燃氣熱水器直流風(fēng)機MOS管控制電路改進的實驗研究

黃 智

(廣東萬和新電氣股份有限公司廣東,佛山 528305)

0 引 言

目前燃氣熱水器大多使用無刷直流風(fēng)機進行排煙氣。而無刷直流風(fēng)機一般都是通過MOS管進行控制的[1]。由于相同供應(yīng)商MOS管生產(chǎn)批次一致性的問題和不同供應(yīng)商參數(shù)的差異,使用固定一種MOS管控制電路和軟件控制程序,會導(dǎo)致MOS管溫升過高和風(fēng)機運行效率不穩(wěn)定的問題。本文針對無刷直流風(fēng)機進行控制時出現(xiàn)MOS管溫升過高和風(fēng)機運行效率不穩(wěn)定的問題進行了研究,提出了對應(yīng)的解決方案。全新設(shè)計的方案在MOS管控制電路上增加了自適應(yīng)調(diào)節(jié)電路,同時在控制軟件上應(yīng)用了一種可以自適應(yīng)調(diào)節(jié)的七段控制模式和五段控制模式切換控制的方法。隨后把新設(shè)計的電路應(yīng)用在燃氣熱水器控制器上,并進行了實驗研究論證。結(jié)果表明,應(yīng)用該電路和軟件控制方法可以適應(yīng)同一個供應(yīng)商各批次和同規(guī)格不同供應(yīng)商MOS管的參數(shù)差異性,同時提高了對運行環(huán)境的適應(yīng)性,從而解決了由于MOS管參數(shù)差異導(dǎo)致溫升變高的問題和風(fēng)機運行效率降低的問題。最終提升了燃氣熱水器的性能和可靠性,滿足了用戶的需求。

1 原因分析

1.1無刷直流電動機及其MOS管控制技術(shù)國內(nèi)外發(fā)展歷程

無刷直流電動機的基本結(jié)構(gòu)主要由電機本體、功率MOS管控制電路及位置傳感器組成[2]。在國外,從20世紀10年代提出無刷直流電動機到60年代樣機的試制成功,進行了長期的研究和探索。到了20世紀80年代隨著釹鐵硼等高性能永磁材料和MOS管性能的提升,無刷直流電動機得以廣泛發(fā)展和應(yīng)用。國內(nèi)對于無刷直流電動機的研究始于20世紀70年代,起步較晚,技術(shù)相對落后,但是隨著研究的深入,到目前為止已經(jīng)取得了一些成果。并逐漸應(yīng)用于機械設(shè)備、汽車工業(yè)、醫(yī)療器械和家用電器等領(lǐng)域。而無刷直流電動機中功率MOS管控制電路涉及到MOS管的開關(guān)時序控制,直接影響無刷直流風(fēng)機的效率和可靠性。國外功率MOS管的控制電路一般以單路集成電路配合固定的控制電阻電容為主,如IR系列[3];而在國內(nèi)功率MOS管的控制電路主要以多路集成電路配合固定的控制電阻電容為主。

1.2無刷直流風(fēng)機MOS管控制中出現(xiàn)MOS管溫升高和風(fēng)機運行效率不穩(wěn)定的原因

目前,無刷直流風(fēng)機MOS管控制電路一般是通過分立元件配合MOS管的相關(guān)參數(shù)來搭建的[4]。

而使用分立元件的方案,一般控制MOS管的柵極驅(qū)動電阻和柵極-漏極之間的電容都是固定配置的,而且無刷直流風(fēng)機控制軟件中對于MOS管的控制也是通過固定模式來控制的。當(dāng)MOS管的參數(shù)出現(xiàn)波動時(同品牌批次不同引起參數(shù)波動和同規(guī)格不同品牌引起參數(shù)波動),就會出現(xiàn)MOS管的溫升變高以及無刷直流風(fēng)機運行效率降低的問題。下面針對目前分立元件方案控制MOS管出現(xiàn)的問題進行具體的原因分析。

1.2.1 MOS管控制電路適應(yīng)性差導(dǎo)致MOS管溫升變高和風(fēng)機運行效率降低

根據(jù)MOS管的控制原理可知,MOS管的溫升主要和MOS管的開關(guān)速度和開關(guān)振蕩幅值有關(guān)。由于目前電路中柵極控制電阻和柵極-漏極之間電容是固定配置,當(dāng)MOS管批次不同和品牌不同導(dǎo)致內(nèi)部參數(shù),如RDS內(nèi)阻、Css結(jié)電容和體二極管反向恢復(fù)時間tRR等參數(shù)發(fā)生變化時,就會引起MOS管的開關(guān)速度和開關(guān)振蕩幅值發(fā)生變化,導(dǎo)致同樣運行環(huán)境下MOS管的溫升變高。同時當(dāng)柵極控制電阻和柵極-漏極之間電容與MOS管內(nèi)部參數(shù)不匹配時,也會導(dǎo)致MOS管的開關(guān)效率降低,從而降低風(fēng)機的運行效率。

