本發(fā)明涉及電氣設(shè)備及電氣工程技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種用于電機驅(qū)動電路的橋臂及其控制方法。

背景技術(shù)：

目前，在100V～600V輸入電壓的中小功率電機驅(qū)動設(shè)備中，主要采用基于三相橋式逆變器的電機驅(qū)動電路拓?fù)浞桨?，比如：如圖1所示的采用同步整流技術(shù)的電機驅(qū)動電路單相橋臂，其利用了Si溝道雙向?qū)ㄌ匦詫崿F(xiàn)同步整流。但是，在橋臂工作過程中，為了避免橋臂直通，必然存在一定的死區(qū)時間。在上下管死區(qū)時間內(nèi)，電流流經(jīng)某一MOSFET的體二極管，當(dāng)橋臂另一MOSFET管再次開通時，體二極管強迫關(guān)斷，產(chǎn)生反向恢復(fù)問題。體二極管的反向恢復(fù)電流尖峰增加了開通MOSFET管的開通損耗，嚴(yán)重時甚至?xí)p壞功率器件。

目前解決體二極管反向恢復(fù)問題，主要會在MOSFET的外部反向并聯(lián)肖特基二極管，優(yōu)化設(shè)置死區(qū)時間，增加吸收電路或者采用軟開關(guān)技術(shù)等，由于肖特基二極管幾乎沒有反向恢復(fù)問題，因此反并肖特基二極管可以有效抑制電機橋臂MOSFET反向恢復(fù)問題。但是肖特基二極管正向?qū)▔航惦S導(dǎo)通電流的增加而增加，在負(fù)載較重、相電流較大時，MOSFET體二極管的正向壓降和肖特基二極管的相近，同時MOSFET的寄生電感抑制電流的變化，所以在橋臂死區(qū)時間內(nèi)，由于之前電流流過溝道，因此此時電流趨向于從溝道換流至體二極管而不是肖特基二極管。因為體二極管流過電流，所以當(dāng)上管開通時，仍會產(chǎn)生體二極管的反向恢復(fù)問題。所以在實際應(yīng)用中，電機驅(qū)動電路的開關(guān)損耗率依然較高。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的實施例提供一種用于電機驅(qū)動電路的橋臂及其控制方法，能夠抑制大電流情況下電機橋臂MOSFET體二極管反向恢復(fù)問題，減小電機驅(qū)動電路損耗，提高系統(tǒng)效率。

為達(dá)到上述目的，本發(fā)明的實施例采用如下技術(shù)方案：

所述用于電機驅(qū)動電路的橋臂包括：橋臂開關(guān)管(Q1)、橋臂優(yōu)化開關(guān)管(Q2)、反向串聯(lián)開關(guān)管(Q3)、反向并聯(lián)二極管(D1)、延時環(huán)節(jié)和驅(qū)動電路；橋臂開關(guān)管(Q1)的漏極連接電源正端、源極連接橋臂中點、柵極與驅(qū)動電路直接相連；橋臂優(yōu)化開關(guān)管(Q2)在所在橋臂支路上與反向串聯(lián)開關(guān)管(Q3)串聯(lián)，并與反向并聯(lián)二極管(D1)并聯(lián)；橋臂優(yōu)化開關(guān)管(Q2)的柵極通過所述延時環(huán)節(jié)與驅(qū)動電路相連、漏極連接電源正端和橋臂中點，源極連接橋臂中點和電源負(fù)端；反向串聯(lián)開關(guān)管(Q3)與橋臂優(yōu)化開關(guān)管(Q2)串聯(lián)，且與反向并聯(lián)二極管(D1)并聯(lián)；反向串聯(lián)開關(guān)管(Q3)的柵極與驅(qū)動電路直接相連、漏極連接電源正端和橋臂中點、源極連接橋臂中點和電源負(fù)端；反向并聯(lián)二極管(D1)并聯(lián)于橋臂優(yōu)化開關(guān)管(Q2)和反向串聯(lián)開關(guān)管(Q3)；反向并聯(lián)二極管(D1)的兩端分別連接電源正端和橋臂中點、橋臂中點和電源負(fù)端；

