分立式的电机驱动电路及电机的制作方法

1.本发明涉及电机驱动技术领域，具体而言，涉及一种分立式的电机驱动电路及电机。


背景技术：

2.传统电机驱动通常采用ipm(intelligent power module，智能功率模块)，ipm是一种功率开关器件，具有高电流密度、低饱和电压和耐高压的优点，以及高输入阻抗、高开关频率和低驱动功率的优点。ipm内部集成了逻辑、控制、检测和保护电路，使用起来方便，不仅减小了系统的体积以及开发时间，也大大增强了系统的可靠性，在电力电子领域得到了越来越广泛的应用。
3.ipm具有上述诸多优点，已应用于驱动空调器的电机驱动电路，但是基于ipm的电机驱动电路存在成本高昂的问题。


技术实现要素：

4.本发明解决的是现有基于ipm的电机驱动电路存在成本高昂的问题。
5.为解决上述问题，本发明实施例提供一种分立式的电机驱动电路，包括驱动芯片及分立式驱动电路；所述驱动芯片与所述分立式驱动电路连接，用于向所述分立式驱动电路发送开关控制信号；所述分立式驱动电路包括上桥电路及下桥电路，所述上桥电路及所述下桥电路均包括多个分立的开关元件，各所述开关元件均与所述驱动芯片连接；所述开关元件为mos管或igbt；所述分立式驱动电路在各所述开关元件所处位置设置有散热部件；若所述开关元件为mos管，则所述mos管的漏极与源极之间连接rc电路；若所述开关元件为igbt，则所述igbt的集电极与发射极之间连接rc电路。
6.本发明实施例提供的电机驱动电路，采用驱动芯片及分立式驱动电路的组合替代传统简单使用ipm驱动电机的电路，大幅降低电路成本；利用散热部件、改善pcb布局、开关元件连接的rc电路选取，以低成本平衡了电路温升和emc；电路结构复杂度降低，控制方便，可靠性高。
7.可选地，所述上桥电路至少包括第一mos管；所述第一mos管的栅极通过并联的第一电阻及第一二极管与所述驱动芯片的第一信号输出引脚连接；所述第一mos管的漏极与电机供电电压连接；所述第一mos管的源极与所述下桥电路的第二mos管的漏极、所述第一信号输出引脚对应的第一自举电容的负极连接，所述第一自举电容的正极连接所述驱动芯片的工作电压；所述第一mos管的栅极及源极之间连接第二电阻。
8.本发明实施例中开关元件可以选择mos管，从而以低成本平衡电路温升和emc。
9.可选地，所述上桥电路至少包括第一igbt；所述第一igbt的栅极通过并联的第一电阻及第一二极管与所述驱动芯片的第一信号输出引脚连接；所述第一igbt的集电极与电机供电电压连接；所述第一igbt的发射极与所述下桥电路的第二igbt的集电极、所述第一信号输出引脚对应的第一自举电容的负极连接，所述第一自举电容的正极连接所述驱动芯
片的工作电压；所述第一igbt的栅极及发射极之间连接第二电阻。
10.本发明实施例中开关元件可以选择igbt，从而以低成本平衡电路温升和emc。
11.可选地，所述第一二极管与第三电阻串联后，再与所述第一电阻并联；所述第一二极管的正极通过所述第三电阻连接所述第一mos管或者所述第一igbt的栅极，所述第一二极管的负极连接所述第一信号输出引脚；所述第一电阻大于所述第三电阻；所述第二电阻大于所述第一电阻。
12.本发明实施例中通过选择合适电阻，使mos管或igbt的放电关闭速度相对导通速度更快，可以减少损耗，降低温升。
13.可选地，所述下桥电路至少包括第二mos管；所述第二mos管的栅极通过并联的第四电阻及第二二极管与所述驱动芯片的第二信号输出引脚连接；所述第二mos管的漏极与所述第一mos管的源极连接；所述第二mos管的源极接地，且与所述第二信号输出引脚对应的第二自举电容的负极连接，所述第二自举电容的正极连接所述驱动芯片的工作电压；所述第二mos管的栅极及源极之间连接第五电阻。
14.本发明实施例中提供了下桥的一种具体电路结构，通过上下桥电路的开关元件交替导通，从而控制电机运行。
15.可选地，所述下桥电路至少包括第二igbt；所述第二igbt的栅极通过并联的第四电阻及第二二极管与所述驱动芯片的第二信号输出引脚连接；所述第二igbt的集电极与所述第一igbt的发射极连接；所述第二igbt的发射极接地，且与所述第二信号输出引脚对应的第二自举电容的负极连接，所述第二自举电容的正极连接所述驱动芯片的工作电压；所述第二igbt的栅极及发射极之间连接第五电阻。
