CN216564963U - 基于半导体电路的逆变电路和电机控制器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种半导体电路的逆变电路和电机控制器，逆变电路包括半导体电路和采样电路，采样电路的一端连接半导体电路的下桥臂开关管的输出端，采样电路的另一端接地，采样电路的阻值和所处的环境温度成正向变化。从而起到了根据环境温度调整采样电流值的目的，避免了上述现有技术中的环境温度过高或过低时半导体电路和负载工作带来的问题，以此有效的提升整个逆变电路和负载的工作可靠性，提升其工作寿命，并提升其工作效率。

Description

基于半导体电路的逆变电路和电机控制器

技术领域

本实用新型涉及一种基于半导体电路的逆变电路和电机控制器，属于半导体电路应用技术领域。

背景技术

半导体电路是一种将电力电子和集成电路技术结合的功率驱动类产品。半导体电路外表一般由注塑形成的树脂材料进行封装形成密封层，将内部的电路板、电子元件进行密封，引脚从密封层的一侧或者两侧伸出。基于半导体电路的逆变电路用于驱动电机等负载，其电路包括半导体电路、MCU、自举电容、母线电容、采样电阻以及其它一些电子元器件组成。采样电阻主要用于电流采样，把电流信号变为电压信号，电压信号通过分压反馈回半导体电路的过流保护端。过流保护端接收到电压信号后会与某一电压进行比较，当电流增大时，采样电阻的电压增大，当采样电阻电压大于比较电压时，半导体电路内部的过流保护就会动作。采样电阻采到的电压信号也同时包含着电机转动的信息，这个电压信号被送回MCU内部的运放器(OPA)放大处理后，再进行模数转换(ADC)，变成数字信号进行运算处理。目前的样电阻并不能根据温度而进行自我调整，从而温度较高时保护不住，造成半导体电路的失效，而温度较低时又有可能误动作，本来温度低的情况下半导体电路可以承受较大电流，但实际已经发生保护，起不到真正电流保护的目的。因此现有的逆变电路的采样电路需要改进。

实用新型内容

本实用新型需要解决的技术问题是解决现有的基于半导体电路的逆变电路中的采样电路，由于其采用过程中温度变化如高温或低温状态采样值不准确带来的问题。

具体地，本实用新型公开一种基于半导体电路的逆变电路，逆变电路包括半导体电路和采样电路，采样电路的一端连接半导体电路的下桥臂开关管的输出端，采样电路的另一端接地，采样电路的阻值和所处的环境温度成正向变化。

可选地，采样电路包括采样电阻和与采样电阻并联的温度调整模块，温度调整模块的阻值和环境温度成正向变化。

可选地，温度调整模块为一个或多个并联的温度调整单元，温度调整单元的阻值和环境温度成正向变化。

可选地，温度调整单元包括PTC电阻。

可选地，温度调整单元包括第一NMOS管、第一电阻和NTC电阻；

第一NMOS管的漏极和第一电阻的一端共接于温度调整单元的一端，第一电阻的另一端和NTC电阻的一端共接于第一NMOS管的栅极，NTC电阻的另一端和第一 NMOS管的源极共接于温度调整单元的另一端。

可选地，当温度调整单元为多个时，每个第一电阻的阻值不同。

可选地，温度调整单元包括第二NMOS管、电流源和二极管；

第二NMOS管的漏极和电流源的一端共接于温度调整单元的一端，温度调整单元的另一端和二极管的阳极共接于第二NMOS管的栅极，二极管的阴极和第二NMOS 管的源极共接于温度调整单元的另一端。

可选地，当温度调整单元为多个时，每个电流源的输出电流值不同。

本实用新型还提出一种电机控制器，电机控制器包括MCU和如上述任意一项的逆变电路，MCU的控制引脚连接逆变电路的控制输入端，半导体电路的三相上桥臂开关管的输出端为电机控制器的输出端以分别连接电机的三相绕组。

本实用新型的基于半导体电路的逆变电路，逆变电路包括半导体电路和采样电路，采样电路的一端连接半导体电路的下桥臂开关管的输出端，采样电路的另一端接地，采样电路的阻值和所处的环境温度成正向变化。从而起到了根据环境温度调整采样电流值的目的，避免了上述现有技术中的环境温度过高或过低时半导体电路和负载工作带来的问题，以此有效的提升整个逆变电路和负载的工作可靠性，提升其工作寿命，并提升其工作效率。

