[发明专利]一种开关磁阻电机MOSFET功率变换器的驱动电路

摘要

本发明公开了一种开关磁阻电机MOSFET功率变换器驱动电路，采用三极管、电阻等分立元件并结合自举工作模式设计而成，包括上管驱动、下管驱动电路以及自举电容特有充电电路；功率变换器采用不对称半桥拓扑结构，主开关器件采用MOSFET。驱动电路提供两种充电方式，上管驱动电路中自举电容能根据开关管控制方式灵活选择充电回路，保证驱动输出功率和驱动信号稳定性；充电电路根据下管驱动信号实现两种充电回路的互锁。上、下管驱动电路与充电回路协同工作，保证驱动输出信号使MOSFET可靠开通与关断。能够实现斩双管和斩单管控制，结构简单、成本低、驱动功率大、隔离性好，驱动输出信号延时小、响应快、驱动电流大、驱动电压稳定。

主权项

1.一种开关磁阻电机MOSFET功率变换器驱动电路，包括上桥臂MOSFET驱动电路、下桥臂MOSFET驱动电路以及自举电容特有充电电路，其特征在于：a)开关磁阻电机MOSFET功率变换器为不对称半桥拓扑结构，一相绕组桥臂包括上桥臂开关器件MOSFET T₁、上桥臂续流二极管VD₁、下桥臂开关器件MOSFET T₂、下桥臂续流二极管VD₂以及一相电机绕组，一相绕组的一端同上桥臂MOSFET T₁的源极以及下桥臂续流二极管VD₂的阴极相连，绕组的另一端同上桥臂续流二极管VD₁的阳极以及下桥臂MOSFET T₂的漏极相连，上桥臂MOSFET T₁的漏极同续流二极管VD₁的阴极相连后再连接到直流侧电压源U_s的正极，下桥臂MOSFET T₂的源极同续流二极管VD₂的阳极相连后再连接到直流侧电压源U_s的负极；b)上桥臂MOSFET T₁驱动电路采用5只三极管Q_u1、Q_u2、Q_u3、Q_u4、Q_u5，8只电阻R_u1、R_u2、R_u3、R_u4、R_u5、R_u6、R_u7、R_st1,1只自举二极管D_u，1只自举电容C_a，1只稳压二极管D_st，1只发光二极管D_l1,1只稳压电容C_st1，来自控制器的控制信号的输入端口为H_in，驱动信号的驱动电流为i_u，驱动信号的泄放电流为i_a，自举电容的充电电流为i_c；将控制信号的输入端口H_in与电阻R_u1的一端相连，电阻R_u1的另一端与三极管Q_u1的基极相连；三极管Q_u1的集电极与三极管Q_u2的基极以及电阻R_u2的一端相连，电阻R_u2的另一端与自举二极管D_u的阴极相连，Q_u1发射极与电阻R_u3的一端相连，电阻R_u3的另一端接15V电源地VSS；三极管Q_u2的发射极与自举二极管D_u的阴极相连，Q_u2的集电极与三极管Q_u3的基极相连；三极管Q_u3的集电极与自举二极管D_u的阴极相连，Q_u3的发射极与电阻R_u4的一端相连，电阻R_u4的另一端与上桥臂MOSFET T₁的栅极相连；三极管Q_u4的基极与三极管Q_u5的发射极相连，Q_u4的发射极与电阻R_u5的一端相连，电阻R_u5的另一端与上桥臂MOSFET T₁的栅极相连，Q_u4的集电极与上桥臂MOSFET T₁的源极相连；三极管Q_u5的基极与三极管Q_u2的集电极和三极管Q_u3的基极相连，同时还与电阻R_u6的一端相连，电阻R_u6的另一端与上桥臂MOSFET T₁的源极相连，Q_u5的集电极与上桥臂MOSFET T₁的源极相连；15V电源正极与自举二极管D_u的阳极相连，D_u的阴极与电阻R_u2的另一端、三极管Q_u2的发射极、三极管Q_u3的集电极以及自举极性电容C_a的正极相连，自举极性电容C_a的负极与上桥臂MOSFET T₁的源极相连；稳压二极管D_st并联在上桥臂MOSFET T₁的栅、源两端，其中D_st的阳极与上桥臂MOSFET T₁的源极相连，D_st的阴极与上桥臂MOSFET T₁的栅极相连；发光二极管D_l1的阳极与电阻R_u7的一端相连，电阻R_u7的另一端与上桥臂MOSFET T₁的栅极相连，D_l1的阴极与上桥臂MOSFET T₁的源极相连；电容C_st1并联在上桥臂MOSFET T₁的栅极、源极两端，其中C_st1的一端与上桥臂MOSFET T₁的栅极相连，C_st1的另一端与上桥臂MOSFET T₁的源极相连；电阻R_st1并联在上桥臂MOSFET T₁的栅极、源极两端，其中R_st1的一端与上桥臂MOSFET T₁的栅极相连，R_st1的另一端与上桥臂MOSFET T₁的源极相连；c)下桥臂MOSFET