CN214674313U - 一种电动汽车电机控制器驱动电路 - Google Patents

Abstract

一种电动汽车电机控制器驱动电路，其驱动电路由结构完全相同的U、V、W相驱动电路组成，其故障保护方法由整车控制器和电机控制器共同实现。各相驱动电路由接口电路、电平转换电路、互锁电路、门极驱动模块及IGBT模块组成。非门芯片和三输入与非门芯片组成互锁电路。电机控制器由控制板与驱动板组成，在控制板上布置控制电路，在驱动板上布置驱动电路。控制电路由ADC采集电路、旋变解码电路、主控芯片和收发电路等组成。本实用新型对控制电路和驱动电路同时进行保护，在控制电路或驱动电路发生故障导致上下桥臂直通时，通过互锁电路迅速关断IGBT，同时结合软件，对故障处理实现软硬件精确保护。本实用新型具有电路结构简单、安全可靠等特点。

Description

一种电动汽车电机控制器驱动电路

技术领域

本实用新型涉及电动汽车电机控制装置，特别是电动汽车电机控制器驱动电路及相应故障保护方法。

背景技术

电动汽车电机控制器通过驱动电路实现对IGBT导通与关断控制，将高压动力电池直流电源逆变为交流实现对电机的控制，因此，电机控制器驱动电路的安全性能对确保电动汽车安全可靠工作十分重要。电机控制器驱动电路中IGBT上下桥臂直接导通与IGBT过流等故障可能造成严重的安全事故，当IGBT上下桥臂发生短路直接导通，集电极与发射极之间的电流迅速上升，IGBT发热量迅速增加，可能导致元器件损坏，甚至发生爆炸。因此需要对驱动电路工作状态实时检测，避免上下桥直通的情况发生，并在因意外情况发生短路、过流等故障时能够快速关断IGBT实现保护。

在《互锁驱动电路》(CN111277123A)中，第一IGBT驱动芯片与第二IGBT驱动芯片，其中第一IGBT驱动芯片的驱动信号作为第二IGBT驱动芯片的接地信号。相应的，第二IGBT的驱动信号作为第一IGBT驱动芯片的接地信号。通过上述方案可避免IGBT上下桥臂直通的问题，避免了直流母线短路，达到了对驱动信号进行互锁的目的，同时通过外围检测电路实现短路过流保护。但此方案不能实时检测控制端电压，在控制端欠压时不能进行保护，不能抑制短脉冲信号，保护功能不是特别全面。

在《一种电动汽车电机控制器的PWM控制信号自锁保护电路》(CN106385249A)中，采用多个与非门、或非门以及锁存器等构成了自锁保护电路。该专利在检测到故障后输出故障信号到保护电路进行互锁，关断控制信号输出，故障消除后由控制器解锁信号进行解锁，控制信号可以正常输出，但是该方案对系统故障响应的时间较长。

在《一种电机控制器的IGBT驱动电路及电机控制器》(CN108565839A)中，设置在电机控制器驱动板上的功能安全电路，以及分别于功能安全电路连接的检测反馈电路和脉冲宽度调制PWM缓冲电路。检测反馈电路检测电机控制器的IGBT模块，当检测到故障时，发送指令信号到功能安全电路，功能安全电路输出相应的控制信号至PWM缓冲电路。缓冲电路产生相应的驱动信号，控制IGBT的通断实现保护。该方案可实现硬件关断的功能，但整体结构较复杂、成本较高。

总的来说，目前，电动汽车电机驱动技术方案存在驱动电路保护不全面，或保护系统对故障响应时间较长，或硬件成本较高等不足。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种电动汽车电机控制器驱动电路，旨在实现对电动汽车电机的驱动，且在故障发生时，能迅速关断IGBT，提高系统的安全性和可靠性。

本实用新型的目的是这样实现的：一种电动汽车电机控制器驱动电路，由结构完全相同的U相、V相和W相驱动电路组成；所述电机控制器由控制板与驱动板组成，在控制板上布置控制电路，驱动板上布置本实用新型驱动电路。

