燃气热水器直流风机MOS管控制电路改进的实验研究

黄 智

(广东万和新电气股份有限公司广东,佛山 528305)

0 引 言

目前燃气热水器大多使用无刷直流风机进行排烟气。而无刷直流风机一般都是通过MOS管进行控制的[1]。由于相同供应商MOS管生产批次一致性的问题和不同供应商参数的差异,使用固定一种MOS管控制电路和软件控制程序,会导致MOS管温升过高和风机运行效率不稳定的问题。本文针对无刷直流风机进行控制时出现MOS管温升过高和风机运行效率不稳定的问题进行了研究,提出了对应的解决方案。全新设计的方案在MOS管控制电路上增加了自适应调节电路,同时在控制软件上应用了一种可以自适应调节的七段控制模式和五段控制模式切换控制的方法。随后把新设计的电路应用在燃气热水器控制器上,并进行了实验研究论证。结果表明,应用该电路和软件控制方法可以适应同一个供应商各批次和同规格不同供应商MOS管的参数差异性,同时提高了对运行环境的适应性,从而解决了由于MOS管参数差异导致温升变高的问题和风机运行效率降低的问题。最终提升了燃气热水器的性能和可靠性,满足了用户的需求。

1 原因分析

1.1无刷直流电动机及其MOS管控制技术国内外发展历程

无刷直流电动机的基本结构主要由电机本体、功率MOS管控制电路及位置传感器组成[2]。在国外,从20世纪10年代提出无刷直流电动机到60年代样机的试制成功,进行了长期的研究和探索。到了20世纪80年代随着钕铁硼等高性能永磁材料和MOS管性能的提升,无刷直流电动机得以广泛发展和应用。国内对于无刷直流电动机的研究始于20世纪70年代,起步较晚,技术相对落后,但是随着研究的深入,到目前为止已经取得了一些成果。并逐渐应用于机械设备、汽车工业、医疗器械和家用电器等领域。而无刷直流电动机中功率MOS管控制电路涉及到MOS管的开关时序控制,直接影响无刷直流风机的效率和可靠性。国外功率MOS管的控制电路一般以单路集成电路配合固定的控制电阻电容为主,如IR系列[3];而在国内功率MOS管的控制电路主要以多路集成电路配合固定的控制电阻电容为主。

1.2无刷直流风机MOS管控制中出现MOS管温升高和风机运行效率不稳定的原因

目前,无刷直流风机MOS管控制电路一般是通过分立元件配合MOS管的相关参数来搭建的[4]。

而使用分立元件的方案,一般控制MOS管的栅极驱动电阻和栅极-漏极之间的电容都是固定配置的,而且无刷直流风机控制软件中对于MOS管的控制也是通过固定模式来控制的。当MOS管的参数出现波动时(同品牌批次不同引起参数波动和同规格不同品牌引起参数波动),就会出现MOS管的温升变高以及无刷直流风机运行效率降低的问题。下面针对目前分立元件方案控制MOS管出现的问题进行具体的原因分析。

1.2.1 MOS管控制电路适应性差导致MOS管温升变高和风机运行效率降低

根据MOS管的控制原理可知,MOS管的温升主要和MOS管的开关速度和开关振荡幅值有关。由于目前电路中栅极控制电阻和栅极-漏极之间电容是固定配置,当MOS管批次不同和品牌不同导致内部参数,如RDS内阻、Css结电容和体二极管反向恢复时间tRR等参数发生变化时,就会引起MOS管的开关速度和开关振荡幅值发生变化,导致同样运行环境下MOS管的温升变高。同时当栅极控制电阻和栅极-漏极之间电容与MOS管内部参数不匹配时,也会导致MOS管的开关效率降低,从而降低风机的运行效率。

1.2.2 MOS管软件控制兼容性差导致MOS管温升变高和风机运行效率降低

目前,无刷直流风机的MOS管控制一般是通过SVPWM(空间矢量脉宽动态调制)的方式进行控制[5]。具体的又分为五段式控制模式和七段式控制模式。七段式控制模式优点为调制电流更接近于正弦波,风机运行稳定性高,谐波干扰少,但是开关次数多,开关损耗大,从而导致功率MOS管温升变高;而五段式控制模式优点为开关次数少,功率MOS管温升低,开关损耗小,但是调制电流谐波干扰大,导致风机运行稳定性差。所以单一的使用其中一种控制模式,无法兼容满足MOS管温升低和风机运行效率高且稳定的需求。

