一种优化永磁直流无刷电机驱动器损耗的电路及方法

摘要

本发明公开了一种优化永磁直流无刷电机驱动器损耗的电路及方法，应用于永磁无刷直流电机驱动器中，该驱动器包括第一支路桥臂、第二支路桥臂以及第三支路桥臂，第一支路桥臂、第二支路桥臂以及第三支路桥臂的一端分别与电源的正极相连，另一端与电源的负极相连；第一支路桥臂上设置第一电阻，第一电阻的一端与第一支路桥臂相连，另一端与电源的负极相连；和/或第二支路桥臂上设置第二电阻，第二电阻的一端与第二支路桥臂相连，另一端电源的负极相连；和/或第三支路桥臂上设置第三电阻，第三电阻的一端与第三支路桥臂相连，另一端电源的负极相连。本发明实施例能够做到全负载范围内永磁直流无刷电机驱动器损耗最低。

权利要求

1.一种优化永磁直流无刷电机驱动器损耗的电路，应用于永磁无刷直流电机驱动器中，所述永磁无刷直流电机驱动器包括第一支路桥臂、第二支路桥臂以及第三支路桥臂，所述第一支路桥臂、所述第二支路桥臂以及所述第三支路桥臂的一端分别与电源的正极相连，另一端与电源的负极相连；其特征在于，所述第一支路桥臂上设置第一电阻，所述第一电阻的一端与所述第一支路桥臂相连，另一端与所述电源的负极相连；和/或所述第二支路桥臂上设置第二电阻，所述第二电阻的一端与所述第二支路桥臂相连，另一端与所述电源的负极相连；和/或所述第三支路桥臂上设置第三电阻，所述第三电阻的一端与所述第三支路桥臂相连，另一端与所述电源的负极相连；和/或所述电路还包括第四电阻，所述第四电阻设置在所述电源的负极主路上；其中，所述第四电阻的一端与所述电源的负极相连，另一端分别与所述第一电阻、所述第二电阻以及所述第三电阻相连；

检测所述第一电阻或所述第二电阻或第三电阻的支路电流；或，检测所述第四电阻的主路电流；

当所述支路电流大于或等于预设第一电流值或所述主路电流大于或等于预设第三电流值时，所述永磁无刷直流电机驱动器采用同步整流方式来降低功耗；

当所述支路电流小于或等于预设第二电流值或所述主路电流小于或等于预设第四电流值时，所述永磁无刷直流电机驱动器采用斩波方式来降低功耗；其中，所述第一电流值大于所述第二电流值，所述第三电流值大于所述第四电流值；

所述电路包括温度检测器件，所述温度检测器件用于检测所述第一支路桥臂或所述第二支路桥臂或所述第三支路桥臂中的功率管的温度，以及所述功率管未工作时的环境温度；

当所述电路的负载稳定时，得到所述第一支路桥臂或所述第二支路桥臂或所述第三支路桥臂中的功率管的温升值；其中，所述功率管的温升值为所述功率管的温度减去环境的温度，且在斩波方式下为第一温升值，在同步整流方式下为第二温升值；

当所述电路负载稳定时，比较所述第一温升值与所述第二温升值，采用较小的温升值对应的方式来降低功耗。

2.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述第一电流值或所述第二电流值根据支路的额定电流值设定。

3.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述第三电流值或所述第四电流值根据负极主路的额定电流值设定。

4.一种优化永磁直流无刷电机驱动器损耗的方法，其特征在于，应用于如权利要求1-3任意一项所述的电路中，所述方法包括：当所述支路电流大于或等于预设第一电流值或所述主路电流大于或等于预设第三电流值时，所述永磁无刷直流电机驱动器采用同步整流方式来降低功耗；

当所述支路电流小于或等于预设第二电流值或所述主路电流小于或等于预设第四电流值时，所述永磁无刷直流电机驱动器采用斩波方式来降低功耗；其中，所述第一电流值大于所述第二电流值，所述第三电流值大于所述第四电流值。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，

当所述电路的负载稳定时，得到所述第一支路桥臂或所述第二支路桥臂或所述第三支路桥臂中的功率管的温升值；其中，所述功率管的温升值为所述功率管的温度减去环境的温度，且在斩波方式下为第一温升值，在同步整流方式下为第二温升值；

