CN101005206A - 用于永磁同步电机弱磁运行的保护电路 - Google Patents

Abstract

一种用于在PMSM以弱磁模式运行期间对影响驱动永磁同步电机(PMSM)的逆变器安全的故障提供保护的安全电路，所述逆变器包括连接在桥中并且由栅极驱动电路驱动的高侧和低侧开关，栅极驱动电路包括用于驱动高侧和低侧开关的级，安全电路包括主电源和备用电源，以给驱动逆变器电路桥的开关的栅极驱动电路提供电压，其中如果主电源故障而不能传输足够的电力给栅极驱动电路，备用电源则给栅极驱动电路供电以允许栅极驱动电路导通低侧开关和关断高侧开关。

Description

用于永磁同步电机弱磁运行的保护电路

相关申请的参考

[001]本申请基于并要求2005年9月21日提交的申请号为：No.60/719,241，题为“用于永磁同步电机弱磁(field weaking)运行的全保护电路”的美国临时申请的权益，本申请要求上述申请的优先权且其所公开的内容结合于此作为参考。

背景技术

[002]本申请涉及一种用于驱动永磁同步电机(PMSM)的DC-AC逆变电机控制器的安全互锁和保护电路，尤其涉及一种在设计用于驱动PMSM的栅极驱动器集成电路(IC)中实施的安全电路。

[003]PMSM已经成为包括空调、冰箱、洗衣机等在内的高能效设备的重要电源。PMSM具有比感应电机更高的功率密度和更高的每安培数转矩(torque-per-amp)。感应电机过去通常用于例如洗衣机等电器设备。PMSM已经被用于更现代的洗衣机器中并且已经成为诸如洗衣机还包括空调和冰箱等高能效设备的重要电源。

[004]PMSM通常由一个AC供电的DC-AC逆变电路驱动。也就是说，AC主电源首先整流/变换成DC电压，该DC电压持续跨接在DC母线上。DC母线电压供给逆变器转换成AC用于驱动PMSM的每一相。PMSM具有典型的三相。与感应电机不同，当PMSM采用AC逆变器电路时，它需要额外的保护来确保逆变器的安全。当PMSM在弱磁范围内被驱动时，这一点尤为突出。在弱磁范围内驱动PMSM经常是强制性的，特别是在自动洗衣机用高速鼓形圆筒在旋转模式进行洗涤/脱水时更是如此。

[005]微控制器和/或数字信号处理器是用于控制逆变器的典型元件。它们控制逆变器电源开关来给PMSM施加预定的驱动电压，典型的是脉冲宽度调制(PWM)信号，所述开关典型的是IGBT或FET。栅极驱动器IC用在控制器装置和给PMSM提供可变频率/电压的电源开关之间，以此来控制PMSM的转矩和转速。栅极驱动器是电路的关键元件。当开关门没有被驱动导通时，电源开关保持在关断状态，而PMSM的能量可以通过反向并联在电源开关上的续流二极管进行再循环，这样就对大电容进行再充电。在低成本设备中，没有任何措施将这种能量返回到电源线。所有的能量都被大电容所吸收。

[006]由于永磁体产生磁场，因此PMSM中总存在着磁场，这点与必须由专门控制产生磁场的感应电机不同。在例如由于电源线故障、断线或者甚至电源线被拔去，或者栅极驱动器辅助电源供应丧失导致控制器故障的情况下，当在弱磁范围内运行时，PMSM能表现出两种潜在的危险情形。第一种情形是当PMSM惯性运行且尽管转速降低时，其仍以高速旋转。这种情形造成一种安全隐患并可以导致主体受损。第二种情形是当控制器由于控制器故障从与PMSM通电状态脱离时，PMSM可以在DC母线上产生过电压。

[007]当以弱磁运行时，PMSM的转速达到非常高的值。在此期间，当电机自由旋转时，电机产生的相反的电动势(EMF)，即所知的反EMF，比大电容的额定值的电势高很多。在控制丧失的情况下，这种反EMF除了容易导致逆变电路和电容器的损坏外，还容易导致火灾。

