一种开关磁阻电机MOSFET功率变换器的驱动电路的制作方法

文档序号:11958546
一种开关磁阻电机MOSFET功率变换器的驱动电路的制作方法与工艺

本发明涉及一种功率变换器驱动电路,尤其适用于开关磁阻电机的MOSFET不对称半桥结构功率变换器。



背景技术:

开关磁阻电机因其结构简单牢固、启动转矩大、过载能力强、调速范围宽、容错性能好、效率高等优点,非常适合作为驱动电机。对于空间有限的使用场合,要求电机驱动系统具有尽可能小的体积和成本以及简单的结构,电力MOSFET相比其他开关器件具有体积小、成本低、开关速度快、工作频率高等优点,以电力MOSFET为开关器件的功率变换器是目前发展的主流。功率变换器的正常工作需要外接驱动电路,良好的驱动电路是开关器件可靠工作的重要保障,电力MOSFET对栅、源极驱动电路提出了以下要求:(1)能够驱动MOSFET可靠开通和关断,即输出的驱动信号能够提供所需的驱动电压和足够快的上升、下降速度;(2)驱动电路的输出电阻要小,以提高栅、源极电容的充放电速度,从而提高MOSFET的开关速度;(3)驱动电流较大,保证开关波形具有足够的上升和下降陡度;(4)驱动脉冲幅值应高于电力MOSFET的开启电压,保证可靠导通,电力MOSFET截止时,能够提供负电压,保证可靠关断;(5)驱动电路应简单可靠、体积小且成本低。电力MOSFET以及IGBT的驱动电路主要存在四种形式:分立元件驱动电路、光电耦合器驱动电路、厚膜驱动电路以及专用集成驱动电路,其中分立元件驱动电路无需专用集成芯片,具有维修方便、成本低廉、结构简单等特点,用于驱动MOSFET功率变换器能够有效减小电机驱动系统的体积和成本,因而采用分立元件设计驱动电路非常适合空间受限的应用场合。



技术实现要素:

针对上述技术中存在问题,提供一种开关磁阻电机MOSFET功率变换器的驱动电路,该驱动电路应易于调试、成本低、结构简单可靠;驱动信号应延时小响应快,具有较大的驱动电流和驱动电压,能驱动中小功率等级且开关频率达到20kHz的MOSFET,满足不同运行工况。

为实现上述技术目的,本发明的开关磁阻电机MOSFET功率变换器的驱动电路采用分立元件设计而成,以开关磁阻电机不对称半桥功率变换器为驱动对象,包括上桥臂驱动电路、下桥臂驱动电路以及自举电容特有的充电回路。

1.本发明的开关磁阻电机MOSFET功率变换器驱动电路,其电路特征在于:

