专利名称：一种低功耗有刷直流电机控制器的制作方法
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。
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VF一般也至少在0.6V以上，而随着续流电流的上升VF还会进一步增大，那么在续流二极管上将产生P1＝VFIu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。
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Iu将全部从寄生二极管中通过，产生的功耗为P1＝VFIu，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Rds(on)很低(一般都能做到)，电流Iu通过MOS管时形成的压降很小，远低于二极管的导通压降VF，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Rds(on)中流过，形成的功耗为P2＝Iu2Rds(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
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。
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PM2，则有PM2＝δ％Iu2Rds(on)(1)假设Iu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PM1，则有PM1＝[1-δ％]Iu2Rds(on)(2)总功耗为
P2＝PM1+PM2＝δ％Iu2Rds(on)+(1-δ％)Iu2Rds(on)＝Iu2Rds(on)(3)最大总功耗为P2max＝Iumax2Rds(on)(4)采用本发明前的总功耗为P1＝δ％Iu2Rds(on)+(1-δ％)IuVF(5)采用本发明前的最大总功耗为P1max＝δ％Iumax2Rds(on)+(1-δ％)IumaxVF(6)其中Iu为电机中的平均工作电流；Iumax为电机中的最大平均工作电流；Rds(on)为MOS管的平均通态电阻；VF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，PM2＜＜PM1，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，PM2＞＞PM1，主开关MOS管M2的导通功耗占主导地位；在中速时，δ％接近50％，PM2＝PM1，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Iumax，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VF＞＞IumaxRds(on)，所以P1max＞＞P2max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P2max，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Vg(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Rg1、Rg2，并联了齐纳二极管Z1、Z2，其中，Rg1、Rg2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Rs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Rs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。
权利要求
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)～Vgmax，低电平的电压范围为-Vgmax～Vg(th)，其中，Vgmax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。
全文摘要
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％。
文档编号H02P7/18GK1411136SQ0214526
公开日2003年4月16日 申请日期2002年11月12日 优先权日2002年11月12日
发明者钱文明 申请人:上海博杰科技有限公司