述高压电源并联第一电容C1、第二电容C2和第三电容C3后均接地，所述第一IGBT管M1的发射极连接所述第四IGBT管M4的集电极和电机的U相，所述第二IGBT管M2的发射极连接所述第五IGBT管M5的集电极和电机的V相，所述第三IGBT管M3的发射极连接所述第六IGBT管M6的集电极和电机的W相，所述第四IGBT管M4的发射极、第五IGBT管M5的发射极和第六IGBT管M6的发射极均接地。

10.根据权利要求5所述的一种直流变频电机的上桥臂驱动电路，其特征在于，所述第一三极管Q1和第四三极管Q4为NPN三极管，所述第二三极管Q2和第三三极管Q3为PNP三极管。

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