当所述电路负载稳定时，比较所述第一温升值与所述第二温升值，采用较小的温升值对应的方式来降低功耗。

6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述第一电流值或所述第二电流值根据支路的额定电流值设定；所述第三电流值或所述第四电流值根据负极主路的额定电流值设定。

说明书

一种优化永磁直流无刷电机驱动器损耗的电路及方法

技术领域

[0001] 本发明涉及电子电路技术领域，尤其涉及一种优化永磁直流无刷电机驱动器损耗的电路及方法。

背景技术

[0002] 目前，随着新能源汽车不断发展，永磁直流无刷电机广泛应用电动汽车中，比如电动汽车主驱动，电动汽车空调压缩机驱动。用于电动汽车的各种驱动器，一方面防护等级需要高，至少达到IP65(Ingress Protection)，防护等级高意味着散热难，就需要设计低损耗的驱动器；另一方面电机能量来自电池，为了延长待机时间，要求驱动器效率高，也需要设计低损耗的驱动器。

[0003] 然而，市场上已有的永磁直流无刷电机驱动器，一些是使用优化的斩波方法(参考文献：五种PWM方式对直流无刷电机系统换向转矩脉动的影响；电机与控制学报2013年7月)，减少功率管的开关损耗，但是这种方法并没有降低功率管导通损耗；一些是针对导通损耗做了优化，做同步整流方案(参考文献：PWM MANAGEMENT FOR 3-PHASE BLDC MOTOR DRIVES USING ST7MC，意法半导体应用文档AN2009)，而这种优化只是针对负载在中载、重载时的优化，在轻载时损耗反倒会比未做同步整流时要大。

[0004] 也就是说，如何找到一种在负载电流的轻载、中载、重载的情况下，都能够减少永磁直流无刷电机驱动器的损耗，成为亟待解决的问题。

发明内容

[0005] 针对上述问题中存在的不足之处，本申请提供一种优化永磁直流无刷电机驱动器损耗的电路及方法，进而能够在负载电流的轻载、中载、重载的情况下，都能够减少永磁直流无刷电机驱动器的损耗。

[0006] 本申请第一方面提供一种优化永磁直流无刷电机驱动器损耗的电路，应用于永磁无刷直流电机驱动器中，所述永磁无刷直流电机驱动器包括第一支路桥臂、第二支路桥臂以及第三支路桥臂，所述第一支路桥臂、所述第二支路桥臂以及所述第三支路桥臂的一端分别与电源的正极相连，另一端与电源的负极相连；所述第一支路桥臂上设置第一电阻，所述第一电阻的一端与所述第一支路桥臂相连，另一端与所述电源的负极相连；和/或[0007] 所述第二支路桥臂上设置第二电阻，所述第二电阻的一端与所述第二支路桥臂相连，另一端所述电源的负极相连；和/或

[0008] 所述第三支路桥臂上设置第三电阻，所述第三电阻的一端与所述第三支路桥臂相连，另一端所述电源的负极相连。

[0009] 在一种可能的实施方式中，检测所述第一电阻或所述第二电阻或第三电阻的支路电流；当所述支路电流大于或等于预设第一电流值时，所述永磁无刷直流电机驱动器采用同步整流方式来降低功耗；当所述支路电流小于或等于预设第二电流值时，所述永磁无刷直流电机驱动器采用斩波方式来降低功耗；其中，所述第一电流值大于所述第二电流值。

[0010] 在一种可能的实施方式中，所述第一电流值或所述第二电流值根据支路的额定电流值设定。

[0011] 在一种可能的实施方式中，所述电路还包括第四电阻，所述第四电阻设置在所述电源的负极主路上；其中，所述第四电阻的一端与所述电源的负极相连，另一端分别与所述第一电阻、所述第二电阻以及所述第三电阻相连。

[0012] 在一种可能的实施方式中，检测所述第四电阻的主路电流；当所述主路电流大于或等于预设第三电流值时，所述永磁无刷直流电机驱动器采用同步整流方式来降低功耗；当所述主路电流小于或等于预设第四电流值时，所述永磁无刷直流电机驱动器采用斩波方式来降低功耗；其中，所述第三电流值大于所述第四电流值。