各相驱动电路由所述接口电路、电平转换电路、互锁电路、门极驱动模块与IGBT模块组成；

具体地，U相驱动电路由连接器、电平转换芯片MC14504B、U1非门芯片CD40106、U2三输入与非门芯片CD4023、门极驱动模块2SC0108T以及IGBT模块组成，其中，非门芯片和三输入与非门芯片组成互锁电路；

U相接口电路：实现控制电路与驱动电路之间控制信号PWM-UH、PWM-UL与故障信号FAULT-U的硬件连接与电平幅值转换处理，由驱动板连接器与U相电平转换电路组成；

U相电平转换电路：接收由驱动板连接器传送的IGBT控制信号，将控制信号电平转换至门极驱动模块所需幅值，以及接收互锁电路传送的门极驱动模块故障信号SO，并将该故障信号电平转换至控制板所需幅值后、经驱动板连接器传送至控制板连接器；

U相互锁电路：电平转换芯片输出的UH信号一路传送至U2-A引脚，一路经U1-1脚输入取反由U1-2串接短脉冲抑制电路R1、C1传送至U2-E引脚。UL一路与U2-D引脚相连，一路经U1-3脚输入取反由U1-4串接短脉冲抑制电路R2、C2传送至U2-B引脚。UH通过电阻R5上拉至+15V，UL通过电阻R6上拉至+15V，避免其在没有控制信号时输出任意态。U2-C引脚通过电阻R3上拉至+15V，U2-F引脚通过电阻R4上拉至+15V，U2-J引脚接于U1-9引脚，U2-K引脚接于U1-11引脚，U1的引脚8和引脚10分别接至门极驱动模块；

U相门极驱动模块：分别与IGBT模块的门极G、集电极C、发射极E连接；接收互锁电路传送的IGBT驱动信号UH*和UL*，根据驱动信号导通或关断U相上桥臂IGBT-UH和U相下桥臂IGBT-UL，并经引脚SO发送门极驱动模块故障信号SO至U1的引脚5，U1的引脚6接于电平转换芯片；

U相IGBT模块：由上桥臂IGBT-UH和下桥臂IGBT-UL组成，通过U相驱动力线与驱动电机连接；

所述控制板连接器连接驱动板连接器而实现信号双向传输。

所述U相驱动信号PWM-UH、PWM-UL、UL*、UH*以及门极驱动模块故障信号SO真值关系如下表：

与现有技术相比，本实用新型具有以下特点和优点：

①对控制电路与驱动电路同时保护，实现对软件程序故障与多种硬件电路故障保护，在控制电路或驱动电路出现故障可能导致上下桥臂直通时，能通过硬件互锁电路速关断IGBT，提高系统安全性和可靠性。

②驱动电路将故障信号反馈至控制电路，控制电路根据反馈故障信号的不同对故障定位，并进行故障处理，实现软硬件结合精确保护。

③由一块非门芯片和一块与非门芯片实现电路互锁，由门极驱动模块驱动IGBT并对驱动电路故障检测，简化了电动汽车电机驱动电路结构，成本低。

本实用新型采用阻容电路对控制信号进行短脉冲抑制，采用2SC0108T门极驱动模块对驱动电路高低压隔离，并对驱动电路原副边欠压、短路、过流等故障实时检测，采用互锁电路进行关断保护。IGBT控制信号与故障反馈信号通过互锁电路硬件保护，在驱动电路故障或软件程序故障输出上下桥臂同为高电平导通信号时输出低电平信号关断IGBT。使电动汽车电机控制器驱动电路安全可靠，并简化驱动电路结构。本实用新型解决了现有电动汽车电机控制器驱动电路发生故障后不能快速可靠进行保护、或电路系统复杂的问题。

附图说明

图1为电动汽车电机控制器整体驱动电路图。

图2为电动汽车电机控制器U相驱动电路图。

图3为本实用新型软件保护流程图。

图4为本实用新型在电动汽车上的实现方法示意图。

具体实施方式

术语解释：

①短脉冲抑制：温度、湿度以及负载等各方面的影响变化可能对控制回路产生瞬态干扰，产生脉冲宽度很小的毛刺信号，即短脉冲信号。短脉冲信号可能导致IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管)处于关断情况下意外打开，通过数字电路或模拟电路对短脉冲信号进行抑制，当脉冲信号小于设定宽度时，输出信号状态不改变。