所述控制方法包括：

通過驅(qū)動信號直接驅(qū)動反向串聯(lián)開關(guān)管(Q3)；

并通過所述延時環(huán)節(jié)對橋臂優(yōu)化開關(guān)管(Q2)的驅(qū)動信號增加延時，使反向串聯(lián)開關(guān)管(Q3)早于橋臂優(yōu)化開關(guān)管(Q2)關(guān)斷，并使反向串聯(lián)開關(guān)管(Q3)早于橋臂優(yōu)化開關(guān)管(Q2)導(dǎo)通。

本發(fā)明實施例提供的用于電機驅(qū)動電路的橋臂及其控制方法，反向串聯(lián)開關(guān)管可以與上橋臂開關(guān)管串聯(lián)，也可以與下橋臂開關(guān)管串聯(lián)，還可以通過采用兩個反向串聯(lián)開關(guān)管對上下橋臂同時進(jìn)行降低開關(guān)損耗的優(yōu)化。反向并聯(lián)二極管并聯(lián)于有反向串聯(lián)開關(guān)管的橋臂。與現(xiàn)有方案相比，在大電流情況下與反串開關(guān)管串聯(lián)的橋臂優(yōu)化開關(guān)管仍可以實現(xiàn)零電流關(guān)斷；且與反串開關(guān)管串聯(lián)的開關(guān)管體二極管不存在反向恢復(fù)問題；并且橋臂結(jié)構(gòu)較簡單、控制容易，開關(guān)損耗小。有效抑制大電流情況下電機橋臂MOSFET體二極管反向恢復(fù)問題，減小電機驅(qū)動電路損耗，提高系統(tǒng)效率。

附圖說明

為了更清楚地說明本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案，下面將對實施例中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其它的附圖。

圖1為現(xiàn)有技術(shù)方案的示意圖；

圖2為本發(fā)明實施例提供的用于電機驅(qū)動電路的橋臂的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為本發(fā)明實施例提供的開關(guān)管結(jié)構(gòu)示意圖的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4為反并肖特基二極管的電機驅(qū)動橋臂的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5為本發(fā)明實施例提供的用于電機驅(qū)動電路的控制方法在執(zhí)行過程中的控制策略驅(qū)動信號和相關(guān)電壓電流波形示意圖。

具體實施方式

為使本領(lǐng)域技術(shù)人員更好地理解本發(fā)明的技術(shù)方案，下面結(jié)合附圖和具體實施方式對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述。下文中將詳細(xì)描述本發(fā)明的實施方式，所述實施方式的示例在附圖中示出，其中自始至終相同或類似的標(biāo)號表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過參考附圖描述的實施方式是示例性的，僅用于解釋本發(fā)明，而不能解釋為對本發(fā)明的限制。本技術(shù)領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解，除非特意聲明，這里使用的單數(shù)形式“一”、“一個”、“所述”和“該”也可包括復(fù)數(shù)形式。應(yīng)該進(jìn)一步理解的是，本發(fā)明的說明書中使用的措辭“包括”是指存在所述特征、整數(shù)、步驟、操作、元件和/或組件，但是并不排除存在或添加一個或多個其他特征、整數(shù)、步驟、操作、元件、組件和/或它們的組。應(yīng)該理解，當(dāng)我們稱元件被“連接”或“耦接”到另一元件時，它可以直接連接或耦接到其他元件，或者也可以存在中間元件。此外，這里使用的“連接”或“耦接”可以包括無線連接或耦接。這里使用的措辭“和/或”包括一個或更多個相關(guān)聯(lián)的列出項的任一單元和全部組合。本技術(shù)領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解，除非另外定義，這里使用的所有術(shù)語包括技術(shù)術(shù)語和科學(xué)術(shù)語具有與本發(fā)明所屬領(lǐng)域中的普通技術(shù)人員的一般理解相同的意義。還應(yīng)該理解的是，諸如通用字典中定義的那些術(shù)語應(yīng)該被理解為具有與現(xiàn)有技術(shù)的上下文中的意義一致的意義，并且除非像這里一樣定義，不會用理想化或過于正式的含義來解釋。

