一种电机单相驱动模块和驱动电路
阅读说明：本技术 一种电机单相驱动模块和驱动电路 (Single-phase drive module and drive circuit of motor ) 是由 袁碧荷 严涛 邓林 王波 王俊奎 刘婧妮 于 2020-12-17 设计创作，主要内容包括：本发明属于机载电机驱动技术领域,公开了一种电机单相驱动模块和驱动电路。功率驱动选用耐高压和低阻抗的碳化硅场效应晶体管+驱动方案,使用内部的体二极管进行续流,减小恢复损耗。因碳化硅场效应晶体管器件开关速度高,工作时会产生关断过电压和开通过电流,采用放电阻止型RCD吸收电路吸收能量解决此问题。碳化硅场效应晶体管器件由于栅极电容较传统功率器件小,对负压耐受较弱,前置驱动设计了栅极保护电路。当开关管发生桥臂短路直通时,将三相驱动桥的6个碳化硅场效应晶体管开关管进行关断,将危害限制在控制器壳体内,避免事故扩大化。(The invention belongs to the technical field of airborne motor driving, and discloses a single-phase motor driving module and a single-phase motor driving circuit. The power driving adopts a high-voltage-resistant and low-impedance silicon carbide field effect transistor + driving scheme, and an internal body diode is used for follow current, so that the recovery loss is reduced. Because the silicon carbide field effect transistor device has high switching speed, overvoltage shutoff and overcurrent on can be generated during working, and the problem is solved by adopting a discharge prevention type RCD absorption circuit to absorb energy. The silicon carbide field effect transistor device has weaker negative pressure tolerance because the grid capacitance is smaller than that of the traditional power device, and a grid protection circuit is designed for the front-mounted drive. When the switching tubes are in short circuit and straight-through of bridge arms, 6 silicon carbide field effect transistor switching tubes of the three-phase drive bridge are turned off, damage is limited in the controller shell, and accident expansion is avoided.)
技术领域
本发明属于机载电机驱动技术领域，特别涉及一种电机单相驱动模块和驱动电路。
背景技术
随着机载电机驱动类控制器向先进化发展，多发故障已由算法类问题转为硬件层面缺陷，如器件高温失效、器件类型功能受限、功能电路设计不足等。电机功率驱动电路复杂程度最高，也是功率损耗造成的热源所在。现有飞机机电系统中的电机驱动控制器的功率驱动电路，普遍采用以IPM为代表的集成模块方案和分立器件方案，使用基于传统Si基材料的Mosfet+驱动、IGBT+驱动的功率驱动方式。受限于传统器件的自身性质，功率驱动存在开关损耗大、效率低、温升高的问题，通常需要配合采用风冷，液冷等方式散热。