2 降低MOS管温升和提高风机运行效率稳定性的方法

从以上分析的无刷直流风机控制MOS管出现温升高和风机运行效率低的原因可知,可以通过下面两种途径来降低MOS管的温升和提高风机运行效率的稳定性。

2.1增加MOS管控制调节电路,提高对MOS管参数的自适应性

针对MOS管控制电路中由于MOS管内部参数的差异性引起的MOS管温升升高和风机运行效率降低,稳定性差的问题,可以通过增加全新设计的MOS管控制调节电路来解决。具体步骤如下:

(1)在运行温度最高的MOS管附近增加一路测温电路,对该MOS管的温度进行实时监测和记录(作为后续软件调节MOS管控制电路参数的依据);

(2)在MOS管控制电路上增加多路调节电路,使得可以适配各个品牌各个批次MOS管参数;

(3)在MOS管控制软件上增加MOS管参数自调节功能,通过对MOS管温升、直流风机运行效率的监测,实现MOS管控制电路相关软硬件参数自适应匹配不同品牌不同批次的MOS管。

具体电路原理图,如图1所示。

图1 带调节功能的MOS管控制电路原理图

由图1可知,该控制调节电路主要由两部分组成。一部分是MOS管温度检测电路,主要由热敏电阻R48和对应的分压电阻组成。当MOS管温度发生变化时,热敏电阻R48的阻值会相应发生变化,这样对应的分压电压也会同步发生变化。随后通过TP端口把对应的分压电压值传输给单片机的ADC接口来检测这个温度的具体数值,这样就完成对MOS管的温度检测。而由于栅极控制电阻以及滤波电容的相关参数与MOS管的内部参数(如:RDS内阻、Css结电容和体二极管反向恢复时间tRR)需要匹配才能保证MOS管运行的温升和工作效率达到较好的状态。所以另一部分设计了MOS管控制电阻和滤波电容调节电路,主要由高中低三档栅极控制电阻和滤波电容组成。这里以UH对应这一路为例:该端口对应的高档栅极控制电阻R3=100R(此时通过软件配置使UH_R3端口、UH_R4端口和UH_R5端口断开);当需要变为中档栅极控制电阻时,通过软件配置把UH_R3端口和UH_R4端口连接起来(UH_R5端口保持断开),就实现了R3= 100R和R4= 150R并联,则等效栅极控制电阻为(R3//R4)= 60R;当需要变为低档栅极控制电阻时,通过软件配置UH_R3端口和UH_R5端口(UH_R4端口断开)连接起来,就实现了R3= 100R和R5= 56R并联,则等效栅极控制电阻为(R3//R5)= 36R;当需要接入滤波电容时,通过软件配置把UH_R3端口和U端口连接起来,就实现了C5 = 1 nF并联到MOS管Q2的栅极和源极之间。若不需要要接入滤波电容时,则通过软件配置把UH_R3端口和U端口断开即可。当风机在运行过程中,先选择高档栅极控制电阻进行MOS管的控制,然后通过MOS管温度检测电路对最高温度的MOS管进行持续监测,当检测到MOS管的温升值达到预设的阈值时,则通过MOS管控制电阻和滤波电容调节电路对控制电阻和滤波电容进行调整,直到MOS管的温升恢复到预设的正常值范围;同理,当风机在运行过程中,通过风机驱动单片机对风机的运行转速进行持续的监测,当监测到同等输入功率的风机档位下,如输入功率为8W时,风机的运行转速偏离设定的风机转速阈值时,则认为此时的风机运行效率不稳定(输入功率恒定,输出转速可等效为输出功率,风机运行效率为输出功率与输入功率的比值),则通过MOS管控制电阻和滤波电容调节电路对控制电阻和滤波电容进行调整,直到风机运行转速恢复到预设的正常值范围。

随后对UH这一路高中低三档控制电阻以及配合滤波电容的MOS管控制开关电压Ugs关断振荡波形(对应图1中标号为Q2的MOS管g极和s极之间的电压)进行了测量,具体如图2所示。

图2 不同档位及配合滤波电容对应MOS管控制电压关断振荡波形图

从图2可以看出,高中低三个档位对应的控制电压关断振荡时间不同,同时在相同的档位下增加滤波电容会对控制电压关断振荡波形的幅值有影响。这样就说明,通过改变MOS管控制电阻以及滤波电容,可以改变MOS管控制电压关断振荡波形的时间和幅值。而这个关断振荡波形直接影响MOS管的运行温升和工作效率稳定性。

这样通过图1的电路和对应的软件控制配置就可以实现降低MOS管温升和提高风机运行效率稳定性的目的。

2.2增加两种MOS管控制模式切换控制的软件控制方法,提高对MOS管参数的自适应性

针对目前MOS管控制电路中软件控制模式单一、对MOS管参数兼容性差而导致MOS管运行时温升升高和风机运行效率降低稳定性差的问题,全新设计了一种双模式切换控制的软件方法,来降低MOS管的温升以及提高风机运行效率的稳定性,具体软件工作流程图如图3所示。