[0013] 在一种可能的实施方式中，所述第三电流值或所述第四电流值根据负极主路的额定电流值设定。

[0014] 在一种可能的实施方式中，所述电路包括温度检测器件，所述温度检测器件用于检测所述第一支路桥臂或所述第二支路桥臂或所述第三支路桥臂中的功率管的温度，以及所述功率管未工作时的环境温度；

[0015] 当所述电路的负载稳定时，得到所述第一支路桥臂或所述第二支路桥臂或所述第三支路桥臂中的功率管的温升值；其中，所述功率管的温升值为所述功率管的温度减去环境的温度，且在斩波方式下为第一温升值，在同步整流方式下为第二温升值；

[0016] 当所述电路负载稳定时，比较所述第一温升值与所述第二温升值，采用较小的温升值对应的方式来降低功耗。

[0017] 本申请第二方面提供一种优化永磁直流无刷电机驱动器损耗的方法，应用于如上所述的电路中，所述方法包括：当所述支路电流大于或等于预设第一电流值或所述主路电流大于或等于预设第三电流值时，所述永磁无刷直流电机驱动器采用同步整流方式来降低功耗；当所述支路电流小于或等于预设第二电流值或所述主路电流小于或等于预设第四电流值时，所述永磁无刷直流电机驱动器采用斩波方式来降低功耗；其中，所述第一电流值大于所述第二电流值，所述第三电流值大于所述第四电流值。

[0018] 在一种可能的实现方式中，当所述电路的负载稳定时，得到所述第一支路桥臂或所述第二支路桥臂或所述第三支路桥臂中的功率管的温升值；其中，所述功率管的温升值为所述功率管的温度减去环境的温度，且在斩波方式下为第一温升值，在同步整流方式下为第二温升值；当所述电路负载稳定时，比较所述第一温升值与所述第二温升值，采用较小的温升值对应的方式来降低功耗。

[0019] 在一种可能的实现方式中，所述第一电流值或所述第二电流值根据支路的额定电流设定；所述第三电流值或所述第四电流值根据负极主路的额定电流值设定。

[0020] 本申请通过检查主路电流或支路电流来判断负载轻重；在轻载时，切换到斩波方式；在中载、重载时，切换到同步整流方式；进而做到全负载范围内永磁直流无刷电机驱动器损耗最低。

附图说明

[0021] 图1为现有技术提供的一种永磁直流无刷电机驱动器的电路示意图；

[0022] 图2为现有技术提供的斩波的五种优化方式示意图；

[0023] 图3为本发明实施例提供的一种优化永磁直流无刷电机驱动器损耗的电路示意图；

[0024] 图4为本发明实施例提供的一种优化永磁直流无刷电机驱动器损耗的方法流程示意图。

具体实施方式

[0025] 为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

[0026] 本发明实施例中，“第一”、“第二”的出现，仅仅是为了作区分和描述方便，不应理解为对本发明实施例做的限定。

[0027] 图1为现有技术提供的一种永磁直流无刷电机驱动器的电路示意图。如图1所示，所述永磁无刷直流电机驱动器包括第一支路桥臂、第二支路桥臂以及第三支路桥臂，所述第一支路桥臂、所述第二支路桥臂以及所述第三支路桥臂的一端分别与电源的正极相连，另一端与电源的负极相连。第一支路桥臂包括功率管PWM1H和功率管PWM1L，它们同时与无刷直流电机的U极相连；第二支路桥臂包括功率管PWM2H和功率管PWM2L，它们同时与无刷直流电机的V极相连；第三支路桥臂功率管PWM3H和PWM3L，它们同时与无刷直流电机的W极相连。功率管一般为MOS管。