②电路互锁：IGBT上下桥臂不能同时导通，否则将导致IGBT短路。在上下桥臂控制信号同时为高电平时，互锁输入信号并同时输出低电平。

图1为本实用新型电机控制器驱动电路，由结构完全相同的U相、V相和W相驱动电路组成；所述电机控制器由布置在控制板上的控制电路与布置在驱动板上的驱动电路组成。

各相驱动电路由TTL(Transistor-Transistor Logic，晶体管-晶体管逻辑集成电路)-CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor，互补金属氧化物半导体集成电路)电平转换芯片MC14504B、非门芯片CD40106、三输入与非门芯片CD4023、门极驱动模块2SC0108T以及IGBT模块组成。门极驱动模块检测功能实现对驱动电路原边与副边的故障检测，并将故障信号发送至互锁电路与控制电路。非门和与非门组成互锁电路实现对驱动信号与故障信号互锁，当控制电路或驱动电路故障时能迅速关断IGBT，切断高压输出。

各相驱动电路由所述接口电路、电平转换电路、互锁电路、门极驱动模块与IGBT模块组成；

由于各相驱动电路结构完全相同，下面以U相驱动电路为例，说明本实用新型的具体实施方案。

U相驱动电路由连接器、电平转换芯片MC14504B、U1非门芯片CD40106、U2三输入与非门芯片CD4023、门极驱动模块2SC0108T以及IGBT模块组成，其中，非门芯片和三输入与非门芯片组成互锁电路。电路原理如图2所示；

U相接口电路：实现控制电路与驱动电路之间控制信号PWM-UH、PWM-UL与故障信号FAULT-U的硬件连接与电平幅值转换处理，由连接器与U相电平转换电路组成。

U相电平转换电路：接收由驱动板连接器传送的U相PWM-UH和PWM-UL信号，以及接收互锁电路传送的门极驱动模块故障信号SO，并将该故障信号SO传送至驱动板连接器；

U相互锁电路：电平转换芯片输出的UH信号传送至U2的引脚A，电平转换芯片输出的UL信号传送至U1的引脚3，U1的引脚4串接电阻R2后接于U2的引脚B，+15V串接电阻R5后接于U1的引脚1，U1的引脚2串接电阻R1后接于U2的引脚E，引脚E串接电容C1后接地，+15V串接电阻R6后介于U2的引脚D，+15V串接电阻R3后接于U2的引脚C，+15V串接电阻R4后接于U2的引脚F，U2的引脚C接于引脚F，U2的引脚J接于U1的引脚9，U2的引脚K接于U1引脚11，U1的引脚8和引脚10分别接至门极驱动模块；

U相门极驱动模块：分别与IGBT模块的门极G、集电极C、发射极EIGBT驱动连接；接收互锁电路传送的IGBT驱动信号UH*和UL*，并将该驱动信号UH*和UL*分别传送至U相上桥臂IGBT-UH和U相下桥臂IGBT-UL，并经引脚SO发送门极驱动模块故障信号SO至U1的引脚5，U1的引脚6接于电平转换芯片；

U相IGBT模块：由上桥臂IGBT-UH和下桥臂IGBT-UL组成，通过U相驱动力线与驱动电机连接；

所述控制板连接器连接驱动板连接器而实现信号相互传输(参见图1、图2)。

U相IGBT控制信号PWM-UH、PWM-UL由控制电路发出，高电平为IGBT导通信号，幅值3.3V，低电平为IGBT关断信号，幅值0V。MC14504B将控制电路3.3V幅值控制信号转换为门极驱动模块所需15V幅值信号UH、UL，并将门极驱动模块所反馈15V幅值U相驱动电路故障信号SO-U转换为控制电路所需3.3V幅值U相故障信号FAULT-U。PWM-UH信号由MC14504B-Ain引脚输入，Aout引脚输出UH信号。PWM-UL信号由MC14504B-Bin引脚输入，Bout引脚输出UL信号。SO-U信号由MC14504B-Cin引脚输入，Cout引脚输出FAULT-U信号。