16.本发明实施例中提供了下桥的一种具体电路结构，通过上下桥电路的开关元件交替导通，从而控制电机运行。
17.可选地，所述第一信号输出引脚对应的第一电压引脚与第二电压引脚分别连接所述第一自举电容的正极、负极；所述第一自举电容的正极连接第三二极管的负极，所述第三二极管的正极连接滤波电路，所述滤波电路连接所述驱动芯片的工作电压。
18.本发明实施例中提供了驱动芯片部分的一种具体电路结构，滤波电路用于为驱动芯片提供电源，滤除电源中干扰杂波，第三二极管用于避免第一自举电容反向充电。滤波电路还可以连接分压电阻，防止滤波电路升压过快。
19.可选地，所述散热部件通过覆铜设置，且覆铜后开窗。
20.本发明实施例中开关元件的散热部件可以选择覆铜开窗，提高散热效果。
21.可选地，所述多个分立的开关元件之间的间距大于预设散热间距阈值。
22.本发明实施例中开关元件之间可以设置合适间距，提高散热效果。
23.本发明实施例提供一种电机，其特征在于，包括mcu及上述电机驱动电路；所述mcu与所述电机驱动电路的驱动芯片连接，用于向所述驱动芯片发送pwm信号。
24.本发明实施例提供的电机，可以与上述电机驱动电路达到相同的技术效果。
附图说明
25.图1为本发明的一个实施例提供的电机驱动电路的驱动芯片部分的结构示意图；
26.图2为本发明的一个实施例提供的电机驱动电路的mos管电路部分的结构示意图；
27.图3为本发明的一个实施例提供的电机驱动电路的驱动芯片部分的结构示意图；
28.图4为本发明的一个实施例提供的电机驱动电路的igtb电路部分的结构示意图。
具体实施方式
29.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。
30.本发明实施例提供了一种采用分立的开关元件+驱动芯片的电机驱动电路，替代传统使用ipm驱动电机的方式，大幅降低成本。上述开关元件可以采用金属-氧化物半导体场效应晶体管(metal-oxide-semiconductor field-effect transistor，mos)或绝缘栅双极型晶体管(insulated gate bipolar transistor，igbt)。
31.由于分立式贴片mos/igbt没有传统风机模块的散热器，器件发热成为电路一大难点，同时由于分立式电路器件彼此间连接没有集成式的模块好，导致电磁兼容性(electromagnetic compatibility，emc)效果差。
32.考虑到散热需要mos/igbt间有足够的散热空间，mos/igbt需彼此距离远，而器件间距离远必然导致emc效果不好，本发明实施例提供了一种分立式的电机驱动电路，可以平衡散热与emc。
33.本发明实施例提供了一种分立式的电机驱动电路，包括驱动芯片及分立式驱动电路。其中，驱动芯片与电机的微控制单元(microcontroller unit，mcu)连接，可以接收mcu发送的脉冲宽度调制(pulse width modulation，pwm)信号，输出高压/低压控制信号，以控制驱动电路的分立的开关元件，实现向电机供电的目的。
34.具体地，驱动芯片与分立式驱动电路连接，该驱动芯片用于向分立式驱动电路发送开关控制信号。该分立式驱动电路包括上桥电路及下桥电路，上桥电路及下桥电路均包括多个分立的开关元件，各开关元件均与驱动芯片连接。
35.在本实施例中开关元件可以选择mos管或igbt，为控制方便，所有开关元件可以统一采用mos管或者所有开关元件统一采用igbt。各分立的开关元件，通过改善其在印制电路板(printed circuit board，pcb)上的位置布局，彼此间隔一定距离，从而利于散热。可选地，多个分立的开关元件之间的间距大于预设散热间距阈值，该预设散热间距阈值可以根据使用的开关元件在驱动电机过程中的实际发热功率预先计算得到，也可以通过实验验证得到，本实施例对此不作限定。
36.为增加开关元件的散热效果，降低其本体温升，上述分立式驱动电路在各开关元件所处位置设置有散热部件。示例性地，上述散热部件通过覆铜设置，且覆铜后开窗。上述覆铜范围可以大于开关元件所占面积，且在覆铜表面开窗，使其裸露于空气，有助于提高散热效果。
37.若开关元件为mos管，则mos管的漏极与源极之间连接rc(resistor-capacitance circuit，电阻-电容电路)电路；若开关元件为igbt，则igbt的集电极与发射极之间连接rc电路。通过在上述漏极与源极、集电极与发射极之间加上合适的rc电路，可以减小mos管/igbt的电压突变，改善电路emc。rc电路的电阻值、电容值可以计算或者实验得到，本实施例对此不作限定。
