专利名称：低成本、高隔离特性的开关磁阻电机自举式驱动电路的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种开关磁阻电机，尤其是开关磁阻电机的驱动电路。
背景技术：
开关磁阻电机具有一些独特的优点，如电机结构简单、坚固、免维护，启动及低速时转矩大、电流小；高速恒功率区范围宽、性能好，在宽广转速和功率范围内都具有高输出和高效率；可缺相运行，容错能力强；控制灵活，可方便实现四象限运行；具有较强的再生制动能力等。这使得开关磁阻电动机系统在家用电器、通用工业、伺服与调速系统、牵引电动机、高转速电动机、航空航天等领域得到广泛应用。开关磁阻电动机是一种机电能量转换装置。根据可逆原理，开关磁阻电动机和传统电动机一样，它既可将电能转换为机械能-电动运行，也可将机械能转换为电能-发电运行。开关磁阻电机控制系统可大致分为处理部分和开关主电路部分两个部分，处理部分包括采样电路及处理电路，分别负责信号采样、分析处理及控制信号输出；开关主电路部分则包括驱动电路及功率变换器，分别负责弱电信号增强驱动及功率信号开关控制。传统的驱动电路主要使用由自举二极管加上三极管构成的单电源驱动电路，或者采用自举电容和三极管、金属-氧化物-半导体(M0Q管的单电源驱动电路，还有采用专用集成驱动芯片的单电源驱动电路。前两种技术方案的隔离特性较差，其原因在于由于其核心开关电路采用的三极管内部的基极-集电极之间或者MOS管内部的栅极-源极之间均有寄生密勒电容，导致驱动电路中的高电压驱动信号可能通过寄生密勒电容耦合到微处理器的低电压控制信号通道上，轻则导致低电压控制信号波形畸变，重则导致低电压控制信号翻转，导致驱动电路和功率变换器出现误导通或者误关断的恶劣后果；此外，隔离特性差的后果还将影响驱动电路和功率变换器在高频脉冲宽度调制(PWM)控制方式下的动态特性， 即使得驱动电路和功率变换器的导通和关断时间不能和低电压控制信号一致，无法实现预期的控制效果。第三种方案中采用专用集成驱动芯片，该芯片内部设计有较好的隔离电路， 因此其隔离特性和动态特性较好，但是成本很高。
发明内容
发明目的针对上述现有技术存在的问题和不足，本发明的目的是提供一种低成本、高隔离特性的开关磁阻电机自举式驱动电路，利用电容储能原理持续提供上开关管多次开通所需电荷，从而使上开关管在单驱动电源供电时能够在PWM模式下短时间频繁打开上开关管。并避免低电压控制信号受高电压驱动信号的影响，提高了电路控制的安全性。技术方案为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案为一种低成本、高隔离特性的开关磁阻电机自举式驱动电路，包括上开关管驱动电路和下开关管驱动电路；所述上开关管驱动电路的输入信号包括驱动电源和上管驱动信号，输出端连接并驱动上开关管的栅极、连接上开关管的漏极和电机绕组的一端；所述下开关管驱动电路输入信号包括驱动电源和下管驱动信号，输出端连接并驱动下开关管的栅极；所述上开关管的漏极和下开关串联电机绕组；所述上开关管驱动电路包括第一开关电路、第一充电电路、第一放电电路和自举电容、自举二极管；所述下开关管驱动电路包括第二开关电路、第二充电电路和第二放电电路。所述第一开关电路可包括第一电阻、光电耦合器(光耦)、第二电阻和第五电阻； 其中第一电阻串联在上管驱动信号和光耦的内部发光二极管输入端之间；光耦的内部发光二极管输出端连接到地线；光耦的内部三极管发射极通过串联第五电阻后连接到地线；光耦的内部三极管集电极与第二电阻的一端和第一充电电路中的第一三极管的基极的连接点相连。