[008]当电机运行在弱磁控制下达到非常高的转速时，电机产生的电压特别高。如果此时发生故障，产生的电压非常高。电压与电机转速与转子相对于线圈移动而由PMSM所产生的磁通量的乘积成正比。在弱磁模式下，如果控制器故障并不能控制电机，那么弱磁通量就转变成全额磁通量(由于磁通量弱化的损耗)，然而电机转速可到达其依靠旋转方式转速的正常运行转速的三或四倍之上，从而导致高的反EMF。

[009]如果在弱磁运行中在发生这样的控制器故障时，没有采取什么措施，那么DC母线电压可达到正常DC母线电压的大约三到四倍。这将导致***中电源装置和高压IC的损坏。DC母线电容也可能被损坏。一旦电源***发生损坏，由于IC板上的任何电路将可能被损坏或者补偿不起作用，它将不可能再提供一个安全的门锁定/制动装置。

[0010]因此，在栅极驱动器IC级，导致在高速运行时产生高的反EMF的弱磁运行中，这种控制不足的原因是值得进行管理和预防的。因此，本发明的一个目的在于防止电力线主电源的缺失和断线，或者是导致PMSM在高速运行时控制缺失的栅极驱动器辅助电源的缺失，目的还在于允许在没有产生能导致***元件损坏的高反EMF时电机和鼓的转速急速下降。

发明内容

[0011]根据本发明，提供了一种安全电路，用于对在PMSM以弱磁模式运行期间影响驱动永磁电机(PMSM)的逆变器电路安全的故障提供保护。所述逆变器电路包括连接在桥中的高侧和低侧开关，其由栅极驱动电路驱动，栅极驱动器包括驱动高侧和低侧开关的级。安全电路包括用于向输出级供电以驱动逆变器电路的桥的开关的主电源和备用电源。在一个实施例中，当主电源故障而不能使低侧开关导通、高侧开关关断时，备用电源向栅极驱动电路供电，低侧开关的导通能有效的将电机终端短路，制动电机并将反EMF短路。

[0012]本发明的其他特征和优点将在本发明随后的描述中参照附图变得更加清楚。

附图说明

[0013]图1所示是结合本发明保护电路的PMSM控制器和逆变器(inverter)的结构图。

[0014]图2所示是附图1的局部细节，所示为结合本发明安全电路的栅极驱动器集成电路(IC)。

[0015]图3是在电源故障情况下提供备用电源电压的保护电路的局部图。

[0016图4所示为备用电源的例子。

具体实施方式

[0017]附图1所示为一个PMSM控制器的结构图。主电源的交流电(AC)输入整流级R，它可以包括诸如一个升压变换器级。整流器R的输出是DC母线电压。DC母线电压被大容量电容C平滑。DC母线电压提供给一个逆变器级(IN)，此逆变器级(INV)将DC电压转变成AC电压用以驱动电机M相，此例中，三相为U、V、W。对于所示的三相电机，逆变器包括串联的半导体开关Q₁、Q₂；Q₃、Q₄；和Q₅、Q₆；组成的跨接DC母线的三个半桥；高侧和低侧开关的栅极HO1、LO1、HO2、LO2和HO3、LO3由栅极驱动器IC控制，栅极驱动器IC向开关提供栅极信号以适当地驱动电机运转在所期望的转速，例如通过脉宽调制(PWM)。栅极驱动器IC包括按需要驱动栅极驱动器24的控制电路CONTROL20，栅极驱动器24直接驱动开关的栅极。例如，开关可以是FET、IGBT或者是双极晶体管。

[0018]每套输出HO1、LO1；HO2、LO2和HO3、LO3具有相同的控制和输出电路；附图2所示为用于驱动U相开关的一组输出HO1和LO1中的一套的控制和驱动电路的一部分。其他两相的电路是相同的。