a)上桥臂MOSFET T1驱动电路采用5只三极管Qu1、Qu2、Qu3、Qu4、Qu5,8只电阻Ru1、Ru2、Ru3、Ru4、Ru5、Ru6、Ru7、Rst1,1只自举二极管Du,1只自举电容Ca,1只稳压二极管Dst,1只发光二极管Dl1,1只稳压电容Cst1,来自控制器的控制信号的输入端口为Hin,驱动信号的驱动电流为iu,驱动信号的泄放电流为ia,自举电容的充电电流为ic;将控制信号的输入端口Hin与电阻Ru1的(lu1)端相连,电阻Ru1的(ru1)端与三极管Qu1的基极(bu1)相连;三极管Qu1的集电极(cu1)与三极管Qu2的基极(bu2)以及电阻Ru2的(ru2)端相连,电阻Ru2的(lu2)端与自举二极管Du的阴极(Cu)相连,Qu1发射极(eu1)与电阻Ru3的(lu3)端相连,电阻Ru3的(ru3)端接地;三极管Qu2的发射极(eu2)与自举二极管Du的阴极(Cu)相连,Qu2的集电极(cu2)与三极管Qu3的基极(bu3)相连;三极管Qu3的集电极(cu3)与自举二极管Du的阴极(Cu)相连,Qu3的发射极(eu3)与电阻Ru4的(lu4)端相连,电阻Ru4的(ru4)端与上桥臂MOSFET T1的栅极(G1)相连;三极管Qu4的基极(bu4)与三极管Qu5的发射极(eu5)相连,Qu4的发射极(eu4)与电阻Ru5的(ru5)端相连,电阻Ru5的(lu5)端与上桥臂MOSFET T1的栅极(G1)相连,Qu4的集电极(cu4)与上桥臂MOSFET T1的源极(S1)相连;三极管Qu5的基极(bu5)与三极管Qu2的集电极(cu2)和三极管Qu3的基极(bu3)相连,同时还与电阻Ru6的(lu6)端相连,电阻Ru6的(ru6)端与上桥臂MOSFET T1的源极(S1)相连,Qu5的集电极(cu5)与上桥臂MOSFET T1的源极(S1)相连;15V电源端与自举二极管Du的阳极(Au)相连,Du的阴极(Cu)与电阻Ru2的(lu2)端、三极管Qu2的发射极(eu2)端、三极管Qu3的集电极(cu3)端以及自举极性电容Ca的正极端(p)相连,自举极性电容Ca的负极端(n)与上桥臂MOSFET T1的源极(S1)相连;稳压二极管Dst并联在上桥臂MOSFET T1的栅(G1)、源(S1)两端,其中Dst的阳极(ast)与上桥臂MOSFET T1的源极(S1)相连,Dst的阴极(cst)与上桥臂MOSFET T1的栅极(G1)相连;发光二极管Dl1的阳极(al1)与电阻Ru7的(ru7)端相连,电阻Ru7的(lu7)端与上桥臂MOSFET T1的栅极(G1)相连,Dl1的阴极(cl1)与上桥臂MOSFET T1的源极(S1)相连;电容Cst1并联在上桥臂MOSFET T1的栅极(G1)、源极(S1)两端,其中Cst1的(1)端与上桥臂MOSFET T1的栅极(G1)相连,Cst1的(2)端与上桥臂MOSFET T1的源极(S1)相连;电阻Rst1并联在上桥臂MOSFET T1的栅极(G1)、源极(S1)两端,其中Rst1的(lst1)端与上桥臂MOSFET T1的栅极(G1)相连,Rst1的(rst1)端与上桥臂MOSFET T1的源极(S1)相连;