图3 MOS管软件控制流程图

从图3可以看出,在直流风机开始运行时,通过温度检测电路对MOS管进行初始温度的检测和记录,然后在后续运行中持续对最高运行温度的MOS管进行监测,可以获得MOS管的温升T。随后按照MOS管的工作温度范围制定七段式和五段式模式运行切换的前提条件。这样就可以使MOS管的温升运行在一个可控制的范围内,同时MOS管温升的稳定也会提高直流风机运行效率的稳定性,从而实现了对不同品牌不同批次的MOS管参数的兼容。

3 无刷直流风机MOS管控制电路改进后的测试验证

为验证MOS管控制电路改进前后的实际效果,选取了某款燃气热水器控制器进行了测试。该测试主要从以下两个方面进行。

3.1硬件上增加自调节电路后的MOS管的温升和风机运行效率的对比

该实验选用图1的带MOS管控制调节电路的燃气热水器控制器来进行测试。随后选取一定数量的热水器控制器,对增加调节电路后的MOS管控制电路进行MOS管温升测试(利用红外测温仪)和风机运行效率测试(利用转速测试仪)。MOS管温升测试的方法是随机选取9个燃气热水器控制器,分别焊接A、B、C三个品牌的MOS管,以及每个品牌三个不同批次的MOS管进行运行温升测试,具体测试结果如表1所示。风机运行效率测试的方法是随机选取3个燃气热水器控制器,分别焊接A、B、C三个品牌的MOS管,再分别测试风机在高中低三个档位下的运行转速,具体测试结果如表2所示。

表1 MOS管温升测试数据表

由表1可知,增加MOS管控制调节电路后,可以降低MOS管运行时的温升。由表2可知,在相同的输入功率下,增加自调节电路后,可以提高风机的转速,这样就可以认为风机的效率得到提高。从而验证了带调节功能的MOS管控制电路可以降低MOS管的运行温升和提高风机运行效率的可行性。

表2 风机运行转速测试数据表

3.2软件上增加两种模式切换处理后的MOS管温升和风机运行效率的对比

实验使用图3的软件控制流程对燃气热水器直流风机MOS管进行软件控制测试。随后选取一定数量的热水器控制器,在软件上增加两种控制模式处理后,对MOS管控制电路进行MOS管温升测试(利用红外测温仪)和风机运行效率测试(利用转速测试仪)。MOS管温升测试的方法是随机选取9个燃气热水器控制器,分别焊接A、B、C三个品牌的MOS管,以及每个品牌三个不同批次的MOS管进行运行温升测试,具体测试结果如表3所示。风机运行效率测试的方法是随机选取3个燃气热水器控制器,分别焊接A、B、C三个品牌的MOS管,再分别测试风机在高中低三个档位下的运行转速,具体测试结果如表4所示。

表3 MOS管温升测试数据表

表4 风机运行转速测试数据表

通过表3可知,软件上增加了两种模式切换控制后,可以降低MOS管运行时的温升;通过表4可知,在相同的输入功率下,增加两种模式切换控制后,可以提高风机的转速,这样就可以认为风机的效率得到提高。从而验证了增加两种模式切换控制的方法可以降低MOS管的运行温升和提高风机运行效率的可行性。

4 结 语

通过以上实验证明,在硬件上增加自动调节电路,可以对燃气热水器直流风机的MOS控制电路进行优化,从而降低了MOS管的温升和提高直流风机运行效率的稳定性,从而提高电路的可靠性。同时在软件上增加MOS管两种控制模式的切换控制方法,同样可以降低MOS管的温升和提高直流风机运行效率的稳定性。全新设计的MOS管控制软硬件电路,在MOS管温升控制上和直流风机运行效率稳定性上都有了较大的提高,从而解决了原燃气热水器直流风机MOS管控制电路中由于MOS管内部参数差异和MOS管软件控制兼容性差导致MOS管温升过高和直流风机运行效率稳定性的问题。

但是,全新设计的软硬件电路还存在对各类MOS管内部具体参数硬件兼容控制不够细化和风机运行效率稳定精度不够的问题。后续在软硬件电路上需要继续优化来提高对各类MOS管参数的兼容性和风机运行效率稳定精度,从而进一步降低MOS管控制时MOS管的温升和提高风机运行效率稳定精度,不断提升燃气热水器直流风机控制的安全性和可靠性,来满足客户的需求。