[0019]如附图1所示，电机控制电路包括电源(PS)，在正常运行时，其从DC母线提供DC电源Vcc来操作控制器(CON)。本发明具有一个备用电源(BPS)14，其向栅极驱动电路提供备用电压V_BCK并调整栅极驱动电路，以于在电源PS故障时电压V_BCK向栅极驱动电路供电，以确保电机迅速断电，这样电机的转速被降到一个安全的速度，反EMF被控制在安全的电平。这将采用备用电压V_BCK作为电源允许驱动器为每一相导通低侧开关，并使得每一个高侧开关关断来完成。因此电机终端被短路，其导致电机的制动和反EMF的短路。

[0020]一个选择电路30允许备用电源电压向控制和驱动电路供电，其将在后面描述。

[0021]转到图2，本发明是指向一种安全电路，其运行在设计用于驱动一个永磁同步电机(PMSM)的控制/栅极驱动电路10中。集成在控制/栅极电路(IC)10中的安全电路的一个实施例在图2中示出。电路10可以包含在图1中的栅极驱动器IC10中。安全电路可以用于包括自动洗衣机在内的许多用途，并且针对几种类型的故障提供保护。在操作以弱磁方式运行的PMSM时，这些故障可以影响在PMSM以弱磁模式运行下的被栅极驱动器10驱动的逆变器电路的安全。例如，当用于栅极驱动器的辅助电源(PS)故障或线路断路的情况，这些故障可能发生。

[0022]在由电源故障或电力电机故障或断路引起的Vcc电源PS故障的情况下，保护电路由从DC母线电容C供电的内部备用电源BPS14供电。备用电源电路的一个例子在图4中示出，并将在后详细描述。内部备用电源14不仅提供备用电压V_BCK给驱动器输出级11，驱动器输出级11驱动逆变器电路的一个桥的低侧开关，例如IGBT或FET，并且还提供给与脉冲发生器22的输出相连的预驱动器复位级18，用于关断高侧开关。

[0023]在正常操作中，当Vcc运行时，脉冲发生器22在适当的时刻向复位级18提供一个预驱动信号，以关断开关19来复位锁存器15，以关断高侧驱动器13来关断高侧开关。也在正常运行中，当Vcc运行时，脉冲发生器22在适当时刻向预驱动器级16发出一个脉冲信号，以控制开关17来设置锁存器15并导通高侧驱动器13以导通高侧开关。用于低侧开关的预驱动电路12由同样的脉冲发生器电路驱动，未示出。

[0024]如果Vcc缺失，例如由于PS故障或主电源故障或断路使得Vcc接地，图2中的保护电路偏置以备用电压V_BCK替代Vcc。V_BCK偏置复位级18和驱动器级11。当Vcc出现故障，当因Vcc故障而导致输入预驱动器信号到级18故障时，级18导通开关19而由此复位锁存器15，从而关断高侧驱动器13，以及关断高侧开关。同时，当Vcc故障而导致输入预驱动器信号故障时，用于低侧开关的驱动器11被提供有使驱动器11的输出置高的电压V_BCK，从而导通低侧开关。

[0025]相同的电路被提供用于驱动电机的V和W相的其他两个半桥的栅极。这确保栅极驱动器IC10总能够导通三个低侧电力开关，从而将三相PMSM的终端短路，制动电机并控制反EMF处于安全电平。

[0026]在Vcc电源故障中，内部备用电源14提供备用电压V_BCK，如果Vcc电压仍然存在，Vcc电压继续驱动预驱动器级12。当故障中Vcc变到接地电压电平时，输入预驱动器信号到输出驱动器级11也被直接从Vcc偏置的驱动电路11的最后一级的P沟道开关的体二极管强制到接地电压电平。V_BCK从备用电源14偏置驱动器级11以允许驱动器级11而产生一个驱动器信号来导通低侧开关。