T₂驱动电路采用5只三极管Q_d1、Q_d2、Q_d3、Q_d4、Q_d5，8只电阻R_d1、R_d2、R_d3、R_d4、R_d5、R_d6、R_d7、R_st2，1只发光二极管D_l2,1只稳压电容C_st2，来自控制器的控制信号的输入端口为L_in，驱动信号的驱动电流为i_d，驱动信号的泄放电流为i_b；将控制信号的输入端口L_in与电阻R_d1的一端相连，电阻R_d1的另一端与三极管Q_d1的基极相连；三极管Q_d1的集电极与三极管Q_d2的基极以及电阻R_d2的一端相连，电阻R_d2的另一端与15V电源正极相连，Q_d1发射极与电阻R_d3的一端相连，电阻R_d3的另一端与下桥臂MOSFET T₂的源极相连并接15V电源地VSS；三极管Q_d2的发射极与15V电源正极相连，Q_d2的集电极与三极管Q_d3的基极相连；三极管Q_d3的集电极与15V电源正极相连，Q_d3的发射极与电阻R_d4的一端相连，电阻R_d4的另一端与下桥臂MOSFET T₂的栅极相连；三极管Q_d4的基极与三极管Q_d5的发射极相连，Q_d4的发射极与电阻R_d5的一端相连，电阻R_d5的另一端与下桥臂MOSFET T₂的栅极相连，Q_d4的集电极与下桥臂MOSFET T₂的源极相连；三极管Q_d5的基极与三极管Q_d2的集电极和三极管Q_d3的基极相连，同时还与电阻R_d6的一端相连，电阻R_d6的另一端与下桥臂MOSFET T₂的源极相连，Q_d5的集电极与下桥臂MOSFET T₂的源极相连；15V电源正极与电阻R_d2的另一端、三极管Q_d2的发射极、三极管Q_d3的集电极相连；发光二极管D_l2的阳极与电阻R_d7的一端相连，电阻R_d7的另一端与下桥臂MOSFET T₂的栅极相连，D_l2的阴极与下桥臂MOSFET T₂的源极相连；稳压电容C_st2并联在下桥臂MOSFET T₂的栅极、源极两端，其中C_st2的一端与下桥臂MOSFET T₂的栅极相连，C_st2的另一端与下桥臂MOSFET T₂的源极相连；电阻R_st2并联在下桥臂MOSFET T₂的栅极、源极两端，其中R_st2的一端与下桥臂MOSFET T₂的栅极相连，R_st2的另一端与下桥臂MOSFET T₂的源极相连；d)自举电容特有的充电回路采用2只三极管Q_s1、Q_s2，1只二极管D_f，3只电阻R_f、R_s1、R_s2，自举电容充电电流为i_c；将上桥臂MOSFET T₁的源极与二极管D_f的阳极相连，二极管D_f的阴极与电阻R_f的一端相连，电阻R_f的另一端与三极管Q_s1的集电极相连；15V电源正极与电阻R_s1的一端相连，电阻R_s1的另一端与三极管Q_s1的基极相连，三极管Q_s1的发射极接15V电源地VSS；将下桥臂MOSFET T₂的栅极与电阻R_s2的一端相连，电阻R_s2的另一端与三极管Q_s2的基极相连，三极管Q_s2的集电极与电阻R_s1的另一端和三极管Q_s1的基极相连，三极管Q_s2的发射极接15V电源地VSS；e)当上桥臂控制信号输入端H_in为高电平，三极管Q_u1饱和导通，Q_u2、Q_u3导通，Q_u4、Q_u5截止，驱动输出高电平，D_l1亮，自举电容C_a相当于一个悬浮电源，产生驱动电流i_u通过路径①驱动上桥臂MOSFET T₁开通，其中路径①具体为：C_a正极端→Q_u2,Q_u3→R_u4→T₁→C_a负极端；当输入信号H_in为低电平，三极管Q_u1截止，Q_u2、Q_u3截止，Q_u4、Q_u5导通，驱动输出低电平，D_l1灭，T₁关断；当输入信号由高电平向低电平跳变时，由于Q_u3的关断延迟，MOSFET T₁门极维持短暂的高电平，Q_u5的基极由R_u6拉为低电平，MOSFET T₁通过路径③泄放电荷，实现关断过程，其中路径③具体为：MOSFET T₁的栅极→R_u5→Q_u4,Q_u5→MOSFET T₁的源极；f)当下桥臂控制信号输入端L_in为高电平，三极管Q_d1饱和导通，Q_d2、Q_d3导通，Q_d4、Q_d5截止，驱动输出高电平，D_l2亮，产生驱动电流i_d通过路径④驱动下桥臂MOSFET T₂开通，其中路径④具体为：15V电源正极→Q_d2,Q_d3→R_d4→T₂→15V电源地VSS；当输入信号L_in为低电平，三极管Q_d1截止，Q_d2、Q_d3截止，Q_u4、Q_u5导通，驱动输出低电平，D_l2灭，MOSFET T₂关断；当输入信号由高电平向低电平跳变时，由于Q_d3的关断延迟，MOSFET T₂门极维持短暂的高电平，Q_d5的基极由R_d6拉为低电平，MOSFET