UH、UL分别通过电阻R5、R6上拉到+15V，在输入控制信号不为低电平时上拉为高电平，避免在没有控制信号的情况下UH、UL输出任意态，提高系统可靠性。电阻R1、C1，R2、C2分别组成短脉冲抑制电路，在输入信号为高电平时，电容C1、C2通过电阻R1、R2进行充电，电容两端电压升高，当电容两端电压达到非门芯片U1、三输入与非门芯片U2触发电位时，输出信号翻转，门极驱动模块2SC0108T驱动IGBT导通。短脉冲信号持续时间较短，充电后电容两端电压不足以使U1、U2触发，输出状态不改变，从而避免温度、湿度和负载等瞬间干扰等信号导致IGBT错误导通与关断。短脉冲抑制宽度由短脉冲抑制电路电阻、电容与逻辑芯片CD40106、CD4023触发电压决定，通过不同电阻阻值与电容容值的设置，可实现不同宽度短脉冲抑制。

非门芯片U1与三输入与非门芯片U2实现对UH、UL信号互锁，控制电路正常工作时UH、UL应不同为高电平。若驱动电路工作正常，控制电路故障且输出控制信号PWM-UH、PWM-UL同为高，则MC14504B输出端UH、UL同为高，UH一路与U2-A引脚相连，一路经U1-1脚输入取反由U1-2输出至U2-E引脚。相应的，UL一路与U2-D引脚相连，一路经U1-3脚输入取反由U1-4输出与U2-B引脚相连。驱动电路工作正常时，S0引脚为高阻态，U2-C、U2-F引脚通过R3、R4上拉至高电平。此时U2-A为高电平、U2-B为低电平、U2-C为高电平，U2-A、U2-B、U2-C经与非门后由U2-J输出高电平，再由U1-9输入取反后U1-8输出低电平UH*至门极驱动模块INA引脚，U相上桥臂IGBT关断。相应的，U2-D为高电平、U2-E为低电平、U2-F为高电平，U2-D、U2-E、U2-F经与非门后由U2-K输出高电平，再由U1-11输入取反后U1-10输出低电平UL*至门极驱动模块INB引脚，U相下桥臂IGBT关断。在控制电路故障发出上下桥臂同为导通指令，驱动电路正常情况时，互锁电路输出低电平使IGBT上下桥臂同时关断，实现对控制电路故障保护。

电机控制器驱动电路出现欠压、短路、过流等故障时，SO引脚输出低电平故障信号。该故障信号经U1-5输入取反由U1-6输出SO-U信号至MC14504B芯片Cin引脚，电平转换后MC14504B芯片Cout引脚输出FAULT-U信号至控制电路，同时U2-C、U2-F引脚被拉至低电平。若控制电路正常，控制电路检测到FAULT-U信号后即进行封波处理，使PWM-UH、PWM-UL输出低电平关断IGBT，实现软件保护。在控制电路发出关断指令前的时延期间，控制信号PWM-UH、PWM-UL可有PWM-UH高电平、PWM-UL低电平，PWM-UH低电平、PWM-UL高电平，PWM-UH低电平、PWM-UL低电平等指令。以PWM-UH高电平、PWM-UL低电平为例，MC14504B输出端UH为高电平、UL为低电平。U2-A为高电平、U2-B为高电平、U2-C为低电平，经与非门后U2-J为高电平，再由U1取反后UH*为低电平。相应的，U2-D为低电平、U2-E为低电平、U2-F为低电平，经与非门后U2-K为高电平，再由U1取反后UL*为低电平。在驱动电路故障，控制电路正常时，硬件电路通过互锁对IGBT实现快速关断保护。驱动电路反馈FAULT-U故障信号至控制电路，由控制电路故障定位并反馈至整车控制器以告警。并由控制电路输出上下桥臂关断信号至驱动电路，实现软硬件共同保护。