[0027]类似地，对于高侧开关驱动器，当Vcc故障时输入到预驱动器18的预驱动信号变低，这将在开关19的栅极产生一个复位条件以驱动高侧开关关断。

[0028]总之，当Vcc故障时，备用电源V_BCK由DC母线(来自储存在大容量电容C中的电荷)供电来偏置栅极驱动器级以控制逆变器开关来控制电机转速和电机产生的反EMF在安全的电平(level)。

[0029]转到图3，保护电路包括一个选择电路30，其包括例如：三个开关、两个PMOS32、34和一个NMOS36。第一个PMOS开关32的源极连接Vcc电源，第二个PMOS开关34的源极连接V_BCK电源，第一和第二PMOS开关32、34的漏极是互相连接的。

[0030]第二个PMOS开关34的栅极连接NMOS开关36的漏极，第一个PMOS开关32的栅极连接NMOS开关36的源极，第三个NMOS开关36的栅极连接Vcc电源。

[0031]另外，电路30包括连接在第二个PMOS开关34的源极和栅极之间的电阻器38以偏置开关34的栅极。

[0032]正常操作中，当Vcc存在，来自内部备用电源14的电压V_BCK被Vcc从偏置驱动电路状态去除并且所有的电路元件，包括预驱动级12和输出级11，都接收Vcc。当Vcc故障时，电路30向图2中所示的元件提供V_BCK。为了达到此目的，从两个电源，诸如Vcc和V_BCK接收电压的电路30作为输入并且只提供一个电源输出。如果Vcc是高电位，那么电源输出就是Vcc。如果Vcc是低电位，那么电源输出就是V_BCK。

[0033]当Vcc存在时，第三开关36(Nch)置为导通；并且第二开关34(Pch)置为导通，第一开关32被使能，这样Vcc和V_BCK处于大概相同的电位。

[0034]当Vcc故障时，第三开关36置为关断并且第二开关34置为关断，第一开关32置为禁用，这样所上所述，V_BCK供给保护电路。

[0035]图4所示为能用于本发明的备用电源电路BSP14的实施例。其也在公开号为：2006/0033556A1的美国申请中描述过，其全部公开的内容在此结合作为参考。

[0036]图4所述为根据本发明的备用电源电路14的一个实施例。如图所示，该电路包括含有高压部分和低压部分的电路。高压部分包含在高压阱HW中，高压阱HW的边缘有多晶硅电阻器(螺旋R)，其可以是用于形成电磁场的螺旋形复合电阻器。所述复合电阻器的一端在高压阱中并与高压DC母线V_BUS相连，其另一个终端在低电压侧并与高压NMOSQ10的栅极相连，螺旋形电阻器R的值是几十兆欧。其用于接通高压电阻器Q10。

[0037]备用电源电路14提供一个很低电流的电源，提供例如大约12伏几十毫安培的小电流。在所示实施例中，V_BCK点电压被流过带有如所示两个齐纳二级管Z1和Z2的齐纳二级管的支路的电流保持在大约12伏。在所示实施例中，每个齐纳二级管具有5伏的雪崩电压，总共具有10伏的雪崩电压。这些齐纳二级管两端的电压降加上电阻器R3两端的电压降就等于V_BCK。这就使Q2的阈值(大约1.5伏)加上10伏则为V_BCK。

[0038]电源电路14通过如下的反馈机构调整V_BCK。如果V_BCK处电压由于某些原因增加而超过其稳态值，这将使R3两端的电压增加，从而使Q20具有更深层的导通，这样使得Q10的栅极点电压下降。栅极电压的下降降低了Q10的漏极电流，这样通过降低初始升高的V_BCK电压就关断了反馈回路。如果V_BCK的变化是相反的，例如V_BCK下降，则将导致相反的情形。