38.本发明实施例提供的电机驱动电路，采用驱动芯片及分立式驱动电路的组合替代
传统简单使用ipm驱动电机的电路，大幅降低电路成本；利用散热部件、改善pcb布局、开关元件连接的rc电路选取，以低成本平衡了电路温升和emc；电路结构复杂度降低，控制方便，可靠性高。
39.作为一种可行的实施方式，以开关元件采用mos管为例。上述上桥电路至少包括第一mos管。
40.第一mos管的栅极通过并联的第一电阻及第一二极管与驱动芯片的第一信号输出引脚连接；第一mos管的漏极与电机供电电压连接；第一mos管的源极与下桥电路的第二mos管的漏极、第一信号输出引脚对应的第一自举电容的负极连接，该第一自举电容的正极连接驱动芯片的工作电压；第一mos管的栅极及源极之间连接第二电阻。
41.其中，第一电阻及第一二极管并联，二极管的单向导通特点导致第一mos管导通速度、放电速度不同，以降低第一mos管的温升速度。mos管的源极与第一信号输出引脚对应的第一自举电容的负极连接，上桥电路均以mos管源极作为驱动芯片输出侧的参考地(浮地)，从而使驱动芯片输出高低电平而驱动上桥电路的各个mos管。
42.可选地，第一二极管与第三电阻串联后，再与第一电阻并联；第一二极管的正极通过第三电阻连接第一mos管，第一二极管的负极连接第一信号输出引脚；第一电阻大于第三电阻；第二电阻大于第一电阻。
43.在第一信号输出引脚输出高电平时，第一二极管截止，第一电阻及第二电阻分压，使得第一mos管导通；在第一信号输出引脚输出低电平时，第一mos管的栅极寄生电容放电，电压低到一定程度后第一mos管关闭。由于第一电阻大于第三电阻，第一mos管的放电关闭速度相对导通速度更快，可以减少第一mos管的损耗，降低温升。
44.上述下桥电路至少包括第二mos管。
45.第二mos管的栅极通过并联的第四电阻及第二二极管与驱动芯片的第二信号输出引脚连接；第二mos管的漏极与第一mos管的源极连接；第二mos管的源极接地，且与第二信号输出引脚对应的第二自举电容的负极连接，第二自举电容的正极连接驱动芯片的工作电压；第二mos管的栅极及源极之间连接第五电阻。
46.需要说明的是，上桥电路的第一mos管的数量与下桥电路的第二mos管的数量相同，且互相连接的两mos管交替导通，从而控制电机运行。
47.作为一种可行的实施方式，以开关元件采用igbt管为例。上述上桥电路包括第一igbt。
48.第一igbt的栅极通过并联的第一电阻及第一二极管与驱动芯片的第一信号输出引脚连接；第一igbt的集电极与电机供电电压连接；第一igbt的发射极与下桥电路的igbt的集电极、第一信号输出引脚对应的第一自举电容的负极连接，第一自举电容的正极连接驱动芯片的工作电压；第一igbt的栅极及发射极之间连接第二电阻。
49.可选地，第一二极管与第三电阻串联后，再与第一电阻并联；第一二极管的正极通过第三电阻连接第一igbt的栅极，第一二极管的负极连接第一信号输出引脚；第一电阻大于第三电阻；第二电阻大于第一电阻。
50.上述下桥电路包括第二igbt。
51.第二igbt的栅极通过并联的第四电阻及第二二极管与驱动芯片的第二信号输出引脚连接；第二igbt的集电极与第一igbt的发射极连接；第二igbt的发射极接地，且与第二
信号输出引脚对应的第二自举电容的负极连接，第二自举电容的正极连接驱动芯片的工作电压；第二igbt的栅极及发射极之间连接第五电阻。
52.以下介绍驱动芯片的相关电路结构。该驱动芯片采用适用于电机控制的芯片，其包括多个控制信号输出端，可以根据mcu输入的pwm信号相应分别输出高低电平控制信号。
53.具体地，驱动芯片的第一信号输出引脚对应的第一电压引脚与第二电压引脚分别连接第一自举电容的正极、负极；第一自举电容的正极连接第三二极管的负极，第三二极管的正极连接滤波电路，滤波电路连接驱动芯片的工作电压。
54.上述滤波电路用于为驱动芯片提供电源，滤除电源中干扰杂波。第三二极管用于避免第一自举电容反向充电。滤波电路还可以连接分压电阻，防止滤波电路升压过快。
55.图1与图2示出了本发明的一种电机驱动电路的结构示意图，以开关元件为mos管为例进行说明，图1为驱动芯片部分的结构示意图，图2为mos管电路部分的结构示意图。