附图说明

图1为本实用新型实施例的逆变电路的简化电路原理图；

图2为图1中温度调整单元的一种电路图；

图3为图1中温度调整单元的另一种电路图；

图4为图1中温度调整单元的再一种电路图。

具体实施方式

需要说明的是，在结构或功能不冲突的情况下，本实用新型中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面根据实例来详细说明本实用新型。

本实用新型提到的半导体电路，是一种将功率开关器件和高压驱动电路等集成在一起，并在外表进行密封封装的一种电路模块，在电力电子领域应用广泛，如驱动电机的变频器、各种逆变电压、变频调速、冶金机械、电力牵引、变频家电等领域应用。这里的半导体电路还有多种其他的名称，如模块化智能功率系统(Modular Intelligent Power System，MIPS)、智能功率模块(Intelligent Power Module，IPM)，或者称为混合集成电路、功率半导体模块、功率模块等名称。

本实用新型首先提出一种基于半导体电路的逆变电路。如图1所示，逆变电路20包括半导体电路21和采样电路22，采样电路22的一端连接半导体电路21的下桥臂开关管的输出端，采样电路22的另一端接地，采样电路22的阻值和所处的环境温度成正向变化。采样电路22用来采样半导体电路21驱动负载的工作电流。如以负载为电机30为例，其采用半导体电路21的输出端连接到电机30的三相绕组的三相电流值，此时采样电路22串联于半导体电路21的三路下桥臂开关管的输出端和地之间。采样电路22和三路下桥臂开关管的输出端的连接方式有两种，一种是如图1所示的电路，三路下桥臂开关管的输出端并联后与采样电路22连接，此时采样电路22采样的为电机30工作的三相绕组的总电流；另外一种是多路采样电路22如三路采样电路22分别串联在三路下桥臂开关管的输出端和地之间，这样每路采样电路22采样一路绕组的相电流。本实用新型实施例以图1所示的电路采样三相绕组的总电流为例进行解释。由于半导体电路21中的功率开关管能承受的温度是一定的，如IGBT管内部的各个结能承受的最高温度一般在175℃，在额定温度如25℃环境下，其能通过的最大电流为10A 以此使得IGBT管内部的温度不超过175℃，因此在额定温度环境下，IGBT管的保护电流值为10A，随着环境温度发生变化，如环境温度升高时，IGBT管内部通过最大电流会低于10A就使其结温达到175℃，因此此时保护电流值低于10A，否则会使得管内部的温升超过最高温度而发生损坏；反之环境温度降低，IGBT管内部通过最大电流要大于10A才使其结温达到175℃，因此此时保护电流值可以高于10A而不会影响其工作寿命。基于上述原因，如果在不同的环境温度下采用同一个保护电流值进行保护，会带来过保护引起器件损坏或者过早保护使得器件不能发挥其工作效率的问题。例如在温度过高时，此时半导体电路21和负载承受的电流值相对标准电流值降低，如果仍按照标准电流值来进行采样保护，会带来半导体电路21和负载承受过高的温度，长时间工作影响其工作寿命甚至带来损坏问题。

本实用新型的采样电路22，通过设计其电路，使得其采样电路22的阻值和所处的环境温度成正向变化，即环境温度越高阻值越大，环境温度越低阻值越小，这样使得环境温度越高时，采样电路22的采样电压越高，环境温度越低时，使得最终的采样电流调高，采样电路22的采样电压越低，使得最终的采样电流调低，从而起到了根据环境温度调整采样电流值的目的，避免了上述现有技术中的环境温度过高或过低时半导体电路21和负载工作带来的问题，以此有效的提升整个逆变电路20和负载的工作可靠性，提升其工作寿命，并提升其工作效率。

在本实用新型的一些实施例中，如图1所示，采样电路22包括采样电阻RS和与采样电阻RS并联的温度调整模块221，温度调整模块221的阻值和环境温度成正向变化。其中采样电阻RS为现有技术中的用于电流采样的电阻，一般阻值较小如在1欧姆以内，温度调整模块221和采样电阻RS并联后确定采样电路22的总的采样电阻 RS值，温度调整模块221的阻值随环境温度成正向变化，使得最终的采样电阻RS值也随环境温度成正向变化，以此实现了采样电路22的阻值和环境温度成正向变化。

具体地，在本实用新型的一些实施例中，温度调整模块221为一个或多个并联的温度调整单元221，温度调整单元221的阻值和环境温度成正向变化。通过一个或者多个并联的温度调整单元221，每个温度调整单元221的阻值跟随环境温度正向变化以此实现总的温度调整模块221的阻值随环境温度的正向变化。

