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用于直流马达控制的整合型H桥式电路

时间:2003-10-01 00:00来源:compotechasia.com 作者:admin 点击:
摘要
为了提高新一代汽车的舒适性和安全性,在汽车中使用了不少马达。这些马达是用来控制雨刮器、天窗、车门锁、车窗的打开和关闭、发动机的油门、暖气通风和空调系统以及自动剎车控制等等。在前面列举的各种应用中,有很多工业装置使用了H型桥式电路:例如机器人、钻床以及各种需要控制马达的设备。由于出现了新的封装技术和的整合型电路芯片,现在可以把直流马达的驱动电路全部整合起来。本文介绍使用意法半导体公司(STMicroelectronics)提供的整合型组件来驱动直流马达,并且讨论了解决这些成组件在应用中出现的一些问题的方法。

一、引言
在最近几年中,在一辆汽车中使用的马达数量大量地增加,它们用于雨刷、天窗、车门锁、车窗的开和关、发动机油门的控制、暖气通风和空调、自动剎车控制等等。
上面讲到的应用中有许多使用了直流马达,而控制直流马达的方法基本上有两种:单极性驱动和双极性(双向)驱动。
在单极性驱动的情况下,电池电压加在马达上的电压只有一个极性。这就是说,把一颗开关和马达串联起来,用它控制这个执行机构。开关可以接在高压,也可以接在低压。如果开关是接在高压,就需要使用充电泵;把开关接在低压就比较容易实现。在这种应用中,自然是选择把开关串联在低压。由于这种单极性电路本身的特点,不能监控马达的电流(力矩),没有办法控制马达的施转方向。
在使用双极性控制的情况下,往往是使用H型桥式电路(图1)。桥式电路需要使用四颗开关:在电池和负载之间有两颗开关;在负载与系统地之间有两颗开关。由于这个电路使用了四颗颗开关,电流可以沿两个方向流动,负载两端的电压以及流过负载的电流的极性可以是正的,也可以是负的。


二、意法半导体公司的H型桥式电路 

  意法半导体公司研制了一种崭新的H型桥式电路用于控制大电流直流马达。这种组件是装在新的MultiPowerSO-30 封装中(图2),其中分成三个区域,外面露出三个金属焊盘。该组件的尺寸为16 x 17.2 x 2 mm。这种封装是专门为汽车这种恶劣的环境而设计的。由于裸芯片上的焊盘是露在外面,改善了散热性能。而且,在机械方面是设计成对称的,便于电路板的制造。
Fig. 2: Internal view of the device 
这个组件基本上是由以下三部分组成:高压驱动电路,包括使用VIPower技术制造的场效晶体管以及所有的逻辑电路;两个不同的低压开关,它们是用PowerMESH技术制造的场效晶体管。
VNH2SP30和VNH3SP30两种组件属于这种新一代的H型桥式电路。组件内部有保护电路,在出现负载开路和负载短路、内部结点温度过高、电压过高或者电压过低这些常见问题时,内部的保护电路和诊断反馈电路便起作用,因而不会损坏组件。输入信号直接连接到外面的微处理器上,可以选择马达的转动方向和控制状态,并且监测马达中的电流。 
 图3是该组件的架构图。由于马达属于电感性负载,每颗开关都需要反向并联一颗反驰二极管,当组件工作在关断阶段时,为电流提供一个通路,从而避免出现电压尖脉冲。
这些H型桥式电路的主要性能和特点如下:
  导通电阻RDS(on) :
VNH2SP30的H桥两个通路的导通电阻均为17m (高压+低压)。
VNH3SP30的H桥两个通路的导通电阻均为45m (高压+低压)。
  脉冲宽度调制(PWM):H型桥式电路的负载两端上的平均输出电压由脉动宽度调制电路来控制。对于VNH3SP30,组件的工作频率高达10KHz;对于VNH2SP30,组件的工作频率高达20KHz 。
  电流过载保护:30A。
  敏感电流的方法(仅VNH2SP30具有这项功能):镜像电流,相对于流过负载的电流的比例系数是K。这个电流是用于监测马达的状态。
  组件中的逻辑电路检测是否出现短路到VCC、对地短路,或者负载两端是否出现短路。它比较低压开关上面的电压降Vds与内部的一个固定电压之间的差别,从而检测是否存在短路。
  温度过高保护:如果组件在印刷电路板上没有足够的空间进行冷却,或者组件过载,它们的温度会升高。当内部的结温上升到150 ℃(最低温度)时,热保护功能便立即把内部组件切断。当结温下降大约15℃时,便回到正常工作状态。
  电压过高、电压过低: 当电压超出一定范围时,内部的电路便把组件切断。对于VNH2SP30,当电压在5V,,,16V这个范围以外,对于VNH3SP30,当电压在5.5V,,,36V这个范围之外时,内部电路把组件切断。
  H型桥式电路同一侧两颗开关的同时导通保护: 参看图3,用内部的两个HSD电路来防止H型桥式电路中同一侧的两颗开关出现同时导通的现象。
  不存在穿通的问题: 这项保护功能是与桥式电路常见的动态过程有关。参看图1。设想HS1和LS2这两颗开关处于导通状态。一旦外面的电路让这两颗开关进入关闭状态,让另外两颗开关HS2和LS1进入导通状态,也就是原先是HS1和LS2这两颗开关导通变成了 HS2和LS1这两颗开关导通,从而改变马达的转动方向。 