[0028] 图2为现有技术提供的斩波的五种优化方式示意图。如图2所示，斩波的方法一般由5种方式，分别是H_ON-L_PWM(a)、H_PWM-L_ON(b)、ON_PWM(c)、PWM_ON(d)、H_PWM-L_PWM(e)。(参考文献：五种PWM方式对直流无刷电机系统换向转矩脉动的影响；电机与控制学报；2013年7月)。从图2可以看出，除了第五种方式e外，前四种斩波方式，即a、b、c和d均是对管在一个时刻，只有一个管子做开关频率的通-断，这样就减少了开关次数，降低了开关损耗。
但是这种方式虽然降低了开关损耗，由于电流续流时仍是走的二极管，而二极管的压降远比MOS管的压降要大，导通损耗大。

[0029] 需要说明的是，功率器件的损耗主要有开关损耗和导通损耗。其他的损耗，比如驱动损耗等占的比重很小，一般在损耗优化中布不考虑。降低损耗的方向一般也都从降低开关损耗或导通损耗入手。

[0030] 也就是说，降低开关损耗，一般用优化的斩波方法；降低导通损耗，一般用同步整流的方法。通过使用同步整流的技术可以降低导通损耗，大幅提升效率。

[0031] 同步整流在低压、大电流的开关电源中已经广泛应用，在驱动器中也有应用。使用同步整流技术，可以降低导通损耗，但是却增加了开关损耗。在中载和重载的情况下，降低的导通损耗比增加的开关损耗多，损耗整体是降低的；在轻载的情况下，导通损耗降低不明显，但是开关损耗增加确没有显著变化，损耗整体是增加的；即同步整流的方式，在轻载时整体损耗是增加的。

[0032] 本发明实施例是针对同步整流方式与斩波方式之间的切换，来降低永磁直流无刷电机驱动器的损耗。需要说明的是，对于同步整流方式和斩波方式是本领域技术人员的公知常识，本发明实施例对此不进行详细说明。

[0033] 图3为本发明实施例提供的一种优化永磁直流无刷电机驱动器损耗的电路示意图。如图3所示，所述第一支路桥臂上设置第一电阻301，所述第一电阻301的一端与所述第一支路桥臂相连，另一端与所述电源的负极相连；和/或所述第二支路桥臂上设置第二电阻302，所述第二电阻302的一端与所述第二支路桥臂相连，另一端所述电源的负极相连；和/或所述第三支路桥臂上设置第三电阻303，所述第三电阻303的一端与所述第三支路桥臂相连，另一端所述电源的负极相连。

[0034] 此时，检测所述第一电阻或所述第二电阻或第三电阻的支路电流。负载的轻重可以用支路电流大小来判断。

[0035] 本发明实施例中可以使用霍尔等电流检测器件，将检测的电流值发送给控制器(图中未示出)，控制器接收电流值后与预设的电流值进行比较，进而切换降低损耗的方式；本发明实施例对于电流检测的方式、控制器的控制方式不作限定，对此不进行详细说明。

[0036] 当所述支路电流大于或等于预设第一电流值时，所述永磁无刷直流电机驱动器采用同步整流方式来降低功耗；当所述支路电流小于或等于预设第二电流值时，所述永磁无刷直流电机驱动器采用斩波方式来降低功耗；其中，所述第一电流值大于所述第二电流值。在实际中，电流的波动会有一个范围，故为了避免电流的微小波动，从而导致永磁无刷直流电机驱动器在同步整流方式与斩波方式之间来回跳动的问题，在第一电流值与第二电流值之间有一个回差，回差保证永磁无刷直流电机驱动器能够平稳运行。例如：该驱动器以同步整流的方式降低损耗，支路电流值在第一电流值附近波动，甚至低于第一电流值，此时不会切换降低损耗的方式，保证该驱动器平稳运行；直到支路电流值小于或等于第二电流值，也就是支路电流值下降到一定程度时，切换降低损耗的方式，以斩波的方式来减低损耗。反之，该驱动器以斩波方式减低损耗，支路电流在第二电流值附近波动，此时不会切换降低损耗的方式；当直流电流上升，大于或等于第一电流值时，即上升到一定程度时，切换降低损耗的方式，以同步整流的方式来降低损耗。