[0039]从标有V_BCK的点处引出输出。如上所述，在所示的实施例中输出电压为大约12伏。这个电压只有当Vcc故障时才需要。当Vcc存在时，所期望的是关断电源电路14以存储电力。然而这并不是必要的，甚至在正常运行时，电压V_BCK也能继续存在。在所示的实施例中，备用电源被设置为在正常运行时被关断。Q20在V_BCK检测电源输出并且通过检测R3两端的电压来提供电路的关断功能。由此，V_BCK处的和R3两端的更高的电压将进一步接通Q20(VT大约1.5伏)并且将降低电源晶体管Q10的栅极驱动。在关断后，对称装置Q30的漏极接地并且其栅极/源极连接V_BCK。这使得Q30的源极和漏极交替导通。这样，在关断操作中，Q30的交替电源电路中的R1就限制了电力的消耗。

[0040]该电路还具有短路电路保护。如果V_BCK被短路或者过载，V_BCK点以下的电路部分将被切断，并且Q10的源极将通过电阻R2接地，例如，R2可以是20K欧姆。这将使得太多的电力没有电流限制地从V_BUS消耗。在这种情况下，在短路电路操作中，Q30在R2的两端检测到一个较大的电压降并且导通，拉低Q10的栅极电压，限制最大电流。

[0041]尽管本发明已经针对其中的特别的实施例进行了详述，但是对于本领域技术人员来说，许多其它的变化和修改和其它的使用都是显而易见的。因此，优选的是，本发明不限于在此具体公开的内容。

Claims (11)

1、一种安全电路，用于对在PMSM以弱磁模式运行期间影响驱动永磁同步电机(PMSM)的逆变器电路安全的故障提供保护，所述逆变器电路包括连接在桥中并且由栅极驱动电路驱动的高侧和低侧开关，所述栅极驱动电路包括用于驱动高侧和低侧开关的级，高侧和低侧开关连接到电机终端，所述安全电路包括：

提供主电源电压的主电源和给驱动逆变器电路的桥的开关的栅极驱动电路提供备用电源电压的备用电源，

其中，如果主电源不能给栅极驱动电路传输足够的电力，备用电源则给栅极驱动器供电以允许栅极驱动电路导通低侧开关并且关断高侧开关。

2、如权利要求1所述的安全电路，其中所述安全电路用于自动洗衣机。

3、如权利要求1所述的安全电路，其中导通桥的低侧开关以短路电机终端，并使电机转速下降，并将电机中产生的电压控制在安全的电平。

4、如权利要求1所述的安全电路，进一步包括在栅极驱动电路中给每个低侧开关提供栅极驱动信号到低侧开关的驱动级，当主电源供电故障时，驱动级从备用电源接收电力并且偏置驱动级，由此当驱动级的预驱动器信号故障且当主电源电压故障时，驱动级产生栅极驱动信号来导通低侧开关以将电机短路。

5、如权利要求4所述的安全电路，进一步包括栅极驱动电路中的预驱动级，它驱动锁存器级，此锁存器级的输出给驱动高侧开关的驱动器提供输入，且其中，当主电源故障时，备用电源电压偏置预驱动级，由此，当预驱动级的预驱动信号故障且当主电源故障时，预驱动器级提供一个输出以使得高侧开关关断。

6、如权利要求1所述的安全电路，其中所述逆变器电路包括一个从AC电源向DC母线提供DC母线电压的整流器，逆变器的输入耦接到DC母线，DC母线储能电容器横向跨接在DC母线上，当主电源故障时，备用电源接收DC母线电容上所储存的电力。

7、如权利要求1所述的安全电路，进一步包括选择电路，其当主电源故障时，给栅极驱动电路提供备用电源电压。

8、如权利要求7所述的安全电路，其中所述选择电路包括第一、第二和第三开关，其中第一开关连接主电源电压，第二开关连接备用电源电压，第一和第二开关串联，第三开关具有连接主电源电压的控制电极并被连接以基于所述主电源电压是存在还是缺乏来控制第二开关是否导通或关断。

9、如权利要求6所述的安全电路，进一步包括与第三开关串联的电阻器。

10、如权利要求1所述的安全电路，其中当主电源电压存在时，备用电源电压从栅极驱动电路上去除。

11、如权利要求1所述的安全电路，其中所述备用电源包括连接DC母线的、提供下降的电压作为备用电源电压的高压晶体管。

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