b)下桥臂MOSFET T2驱动电路采用5只三极管Qd1、Qd2、Qd3、Qd4、Qd5,8只电阻Rd1、Rd2、Rd3、Rd4、Rd5、Rd6、Rd7、Rst2,1只发光二极管Dl2,1只稳压电容Cst2,来自控制器的控制信号的输入端口为Lin,驱动信号的驱动电流为id,驱动信号的泄放电流为ib;将控制信号的输入端口Lin与电阻Rd1的(ld1)端相连,电阻Rd1的(rd1)端与三极管Qd1的基极(bd1)相连;三极管Qd1的集电极(cd1)与三极管Qd2的基极(bd2)以及电阻Rd2的(rd2)端相连,电阻Rd2的(ld2)端与15V电源相连,Qd1发射极(ed1)与电阻Rd3的(ld3)端相连,电阻Rd3的(rd3)端与下桥臂MOSFET T2的源极(S2)相连并接地;三极管Qd2的发射极(ed2)与15V电源端相连,Qd2的集电极(cd2)与三极管Qd3的基极(bd3)相连;三极管Qd3的集电极(cd3)与15V电源端相连,Qd3的发射极(ed3)与电阻Rd4的(ld4)端相连,电阻Rd4的(rd4)端与下桥臂MOSFET T2的栅极(G2)相连;三极管Qd4的基极(bd4)与三极管Qd5的发射极(ed5)相连,Qd4的发射极(ed4)与电阻Rd5的(rd5)端相连,电阻Rd5的(ld5)端与下桥臂MOSFET T2的栅极(G2)相连,Qd4的集电极(cd4)与下桥臂MOSFET T2的源极(S2)相连;三极管Qd5的基极(bd5)与三极管Qd2的集电极(cd2)和三极管Qd3的基极(bd3)相连,同时还与电阻Rd6的(ld6)端相连,电阻Rd6的(rd6)端与下桥臂MOSFET T2的源极(S2)相连,Qd5的集电极(cd5)与下桥臂MOSFET T2的源极(S2)相连;15V电源端与电阻Rd2的(ld2)端、三极管Qd2的发射极(ed2)端、三极管Qd3的集电极(cd3)端相连;发光二极管Dl2的阳极(al2)与电阻Rd7的(rd7)端相连,电阻Rd7的(ld7)端与下桥臂MOSFET T2的栅极(G2)相连,Dl2的阴极(cl2)与下桥臂MOSFET T2的源极(S2)相连;稳压电容Cst2并联在下桥臂MOSFET T2的栅极(G2)、源极(S2)两端,其中Cst2的(3)端与下桥臂MOSFET T2的栅极(G2)相连,Cst2的(4)端与下桥臂MOSFET T2的源极(S2)相连;电阻Rst2并联在下桥臂MOSFET T2的栅极(G2)、源极(S2)两端,其中Rst2的(lst2)端与下桥臂MOSFET T2的栅极(G2)相连,Rst2的(rst2)端与下桥臂MOSFET T2的源极(S2)相连;

c)自举电容特有的充电回路采用2只三极管Qs1、Qs2,1只二极管Df,3只电阻Rf、Rs1、Rs2,自举电容充电电流为ic;将上桥臂MOSFET T1的源极(S1)与二极管Df的阳极(Af)相连,二极管Df的阴极(Cf)与电阻Rf的(lf)端相连,电阻Rf的(rf)端与三极管Qs1的集电极(cs1)相连;15V电源端与电阻Rs1的(ls1)端相连,电阻Rs1的(rs1)端与三极管Qs1的基极(bs1)相连,三极管Qs1的发射极(es1)接地;将下桥臂MOSFET T2的栅极(G2)与电阻Rs2的(ls2)端相连,电阻Rs2的(rs2)端与三极管Qs2的基极(bs2)相连,三极管Qs2的集电极(cs2)与电阻Rs1的(rs1)端和三极管Qs1的基极(bs1)相连,三极管Qs2的发射极(es2)接地。

2.本发明的开关磁阻电机MOSFET功率变换器驱动电路,其控制特征在于:

a)当上桥臂控制信号输入端Hin为高电平,三极管Qu1饱和导通,Qu2、Qu3导通,Qu4、Qu5截止,驱动输出高电平,Dl1亮,自举电容Ca相当于一个悬浮电源,其储存的电荷通过路径①[Ca正极端(p)→Qu2、Qu3→Ru4→G1→S1→Ca负极端(n)]形成驱动电流iu,驱动MOSFET T1导通;当输入信号Hin为低电平,三极管Qu1截止,Qu2、Qu3截止,Qu4、Qu5导通,驱动输出低电平,Dl1灭,T1关断;当输入信号由高电平向低电平跳变时,由于Qu3的关断延迟,MOSFET T1门极维持短暂的高电平,Qu5的基极由Ru6拉为低电平,MOSFET T1通过路径③(G1→Ru5→Qu4、Qu5→S1)进行泄放电荷。

b)当下桥臂控制信号输入端Lin为高电平,三极管Qd1饱和导通,Qd2、Qd3导通,Qd4、Qd5截止,驱动输出高电平,Dl2亮,驱动电流id通过路径④(15V→Qd3→Rd4→G2→S2→VSS),MOSFET T2开通;当输入信号Lin为低电平,三极管Qd1截止,Qd2、Qd3截止,Qu4、Qu5导通,驱动输出低电平,Dl2灭,MOSFET T2关断;当输入信号由高电平向低电平跳变时,由于Qd3的关断延迟,MOSFET T2门极维持短暂的高电平,Qd5的基极由Rd6拉为低电平,MOSFET T2通过路径⑤(G2→Rd5→Qd4、Qd5→S2)进行泄放电荷。