所述第一充电电路可包括第一三极管、第二二极管和第三电阻；其中第一三极管的基极、发射极分别与第一开关电路中的第二电阻的两端相连，且第一三极管的发射极分别与自举电容的一端、自举二极管的负端相连；第一三极管的集电极依次串联第二二极管和第三电阻的一端，并与第一放电电路中的第二三极管的基极、第四电阻的一端相连；第三电阻的另一端与第一放电电路中的第二三极管的发射极相连后，连接并驱动上开关管的栅极。所述第一放电电路可包括第二三极管和第四电阻；其中第四电阻两端分别连接第二三极管的基极和集电极；第二三极管的集电极与上开关管的漏极、电机绕组的一端相连。所述第二开关电路可包括第四三极管、第六电阻、第七电阻和第九电阻；第四三极管的基极与弱电电源相连，第四三极管的发射极与第七电阻串联后连接至下管驱动信号， 第四三极管的集电极与第六电阻的一端、第二充电电路中的第三三极管的基极相连。所述第二充电电路可包括第三三极管和第八电阻；其中第三三极管的基极、发射极分别与第二开关电路中的第六电阻的两端相连，第三三极管的发射极连接至驱动电源， 第三三极管的基极与第二开关电路中的第四三极管的集电极相连；第八电阻的一端连接第三三极管的集电极，另一端与第二放电电路中的第五三极管的集电极相连后，连接并驱动下开关管的栅极。所述第二放电电路可包括第五三极管；第五三极管的基极与第二开关电路中的第九电阻串联后连接至下管驱动信号，第五三极管的发射极连接至地线。上述低成本、高隔离特性的开关磁阻电机自举式驱动电路的关键工作原理包括(1)上开关管(简称“上管”)驱动电路中，第一开关电路接收来自于微处理器的上管驱动信号，并使能第一充电电路。第一充电电路用于提高上开关管的栅极电压至导通电压从而使其导通。第一放电电路用于降低上开关管的栅极电压到零从而使其关断。(2)下开关管(简称“下管”)驱动电路中，第二开关电路接收来自于微处理器的下管驱动信号，并交替使能第二充电电路和第二放电电路，即第二充电电路和第二放电电路只能轮流导通。第二充电电路用于提高下开关管的栅极电压至导通电压从而使其导通。 第二放电电路用于降低下开关管的栅极电压到零从而使其关断。(3)低成本、高隔离特性的开关磁阻电机自举式驱动电路的工作原理是，首先下管驱动信号使能下管驱动电路中的第二开关电路，从而导通下管驱动电路中的第二充电电路，使下开关管导通，同时上管驱动信号维持关断第一开关电路和第一充电电路，使上开关管关断，此时上开关管与电机绕组的连接点b的电压为0，因此驱动电源能够通过二极管向自举电容上充电；然后上管驱动信号使能第一开关电路，导通第一充电电路向上开关管的
4栅极充电，使上开关管导通，同时b点的电压抬高至功率电源电压，a点的电压也随之抬高至功率电源电压与驱动电源电压之和，二极管反向截止，自举电容上的电荷持续维持上开关管导通所需电荷。(4)低成本、高隔离特性的开关磁阻电机自举式驱动电路的PWM模式工作原理是， 在下开关管和上开关管均导通之后，接下来上管驱动信号翻转，通过光耦逐级可靠关断第一开关电路、第一充电电路，第二充电电路继而自行导通，上开关管栅极电荷得以泄放，上开关管栅极电压下降至ο并关断上开关管，此时b点电压降低至0，a点的电压回落至驱动电源电压，自举二极管正向导通，自举电容得以充电至与驱动电源相同的电压；而接下来上管驱动信号再次翻转，通过光耦逐级控制最终导通上开关管时，即为重复C3)和的步骤，从而达到PWM模式下正常工作的效果。(5)由于a点的电压会频繁变化，其变化幅度将达到驱动电源电压与功率电源电压之和，因此导致光耦的内部三极管发射极和集电极的电位也会随之大幅变化，但是，由于光耦的高隔离特性，即内部发光二极管输入端和输出端与内部三极管发射极和集电极之间可以达到4、5千伏而互相没有干扰，该特性使得上述几点的电压和电位变化影响不到光耦的内部发光二极管输入端和输出端，从而保证了来自微处理器的上管驱动信号的稳定性， 也提高了微处理器的安全性。