[0037] 在一个例子中，所述第一电流值或所述第二电流值根据所述支路的额定电流值设定。例如：直流无刷电机驱动器在启动时可以使用斩波方式或者同步整流方式；当启动时按斩波方式，驱动器一旦工作起来，检测支路电流，一旦检测到第一电流值是额定值的30％(用户可根据需要设定)，控制器就会把PWM发波方式从斩波方式变换到同步整流方式。同理，如果驱动器工作初始启动在同步整流方式，一旦检测到电流值是额定值的30％-10％＝20％(30％是设定值，10％是回差，用户可根据需要设定)时，控制器就会把PWM发波方式从同步整流方式变换到斩波方式。通过这种方式一旦设定好了负载点以及回差值，驱动器就会在控制器的控制下在斩波方式和同步整流模式之间切换；实现轻载工作在斩波模式，中载、重载工作在同步整流模式。

[0038] 本发明实施例中，所述电路还可以包括第四电阻304，所述第四电阻304设置在所述电源的负极主路上；其中，所述第四电阻304的一端与所述电源的负极相连，另一端分别与所述第一电阻301、所述第二电阻302以及所述第三电阻303相连。

[0039] 在一个例子中，所述电路也可以只有第四电阻304，没有第一电阻301、第二电阻302以及第三电阻303。

[0040] 此时，检测所述第四电阻的主路电流。

[0041] 当所述主路电流大于或等于预设第三电流值时，所述永磁无刷直流电机驱动器采用同步整流方式来降低功耗；当所述主路电流小于或等于预设第四电流值时，所述永磁无刷直流电机驱动器采用斩波方式来降低功耗；其中，所述第三电流值大于所述第四电流值。

[0042] 需要说明的是，第三电流值与第四电流值之间的回差值，由用户根据需要设定。

[0043] 在一个例子中，所述第三电流值或所述第四电流值根据所述主路的额定电流值设定。

[0044] 上述的电路中，所述电路还可以包括温度检测器件，所述温度检测器件用于检测所述第一支路桥臂或所述第二支路桥臂或所述第三支路桥臂中的功率管的温度，以及所述功率管未工作时的环境温度。

[0045] 当所述电路的负载稳定时，得到所述第一支路桥臂或所述第二支路桥臂或所述第三支路桥臂中的功率管的温升值。所述功率管的温升值为所述功率管的温度减去环境的温度；在斩波方式下为第一温升值，在同步整流方式下为第二温升值；当所述电路负载稳定时，比较所述第一温升值与所述第二温升值，采用较小的温升值对应的方式来降低功耗。

[0046] 换句话说，在电路负载稳定，即支路电流或主路电流稳定在一定的范围内时，当第一温升值大于第二温升值时，采用第一温升值对应的斩波方式来降低功率管的功耗；当第一温升值小于第二温升值时，采用第二温升值对应的同步整流方式来降低功耗。

[0047] 图4为本发明实施例提供的一种优化永磁直流无刷电机驱动器损耗的方法流程示意图。如图4所示，该方法应用于如上所述的电路中，包括步骤S401-S402。

[0048] S401，当所述支路电流大于或等于预设第一电流值或所述主路电流大于或等于预设第三电流值时，所述永磁无刷直流电机驱动器采用同步整流方式来降低功耗。

[0049] S402，当所述支路电流小于或等于预设第二电流值或所述主路电流小于或等于预设第四电流值时，所述永磁无刷直流电机驱动器采用斩波方式来降低功耗；其中，所述第一电流值大于所述第二电流值，所述第三电流值大于所述第四电流值。

[0050] 在上述方法中，当所述电路的负载稳定时，得到所述第一支路桥臂或所述第二支路桥臂或所述第三支路桥臂中的功率管的温升值。所述功率管的温升值为所述功率管的温度减去环境的温度，且在斩波方式下为第一温升值，在同步整流方式下为第二温升值。

[0051] 当所述电路负载稳定时，比较所述第一温升值与所述第二温升值，采用较小的温升值对应的方式来降低功耗。

[0052] 本发明实施例中未尽事宜，详见图3以及文字部分所示，在此不在赘述。

[0053] 本发明实施例通过检查母线电流或桥臂电流来判断负载轻重；在轻载时，切换到斩波方式；在中载、重载时，切换到同步整流方式；进而做到全负载范围内永磁直流无刷电机驱动器损耗最低。

[0054] 以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。