c)当上、下桥臂驱动电路均输出低电平,MOSFET T1和MOSFET T2关断,属于本相的非导通区间,G2为低电平,三极管Qs1导通、Qs2截止,自举电容的充电路径为“15V→Du→Ca→Df→Rf→Qs1→VSS”,即通过路径②和路径⑥进行充电,改变电阻Rf的值可以改变充电的速率,由于S1点处的电位是浮动的,Rf在实际中选择功率电阻。

d)当上、下桥臂驱动电路均输出高电平,MOSFET T1和MOSFET T2导通,属于本相的导通区间,G2为高电平,三极管Qs1截止、Qs2导通,忽略器件压降,S1点电位升至Us。若Us低于15V,则S1电位低于驱动电源15V,自举电容的充电路径为“15V→Du→Ca→绕组→T2→VSS”,即通过路径②和路径⑦进行充电,其中驱动电源15V与主电路直流母线电压Us共地。若Us高于15V,自举电容无相应充电的回路。

e)当上桥臂驱动电路输出低电平,下桥臂驱动电路输出高电平时,MOSFET T1关断、MOSFET T2导通,功率变换器工作在斩上管的工作状态,此时G2为高电平,三极管Qs1截止、Qs2导通,;G1为低电平,功率变换器存在“VD2→绕组→T2”近似于零电压的续流回路,自举电容的充电路径为“15V→Du→Ca→绕组→T2→VSS”,即通过路径②和路径⑦进行充电。事实上,VD2有导通压降,S1点实际电位低于VSS,如电机负载较大时,续流时间较长,S1点不断存储负电荷,Ca可能会过充电至两端电压大于15V,因此在G1、S1两端加20V稳压二极管Dst,保障输出的驱动电压不高于20V。

f)当上桥臂驱动电路输出高电平,下桥臂驱动电路输出低电平时,MOSFET T1导通、MOSFET T2关断,功率变换器工作在斩下管的工作状态,此时G1为高电平,G2为低电平,Qs1导通、Qs2截止,存在“Us→T1→Df→Rf→Qs1→VSS”的工作路径,电阻Rf的存在,虽然避免了主电路直流母线电压直接短路的故障,但不适合电机重载情况下的斩下管控制,此时主电路处于零电压续流工作状态,S1点电位约为主电路电源电压Us,不存在自举电容充电回路。

g)上桥臂MOSFET T1驱动电路中自举二极管Du采用快恢复二极管,防止15V电源端与自举电容Ca的(p)极存在较大的反向电位差而引起电流倒灌;电阻Ru4串联在MOSFET T1的栅极能够限制较大的驱动电流;Ru5能够影响MOSFET T1的关断速率,通过调节Ru5的值能够减小MOSFET T1关断时的电压振荡;稳压二极管Dst保证输出稳定的驱动电压;Ru6为限流电阻,防止三极管Qu2、Qu3过饱和;电阻Rst1并联在栅极(G1)、源极(S1)两端,防止因米勒效应造成MOSFET T1误导通;电容Cst1并联在栅极(G1)、源极(S1)两端能够减缓MOSFET T1开通及关断速率,减小产生的电压尖峰。

下桥臂MOSFET T2驱动电路中Rd6为限流电阻,防止三极管Qd2、Qd3过饱和;电阻Rd4串联在MOSFET T2的栅极能够限制较大的驱动电流;Rd5能够影响MOSFET T2的关断速率,通过调节Rd5的值能够减小MOSFET T2关断时的电压振荡;电阻Rst2并联在栅极(G2)、源极(S2)两端,防止因米勒效应造成MOSFET T2误导通;电容Cst2并联在栅极(G2)、源极(S2)两端能够减缓MOSFET T2开通及关断速率,减小产生的电压尖峰。