56.如图1及图2所示，电路采用正常用分立式(即mos管驱动芯片和mos管代替ipm)电路，mcu通过pwm信号控制驱动芯片，驱动芯片通过hinu、hinv、hinw、linu、linv、linw六个引脚控制上下桥六个mos管(mos-1、mos-2、mos-3、mos-4、mos-5、mos-6)的通断，以此控制电动机。
57.图1中电解电容e8和电容c31为驱动芯片提供电源，滤除电源中干扰杂波。d9、d10、d12为高压快恢复二极管，避免自举电容反向充电。c38、c42、c57为自举电容，为hinu、hinv、hinw三个输出引脚提供稳定电源，r80、r81选取合适的值，避免e8中的电压上升太快，对hinu、hinv、hinw、linu、linv、linw造成影响，进而影响mos管的通断。
58.mos管工作原理(以mos-3为例)如下：
59.如图2所示，当hinu输出高电平时，因d14二极管截止，d14与r116不导通；此时r115(阻值小)和r123(阻值大)分压，r123两端电压几乎等于hinu输出电压值15v，则mos-3的栅极g点与源极s点间的电压也近似为15v，则mos-3管导通。
60.当hinu输出低电平时，由于mos3栅极寄生电容在hinu为高期间存储了电荷，栅极此时相对来说电位比d14负极(即hiu)高，r116，d14因此导通，栅极寄生电容进行放电，电压低到一定程度后mos-3关闭。由于r116相对r115小，因此此时放电关闭速度相对导通时的速度更快，这样可以减少mos-3的损耗，降低温升。此外mos-3的pcb部分顶层和底层大面积铺铜并开窗，增加散热，降低mos-3的本体温升。
61.此外在mos-3漏极d点与源极s点之间加上合适的rc电路，减小mos3/igbt3的电压突变，改善电路emc。
62.由于上桥的mos-1、mos-2、mos-3导通时，漏极d点与源极s点电压几乎相等，绝对电压值约310v为高电压，而如上所述，要使mos-3导通，栅极g点电压需比源极s点高，因而上桥均以mos管s极作为驱动芯片输出侧的参考地(浮地)，而再外加自举电容使电容正极与驱动芯片电源15v连接作为驱动芯片输出侧的电源，则当驱动芯片输出高电平时，此时的绝对电压可达约325v高出源极310约15v的电压值，如此便可驱动上桥mos管的导通和关断。
63.下桥的mos管因源极s点通过极小的电阻接地，所以导通时源极s点的电压近似认为是0v，而驱动芯片本身输出高电平就近似15v，满足驱动下桥mos/igbt管的要求，所以下桥不需特殊处理。
64.当mcu通过pwm信号控制各上下mos管交替导通时，电机便可运行。
65.图3及图4示出了本发明的一种电机驱动电路的结构示意图，以开关元件为igtb为例进行说明，图3为驱动芯片部分的结构示意图，图4为igtb电路部分的结构示意图。
66.与图1及图2中示出的电路结构类似，在图3及图4中将全部mos管替换为igbt，具体地，igbt集电极的连接关系与mos管漏极的连接关系一致，igbt发射极的连接关系与mos管源极的连接关系一致。图3及图4中电路结构及控制原理与上述针对图1及图2中电路结构类似，在此不再赘述。
67.本发明实施例提供的上述电机驱动电路，通过分立mos管/igbt+驱动芯片的方式替代传统ipm驱动电路，大幅降低成本，利用驱动电阻搭配+mos管/igbt的rc电路参数的选取，利用大面积铺铜，结合平衡了散热和emc，效果显著。
68.本发明实施例还提供了一种电机，包括mcu及上述电机驱动电路，mcu与电机驱动电路的驱动芯片连接，用于向驱动芯片发送pwm信号。
69.当然，本领域技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程度来指令控制装置来完成，所述的程序可存储于一计算机可读取的存储介质中，所述程序在执行时可包括如上述各方法实施例的流程，其中所述的存储介质可为存储器、磁盘、光盘等。
70.虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。
71.最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
72.虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。