本發(fā)明實施例提供一種用于電機驅(qū)動電路的橋臂，如圖2所示，包括：

橋臂開關(guān)管Q1、橋臂優(yōu)化開關(guān)管Q2、反向串聯(lián)開關(guān)管Q3、反向并聯(lián)二極管D1、延時環(huán)節(jié)和驅(qū)動電路；

橋臂開關(guān)管Q1的漏極連接電源正端、源極連接橋臂中點、柵極與驅(qū)動電路直接相連；具體的，橋臂開關(guān)管Q1的漏極和源極分別接于電源正端和橋臂中點(作為上管)或橋臂中點和電源負(fù)端(作為下管)。

橋臂優(yōu)化開關(guān)管Q2在所在橋臂支路上與反向串聯(lián)開關(guān)管Q3串聯(lián)，并與反向并聯(lián)二極管D1并聯(lián)；橋臂優(yōu)化開關(guān)管Q2的柵極通過所述延時環(huán)節(jié)與驅(qū)動電路相連、漏極連接電源正端和橋臂中點，源極連接橋臂中點和電源負(fù)端；具體的，橋臂優(yōu)化開關(guān)管Q2接于電源正端和橋臂中點(作為上管)或橋臂中點和電源負(fù)端(作為下管)。

反向串聯(lián)開關(guān)管Q3與橋臂優(yōu)化開關(guān)管Q2串聯(lián)，且與反向并聯(lián)二極管D1并聯(lián)；反向串聯(lián)開關(guān)管Q3的柵極與驅(qū)動電路直接相連、漏極連接電源正端和橋臂中點、源極連接橋臂中點和電源負(fù)端；具體的，反向串聯(lián)開關(guān)管Q3接于電源正端和橋臂中點(優(yōu)化管為上管)或橋臂中點和電源負(fù)端(優(yōu)化管為下管)。

反向并聯(lián)二極管D1并聯(lián)于橋臂優(yōu)化開關(guān)管Q2和反向串聯(lián)開關(guān)管Q3；反向并聯(lián)二極管D1的兩端分別連接電源正端和橋臂中點、橋臂中點和電源負(fù)端。具體的，反向并聯(lián)二極管D1接于電源正端和橋臂中點(優(yōu)化管為上管)或橋臂中點和電源負(fù)端(優(yōu)化管為下管)。

需要說明的是，本實施例中所述的橋臂可以理解為由兩個開關(guān)管串聯(lián)在電源兩端形成的支路，此時橋臂由兩個開關(guān)管組成，其中有一端連接在電源正端的開關(guān)管一般稱為橋臂上管，所處部分橋臂稱為上橋臂，同理另一個開關(guān)管為橋臂下管，所處部分橋臂稱為下橋臂。橋臂中點在沒有加入橋臂優(yōu)化開關(guān)管的時候是指橋臂上管的源極和橋臂下管的漏極的連接點，此處作為輸出端連接電機負(fù)載。電源正端和橋臂中點(作為上管)可以理解為：在將橋臂上管作為橋臂開關(guān)管的場景中，橋臂上管的漏極接在電源的正端，源極接在橋臂中點?！皹虮壑悬c和電源負(fù)端(作為下管)”可以理解為：在將橋臂下管作為橋臂開關(guān)管的場景中，橋臂下管的漏極接在橋臂中點，源極接在電源負(fù)端。

在本專業(yè)的論文和其他文獻(xiàn)中，“橋臂中點”為一種約定俗稱的術(shù)語，為了便于理解，本實施例中也采用“橋臂中點”以及關(guān)聯(lián)說法，比如：“橋臂上管”和“橋臂下管”。進(jìn)一步的，當(dāng)采用的電源為一個直流源時，電源正端、負(fù)端也可以替換成直流母線正端和負(fù)端，同時為電源到橋臂之間加入其他器件例如斷路器等留下余地。