随着机载电机驱动控制器的功率密度要求逐步提高，机上使用环境更加严酷，传统功率驱动器件常因过温加速老化、不耐高压、开关器件保护不到位等问题损坏，威胁自身及周边器件的安全工作，工作中还会对机电产品的电磁兼容性产生不利影响。
发明内容
本发明目的：提出了一种电机单相驱动模块和驱动电路，解决机上传统功率开关器件工作时因发热量大、温升高、及硬件保护设计缺陷导致损坏的情况。
本发明技术方案：
一种电机单相驱动模块；包括：驱动子电路、吸收子电路；
所述驱动子电路包括：第一碳化硅场效应晶体管和第二碳化硅场效应晶体管；
第一碳化硅场效应晶体管的源极和第二碳化硅场效应晶体管的漏极相连并与电机的其中一相绕组相连；
第一碳化硅场效应晶体管的漏极与电源正极相连，第二碳化硅场效应晶体管的源极与电源负极相连；
第一碳化硅场效应晶体管和第二碳化硅场效应晶体管的栅极分别连接驱动信号；
所述吸收子电路连接关系如下：
第一电容C1上端与第一碳化硅场效应晶体管漏极相连，第一电容C1下端连接第一二极管D1阳极，第一电容C1和第二电容C2并联；第一二极管D1阴极连接第一碳化硅场效应晶体管源极；
第一电阻R1上端连接第一二极管D1阳极，第一电阻R1下端连接第二碳化硅场效应晶体管源极，第二电阻R2与第一电阻R1并联；
第三电容C3下端连接第二碳化硅场效应晶体管源极，第三电容C3上端连接第二二极管D2阴极，第二二极管D2阳极连接第二碳化硅场效应晶体管漏极，第四电容C4与C3并联；
第三电阻R3下端连接第二二极管D2阴极，第三电阻R3上端连接第一碳化硅场效应晶体管漏极，第四电阻R4与第三电阻R3并联。
进一步，所述电机单相驱动模块还包括栅极保护子电路；每一个碳化硅场效应晶体管均配有一个栅极保护子电路；
所述栅极保护子电路连接关系如下：
第六电阻R6左端与驱动信号，第六电阻R6右端连接碳化硅场效应晶体管栅极；第五电阻R5右端与第六电阻R6右端相连，第五电阻R5左端连接第三稳压二极管DZ3阳极，第三稳压二极管DZ3阴极连接第六电阻R6左端；
第一稳压二极管DZ1的阳极与第二稳压二极管DZ2的阳极连接；第一稳压二极管DZ1的阴极与第六电阻R6右端相连；第二稳压二极管DZ2的阴极连接碳化硅场效应晶体管源极；
第五电容C5上端与碳化硅场效应晶体管栅极连接，第五电容C5下端与第七电阻R7上端连接，第七电阻R7下端与碳化硅场效应晶体管源极连接。
进一步，碳化硅场效应晶体管的源极还与信号地相连。正、反向钳位二极管用以消除正负压可能存在的过冲和干扰
进一步，所述栅极保护子电路还包括下拉电阻R8，所述下拉电阻R8两端分别与碳化硅场效应晶体管的栅极和源极相连。增加下拉电阻，防止栅极悬空导致损坏和栅极冲击，提高抗干扰性及驱动电路的可靠性
进一步，所述电机单相驱动模块还包括过流保护子电路，每一个碳化硅场效应晶体管均配有一个过流保护子电路；
所述过流保护子电路连接关系如下：
碳化硅场效应晶体管漏极连接第三二极管D3阴极，第三二极管D3阳极连接第四稳压二极管DZ4阳极，第四稳压二极管DZ4阴极连接第九电阻R9右端，第五电阻R5左端练级第五稳压二极管DZ5阴极，第五稳压二极管DZ5阳极连接碳化硅场效应晶体管源极，第六电容C6与第五稳压二极管DZ5并联；
第五稳压二极管DZ5阴极连接连接VCC；所述过流保护子电路用于检测碳化硅场效应晶体管源极和漏极之间电流的大小。
进一步，所述过流保护电路还包括：第五稳压二极管DZ5阴极连接第六稳压二极管DZ6阳极，第六稳压二极管DZ6阴极连接VCC。
进一步，所述过流保护电路还包括：驱动保护芯片；所述驱动保护芯片的过流保护管脚连接第五稳压二极管DZ5阴极，所述驱动保护芯片用于在碳化硅场效应晶体管源极和漏极之间电流过流时切断驱动信号。当过流保护点电压上升至预设值时，驱动信号输出低电平，为提高SiC在退饱和时检测电路能够快速响应并关断输出，在短路检测回路串联稳压管，提高检测灵敏度。
进一步，三个权利要求1-7任一权利要求所述的电机单相驱动模块；三个电机单相驱动模块分别与电机的三相绕组相连。
本发明有效提高机电系统电机驱动控制器的工作效率，降低温升，去除额外散热措施，实现小型封装，提高控制器工作可靠性及电磁兼容性。
附图说明
图1为基于碳化硅场效应晶体管的电机驱动电路半桥示意图；
图2为吸收子电路示意图；
图3为栅极保护子电路；
图4为过流保护电路。
具体实施方式