有益效果本发明利用先使自举电容在仅下开关管打开时充电到驱动电源电压， 然后打开光耦开关电路(即第一开关电路)使得自举电容上的电压迅速导通上开关管，避免了在电机相绕组导通工作时，因端点b的电压抬高而使上开关管上的栅极电压不足导致上开关管导通失败，而导致电机工作异常的问题，且能够利用电容储能原理实现PWM模式下短时间频繁开关上开关管的功能。且利用光耦的高压隔离特性，使得该电路中来自微处理器的上管驱动信号不受高压电路信号影响，具备良好的隔离和动态特性。本发明利用了以光耦、自举电容、二极管结合常用的电阻、三极管等元件构成的自举式驱动电路，可以实时的跟随驱动信号驱动开关管。电路结构简单，成本低，实用性强。
图1为低成本、高隔离特性的开关磁阻电机自举式驱动电路图；图2为已报道的采用二极管或MOS管与本申请的开关磁阻电机自举式驱动电路的上开关管驱动信号UP和上开关管Ml的栅极信号对比图；图3为低成本、高隔离特性的开关磁阻电机自举式驱动电路在PWM模式下工作的上开关管驱动信号UP和上开关管Ml栅极上的信号图。
具体实施例方式下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。图1为低成本、高隔离特性的开关磁阻电机自举式驱动电路图(1)包括上开关管驱动电路和下开关管驱动电路。所述上开关管驱动电路输入信号包括驱动电源、来自微处理器的上管驱动信号UP，输出端连接并驱动上开关管Ml栅极、连接上开关管Ml的漏极和电机绕组L的一端；所述下开关管驱动电路输入信号包括驱动电源、弱电电源、来自微处理器的下管驱动信号DOWN，输出端连接并驱动下开关管M2栅极。上开关管Ml的漏极和下开关管M2的源极间串联电机绕组L。所述上开关管驱动电路包括第一充电电路、第一放电电路，第一开关电路和自举电容C2、自举二极管Dl ；所述下开关管驱动电路包括第二充电电路、第二放电电路，第二开关电路。(2)所述第一充电电路由第一三极管Q1、第二二极管D2和第三电阻R3构成。其中第一三极管Ql的基极、发射极分别与第一开关电路中的第二电阻R2的两端相连，且第一三极管Ql的发射极分别与自举电容C2的一端、自举二极管Dl的负端在a点相连；第一三极管 Ql的集电极依次串联第二二极管D2和第三电阻R3的一端，并与第一放电电路中的第二三极管Q2的基极、第四电阻R4的一端在c点相连；第三电阻R3的另一端与第一放电电路中的第二三极管Q2的发射极相连后，连接并驱动上开关管Ml的栅极。(3)所述第一放电电路由第二三极管Q2和第四电阻R4构成。其中第四电阻R4两端分别连接第二三极管Q2的基极和集电极；第二三极管Q2的集电极在b点与上开关管Ml 的漏极、电机绕组L的一端相连。(4)所述第一开关电路由第一电阻R1、光耦0PT1、第二电阻R2和第五电阻R5构成。其中第一电阻Rl串联在上管驱动信号UP和光耦OPTl的内部发光二极管输入端①之间；光耦OPTl的内部发光二极管输出端②连接到地线GND ；光耦OPTl的内部三极管发射极 ③通过串联第五电阻R5后连接到地线GND ；光耦OPTl的内部三极管集电极④与第二电阻 R2的一端和第一充电电路中的第一三极管Ql的基极的连接点相连。(5)所述第二充电电路由第三三极管Q3和第八电阻R8构成。其中第三三极管Q3 的基极、发射极分别与第二开关电路中的第六电阻R6的两端相连，第三三极管Q3的发射极连接至驱动电源+15V，Q3的基极与第二开关电路中的第四三极管Q4的集电极相连；第八电阻R8的一端连接第三三极管Q3的集电极，另一端与第二放电电路中的第五三极管Q5的集电极相连后，连接并驱动下开关管M2的栅极。(6)所述第二放电电路由第五三极管Q5构成。第五三极管Q5的基极与第二开关电路中的第九电阻R9串联后连接至来自微处理器的下管驱动信号DOWN，Q5的发射极连接至地线GND。