T₂通过路径⑤泄放电荷，实现关断过程，其中路径⑤具体为：MOSFET T₂的栅极→R_d5→Q_d4,Q_d5→MOSFET T₂的源极；g)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，MOSFET T₂栅极为低电平，三极管Q_s1导通、Q_s2截止，15V电源通过路径②和路径⑥对自举电容进行充电，其中路径②具体为：15V电源正极→D_u→C_a→MOSFET T₁的源极,路径⑥具体为：MOSFET T₁的源极→D_f→R_f→Q_s1→15V电源地VSS，改变电阻R_f的值可以改变充电的速率，由于MOSFET T₁的源极处的电位是浮动的，R_f在实际中选择功率电阻；h)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，MOSFET T₂栅极为高电平，三极管Q_s1截止、Q_s2导通，忽略器件压降，MOSFET T₁源极电位升至直流侧电源电压U_s，若U_s低于15V，则MOSFET T₁源极电位低于驱动电源15V，15V电源通过路径②和路径⑦对自举电容进行充电，其中路径⑦具体为：MOSFET T₁的源极→电机绕组→MOSFET T₂→15V电源地VSS，其中驱动电源15V与主电路直流母线电压U_s共地，若U_s高于15V，自举电容无相应充电的回路；i)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MOSFET T₂栅极为高电平，三极管Q_s1截止、Q_s2导通，MOSFET T₁栅极为低电平，功率变换器存在“电机绕组→MOSFET T₂→续流二极管VD₂→电机绕组”近似于零电压的续流回路，15V电源通过路径②和路径⑦对自举电容进行充电，事实上，VD₂有导通压降，MOSFET T₁源极实际电位低于母线电压U_s的地，当电机负载较大时，续流时间较长，MOSFET T₁源极不断存储负电荷，C_a会过充电至两端电压大于15V，因此在MOSFET T₁栅、源极两端加20V稳压二极管D_st，保障输出的驱动电压不高于20V；j)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MOSFET T₁栅极为高电平，MOSFET T₂栅极为低电平，Q_s1导通、Q_s2截止，存在“母线电压U_s正极→MOSFET T₁→D_f→R_f→Q_s1→15V电源地VSS”的工作路径，电阻R_f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，MOSFET T₁源极电位为主电路电源电压U_s，不存在自举电容充电回路；k)上桥臂MOSFET T₁驱动电路中自举二极管D_u采用快恢复二极管，防止15V电源正极与自举电容C_a的正极存在较大的反向电位差而引起电流倒灌；电阻R_u4串联在MOSFET T₁的栅极能够限制较大的驱动电流；R_u5能够影响MOSFET T₁的关断速率，通过调节R_u5的值能够减小MOSFET T₁关断时的电压振荡；稳压二极管D_st保证输出稳定的驱动电压；R_u6为限流电阻，防止三极管Q_u2、Q_u3过饱和；电阻R_st1并联在MOSFET T₁栅极、源极两端，防止因米勒效应造成MOSFET T₁误导通；电容C_st1并联在MOSFET T₁栅极、源极两端能够减缓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R_d6为限流电阻，防止三极管Q_d2、Q_d3过饱和；电阻R_d4串联在MOSFET T₂的栅极能够限制较大的驱动电流；R_d5能够影响MOSFET T₂的关断速率，通过调节R_d5的值能够减小MOSFET T₂关断时的电压振荡；电阻R_st2并联在MOSFET T₂栅极、源极两端，防止因米勒效应造成MOSFET T₂误导通；电容C_st2并联在MOSFET T₂栅极、源极两端能够减缓MOSFET T₂开通及关断速率，减小产生的电压尖峰；由于主电路中续流二极管VD₂损坏、电机反电动势、电压振荡使MOSFET T₁源极电位低于零，自举电容充电路径中二极管D_f可防止负压加于三极管Q_s1的集电极、发射极两端造成器件损坏；电阻R_f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。