1.2.2 MOS管軟件控制兼容性差導(dǎo)致MOS管溫升變高和風(fēng)機運行效率降低

目前,無刷直流風(fēng)機的MOS管控制一般是通過SVPWM(空間矢量脈寬動態(tài)調(diào)制)的方式進行控制[5]。具體的又分為五段式控制模式和七段式控制模式。七段式控制模式優(yōu)點為調(diào)制電流更接近于正弦波,風(fēng)機運行穩(wěn)定性高,諧波干擾少,但是開關(guān)次數(shù)多,開關(guān)損耗大,從而導(dǎo)致功率MOS管溫升變高;而五段式控制模式優(yōu)點為開關(guān)次數(shù)少,功率MOS管溫升低,開關(guān)損耗小,但是調(diào)制電流諧波干擾大,導(dǎo)致風(fēng)機運行穩(wěn)定性差。所以單一的使用其中一種控制模式,無法兼容滿足MOS管溫升低和風(fēng)機運行效率高且穩(wěn)定的需求。

2 降低MOS管溫升和提高風(fēng)機運行效率穩(wěn)定性的方法

從以上分析的無刷直流風(fēng)機控制MOS管出現(xiàn)溫升高和風(fēng)機運行效率低的原因可知,可以通過下面兩種途徑來降低MOS管的溫升和提高風(fēng)機運行效率的穩(wěn)定性。

2.1增加MOS管控制調(diào)節(jié)電路,提高對MOS管參數(shù)的自適應(yīng)性

針對MOS管控制電路中由于MOS管內(nèi)部參數(shù)的差異性引起的MOS管溫升升高和風(fēng)機運行效率降低,穩(wěn)定性差的問題,可以通過增加全新設(shè)計的MOS管控制調(diào)節(jié)電路來解決。具體步驟如下:

(1)在運行溫度最高的MOS管附近增加一路測溫電路,對該MOS管的溫度進行實時監(jiān)測和記錄(作為后續(xù)軟件調(diào)節(jié)MOS管控制電路參數(shù)的依據(jù));

(2)在MOS管控制電路上增加多路調(diào)節(jié)電路,使得可以適配各個品牌各個批次MOS管參數(shù);

(3)在MOS管控制軟件上增加MOS管參數(shù)自調(diào)節(jié)功能,通過對MOS管溫升、直流風(fēng)機運行效率的監(jiān)測,實現(xiàn)MOS管控制電路相關(guān)軟硬件參數(shù)自適應(yīng)匹配不同品牌不同批次的MOS管。