当主电路中VD2损坏、电机反电动势、电压振荡等原因使S1电位低于零,自举电容充电路径中二极管Df可防止负压加于三极管Qs1的集电极、发射极两端造成器件损坏;电阻Rf能够控制充电的速率,但会流过较大的电流,实际中选择功率电阻。

有益效果:驱动电路采用三极管等分立元件设计而成,相比其他形式的驱动电路,结构简单、成本低廉,在电机不同的工况下均能保持可靠稳定的驱动信号输出,同时具备良好的电气隔离性能,实现了主电路与控制电路的隔离。上桥臂驱动电路中自举电容充电回路的设计,增大了驱动功率,保证了驱动输出信号电压的稳定性;下桥臂驱动电路能够配合上桥臂驱动电路,实现斩双管、斩单管控制。驱动信号延时小响应快,具有较大的驱动电流和驱动脉动电压幅值,能够驱动中小功率级别且开关频率达到20kHz的MOSFET功率变换器,满足中小型开关磁阻电机在不同工况下控制系统的驱动需求,具有良好的工程应用价值。

附图说明

图1是本发明的上桥臂驱动电路及其工作路径。

图2是本发明的下桥臂驱动电路及其工作路径。

图3是本发明的自举电容特有充电电路及其工作路径。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的一个实施例作进一步的描述。

1.本发明的开关磁阻电机MOSFET功率变换器的驱动电路拓扑设计方法:

a)如图1所示,a)上桥臂MOSFET T1驱动电路采用5只三极管Qu1、Qu2、Qu3、Qu4、Qu5,8只电阻Ru1、Ru2、Ru3、Ru4、Ru5、Ru6、Ru7、Rst1,1只自举二极管Du,1只自举电容Ca,1只稳压二极管Dst,1只发光二极管Dl1,1只稳压电容Cst1,来自控制器的控制信号的输入端口为Hin,驱动信号的驱动电流为iu,驱动信号的泄放电流为ia,自举电容的充电电流为ic;将控制信号的输入端口Hin与电阻Ru1的(lu1)端相连,电阻Ru1的(ru1)端与三极管Qu1的基极(bu1)相连;三极管Qu1的集电极(cu1)与三极管Qu2的基极(bu2)以及电阻Ru2的(ru2)端相连,电阻Ru2的(lu2)端与自举二极管Du的阴极(Cu)相连,Qu1发射极(eu1)与电阻Ru3的(lu3)端相连,电阻Ru3的(ru3)端接地;三极管Qu2的发射极(eu2)与自举二极管Du的阴极(Cu)相连,Qu2的集电极(cu2)与三极管Qu3的基极(bu3)相连;三极管Qu3的集电极(cu3)与自举二极管Du的阴极(Cu)相连,Qu3的发射极(eu3)与电阻Ru4的(lu4)端相连,电阻Ru4的(ru4)端与上桥臂MOSFET T1的栅极(G1)相连;三极管Qu4的基极(bu4)与三极管Qu5的发射极(eu5)相连,Qu4的发射极(eu4)与电阻Ru5的(ru5)端相连,电阻Ru5的(lu5)端与上桥臂MOSFET T1的栅极(G1)相连,Qu4的集电极(cu4)与上桥臂MOSFET T1的源极(S1)相连;三极管Qu5的基极(bu5)与三极管Qu2的集电极(cu2)和三极管Qu3的基极(bu3)相连,同时还与电阻Ru6的(lu6)端相连,电阻Ru6的(ru6)端与上桥臂MOSFET T1的源极(S1)相连,Qu5的集电极(cu5)与上桥臂MOSFET T1的源极(S1)相连;15V电源端与自举二极管Du的阳极(Au)相连,Du的阴极(Cu)与电阻Ru2的(lu2)端、三极管Qu2的发射极(eu2)端、三极管Qu3的集电极(cu3)端以及自举极性电容Ca的正极端(p)相连,自举极性电容Ca的负极端(n)与上桥臂MOSFET T1的源极(S1)相连;稳压二极管Dst并联在上桥臂MOSFET T1的栅(G1)、源(S1)两端,其中Dst的阳极(ast)与上桥臂MOSFET T1的源极(S1)相连,Dst的阴极(cst)与上桥臂MOSFET T1的栅极(G1)相连;发光二极管Dl1的阳极(al1)与电阻Ru7的(ru7)端相连,电阻Ru7的(lu7)端与上桥臂MOSFET T1的栅极(G1)相连,Dl1的阴极(cl1)与上桥臂MOSFET T1的源极(S1)相连;电容Cst1并联在上桥臂MOSFET T1的栅极(G1)、源极(S1)两端,其中Cst1的(1)端与上桥臂MOSFET T1的栅极(G1)相连,Cst1的(2)端与上桥臂MOSFET T1的源极(S1)相连;电阻Rst1并联在上桥臂MOSFET T1的栅极(G1)、源极(S1)两端,其中Rst1的(lst1)端与上桥臂MOSFET T1的栅极(G1)相连,Rst1的(rst1)端与上桥臂MOSFET T1的源极(S1)相连;其中①为上桥臂驱动电路的驱动电流路径;②为上桥臂驱动电路的自举电容充电路径;③为上桥臂驱动电路的驱动电流泄放路径。