若控制电路与驱动电路同时出现故障，PWM-UH、PWM-UL均为高电平，UH、UL为高电平，SO输出低电平，U2-C、U2-F被拉至低电平。此时U2-A为高电平、U2-B为低电平、U2-C为低电平，经与非门后U2-J为高电平，再由U1取反后UH*为低电平，IGBT上桥臂关断。相应的，U2-D为高电平、U2-E为低电平、U2-F为低电平，经与非门后U2-K为高电平，再由U1取反后UL*为低电平，IGBT下桥臂关断。在控制电路与驱动电路同时故障时，互锁电路使IGBT上下桥臂关断，实现对驱动电路、控制电路同时故障快速保护。

在驱动电路与控制电路均处于正常工作状态时，SO为高阻态，U2-C、U2-F引脚通过R3、R4上拉至高电平，IGBT可正确导通与关断。此时控制信号PWM-UH、PWM-UL可有PWM-UH高电平、PWM-UL低电平，PWM-UH低电平、PWM-UL高电平，PWM-UH低电平、PWM-UL低电平等指令。以PWM-UH高电平、PWM-UL低电平为例，MC14504B输出端UH为高电平、UL为低电平。此时U2-A为高电平、U2-B为高电平、U2-C为高电平，经与非门后U2-J为低电平，再由U1取反后UH*为高电平，IGBT上桥臂导通。相应的，U2-D为低电平、U2-E为低电平、U2-F为高电平，经与非门后U2-K为高电平，再由U1取反后UL*为低电平，IGBT下桥臂关断。同理在PWM-UH低电平、PWM-UL高电平，PWM-UH低电平、PWM-UL低电平等指令时可实现IGBT正常导通与关断，实现对IGBT正常驱动。

由上可知，U相电路在驱动电路出现欠压、短路、过流等故障或控制电路故障发出错误导通指令时，IGBT均能够通过互锁电路进行快速关断保护，防止出现意外情况。在控制电路与驱动电路均正常时，IGBT能够正常导通与关断，实现对驱动电机的控制。同理,V、W相电路均能实现对故障的快速保护与IGBT驱动。

以U相驱动电路控制信号PWM-UH、PWM-UL、IGBT门极驱动模块SO故障信号作为输入，IGBT驱动信号UH*、UL*作为输出，输入输出真值表如表1所示。

表1 U相驱动信号与IGBT门极驱动模块SO信号真值表。

软件保护流程说明：电机控制器驱动电路故障时，互锁电路快速关断IGBT实现硬件快速保护，驱动电路故障信号被反馈至控制电路，由控制电路实现软件保护。驱动电路正常工作时故障反馈信号为低电平，某相故障时，对应该相故障反馈信号为高电平。程序运行时，控制电路实时检测U、V、W三相故障反馈信号，依次检测并记录U、V、W相故障信号状态。若三相全部工作正常，则输出IGBT控制信号至驱动电路，并将电机控制器工作正常状态反馈至整车控制器，若三相部分故障或三相全部故障则输出IGBT关断信号实现保护，并将所记录故障信号状态反馈至整车控制器，软件流程图如图3所示。

图4为本实用新型技术方案在电动汽车上的实现方法示意图，电机控制器由控制板与驱动板组成，在控制板上布置控制电路，在驱动板上布置本实用新型提供的驱动电路。

整车控制器采集加速踏板、制动踏板开度信号，通过CAN通讯电路发送转矩或转速指令至电机控制器。电机控制器通过控制板上的ADC采集电路采集母线电压、母线电流、UVW三相电流，通过旋转变压器解码电路产生驱动电机旋转变压器激励信号、并解码旋转变压器的反馈信号获得驱动电机转速与转子位置。主控芯片(采用DSP28335)发送读取信号至ADC采集电路与旋变解码电路采集电压、电流与电机转速、转子位置信号，并根据所制定的控制策略响应整车控制器指令，输出UVW三相IGBT控制PWM信号至控制板连接器。控制板与驱动板通过连接器进行连接实现信号相互传输，即控制板通过连接器输出UVW三相IGBT控制PWM信号至驱动板。