具體電路原理圖,如圖1所示。

圖1 帶調(diào)節(jié)功能的MOS管控制電路原理圖

由圖1可知,該控制調(diào)節(jié)電路主要由兩部分組成。一部分是MOS管溫度檢測電路,主要由熱敏電阻R48和對應(yīng)的分壓電阻組成。當(dāng)MOS管溫度發(fā)生變化時,熱敏電阻R48的阻值會相應(yīng)發(fā)生變化,這樣對應(yīng)的分壓電壓也會同步發(fā)生變化。隨后通過TP端口把對應(yīng)的分壓電壓值傳輸給單片機的ADC接口來檢測這個溫度的具體數(shù)值,這樣就完成對MOS管的溫度檢測。而由于柵極控制電阻以及濾波電容的相關(guān)參數(shù)與MOS管的內(nèi)部參數(shù)(如:RDS內(nèi)阻、Css結(jié)電容和體二極管反向恢復(fù)時間tRR)需要匹配才能保證MOS管運行的溫升和工作效率達到較好的狀態(tài)。所以另一部分設(shè)計了MOS管控制電阻和濾波電容調(diào)節(jié)電路,主要由高中低三檔柵極控制電阻和濾波電容組成。這里以UH對應(yīng)這一路為例:該端口對應(yīng)的高檔柵極控制電阻R3=100R(此時通過軟件配置使UH_R3端口、UH_R4端口和UH_R5端口斷開);當(dāng)需要變?yōu)橹袡n柵極控制電阻時,通過軟件配置把UH_R3端口和UH_R4端口連接起來(UH_R5端口保持斷開),就實現(xiàn)了R3= 100R和R4= 150R并聯(lián),則等效柵極控制電阻為(R3//R4)= 60R;當(dāng)需要變?yōu)榈蜋n柵極控制電阻時,通過軟件配置UH_R3端口和UH_R5端口(UH_R4端口斷開)連接起來,就實現(xiàn)了R3= 100R和R5= 56R并聯(lián),則等效柵極控制電阻為(R3//R5)= 36R;當(dāng)需要接入濾波電容時,通過軟件配置把UH_R3端口和U端口連接起來,就實現(xiàn)了C5 = 1 nF并聯(lián)到MOS管Q2的柵極和源極之間。若不需要要接入濾波電容時,則通過軟件配置把UH_R3端口和U端口斷開即可。當(dāng)風(fēng)機在運行過程中,先選擇高檔柵極控制電阻進行MOS管的控制,然后通過MOS管溫度檢測電路對最高溫度的MOS管進行持續(xù)監(jiān)測,當(dāng)檢測到MOS管的溫升值達到預(yù)設(shè)的閾值時,則通過MOS管控制電阻和濾波電容調(diào)節(jié)電路對控制電阻和濾波電容進行調(diào)整,直到MOS管的溫升恢復(fù)到預(yù)設(shè)的正常值范圍;同理,當(dāng)風(fēng)機在運行過程中,通過風(fēng)機驅(qū)動單片機對風(fēng)機的運行轉(zhuǎn)速進行持續(xù)的監(jiān)測,當(dāng)監(jiān)測到同等輸入功率的風(fēng)機檔位下,如輸入功率為8W時,風(fēng)機的運行轉(zhuǎn)速偏離設(shè)定的風(fēng)機轉(zhuǎn)速閾值時,則認為此時的風(fēng)機運行效率不穩(wěn)定(輸入功率恒定,輸出轉(zhuǎn)速可等效為輸出功率,風(fēng)機運行效率為輸出功率與輸入功率的比值),則通過MOS管控制電阻和濾波電容調(diào)節(jié)電路對控制電阻和濾波電容進行調(diào)整,直到風(fēng)機運行轉(zhuǎn)速恢復(fù)到預(yù)設(shè)的正常值范圍。

隨后對UH這一路高中低三檔控制電阻以及配合濾波電容的MOS管控制開關(guān)電壓Ugs關(guān)斷振蕩波形(對應(yīng)圖1中標號為Q2的MOS管g極和s極之間的電壓)進行了測量,具體如圖2所示。

圖2 不同檔位及配合濾波電容對應(yīng)MOS管控制電壓關(guān)斷振蕩波形圖

從圖2可以看出,高中低三個檔位對應(yīng)的控制電壓關(guān)斷振蕩時間不同,同時在相同的檔位下增加濾波電容會對控制電壓關(guān)斷振蕩波形的幅值有影響。這樣就說明,通過改變MOS管控制電阻以及濾波電容,可以改變MOS管控制電壓關(guān)斷振蕩波形的時間和幅值。而這個關(guān)斷振蕩波形直接影響MOS管的運行溫升和工作效率穩(wěn)定性。

這樣通過圖1的電路和對應(yīng)的軟件控制配置就可以實現(xiàn)降低MOS管溫升和提高風(fēng)機運行效率穩(wěn)定性的目的。

2.2增加兩種MOS管控制模式切換控制的軟件控制方法,提高對MOS管參數(shù)的自適應(yīng)性

針對目前MOS管控制電路中軟件控制模式單一、對MOS管參數(shù)兼容性差而導(dǎo)致MOS管運行時溫升升高和風(fēng)機運行效率降低穩(wěn)定性差的問題,全新設(shè)計了一種雙模式切換控制的軟件方法,來降低MOS管的溫升以及提高風(fēng)機運行效率的穩(wěn)定性,具體軟件工作流程圖如圖3所示。

圖3 MOS管軟件控制流程圖

從圖3可以看出,在直流風(fēng)機開始運行時,通過溫度檢測電路對MOS管進行初始溫度的檢測和記錄,然后在后續(xù)運行中持續(xù)對最高運行溫度的MOS管進行監(jiān)測,可以獲得MOS管的溫升T。隨后按照MOS管的工作溫度范圍制定七段式和五段式模式運行切換的前提條件。這樣就可以使MOS管的溫升運行在一個可控制的范圍內(nèi),同時MOS管溫升的穩(wěn)定也會提高直流風(fēng)機運行效率的穩(wěn)定性,從而實現(xiàn)了對不同品牌不同批次的MOS管參數(shù)的兼容。