b)如图2所示,下桥臂MOSFET T2驱动电路采用5只三极管Qd1、Qd2、Qd3、Qd4、Qd5,8只电阻Rd1、Rd2、Rd3、Rd4、Rd5、Rd6、Rd7、Rst2,1只发光二极管Dl2,1只稳压电容Cst2,来自控制器的控制信号的输入端口为Lin,驱动信号的驱动电流为id,驱动信号的泄放电流为ib;将控制信号的输入端口Lin与电阻Rd1的(ld1)端相连,电阻Rd1的(rd1)端与三极管Qd1的基极(bd1)相连;三极管Qd1的集电极(cd1)与三极管Qd2的基极(bd2)以及电阻Rd2的(rd2)端相连,电阻Rd2的(ld2)端与15V电源相连,Qd1发射极(ed1)与电阻Rd3的(ld3)端相连,电阻Rd3的(rd3)端与下桥臂MOSFET T2的源极(S2)相连并接地;三极管Qd2的发射极(ed2)与15V电源端相连,Qd2的集电极(cd2)与三极管Qd3的基极(bd3)相连;三极管Qd3的集电极(cd3)与15V电源端相连,Qd3的发射极(ed3)与电阻Rd4的(ld4)端相连,电阻Rd4的(rd4)端与下桥臂MOSFET T2的栅极(G2)相连;三极管Qd4的基极(bd4)与三极管Qd5的发射极(ed5)相连,Qd4的发射极(ed4)与电阻Rd5的(rd5)端相连,电阻Rd5的(ld5)端与下桥臂MOSFET T2的栅极(G2)相连,Qd4的集电极(cd4)与下桥臂MOSFET T2的源极(S2)相连;三极管Qd5的基极(bd5)与三极管Qd2的集电极(cd2)和三极管Qd3的基极(bd3)相连,同时还与电阻Rd6的(ld6)端相连,电阻Rd6的(rd6)端与下桥臂MOSFET T2的源极(S2)相连,Qd5的集电极(cd5)与下桥臂MOSFET T2的源极(S2)相连;15V电源端与电阻Rd2的(ld2)端、三极管Qd2的发射极(ed2)端、三极管Qd3的集电极(cd3)端相连;发光二极管Dl2的阳极(al2)与电阻Rd7的(rd7)端相连,电阻Rd7的(ld7)端与下桥臂MOSFET T2的栅极(G2)相连,Dl2的阴极(cl2)与下桥臂MOSFET T2的源极(S2)相连;稳压电容Cst2并联在下桥臂MOSFET T2的栅极(G2)、源极(S2)两端,其中Cst2的(3)端与下桥臂MOSFET T2的栅极(G2)相连,Cst2的(4)端与下桥臂MOSFET T2的源极(S2)相连;电阻Rst2并联在下桥臂MOSFET T2的栅极(G2)、源极(S2)两端,其中Rst2的(lst2)端与下桥臂MOSFET T2的栅极(G2)相连,Rst2的(rst2)端与下桥臂MOSFET T2的源极(S2)相连;其中④为下桥臂驱动电路的驱动电流路径;⑤为下桥臂驱动电路的驱动电流泄放路径。