(7)所述第二开关电路由第四三极管Q4、第六电阻R6、第七电阻R7、第九电阻R9 组成。第四三极管Q4的基极与弱电电源+3. 3V相连，Q4的发射极与第七电阻R7串联后连接至来自微处理器的下管驱动信号D0WN，Q4的集电极与第六电阻R6的一端、第二充电电路中的第三三极管Q3的基极相连。本发明利用光耦的隔离特性，首先通过光耦控制上开关管驱动电路中的第一开关电路，使自举电容在下开关管开通时充电至驱动电源电压，然后利用自举电容上的电压导通上开关管，避免了在电机相绕组导通工作时，因上开关管漏极电压抬高而使其栅极电压不足导致其导通失败，从而导致电机工作异常的问题；其次，使得上开关管驱动电路中的第一开关电路上传输的高压信号与来自微处理器的低压信号彻底隔离，可提高微处理器的可靠性。本发明的电路隔离特性和动态响应特性好，结构简单，实用性强。图2中所示为已报道的采用二极管或MOS管与本申请的开关磁阻电机自举式驱动电路的上开关管驱动信号 UP和上开关管Ml的栅极信号对比图。本申请的特点在于消除了因上开关管Ml的导通和关
6断导致对上开关管驱动信号UP的不利影响。此外，本发明也适用于脉冲宽度调制(PWM)模式下需要短时间频繁开关上开关管的应用场合。某高压3相开关磁阻电机驱动电路采用本发明所述技术方案。其中每相电机绕组均采用图1所示基于光耦的开关磁阻电机自举式驱动电路驱动。上开关管驱动电路输入信号包括驱动电源+15V、来自微处理器的上管驱动信号UP(其高低电平分别为+3. 3V和0)、 输出端连接并驱动上开关管Ml栅极，Ml采用高压金属-氧化物-半导体(M0Q管，b点连接上开关管Ml的漏极和电机绕组L的一端。下开关管驱动电路输入信号包括驱动电源+15V、 弱电电源+3. 3V、来自微处理器的下管驱动信号DOWN (其高低电平与UP信号相同)，输出端连接并驱动下开关管M2栅极，M2采用与Ml相同型号的MOS管。上开关管Ml的漏极和下开关管M2的源极间串联电机绕组L。功率电源电压为+120V。开关磁阻电机3相轮流工作，以其中某相工作在PWM模式期间为例。(1)首先是自举电容充电阶段，此时驱动该相电机绕组的下开关管导通而上开关管关断。DOWN信号应先为0，使能下管驱动电路中的第二开关电路，从而导通下管驱动电路中的第二充电电路，使下开关管M2导通；同时上管驱动信号UP也为0，维持关断第一开关电路和第一充电电路，使上开关管Ml关断，此时上开关管Ml与电机绕组L的连接点b的电压为0，因此驱动电源能够通过二极管Dl向自举电容C2上充电。(2)然后是绕组励磁阶段，此时驱动该相电机绕组的上、下开关管均导通。DOWN信号维持为0，继续保持下开关管M2的导通；同时上管驱动信号UP为+3. 3V，使能第一开关电路，导通第一充电电路向Ml的栅极充电，使上开关管Ml导通，同时b点的电压抬高至功率电源电压+120V，a点的电压也随之抬高至功率电源电压与驱动电源电压之和，即+135V，二极管Dl反向截止，自举电容C2上的电荷持续维持上开关管Ml导通所需电荷；(3)接下来在PWM模式中上管驱动信号UP交替出现+3. 3V和0，下管驱动信号 DOWN维持为0，绕组也随之交替进入续流阶段和励磁阶段，续流阶段中上、下开关管的状态和(1)自举电容充电阶段一致。(4)最后进入绕组关断阶段，此时驱动该相电机绕组的上、下开关管均关断，UP信号为0，DOWN信号为+3. 3V。同时3相绕组中的另外一相开始进入如上所述的工作方式。图3所示为(1)-(4)步骤所述低成本、高隔离特性的开关磁阻电机自举式驱动电路在PWM模式下工作的上开关管驱动信号UP和上开关管Ml栅极上的信号图。
权利要求