其中，反向串聯(lián)開關(guān)管可以與上橋臂開關(guān)管串聯(lián)，也可以與下橋臂開關(guān)管串聯(lián)，還可以通過采用兩個反向串聯(lián)開關(guān)管對上下橋臂同時進(jìn)行降低開關(guān)損耗的優(yōu)化，本實施例中以與下橋臂開關(guān)管串聯(lián)為例，反向并聯(lián)二極管D1并聯(lián)于有反向串聯(lián)開關(guān)管的橋臂并作為下橋臂。

具體的，橋臂結(jié)構(gòu)以下橋臂開關(guān)管為橋臂優(yōu)化開關(guān)管為例，上橋臂包括上橋臂開關(guān)管Q1，下橋臂包括橋臂優(yōu)化開關(guān)管Q2、反向串聯(lián)開關(guān)管Q3和反向并聯(lián)二極管D1。反向串聯(lián)開關(guān)管Q3與橋臂優(yōu)化開關(guān)管Q2串聯(lián)，反向并聯(lián)二極管D1并聯(lián)于下橋臂，控制器包括驅(qū)動電路及延時環(huán)節(jié)。

若將反向串聯(lián)開關(guān)管接于下橋臂，上橋臂開關(guān)管Q1漏極與輸入電源正端相連，Q1源極與橋臂中點相連。Q1柵極與驅(qū)動電路的上橋臂驅(qū)動信號相連。下橋臂Q2與Q3串聯(lián)，Q2漏極與橋臂中點相連，Q2源極與Q3源極相連，Q3漏極與輸入電源負(fù)端相連。Q3的柵極與驅(qū)動電路的下橋臂驅(qū)動信號相連，Q2的柵極通過延時環(huán)節(jié)與驅(qū)動電路的下橋臂驅(qū)動信號相連。反向并聯(lián)二極管D1的陰極與Q2的漏極相連，陽極和Q3的漏極相連。

在本實施例中，如圖3所示的，橋臂開關(guān)管Q1、橋臂優(yōu)化開關(guān)管Q2、反向串聯(lián)開關(guān)管Q3的結(jié)構(gòu)均包括開關(guān)管的溝道、體二極管和寄生電感；橋臂開關(guān)管Q1、橋臂優(yōu)化開關(guān)管Q2、反向串聯(lián)開關(guān)管Q3的結(jié)構(gòu)均為硅半導(dǎo)體。具體的，所述橋臂開關(guān)管Q1，其類型包括但不限于MOSFET或IGBT，P溝道或N溝道，橋臂上管或橋臂下管。材料包括但不限于硅半導(dǎo)體；所述橋臂優(yōu)化開關(guān)管Q2，其類型包括但不限于MOSFET或IGBT，P溝道或N溝道，橋臂上管或橋臂下管。材料包括但不限于硅半導(dǎo)體；所述反向串聯(lián)開關(guān)管Q3，其類型包括但不限于MOSFET或IGBT，P溝道或N溝道。材料包括但不限于硅半導(dǎo)體；所述反向并聯(lián)二極管D1，其類型包括但不限于肖特基二極管，但需要其基本不存在反向恢復(fù)問題，材料包括但不限于硅半導(dǎo)體；

所述驅(qū)動電路包括：DSP、驅(qū)動芯片或驅(qū)動模塊；所述延時環(huán)節(jié)包括硬件延時電路。所述驅(qū)動電路采用正常的電機驅(qū)動電路橋臂驅(qū)動策略。具體的，所述延時環(huán)節(jié)的延時時間大于反向串聯(lián)開關(guān)管Q3的開通關(guān)斷時間，小于死區(qū)時間。所述延時環(huán)節(jié)還可以實現(xiàn)為一種用于實現(xiàn)“延時時間大于反向串聯(lián)開關(guān)管Q3的開通關(guān)斷時間，小于死區(qū)時間”功能的軟件延時模塊。