一旦LS1进入导通状态,便产生一个dv/dt,这个变化会通过高压的电容Cgd耦合过去。在这种情况下,与dv/dt成正比的电流便会流过高压场效晶体管HS1栅源之间的电容器,对它充电,使得场效晶体管HS1回到导通状态。于是产生一个电流,它没有经过负载,而是直接从电池流到地,它不会受到马达的限制,对于组件来讲是很危险的。
VNHxSP30系列组件不会出现这种现象,这是因为对栅极电荷进行了优化,并且在内部电路中引入了适当的停止动作时间。为了进行正常的正转、反转及制动,外面的微处理器可以迫使桥式电路的输入信号按表1中的真值表运作(OUTA 是左半桥的中点,而OUTB 是右半桥的中点)。
信号EN用于确定桥路中那个臂导通。状态IN = 1表示与这个臂有关的HS开关处于导通状态,而 LS开关是处于关断状态(在IN=0 时,开关HS 处于关断状态,而开关LS处于导通状态)。不论是哪种情形,PWM信号为逻辑低电平时将把低压开关切断。
 当PWM 信号上升为逻辑电位时,开关LS1 或者LS2 又开通。这取决于输入的状态。一旦出现故障,在内部把信号EN拉到低电平。可能出现的故障有以下两种:
  功率输出与地短路(在开关HS上的内部过温传感器检测温度升高的数值,它迫使有故障的臂处于逻辑低电平)。
  过热(即使不是处在制动状态,内部温度仍上升,内部的热保护电路动作,它的工作过程与前述相同)。
对信号EN进行监测便可以得到有关功率桥式电路工作状态的信息。不论是哪种情况,当检测到故障时,桥式电路中有故障的臂便关断并维持关断状态。输入信号必须再次从低电平上升到高电平,才能让它导通,相应地产生输出信号。 

三、当电池极性接反时如何保护H型桥式电路
如果在H型桥式电路上加上极性为负的信号时(若此电压高于1.5 V),反驰二极管成为正向偏置(图4)。这表示在桥式电路中流过的电流很大,不受任何限制,它有可能损坏原来的二极管,而且会损坏功率开关,这是很明显的。为了保护组件,可以在它外面采用保护措施。图5是几种可以采用的保护方案,各个方案各有其优点和缺点。

方案a:保险丝 + 二极管。当电池接反了的时候,接在电池正电压端与地之间的二极管(图5a)把内部的二极管旁路,迫使电流从保险丝上流过。当保险丝熔断时,加在电路上的电源便切断。这个方法很容易实现,费用也很低,但是每次把电池接反之后,都要更换保险丝。

方案b:在正电源上串联一颗萧特基二极管如图5b所示。当电池的极性接反了的时候,这颗萧特基二极管避免电流进入桥式电路。
这个方案很容易实现,费用属于中等。对于工作在电流很大的桥式电路,在萧特基二极管上的电压降落可能很大。

