專利名稱：一種低功耗有刷直流電機控制器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種電子控制器，尤其涉及一種應(yīng)用于各類壓縮機、電動工具、電動玩具、電動車等的低功耗有刷直流電機控制器。
控制器本質(zhì)上是一種功率變換裝置，自身需要消耗一定的電能，自身消耗的電功率越大控制器的效率就越低。經(jīng)過實驗發(fā)現(xiàn)，控制器的功耗主要來自功率開關(guān)MOS管和續(xù)流二極管，而功率MOS管的功耗又主要有兩部分構(gòu)成，即開關(guān)功耗和導通功耗，這兩部分功耗是可以通過選取開關(guān)速度快、通態(tài)電阻小的功率元件得到有效控制的，然而續(xù)流二極管產(chǎn)生的續(xù)流功耗則很難降低，因為即使選用導通壓降很低的肖特基二極管，導通壓降VF一般也至少在0.6V以上，而隨著續(xù)流電流的上升VF還會進一步增大，那么在續(xù)流二極管上將產(chǎn)生P1＝VFIu的穩(wěn)態(tài)續(xù)流功耗，經(jīng)測試發(fā)現(xiàn)該功耗占了整個控制器功耗相當大的比例。
本發(fā)明是這樣來實現(xiàn)的它包括功率變換主回路、控制功率變換主回路的控制驅(qū)動電路以及與功率變換主回路串聯(lián)的電源，其特征在于功率變換主回路包含續(xù)流開關(guān)管、與續(xù)流開關(guān)管串聯(lián)的主開關(guān)管，與續(xù)流開關(guān)管并聯(lián)的有刷直流電機；除非續(xù)流開關(guān)管、主開關(guān)管均不開通，否則控制驅(qū)動電路輸出的控制邏輯和輸出電壓使續(xù)流開關(guān)管、主開關(guān)管中的一只開通時另一只關(guān)斷。
MOS管內(nèi)部存在的寄生二極管，當MOS管關(guān)斷時，器件呈現(xiàn)二極管特性，如果用柵極短路的MOS管代替二極管使用，那么，只要MOS管的耐壓和二極管一樣，就完全可以代替二極管起到反向阻斷作用，當二極管開始續(xù)流而正向?qū)〞r，如果MOS管處于完全關(guān)斷狀態(tài)，那么，續(xù)流電流Iu將全部從寄生二極管中通過，產(chǎn)生的功耗為P1＝VFIu，顯然功耗并沒有被削減，但是，如果此時能設(shè)法控制MOS管的柵極，使MOS管導通，情況就發(fā)生了變化，由于所選用的MOS管的導通電阻Rds(on)很低(一般都能做到)，電流Iu通過MOS管時形成的壓降很小，遠低于二極管的導通壓降VF，因此本來應(yīng)該從MOS的寄生二極管中流過的續(xù)流電流，就改道從MOS管源極S和漏極D之間的電阻Rds(on)中流過，形成的功耗為P2＝Iu2Rds(on)，不難保證P2＜＜P1，這意味著續(xù)流功耗被大大降低，本發(fā)明將這種用MOS管代替續(xù)流二極管進行續(xù)流的方式稱為“同步續(xù)流”，將起這種作用的MOS管稱為續(xù)流開關(guān)管。
采用本發(fā)明的低功耗有刷直流電機控制器具有以下優(yōu)點和效果①實現(xiàn)方法簡單；只要選取電流、電壓、導通電阻等技術(shù)參數(shù)適當?shù)腗OS管代替續(xù)流二極管，再加上“同步續(xù)流”控制信號，就可大幅度降低功耗；②由于續(xù)流功耗降低，控制器的總功耗降低，效率提高，在同樣的散熱器和同樣的散熱條件下，控制器溫升降低，可靠性提高；③為達到同樣的溫升要求，控制器的體積和重量可減少約30％。
表一是采用本發(fā)明前后控制器各點的溫升實測數(shù)據(jù)，從表中可以看出，采用本發(fā)明后在同樣的散熱條件下控制器的溫升有了大幅度的下降，這表明控制器的功耗減小了，達到了本發(fā)明預(yù)期的目標。表一

注測試條件為，電流12A，電機堵轉(zhuǎn)，環(huán)境溫度27℃，散熱器NY-016，二極管為16QCT100，MOS管為IRFZ48N。
