具有故障主动隔离功能的冗余电机驱动电路的制作方法

本发明涉及电机驱动控制，尤其涉及一种具有故障主动隔离功能的冗余电机驱动电路。

背景技术：

1、在直流电机驱动系统中，h桥电路是最基本的拓扑结构，由四个功率mos管构成两个半桥，通过控制各mos管的导通与关断，实现电机正反转及调速控制。然而，在实际工程应用中，功率mos管长期工作在高电压、大电流、高频开关的恶劣环境下，容易因过压、过流、过热等原因发生短路或开路故障。一旦某一桥臂的mos管发生短路故障，将导致母线直接短路，产生巨大的短路电流，不仅会损坏驱动电路本身，还可能烧毁电机、引发火灾等严重后果。

2、为提高系统可靠性，冗余设计被广泛采用。常见的冗余方案包括：双h桥并联冗余、备用桥臂冗余等。其中，备用桥臂冗余方案通过增加一个或几个备用桥臂，在故障发生时将故障桥臂切换至备用桥臂，以维持系统继续运行。

3、现有的电路在每个h桥旁增设一个冗余臂，冗余臂由两个mos管串联构成；

4、冗余臂的中点通过双向晶闸管与电机相连；

5、当主桥臂发生开路故障时，控制系统通过触发双向晶闸管，将冗余臂接入电路，替代故障桥臂，实现开路故障的容错运行。

6、然而，该电路存在以下根本性技术缺陷：

7、（1）无法隔离短路故障。双向晶闸管是一种半控型器件。一旦双向晶闸管因过压或过流被击穿，其内部pn结会发生不可逆的短路性失效，此时即使撤去门极触发信号，器件仍保持短路状态，无法关断。这意味着，如果某一主桥臂的mos管发生短路故障，短路电流会直接通过双向晶闸管流向电机和电源，冗余臂不仅无法起到隔离作用，反而会加剧故障扩散。

8、（2）短路故障下冗余完全失效。由于该电路中的冗余隔离器件不具备主动关断能力，当系统中最需要冗余介入的短路故障发生时，冗余臂反而成为故障电流的通道，导致系统彻底崩溃，无法实现“容错”的目的。因此，该电路实际上只能应对开路故障，对短路故障无能为力。

9、（3）驱动电源复杂。该电路未对驱动电源进行优化设计，通常需要为冗余臂单独配置驱动电源，增加了系统成本和复杂度。

10、因此，有必要提供一种新的具有故障主动隔离功能的冗余电机驱动电路来解决上述技术问题。

技术实现思路

1、本发明的主要目的是提供一种具有故障主动隔离功能的冗余电机驱动电路，旨在解决现有的直流电机驱动电路无法隔离短路故障、短路故障下冗余完全失效及驱动电源复杂的技术问题。

2、为实现上述目的，本发明提出的具有故障主动隔离功能的冗余电机驱动电路，包括：

3、第一桥臂：包括串联的第一mos管和第二mos管，第一mos管的漏极接正母线，第二mos管的源极接负母线，第一mos管的源极与第二mos管的漏极相连形成第一桥臂中点；

4、第二桥臂：包括串联的第三mos管和第四mos管，第三mos管的漏极接正母线，第四mos管的源极接负母线，第三mos管的源极与第四mos管的漏极相连形成第二桥臂中点；

5、第三桥臂：包括串联的第五mos管和第六mos管，第五mos管的漏极接正母线，第六mos管的源极接负母线，第五mos管的源极与第六mos管的漏极相连形成第三桥臂中点；

6、第四桥臂：包括串联的第七mos管和第八mos管，第七mos管的漏极接正母线，第八mos管的源极接负母线，第七mos管的源极与第八mos管的漏极相连形成第四桥臂中点；

7、其中，第一桥臂与第二桥臂组成第一并联桥臂组，第三桥臂与第四桥臂组成第二并联桥臂组。

8、本发明的具有故障主动隔离功能的冗余电机驱动电路的进一步改进在于，第一桥臂的中点引出并连接至第九mos管的第一主电极；

9、第二桥臂的中点引出并连接至第十mos管的第一主电极；

10、第三桥臂的中点引出并连接至第十一mos管的第一主电极；

11、第四桥臂的中点引出并连接至第十二mos管的第一主电极。

12、本发明的具有故障主动隔离功能的冗余电机驱动电路的进一步改进在于，第九mos管的第二主电极与第十mos管的第二主电极相互连接，形成第一电机连接端，用于连接直流电机的第一端；

13、第十一mos管的第二主电极与第十二mos管的第二主电极相互连接，形成第二电机连接端，用于连接直流电机的第二端。

14、本发明的具有故障主动隔离功能的冗余电机驱动电路的进一步改进在于，第一mos管至第八mos管的栅极分别接收来自外部控制器的pwm控制信号，用于产生驱动电机的正转、反转、调速、制动的工作状态。