c)如图3所示,自举电容特有的充电回路采用2只三极管Qs1、Qs2,1只二极管Df,3只电阻Rf、Rs1、Rs2,自举电容充电电流为ic;将上桥臂MOSFET T1的源极(S1)与二极管Df的阳极(Af)相连,二极管Df的阴极(Cf)与电阻Rf的(lf)端相连,电阻Rf的(rf)端与三极管Qs1的集电极(cs1)相连;15V电源端与电阻Rs1的(ls1)端相连,电阻Rs1的(rs1)端与三极管Qs1的基极(bs1)相连,三极管Qs1的发射极(es1)接地;将下桥臂MOSFET T2的栅极(G2)与电阻Rs2的(ls2)端相连,电阻Rs2的(rs2)端与三极管Qs2的基极(bs2)相连,三极管Qs2的集电极(cs2)与电阻Rs1的(rs1)端和三极管Qs1的基极(bs1)相连,三极管Qs2的发射极(es2)接地;其中⑥为Qs1开通时,自举电容充电电路中的电流路径;⑦为Qs2开通时,自举电容的部分充电路径。

2.本发明的开关磁阻电机MOSFET功率变换器的驱动电路控制方法:

a)如图1所示,当上桥臂控制信号输入端Hin为高电平,三极管Qu1饱和导通,Qu2、Qu3导通,Qu4、Qu5截止,驱动输出高电平,Dl1亮,自举电容Ca相当于一个悬浮电源,其储存的电荷通过路径①[Ca正极端(p)→Qu2、Qu3→Ru4→G1→S1→Ca负极端(n)]形成驱动电流iu,驱动MOSFET T1导通;当输入信号Hin为低电平,三极管Qu1截止,Qu2、Qu3截止,Qu4、Qu5导通,驱动输出低电平,Dl1灭,T1关断;当输入信号由高电平向低电平跳变时,由于Qu3的关断延迟,MOSFET T1门极维持短暂的高电平,Qu5的基极由Ru6拉为低电平,MOSFET T1通过路径③(G1→Ru5→Qu4、Qu5→S1)进行泄放电荷。

b)如图2所示,当下桥臂控制信号输入端Lin为高电平,三极管Qd1饱和导通,Qd2、Qd3导通,Qd4、Qd5截止,驱动输出高电平,Dl2亮,驱动电流id通过路径④(15V→Qd3→Rd4→G2→S2→VSS),MOSFET T2开通;当输入信号Lin为低电平,三极管Qd1截止,Qd2、Qd3截止,Qu4、Qu5导通,驱动输出低电平,Dl2灭,MOSFET T2关断;当输入信号由高电平向低电平跳变时,由于Qd3的关断延迟,MOSFET T2门极维持短暂的高电平,Qd5的基极由Rd6拉为低电平,MOSFET T2通过路径⑤(G2→Rd5→Qd4、Qd5→S2)进行泄放电荷。

c)如图1、图2、图3所示,当上、下桥臂驱动电路均输出低电平,MOSFET T1和MOSFET T2关断,属于本相的非导通区间,G2为低电平,三极管Qs1导通、Qs2截止,自举电容的充电路径为“15V→Du→Ca→Df→Rf→Qs1→VSS”,即通过图1路径②和图3路径⑥进行充电,改变电阻Rf的值可以改变充电的速率,由于S1点处的电位是浮动的,Rf在实际中选择功率电阻。