驱动板连接器与驱动板电平转换电路相连，电平转换电路将UVW三相IGBT控制PWM信号由3.3V电平转换为15V电平后分别输出U相PWM、V相PWM、W相PWM信号至U相互锁电路、V相互锁电路、W相互锁电路。控制板与驱动板工作正常时，UVW三相PWM控制信号由UVW三相互锁电路分别输出至U相驱动模块、V相驱动模块、W相驱动模块。UVW三相驱动模块分别与U相IGBT、V相IGBT、W相IGBT的门极(G)、集电极(C)、发射极(E)相连，三相IGBT输出端接至驱动电机UVW三相高压动力线。任一驱动电路发生欠压、过流、短路时，对应门极驱动模块经互锁电路与电平转换电路后发出高电平故障信号，驱动电路工作正常时该信号为低电平。三相驱动模块的U相故障信号、V相故障信号、W相故障信号经互锁电路输出U相故障信号、V相故障信号、W相故障信号至电平转换电路，电平转换电路输出驱动板U相故障信号FAULT-U、V相故障信号FAULT-V、W相故障信号FAULT-W至连接器，驱动板故障信号包括U相故障、V相故障、W相故障三相部分故障以及三相全部故障信号。通过连接器将驱动板故障信号反馈至控制板。控制板通过CAN通讯电路将电机控制器状态反馈至整车控制器，电机控制器状态包括工作正常、驱动电路三相部分故障、驱动电路三相全部故障。

Claims (2)

1.一种电动汽车电机控制器驱动电路，其特征在于，由结构完全相同的U相、V相和W相驱动电路组成；所述电机控制器由控制板与驱动板组成，在控制板上布置控制电路，驱动板上布置本驱动电路；

各相驱动电路由接口电路、电平转换电路、互锁电路、门极驱动模块与IGBT模块组成；

具体地，U相驱动电路由连接器、电平转换芯片MC14504B、U1非门芯片CD40106、U2三输入与非门芯片CD4023、门极驱动模块2SC0108T以及IGBT模块组成，其中，非门芯片和三输入与非门芯片组成互锁电路；

U相接口电路：实现控制电路与驱动电路之间控制信号PWM-UH、PWM-UL与故障信号FAULT-U的硬件连接与电平幅值转换处理，由驱动板连接器与U相电平转换电路组成；

U相电平转换电路：接收由驱动板连接器传送的IGBT控制信号，将控制信号电平转换至门极驱动模块所需幅值，以及接收互锁电路传送的门极驱动模块故障信号SO，并将该故障信号电平转换至控制板所需幅值后、经驱动板连接器传送至控制板连接器；

U相互锁电路：电平转换芯片输出的UH信号一路传送至U2-A引脚，一路经U1-1脚输入取反由U1-2串接短脉冲抑制电路R1、C1传送至U2-E引脚；UL一路与U2-D引脚相连，一路经U1-3脚输入取反由U1-4串接短脉冲抑制电路R2、C2传送至U2-B引脚；UH通过电阻R5上拉至+15V，UL通过电阻R6上拉至+15V，避免其在没有控制信号时输出任意态；U2-C引脚通过电阻R3上拉至+15V，U2-F引脚通过电阻R4上拉至+15V，U2-J引脚接于U1-9引脚，U2-K引脚接于U1-11引脚，U1的引脚8和引脚10分别接至门极驱动模块；

U相门极驱动模块：分别与IGBT模块的门极G、集电极C、发射极E连接；接收互锁电路传送的IGBT驱动信号UH*和UL*，根据驱动信号导通或关断U相上桥臂IGBT-UH和U相下桥臂IGBT-UL，并经引脚SO发送门极驱动模块故障信号SO至U1的引脚5，U1的引脚6接于电平转换芯片；

U相IGBT模块：由上桥臂IGBT-UH和下桥臂IGBT-UL组成，通过U相驱动力线与驱动电机连接；

所述控制板连接器连接驱动板连接器而实现信号双向传输。

2.根据权利要求1所述的一种电动汽车电机控制器驱动电路，其特征在于，所述U相驱动信号PWM-UH、PWM-UL、UL*、UH*以及门极驱动模块故障信号SO真值关系如下表：

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