1.一种低成本、高隔离特性的开关磁阻电机自举式驱动电路，其特征在于包括上开关管驱动电路和下开关管驱动电路；所述上开关管驱动电路的输入信号包括驱动电源和上管驱动信号，输出端连接并驱动上开关管的栅极、连接上开关管的漏极和电机绕组的一端； 所述下开关管驱动电路输入信号包括驱动电源、弱电电源和下管驱动信号，输出端连接并驱动下开关管的栅极；所述上开关管的漏极和下开关管的源极间串联电机绕组；所述上开关管驱动电路包括第一开关电路、第一充电电路、第一放电电路和自举电容、自举二极管； 所述下开关管驱动电路包括第二开关电路、第二充电电路和第二放电电路。
2.根据权利要求1所述低成本、高隔离特性的开关磁阻电机自举式驱动电路，其特征在于所述第一开关电路包括第一电阻、光电耦合器、第二电阻和第五电阻；其中第一电阻串联在上管驱动信号和光电耦合器的内部发光二极管输入端之间；光电耦合器的内部发光二极管输出端连接到地线；光电耦合器的内部三极管发射极通过串联第五电阻后连接到地线；光电耦合器的内部三极管集电极与第二电阻的一端和第一充电电路中的第一三极管的基极的连接点相连。
3.根据权利要求1所述低成本、高隔离特性的开关磁阻电机自举式驱动电路，其特征在于所述第一充电电路包括第一三极管、第二二极管和第三电阻；其中第一三极管的基极、发射极分别与第一开关电路中的第二电阻的两端相连，且第一三极管的发射极分别与自举电容的一端、自举二极管的负端相连；第一三极管的集电极依次串联第二二极管和第三电阻的一端，并与第一放电电路中的第二三极管的基极、第四电阻的一端相连；第三电阻的另一端与第一放电电路中的第二三极管的发射极相连后，连接并驱动上开关管的栅极。
4.根据权利要求1所述低成本、高隔离特性的开关磁阻电机自举式驱动电路，其特征在于所述第一放电电路包括第二三极管和第四电阻；其中第四电阻两端分别连接第二三极管的基极和集电极；第二三极管的集电极与上开关管的漏极、电机绕组的一端相连。
5.根据权利要求1所述低成本、高隔离特性的开关磁阻电机自举式驱动电路，其特征在于所述第二开关电路包括第四三极管、第六电阻、第七电阻和第九电阻；第四三极管的基极与弱电电源相连，第四三极管的发射极与第七电阻串联后连接至下管驱动信号，第四三极管的集电极与第六电阻的一端、第二充电电路中的第三三极管的基极相连。
6.根据权利要求1所述低成本、高隔离特性的开关磁阻电机自举式驱动电路，其特征在于所述第二充电电路包括第三三极管和第八电阻；其中第三三极管的基极、发射极分别与第二开关电路中的第六电阻的两端相连，第三三极管的发射极连接至驱动电源，第三三极管的基极与第二开关电路中的第四三极管的集电极相连；第八电阻的一端连接第三三极管的集电极，另一端与第二放电电路中的第五三极管的集电极相连后，连接并驱动下开关管的栅极。
7.根据权利要求1所述低成本、高隔离特性的开关磁阻电机自举式驱动电路，其特征在于所述第二放电电路包括第五三极管；第五三极管的基极与第二开关电路中的第九电阻串联后连接至下管驱动信号，第五三极管的发射极连接至地线。
全文摘要
本发明公开了一种低成本、高隔离特性的开关磁阻电机自举式驱动电路，包括上开关管驱动电路和下开关管驱动电路；所述上开关管驱动电路包括基于光耦的第一开关电路、第一充电电路、第一放电电路和自举电容、自举二极管；所述下开关管驱动电路包括第二开关电路、第二充电电路和第二放电电路。本发明采用基于自举电容的单电源工作方式，并采用光电耦合器作为核心开关电路的开关元件，避免了低电压控制信号受高电压驱动信号的影响，提高了电路控制的安全性；而且，使驱动电路和功率变换器的导通和关断时间严格和微处理器的低电压控制信号保持一致，适用于高频PWM控制方式下的工作场合。
文档编号H02M1/08GK102437803SQ20111043738
公开日2012年5月2日 申请日期2011年12月23日 优先权日2011年12月23日
发明者刁龙, 刘海龙, 孙伟锋, 时龙兴, 钟锐, 陆生礼, 陈磊 申请人:东南大学