做为温度调整单元221的一种可实现方式，如图2所示，温度调整单元221为PTC 电阻RTC1。其中这里的PTC电阻RTC1的常温状态阻值如25℃的阻值和采样电阻RS 的阻值在同一个数量级或高一个数量级，例如采样电阻RS为100mΩ时，PTC电阻 RTC1可以选择为常温态阻值为200mΩ参数，以此使得PTC电阻RTC1值随环境温度正向变化时，PTC电阻RTC1和采样电阻RS并联后的阻值相对采样电阻RS的阻值明显发生变化。因为单个的PTC电阻RTC1的阻值较大，可以采样多个PTC电子并联的方式使其并联后的阻值与采样电阻RS的阻值在同一个数量级，从而使其并联后的阻值随环境温度相对采样电阻RS的阻值明显发生变化，从而起到调节保护电流的作用。

做为温度调整单元221的另一种可实现方式，如图3所示，温度调整单元221包括第一NMOS管Q1、第一电阻R1和NTC电阻RTC2；第一NMOS管Q1的漏极和第一电阻R1的一端共接于温度调整单元221的一端，第一电阻R1的另一端和NTC 电阻RTC2的一端共接于第一NMOS管Q1的栅极，NTC电阻RTC2的另一端和第一 NMOS管Q1的源极共接于温度调整单元221的另一端。其中第一NMOS管Q1优选用低压导通类型的NMOS管，其导通电阻只有几百mΩ，与采样电阻RS的阻值相当。在第一NMOS管导通时，温度调整单元的阻值主要为第一NMOS管的导通电阻，其阻值很低只有几百mΩ，而在第一NMOS管关闭时，温度调整单元的阻值主要为第一电阻R1和NTC电阻RTC2的串联阻值，其阻值相对较大。

其中第一NMOS管Q1的栅极由分压电路来控制，分压电路接电源端的是常规的第一电阻R1，而接地端的是NTC电阻RTC2。在常温状态下第一NMOS管Q1导通，当温度升高时，NTC电阻RTC2的电阻阻值下降，NTC电阻RTC2与第一电阻R1分压后其上的电压值降低，因此栅极电压降低，使得第一NMOS管Q1的内阻增大，当温度继续升高使得NTC电阻RTC2上的电压低于第一NMOS管Q1导通阈值电压时，第一NMOS管Q1关闭，使得温度调整单元221的电阻增加，从而使得温度调整单元 221和采样电阻RS并联后的总电阻值增加，从而起调节保护电流的作用。进一步地，如图1和图3所示，温度调整单元221可以是多个，即采样电路22为采样电阻RS和相同电路的温度调整单元221的并联形成，因此采样电路22的阻值是总的并联形成的电阻，这里的每路温度调整单元221的第一电阻R1的阻值可以设置为不同，以此使得每个第一NMOS管Q1关闭时对应的温度不同。例如通过合理的设置每个不同的第一电阻R1的阻值，使得温度逐渐升高时，对应关闭的第一NMOS管Q1越来越多，从而使得并联后的总电阻逐渐增大，以此实现了跟随温度变化调节保护电流的作用。

做为温度调整单元221的再一种可实现方式，如图4所示，温度调整单元221包括第二NMOS管Q2、电流源i1和二极管D1；第二NMOS管Q2的漏极和电流源i1 的一端共接于温度调整单元221的一端，温度调整单元221的另一端和二极管D1的阳极共接于第二NMOS管Q2的栅极，二极管D1的阴极和第二NMOS管Q2的源极共接于温度调整单元221的另一端。其中二极管D1的正向导通电压是跟随温度反向变化的，即温度上升，导通电压降低。其中第二NMOS管Q2与上述实施例中的第二 NMOS管Q2类似，优选用低压导通类型的NMOS管，其导通电阻只有几百mΩ，与采样电阻RS的阻值相当。电流源i1一般采用现有技术中的恒流源电路，其输出的电流值恒定不变，以此使得在温度值不变时，二极管D1两端的导通电压不变，但在环境温度发生变化时，二极管D1的导通电压发生变化，具体是二极管D1的正向导通电压是跟随温度反向变化，在二极管D1的导通电压降低时，使得第二NMOS管Q2的内阻增大，因此栅极电压降低，使得第二NMOS管Q2的内阻增大，当温度继续升高使得二极管D1的导通电压低于第二NMOS管Q2导通阈值电压时，第二NMOS管Q2 关闭，使得温度调整单元221的电阻增加，从而使得温度调整单元221和采样电阻RS 并联后的总电阻值增加，从而起调节保护电流的作用。进一步地，如图1和图4所示，温度调整单元221可以是多个，即采样电路22为采样电阻RS和相同电路的温度调整单元221的并联形成，因此采样电路22的阻值是总的并联形成的电阻，这里的每路温度调整单元221的电流源i1的输出的电流值可以设置为不同，以此使得每个第二 NMOS管Q2关闭时对应的温度不同。例如通过合理的设置每个不同的电流源i1的输出电流值，使得温度逐渐升高时，对应关闭的第二NMOS管Q2越来越多，从而使得并联后的总电阻逐渐增大，以此实现了跟随温度变化调节保护电流的作用。