方案c:在该组件与地之间接一颗导通电阻RDS(on) 很小的N型通道场效晶体管。H型桥式电路是经过场效晶体管的Vds接到地上去,而这颗场效晶体管的栅极是接到电池上,因而总处于导通状态。如果电池极性反了,N型构道切断,没有电流流到桥式电路上去。为了保护场效晶体管不会因为来自电池的大脉冲而损坏,可以插入一颗电阻器和一颗背靠背串联的二极管。采用这个方案时,在这颗场效晶体管上面有一个电压降落,但是它只保护一个组件。
 
方案d:在供电电源与组件之间串联一颗导通电阻RDS(on)很小的P型通道场效晶体管(图5d)。H型桥式电路通过P信道埸效晶体管的Vds接到电源上。和前一方案一样,当桥式电路正常工作时,场效晶体管总是处在导通状态。一旦电池极性接反了,P型通道场效晶体管便切断,在桥式电路中便没有电流流过。采用这个方案时,在这颗场效晶体管上面有一个电压降落,但是它保护接到Vcc电源在线的所有组件。这方案的成本比起用N型通道场效晶体管的方案要高一些。由于在供电电源端有一颗开关,可以使用N通道场效晶体管。在这种情况下需要另外用一颗充电泵来驱动场效管开关。

四、使用整合型H型桥式电路的优点

前面我们介绍了整合型的H型桥式电路,它里面有控制器以及四颗导通电阻RDS(on)很低的场效晶体管开关。这种组件是专门为需要很大电流的直流马达的控制而设计的。
这种组件有正转、反转和制动三种工作方式。VNHx组件具有保护功能,能够防止电压过高或过低、电流过大、温度过高、桥式电路同一侧的两颗关同时导通、穿通、短路到地、短路到电源Vcc等问题而造成损坏。它还有一点是很有意义的,这就是它所使用的封装。在前面讲到过,这种新的组件是采用 MultiPowerSO-30 封装(图.6)。
封装技术的发展方向是采用表面黏着封装。对于大功率应用也是如此。事实上,由于系统要求小型化,因而需要提高硅芯片面积与封装尺寸的比值,同时降低它的厚度。 
压焊线技术也向着金、铝、铜混合使用的方向演变。采用金、铝、铜混合使用的技术时,在大功率的情况下,对脉冲电流和直流电流的限制不复存在。 
此外,使用单片系统和单封装系统可以大量地减少印刷电路板上的连接走线,信号线和电源线两者都包括在内。
特别是,由于减少了电源的连接线,大量地减少了电源走线电阻所引起功率损耗,并且减少了寄生效应。分布电感这种寄生效应会引起电磁干扰方面的问题。所有这些问题都与接地反射有关。 
减少芯片之间的连接线,这不仅简化了设计,也降低了装配的成本,提高了系统的密度同时改善了整个系统的可靠性。

MultiPowerSO-30封装与普通的大功率封装比较起来,有以下优点:

  在顶部的焊盘和在底部的焊盘是焊到芯片上,因而形成一条从硅芯片到外面的焊盘之间的散热通路,它的热阻很小,同时热容量很大,可以吸收在切换时在很短时间内出现的很大功率。

  封装是对称的,这表示不存在不平行的焊点,而对于不对称的表面黏着组件,不平行的焊点是很常见的。

  焊盘是露在外面的,改善了散热性能。当焊盘是焊接在面积为7cm2的标准FR4印刷电路板上时,热阻 Rθj-a 为26°C/W。由于热阻这么小,不必使用大散热器,而现有的产品大部分需要很大的散热器,因此设计人员可以显著地节省印刷电路板的空间。

最后,总结一下VNHx系列组件的优点如下:

-它把整个大功率桥式电路都装在一个封装中。
-减少空间、降低成本。
-热性能比较好。
-采用多芯片大功率表面黏着封装,其中装有三块硅芯片(一块是高压开关和逻辑电路,两块低压场效晶体管)。
-当装在FR4印刷电路板上、用于驱动10 A的直流马达时,在外面不需要装散热器。
-只需要用一个 PWM 接口接到外面的微处理器上去。.
(责任编辑:admin)
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