15、本发明的具有故障主动隔离功能的冗余电机驱动电路的进一步改进在于，第九mos管至第十二mos管的栅极分别接收独立的隔离控制信号，用于独立控制各引出mos管的导通与关断。

16、本发明的具有故障主动隔离功能的冗余电机驱动电路的进一步改进在于，第九mos管至第十二mos管均为n沟道金属氧化物半导体场效应晶体管，各个引出mos管的漏极接桥臂中点，源极接电机连接端，栅极接高电平时导通。

17、本发明的具有故障主动隔离功能的冗余电机驱动电路的进一步改进在于，第九mos管至第十二mos管采用p沟道金属氧化物半导体场效应晶体管，对应的控制逻辑电平反相。

18、本发明的具有故障主动隔离功能的冗余电机驱动电路的进一步改进在于，第一并联桥臂组中的第一桥臂与第二桥臂共用同一路直流母线电源，第二并联桥臂组中的第三桥臂与第四桥臂共用同一路直流母线电源；两组并联桥臂组共用同一组母线电源，或分别使用独立的母线电源。

19、本发明的具有故障主动隔离功能的冗余电机驱动电路的进一步改进在于，还包括驱动电源，该驱动电源用于所有的mos管的栅极驱动电路供电。

20、本发明的具有故障主动隔离功能的冗余电机驱动电路的进一步改进在于，还包括一个电流采样电阻，其一端连接至负母线v-网络，另一端连接至gnd，用于检测母线电流。

21、本发明的技术方案，具有以下有益效果：

22、本发明所提供的具有故障主动隔离功能的冗余电机驱动电路，利用金属氧化物半导体场效应晶体管（mosfet）的全控特性，在桥臂mos管短路后，通过栅极控制快速关断中点引出mos管，切断故障电流通路，实现真正的短路故障隔离。本发明未选中的备用桥臂由于三管串联，承受的过压应力更低，不易损坏，保证了冗余备份在关键时刻有效。本发明同样具备隔离开路故障的能力，可实现系统降额运行。金属氧化物半导体场效应晶体管（mosfet）的开关时间为纳秒至微秒级，远快于继电器方案，可在短路电流造成破坏之前完成隔离。解决了现有的直流电机驱动电路无法隔离短路故障、短路故障下冗余完全失效及驱动电源复杂的技术问题。

1.一种具有故障主动隔离功能的冗余电机驱动电路，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的具有故障主动隔离功能的冗余电机驱动电路，其特征在于，第一桥臂的中点引出并连接至第九mos管（q9）的第一主电极；

3.根据权利要求2所述的具有故障主动隔离功能的冗余电机驱动电路，其特征在于，第九mos管（q9）的第二主电极与第十mos管（q10）的第二主电极相互连接，形成第一电机连接端（m+），用于连接直流电机的第一端；

4.根据权利要求3所述的具有故障主动隔离功能的冗余电机驱动电路，其特征在于，第一mos管（q1）至第八mos管（q8）的栅极分别接收来自外部控制器的pwm控制信号，用于产生驱动电机的正转、反转、调速、制动的工作状态。

5.根据权利要求4所述的具有故障主动隔离功能的冗余电机驱动电路，其特征在于，第九mos管（q9）至第十二mos管（q12）的栅极分别接收独立的隔离控制信号，用于独立控制各引出mos管的导通与关断。

6.根据权利要求2所述的具有故障主动隔离功能的冗余电机驱动电路，其特征在于，第九mos管（q9）至第十二mos管（q12）均为n沟道金属氧化物半导体场效应晶体管，各个引出mos管的漏极接桥臂中点，源极接电机连接端，栅极接高电平时导通。

7.根据权利要求2所述的具有故障主动隔离功能的冗余电机驱动电路，其特征在于，第九mos管（q9）至第十二mos管（q12）采用p沟道金属氧化物半导体场效应晶体管，对应的控制逻辑电平反相。

8.根据权利要求1所述的具有故障主动隔离功能的冗余电机驱动电路，其特征在于，第一并联桥臂组中的第一桥臂与第二桥臂共用同一路直流母线电源，第二并联桥臂组中的第三桥臂与第四桥臂共用同一路直流母线电源；两组并联桥臂组共用同一组母线电源，或分别使用独立的母线电源。

9.根据权利要求1所述的具有故障主动隔离功能的冗余电机驱动电路，其特征在于，还包括驱动电源，所述驱动电源用于第一mos管（q1）至第十二mos管（q12）的栅极驱动电路供电。

10.根据权利要求1所述的具有故障主动隔离功能的冗余电机驱动电路，其特征在于，还包括一个电流采样电阻，其一端连接至负母线，另一端连接至gnd，用于检测母线电流。