本实用新型还提出一种电机30控制器，如图1至图4所示，电机30控制器包括 MCU和上述实施例提到的逆变电路20，其中MCU和逆变电路20的半导体电路21连接，以此实现MCU输出6路控制信号控制半导体电路21内部的逆变部分的6路上下桥臂的开关管工作，并且检测半导体电路21的保护信号，在检测到保护信号有效时输出对应的保护控制。其中逆变电路20还包括采样电路22，采样电路22串联于半导体电路21的三路下桥臂开关管的输出端和地之间，以此检测路下桥臂开关管的输出的三相总电流，其中采用电路具体包括采样电阻RS和多路并联的温度调整单元221，通过采样电阻RS和多路并联的温度调整单元221上的电压值对应三相电流值，并通过第五电阻隔离后将此电压值输入到半导体电路21的采样电流输入引脚，从而实现对三相电流的采样，并通过半导体电路21的逆变电流采样电压输出管脚连接到MCU，以此使得MCU获取到半导体电路21的采样电流，并输出控制信号控制半导体电路21的三相输出端输出频率可变的驱动信号到电机30的三相绕组，使得电机30的转速和力矩可控运行。通过设置温度调整单元221，其阻值跟随环境温度正向变化，使得最终的采样电路22的采样电阻RS的阻值跟随环境温度正向变化，从而使得最终的保护电流值能够根据环境温度对应的实时调整，避免了上述现有技术中的环境温度过高或过低时半导体电路21和负载工作带来的问题，以此有效的提升整个电机30控制器的工作可靠性，提升其工作寿命，并提升其工作效率。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本实用新型的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

尽管上面已经示出和描述了本实用新型的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本实用新型的限制，本领域的普通技术人员在本实用新型的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (9)

1.一种基于半导体电路的逆变电路，其特征在于，所述逆变电路包括半导体电路和采样电路，所述采样电路的一端连接所述半导体电路的下桥臂开关管的输出端，所述采样电路的另一端接地，所述采样电路的阻值和所处的环境温度成正向变化。

2.根据权利要求1所述的逆变电路，其特征在于，所述采样电路包括采样电阻和与所述采样电阻并联的温度调整模块，所述温度调整模块的阻值和所述环境温度成正向变化。

3.根据权利要求2所述的逆变电路，其特征在于，所述温度调整模块为一个或多个并联的温度调整单元，所述温度调整单元的阻值和所述环境温度成正向变化。

4.根据权利要求3所述的逆变电路，其特征在于，所述温度调整单元包括PTC电阻。

5.根据权利要求3所述的逆变电路，其特征在于，所述温度调整单元包括第一NMOS管、第一电阻和NTC电阻；

所述第一NMOS管的漏极和所述第一电阻的一端共接于所述温度调整单元的一端，所述第一电阻的另一端和所述NTC电阻的一端共接于所述第一NMOS管的栅极，所述NTC电阻的另一端和所述第一NMOS管的源极共接于所述温度调整单元的另一端。

6.根据权利要求5所述的逆变电路，其特征在于，当所述温度调整单元为多个时，每个所述第一电阻的阻值不同。

7.根据权利要求3所述的逆变电路，其特征在于，所述温度调整单元包括第二NMOS管、电流源和二极管；

所述第二NMOS管的漏极和所述电流源的一端共接于所述温度调整单元的一端，所述温度调整单元的另一端和所述二极管的阳极共接于所述第二NMOS管的栅极，所述二极管的阴极和所述第二NMOS管的源极共接于所述温度调整单元的另一端。

8.根据权利要求7所述的逆变电路，其特征在于，当所述温度调整单元为多个时，每个所述电流源的输出电流值不同。

9.一种电机控制器，其特征在于，所述电机控制器包括MCU和如权利要求1至8任意一项所述的逆变电路，所述MCU的控制引脚连接所述逆变电路的控制输入端，所述半导体电路的三相上桥臂开关管的输出端为所述电机控制器的输出端以分别连接电机的三相绕组。

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