基于如圖2所示的用于電機驅(qū)動電路的橋臂，本發(fā)明實施例還提供一種用于電機驅(qū)動電路的橋臂的控制方法。其中，所述用于電機驅(qū)動電路的橋臂包括：橋臂開關(guān)管Q1、橋臂優(yōu)化開關(guān)管Q2、反向串聯(lián)開關(guān)管Q3、反向并聯(lián)二極管D1、延時環(huán)節(jié)和驅(qū)動電路；橋臂開關(guān)管Q1的漏極連接電源正端、源極連接橋臂中點、柵極與驅(qū)動電路直接相連；橋臂優(yōu)化開關(guān)管Q2在所在橋臂支路上與反向串聯(lián)開關(guān)管Q3串聯(lián)，并與反向并聯(lián)二極管D1并聯(lián)；橋臂優(yōu)化開關(guān)管Q2的柵極通過所述延時環(huán)節(jié)與驅(qū)動電路相連、漏極連接電源正端和橋臂中點，源極連接橋臂中點和電源負(fù)端；反向串聯(lián)開關(guān)管Q3與橋臂優(yōu)化開關(guān)管Q2串聯(lián)，且與反向并聯(lián)二極管D1并聯(lián)；反向串聯(lián)開關(guān)管Q3的柵極與驅(qū)動電路直接相連、漏極連接電源正端和橋臂中點、源極連接橋臂中點和電源負(fù)端；反向并聯(lián)二極管D1并聯(lián)于橋臂優(yōu)化開關(guān)管Q2和反向串聯(lián)開關(guān)管Q3；反向并聯(lián)二極管D1的兩端分別連接電源正端和橋臂中點、橋臂中點和電源負(fù)端。

所述控制方法包括：

通過驅(qū)動信號直接驅(qū)動反向串聯(lián)開關(guān)管Q3；并通過所述延時環(huán)節(jié)對橋臂優(yōu)化開關(guān)管Q2的驅(qū)動信號增加延時，使反向串聯(lián)開關(guān)管Q3早于橋臂優(yōu)化開關(guān)管Q2關(guān)斷，并使反向串聯(lián)開關(guān)管Q3早于橋臂優(yōu)化開關(guān)管Q2導(dǎo)通。

具體的，在電機一般采用的帶死區(qū)的驅(qū)動邏輯包括但不限于六階梯波驅(qū)動、SVPWM驅(qū)動的基礎(chǔ)上，使相應(yīng)橋臂的驅(qū)動信號直接驅(qū)動反向串聯(lián)開關(guān)管Q3，并通過延時環(huán)節(jié)對橋臂優(yōu)化開關(guān)管Q2的驅(qū)動信號增加必要的延時，使反向串聯(lián)開關(guān)管Q3早于橋臂優(yōu)化開關(guān)管Q2關(guān)斷，同時早于橋臂優(yōu)化開關(guān)管Q2導(dǎo)通。

其中，為了降低開關(guān)損耗，所采用的電機驅(qū)動電路控制策略，主要包括Q1，Q2和Q3的驅(qū)動邏輯。所述控制策略，其驅(qū)動信號波形和相關(guān)電壓電流波形如圖5所示。其中：在電機一般采用的帶死區(qū)的驅(qū)動邏輯包括但不限于六階梯波驅(qū)動、SVPWM驅(qū)動的基礎(chǔ)上，使下橋臂驅(qū)動信號直接驅(qū)動Q3，并通過延時環(huán)節(jié)對驅(qū)動信號增加必要的延時后驅(qū)動Q2，使Q3先于Q2關(guān)斷，同時先于Q2開通。

具體的，Q2開通過程包括：t2時刻先開通Q3，當(dāng)Q3完全導(dǎo)通后，在t3時刻開通Q2，電流由D1換流至Q2和Q3。以便于Q3不影響Q2的開通。

Q2關(guān)斷過程包括：在t4時刻之前，Q1關(guān)斷，Q2和Q3導(dǎo)通，電流通過Q2、Q3流入電機；在t4時刻下管關(guān)斷，電流由Q2和Q3支路換流至D1支路。以便于為Q2零電流關(guān)斷做準(zhǔn)備。