3 無刷直流風(fēng)機MOS管控制電路改進后的測試驗證

為驗證MOS管控制電路改進前后的實際效果,選取了某款燃氣熱水器控制器進行了測試。該測試主要從以下兩個方面進行。

3.1硬件上增加自調(diào)節(jié)電路后的MOS管的溫升和風(fēng)機運行效率的對比

該實驗選用圖1的帶MOS管控制調(diào)節(jié)電路的燃氣熱水器控制器來進行測試。隨后選取一定數(shù)量的熱水器控制器,對增加調(diào)節(jié)電路后的MOS管控制電路進行MOS管溫升測試(利用紅外測溫儀)和風(fēng)機運行效率測試(利用轉(zhuǎn)速測試儀)。MOS管溫升測試的方法是隨機選取9個燃氣熱水器控制器,分別焊接A、B、C三個品牌的MOS管,以及每個品牌三個不同批次的MOS管進行運行溫升測試,具體測試結(jié)果如表1所示。風(fēng)機運行效率測試的方法是隨機選取3個燃氣熱水器控制器,分別焊接A、B、C三個品牌的MOS管,再分別測試風(fēng)機在高中低三個檔位下的運行轉(zhuǎn)速,具體測試結(jié)果如表2所示。

表1 MOS管溫升測試數(shù)據(jù)表

由表1可知,增加MOS管控制調(diào)節(jié)電路后,可以降低MOS管運行時的溫升。由表2可知,在相同的輸入功率下,增加自調(diào)節(jié)電路后,可以提高風(fēng)機的轉(zhuǎn)速,這樣就可以認為風(fēng)機的效率得到提高。從而驗證了帶調(diào)節(jié)功能的MOS管控制電路可以降低MOS管的運行溫升和提高風(fēng)機運行效率的可行性。

表2 風(fēng)機運行轉(zhuǎn)速測試數(shù)據(jù)表

3.2軟件上增加兩種模式切換處理后的MOS管溫升和風(fēng)機運行效率的對比

實驗使用圖3的軟件控制流程對燃氣熱水器直流風(fēng)機MOS管進行軟件控制測試。隨后選取一定數(shù)量的熱水器控制器,在軟件上增加兩種控制模式處理后,對MOS管控制電路進行MOS管溫升測試(利用紅外測溫儀)和風(fēng)機運行效率測試(利用轉(zhuǎn)速測試儀)。MOS管溫升測試的方法是隨機選取9個燃氣熱水器控制器,分別焊接A、B、C三個品牌的MOS管,以及每個品牌三個不同批次的MOS管進行運行溫升測試,具體測試結(jié)果如表3所示。風(fēng)機運行效率測試的方法是隨機選取3個燃氣熱水器控制器,分別焊接A、B、C三個品牌的MOS管,再分別測試風(fēng)機在高中低三個檔位下的運行轉(zhuǎn)速,具體測試結(jié)果如表4所示。

表3 MOS管溫升測試數(shù)據(jù)表

表4 風(fēng)機運行轉(zhuǎn)速測試數(shù)據(jù)表

通過表3可知,軟件上增加了兩種模式切換控制后,可以降低MOS管運行時的溫升;通過表4可知,在相同的輸入功率下,增加兩種模式切換控制后,可以提高風(fēng)機的轉(zhuǎn)速,這樣就可以認為風(fēng)機的效率得到提高。從而驗證了增加兩種模式切換控制的方法可以降低MOS管的運行溫升和提高風(fēng)機運行效率的可行性。

4 結(jié) 語

通過以上實驗證明,在硬件上增加自動調(diào)節(jié)電路,可以對燃氣熱水器直流風(fēng)機的MOS控制電路進行優(yōu)化,從而降低了MOS管的溫升和提高直流風(fēng)機運行效率的穩(wěn)定性,從而提高電路的可靠性。同時在軟件上增加MOS管兩種控制模式的切換控制方法,同樣可以降低MOS管的溫升和提高直流風(fēng)機運行效率的穩(wěn)定性。全新設(shè)計的MOS管控制軟硬件電路,在MOS管溫升控制上和直流風(fēng)機運行效率穩(wěn)定性上都有了較大的提高,從而解決了原燃氣熱水器直流風(fēng)機MOS管控制電路中由于MOS管內(nèi)部參數(shù)差異和MOS管軟件控制兼容性差導(dǎo)致MOS管溫升過高和直流風(fēng)機運行效率穩(wěn)定性的問題。

但是,全新設(shè)計的軟硬件電路還存在對各類MOS管內(nèi)部具體參數(shù)硬件兼容控制不夠細化和風(fēng)機運行效率穩(wěn)定精度不夠的問題。后續(xù)在軟硬件電路上需要繼續(xù)優(yōu)化來提高對各類MOS管參數(shù)的兼容性和風(fēng)機運行效率穩(wěn)定精度,從而進一步降低MOS管控制時MOS管的溫升和提高風(fēng)機運行效率穩(wěn)定精度,不斷提升燃氣熱水器直流風(fēng)機控制的安全性和可靠性,來滿足客戶的需求。