d)如图1、图2、图3所示,当上、下桥臂驱动电路均输出高电平,MOSFET T1和MOSFET T2导通,属于本相的导通区间,G2为高电平,三极管Qs1截止、Qs2导通,忽略器件压降,S1点电位升至Us。若Us低于15V,则S1电位低于驱动电源15V,自举电容的充电路径为“15V→Du→Ca→绕组→T2→VSS”,即通过图1路径②和图3路径⑦进行充电,其中驱动电源15V与主电路直流母线电压Us共地。若Us高于15V,自举电容无相应充电的回路。

e)如图1、图2、图3所示,当上桥臂驱动电路输出低电平,下桥臂驱动电路输出高电平时,MOSFET T1关断、MOSFET T2导通,功率变换器工作在斩上管的工作状态,此时G2为高电平,三极管Qs1截止、Qs2导通,;G1为低电平,功率变换器存在“VD2→绕组→T2”近似于零电压的续流回路,自举电容的充电路径为“15V→Du→Ca→绕组→T2→VSS”,即通过图1路径②和图3路径⑦进行充电。事实上,VD2有导通压降,S1点实际电位低于VSS,如电机负载较大时,续流时间较长,S1点不断存储负电荷,Ca可能会过充电至两端电压大于15V,因此在G1、S1两端加20V稳压二极管Dst,保障输出的驱动电压不高于20V。

f)如图1、图2、图3所示,当上桥臂驱动电路输出高电平,下桥臂驱动电路输出低电平时,MOSFET T1导通、MOSFET T2关断,功率变换器工作在斩下管的工作状态,此时G1为高电平,G2为低电平,Qs1导通、Qs2截止,存在“Us→T1→Df→Rf→Qs1→VSS”的工作路径,电阻Rf的存在,虽然避免了主电路直流母线电压直接短路的故障,但不适合电机重载情况下的斩下管控制,此时主电路处于零电压续流工作状态,S1点电位约为主电路电源电压Us,不存在自举电容充电回路。

g)上桥臂MOSFET T1驱动电路中自举二极管Du采用快恢复二极管,防止15V电源端与自举电容Ca的(p)极存在较大的反向电位差而引起电流倒灌;电阻Ru4串联在MOSFET T1的栅极能够限制较大的驱动电流;Ru5能够影响MOSFET T1的关断速率,通过调节Ru5的值能够减小MOSFET T1关断时的电压振荡;稳压二极管Dst保证输出稳定的驱动电压;Ru6为限流电阻,防止三极管Qu2、Qu3过饱和;电阻Rst1并联在栅极(G1)、源极(S1)两端,防止因米勒效应造成MOSFET T1误导通;电容Cst1并联在栅极(G1)、源极(S1)两端能够减缓MOSFET T1开通及关断速率,减小产生的电压尖峰。

下桥臂MOSFET T2驱动电路中Rd6为限流电阻,防止三极管Qd2、Qd3过饱和;电阻Rd4串联在MOSFET T2的栅极能够限制较大的驱动电流;Rd5能够影响MOSFET T2的关断速率,通过调节Rd5的值能够减小MOSFET T2关断时的电压振荡;电阻Rst2并联在栅极(G2)、源极(S2)两端,防止因米勒效应造成MOSFET T2误导通;电容Cst2并联在栅极(G2)、源极(S2)两端能够减缓MOSFET T2开通及关断速率,减小产生的电压尖峰。

当主电路中VD2损坏、电机反电动势、电压振荡等原因使S1电位低于零,自举电容充电路径中二极管Df可防止负压加于三极管Qs1的集电极、发射极两端造成器件损坏;电阻Rf能够控制充电的速率,但会流过较大的电流,实际中选择功率电阻。

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