其中δ％為PWM的占空比；δ％＝(t/T)×100％，t≤T主開關(guān)MOS管M2上的平均導通功耗為PM2，則有PM2＝δ％Iu2Rds(on)(1)假設(shè)Iu連續(xù)，續(xù)流開關(guān)MOS管M1、主開關(guān)MOS管M2為同型號的MOS管，續(xù)流開關(guān)MOS管M1的平均續(xù)流功耗為PM1，則有PM1＝[1-δ％]Iu2Rds(on)(2)總功耗為
P2＝PM1+PM2＝δ％Iu2Rds(on)+(1-δ％)Iu2Rds(on)＝Iu2Rds(on)(3)最大總功耗為P2max＝Iumax2Rds(on)(4)采用本發(fā)明前的總功耗為P1＝δ％Iu2Rds(on)+(1-δ％)IuVF(5)采用本發(fā)明前的最大總功耗為P1max＝δ％Iumax2Rds(on)+(1-δ％)IumaxVF(6)其中Iu為電機中的平均工作電流；Iumax為電機中的最大平均工作電流；Rds(on)為MOS管的平均通態(tài)電阻；VF為原普通續(xù)流二極管的平均正向通態(tài)壓降。
從式(1)～(6)可以看出，在低速時，δ％接近于0，PM2＜＜PM1，續(xù)流開關(guān)MOS管M1的續(xù)流功耗占主導地位；在高速時，δ％接近于1，PM2＞＞PM1，主開關(guān)MOS管M2的導通功耗占主導地位；在中速時，δ％接近50％，PM2＝PM1，續(xù)流功耗和導通功耗各占一半。電機啟動或堵轉(zhuǎn)時速度接近于零，反電勢尚未建立，在控制驅(qū)動電路CU1的控制作用下，PWM波的占空比δ％很小，電機電流被限定于最大電流Iumax，因此在啟動過程中，續(xù)流功耗占主導地位。采用本發(fā)明前，此續(xù)流功耗全部在續(xù)流二極管上，有(4)、(6)式知，由于VF＞＞IumaxRds(on)，所以P1max＞＞P2max二極管的工況相當惡劣，發(fā)熱嚴重，控制器的過載能力和可靠性都下降。采用本發(fā)明后，此續(xù)流功耗由續(xù)流開關(guān)MOS管M1承擔，最大功耗僅為P2max，控制器的工況得到改善，發(fā)熱減小，過載能力和可靠性都有提高。
根據(jù)附圖
3，本發(fā)明也可以采用如下結(jié)構(gòu)控制驅(qū)動電路CU1的3、4腳分別與主開關(guān)MOS管M2的G、S極相連，控制驅(qū)動電路CU1的1、2腳分別與續(xù)流開關(guān)MOS管M1的G、S極相連，續(xù)流開關(guān)MOS管M1的D極與主開關(guān)MOS管M2的S極相連，同時與電機M的上端相連，主開關(guān)MOS管M2的D極與電源E1的正極相連，續(xù)流開關(guān)MOS管M1的S極與電源E1的負極相連，同時與電機M的下端相連。
附圖4為本發(fā)明的一個具體實施例。根據(jù)附圖4，續(xù)流開關(guān)MOS管M1為P溝道MOS管，型號為IRF4905，柵極閾值電壓Vg(th)為-2～-4V，主關(guān)開MOS管M2為N溝道MOS管，型號為IRFZ48N，柵極閾值電壓為2～4V，上述兩種管子的最大柵極電壓Vgmax均為±20V。在控制驅(qū)動電路CU1到續(xù)流開關(guān)MOS管M1、主開關(guān)MOS管M2的連線之間串聯(lián)了電阻Rg1、Rg2，并聯(lián)了齊納二極管Z1、Z2，其中，Rg1、Rg2的作用是適當延緩MOS管的開關(guān)速度，降低電磁噪音，并防止柵極電壓振蕩，Z1、Z2的作用是防止MOS管的柵極被過壓擊穿。在續(xù)流開關(guān)MOS管M1的S極和電機M的上端之間串聯(lián)了電感L，在續(xù)流開關(guān)MOS管M1的S極和電源E1的正極之間串聯(lián)了熔斷器FU、控制驅(qū)動電路CU1通過并聯(lián)電阻Rs與主關(guān)開MOS管M2的S極與電源E1的負極相連，續(xù)流開關(guān)MOS管M1、主開關(guān)MOS管M2與電容C并聯(lián)。其中，熔斷器FU的作用是當線路發(fā)生大電流故障時熔斷器FU自熔斷，將電源從線路中斷開，防止故障擴大；電感L的作用是平滑電機M的電樞電流，減小電機力矩脈動，降低噪音；電阻Rs是母線電流采樣電阻，電流信號被送到控制驅(qū)動電路CU1，以便控制驅(qū)動電路CU1對母線電流進行監(jiān)測和控制；電容C的作用是吸收續(xù)流開關(guān)MOS管M1、主開關(guān)MOS管M2在開關(guān)過程中造成的母線電壓尖峰，避免MOS管遭到過壓擊穿的危險。