在t5時刻由于Q3已關(guān)斷，且Q3的體二極管反向截止，Q2和Q3支路不流過電流，Q2零電流關(guān)斷，電流通過D1續(xù)流。

在t6時刻Q1開通。且由于D1基本不存在反向恢復(fù)，因此Q1開通電流不會疊加由二極管反向恢復(fù)問題產(chǎn)生的電流尖峰，開關(guān)損耗降低。又由于Q3導(dǎo)通時流過雙向電流，因此能實現(xiàn)電機四象限運行。Q3體二極管與Q2相反，因此Q3截止時無法流過反向電流，強制續(xù)流電流切換至D1續(xù)流，避免大電流情況下體二極管的反向恢復(fù)問題。

目前，針對二極管的反向恢復(fù)問題的解決方案，主要是通過在MOSFET的外部反向并聯(lián)肖特基二極管，優(yōu)化設(shè)置死區(qū)時間，增加吸收電路或者采用軟開關(guān)技術(shù)等，比如：如圖4所示為在下管Q2兩端反向并聯(lián)肖特基二極管D1的某一相電機驅(qū)動橋臂。由于肖特基二極管幾乎沒有反向恢復(fù)問題，因此反并肖特基二極管可以有效抑制電機橋臂MOSFET反向恢復(fù)問題。但是肖特基二極管正向?qū)▔航惦S導(dǎo)通電流的增加而增加，在負(fù)載較重、相電流較大時，MOSFET體二極管的正向壓降和肖特基二極管的相近，同時MOSFET的寄生電感抑制電流的變化，所以在橋臂死區(qū)時間內(nèi)，由于之前電流流過溝道，因此此時電流趨向于從溝道換流至體二極管而不是肖特基二極管。因為體二極管流過電流，所以當(dāng)上管Q1開通時，仍會產(chǎn)生反向恢復(fù)問題，采用反并肖特基二極管并不能有效抑制體二極管的反向恢復(fù)問題。且對于死區(qū)時間優(yōu)化，增加吸收電路或者采用軟開關(guān)技術(shù)等也存在不足。死區(qū)時間優(yōu)化增加了橋臂直通的風(fēng)險；吸收電路僅通過阻容吸收了反向恢復(fù)電流尖峰，并未減小損耗；軟開關(guān)技術(shù)采用諧振的方式，增加了開關(guān)器件的電壓電流應(yīng)力。

而本發(fā)明實施例能夠提供了一種新的電機驅(qū)動電路橋臂結(jié)構(gòu)以及對應(yīng)的控制方法，反向串聯(lián)開關(guān)管可以與上橋臂開關(guān)管串聯(lián)，也可以與下橋臂開關(guān)管串聯(lián)，還可以通過采用兩個反向串聯(lián)開關(guān)管對上下橋臂同時進(jìn)行降低開關(guān)損耗的優(yōu)化。反向并聯(lián)二極管并聯(lián)于有反向串聯(lián)開關(guān)管的橋臂。與現(xiàn)有方案相比，在大電流情況下與反串開關(guān)管串聯(lián)的橋臂優(yōu)化開關(guān)管仍可以實現(xiàn)零電流關(guān)斷；且與反串開關(guān)管串聯(lián)的開關(guān)管體二極管不存在反向恢復(fù)問題；并且橋臂結(jié)構(gòu)較簡單、控制容易，開關(guān)損耗小。有效抑制包括了大電流情況在內(nèi)的電機橋臂MOSFET體二極管反向恢復(fù)問題，減小電機驅(qū)動電路損耗，提高系統(tǒng)效率。

本說明書中的各個實施例均采用遞進(jìn)的方式描述，各個實施例之間相同相似的部分互相參見即可，每個實施例重點說明的都是與其他實施例的不同之處。尤其，對于設(shè)備實施例而言，由于其基本相似于方法實施例，所以描述得比較簡單，相關(guān)之處參見方法實施例的部分說明即可。以上所述，僅為本發(fā)明的具體實施方式，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)該以權(quán)利要求的保護(hù)范圍為準(zhǔn)。