下面将结合本发明中的附图，对本发明技术方案进行清楚、完整地描述，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动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。
如图1所示，一种电机单相驱动模块；包括：驱动子电路、吸收子电路；功率驱动选用耐高压和低阻抗的碳化硅场效应晶体管+驱动方案，使用内部的体二极管进行续流，减小恢复损耗。因碳化硅场效应晶体管SiC-Mosfet器件开关速度高，工作时会产生关断过电压和开通过电流，采用放电阻止型RCD吸收电路吸收能量解决此问题。
驱动子电路包括：第一碳化硅场效应晶体管和第二碳化硅场效应晶体管；第一碳化硅场效应晶体管的源极和第二碳化硅场效应晶体管的漏极相连并与电机的其中一相绕组相连；第一碳化硅场效应晶体管的漏极与电源正极相连，第二碳化硅场效应晶体管的源极与电源负极相连；第一碳化硅场效应晶体管和第二碳化硅场效应晶体管的栅极分别连接驱动信号。
功率开关管开通和关断理论上是瞬间完成的，而在实际使用中，由于开关管的开关速度很高，关断时会在分布电感上产生关断过电压；当续流二极管恢复阻断时，受其反向恢复特性影响，电流会先减小至负值，再衰减至零，从而在开通器件中产生开通过电流。其解决措施是增加缓冲电路，吸收并抑制碳化硅场效应晶体管器件因高速开关动作而引起的电压电流急剧变化，同时可提高逆变器的电磁兼容性。因此提出一种放电阻止型RCD吸收电路，如图2所示，通过调整吸收电容和电阻参数达到能量吸收目的。同时，在PCB设计上采取减少杂散电感的手段，如铺铜、增加过孔、直线连接等方式，改善上述现象。
吸收子电路连接关系如下：第一电容C1上端与第一碳化硅场效应晶体管漏极相连，第一电容C1下端连接第一二极管D1阳极，第一电容C1和第二电容C2并联；第一二极管D1阴极连接第一碳化硅场效应晶体管源极；第一电阻R1上端连接第一二极管D1阳极，第一电阻R1下端连接第二碳化硅场效应晶体管源极，第二电阻R2与第一电阻R1并联；第三电容C3下端连接第二碳化硅场效应晶体管源极，第三电容C3上端连接第二二极管D2阴极，第二二极管D2阳极连接第二碳化硅场效应晶体管漏极，第四电容C4与C3并联；第三电阻R3下端连接第二二极管D2阴极，第三电阻R3上端连接第一碳化硅场效应晶体管漏极，第四电阻R4与第三电阻R3并联。
碳化硅场效应晶体管器件由于栅极电容较传统功率器件小，对负压耐受较弱，前置驱动设计了栅极保护电路。当开关管发生桥臂短路直通时，将三相驱动桥的6个碳化硅场效应晶体管开关管进行关断，将危害限制在控制器壳体内，避免事故扩大化。
碳化硅场效应晶体管器件开关速度较快，栅极电荷量比较低，栅极较为敏感，设计上需要对栅极进行保护。电路如图3所示，正、反向钳位二极管用以消除正负压可能存在的过冲和干扰；在栅极回路增加下拉电阻，防止栅极悬空导致损坏和栅极冲击，提高抗干扰性及驱动电路的可靠性。
栅极保护子电路连接关系如下：第六电阻R6左端与驱动信号，第六电阻R6右端连接碳化硅场效应晶体管栅极；第五电阻R5右端与第六电阻R6右端相连，第五电阻R5左端连接第三稳压二极管DZ3阳极，第三稳压二极管DZ3阴极连接第六电阻R6左端；第一稳压二极管DZ1的阳极与第二稳压二极管DZ2的阳极连接；第一稳压二极管DZ1的阴极与第六电阻R6右端相连；第二稳压二极管DZ2的阴极连接碳化硅场效应晶体管源极；第五电容C5上端与碳化硅场效应晶体管栅极连接，第五电容C5下端与第七电阻R7上端连接，第七电阻R7下端与碳化硅场效应晶体管源极连接
为确保碳化硅场效应晶体管器件在短路大电流时得到保护，设计去饱和保护电路，如图4所示。当过流保护点电压上升至预设值时，驱动信号输出低电平，为提高SiC在退饱和时检测电路能够快速响应并关断输出，在短路检测回路串联稳压管，提高检测灵敏度。
过流保护子电路连接关系如下：碳化硅场效应晶体管漏极连接第三二极管D3阴极，第三二极管D3阳极连接第四稳压二极管DZ4阳极，第四稳压二极管DZ4阴极连接第九电阻R9右端，第五电阻R5左端练级第五稳压二极管DZ5阴极，第五稳压二极管DZ5阳极连接碳化硅场效应晶体管源极，第六电容C6与第五稳压二极管DZ5并联；第五稳压二极管DZ5阴极连接连接VCC；所述过流保护子电路用于检测碳化硅场效应晶体管源极和漏极之间电流的大小。
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