權(quán)利要求
1.一種低功耗有刷直流電機控制器，包括功率變換主回路、控制功率變換主回路的控制驅(qū)動電路以及與功率變換主回路串聯(lián)的電源，其特征在于功率變換主回路包含續(xù)流開關(guān)管、與續(xù)流開關(guān)管串聯(lián)的主開關(guān)管，與續(xù)流開關(guān)管并聯(lián)的有刷直流電機；除非續(xù)流開關(guān)管、主開關(guān)管均不開通，否則控制驅(qū)動電路輸出的控制邏輯和輸出電壓使續(xù)流開關(guān)管、主開關(guān)管中的一只開通時另一只關(guān)斷。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種低功耗有刷直流電機控制器，其特征在于續(xù)流開關(guān)管、主開關(guān)管可以選用N溝道或P溝道的MOS管，并可以任意組合。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種低功耗有刷直流電機控制器，其特征在于控制驅(qū)動電路的輸出為高電平、低電平、或高低電平交替的矩形脈沖波，高電平的電壓范圍為Vg(th)～Vgmax，低電平的電壓范圍為-Vgmax～Vg(th)，其中，Vgmax為MOS管的最大柵極電壓，Vg(th)為MOS管的柵極閾值電壓。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種低功耗有刷直流電機控制器，其特征在于主開關(guān)管和續(xù)流開關(guān)管可以分別用多個相同或不相同型號、參數(shù)、封裝、結(jié)構(gòu)、材料的MOS管并聯(lián)使用。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種低功耗有刷直流電機控制器，其特征在于功率變換主回路中可以在任何位置串聯(lián)無源元件，可以在任何位置并聯(lián)無源元件。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或5所述的一種低功耗有刷直流電機控制器，其特征在于從控制驅(qū)動電路到主開關(guān)管和續(xù)流開關(guān)管之間的連接線上可以在任何位置插入串聯(lián)無源元件，可以在兩連接線之間任何位置并聯(lián)無源元件。
全文摘要
本發(fā)明為一種低功耗有刷直流電機控制器，屬于一種電子控制器，它包括功率變換主回路、控制驅(qū)動電路以及電源，其中功率變換主回路包含續(xù)流開關(guān)管、與續(xù)流開關(guān)管串聯(lián)的主開關(guān)管，與續(xù)流開關(guān)管并聯(lián)的有刷直流電機；除非續(xù)流開關(guān)管、主開關(guān)管均不開通，否則控制驅(qū)動電路輸出的控制邏輯和輸出電壓保證使續(xù)流開關(guān)管、主開關(guān)管中的一只開通時另一只關(guān)斷。本發(fā)明解決有刷直流電機控制器功耗大的問題，在同樣的散熱器和同樣的散熱條件下，控制器溫升降低，可靠性提高；且為達到同樣的溫升要求，控制器的體積和重量可減少約30％。
文檔編號H02P7/18GK1411136SQ0214526
公開日2003年4月16日 申請日期2002年11月12日 優(yōu)先權(quán)日2002年11月12日
發(fā)明者錢文明 申請人:上海博杰科技有限公司