CN100417007C - 半导体器件控制装置及方法 - Google Patents

半导体器件控制装置及方法 Download PDF

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Abstract

在用于使风扇(11a)旋转的电动机(11)的控制装置中，半导体器件(9、9a、9b)与电动机串联以驱动该电动机。模拟驱动器电路(15)利用模拟电压驱动该半导体器件。PWM控制电路(23)利用频率低于几十的PWM信号驱动该半导体器件。当电动机分别以低于和高于预定速度的速度旋转时，切换控制电路(25)分别选择模拟驱动器电路和PWM控制电路。

Description

半导体器件控制装置及方法
技术领域
本发明涉及一种半导体器件控制装置及方法，其可以用于例如驱动风扇的风扇电动机。
背景技术
常规的半导体器件控制装置用于控制各种电动机。一个例子是如图5所示的电动机驱动控制装置1。在该控制装置1中，输入信号处理电路3从电子控制单元(electronic control unit，ECU)2接收脉宽调制(pulse-width-modulated，PWM)信号形式的转速命令信号，并将其转换为对应于该PWM信号的占空比的电压信号。该电压信号被施加到PWM控制电路4。校正命令信号也从电源电压校正电路5施加。ECU 2接收例如冷却剂温度传感器(图中未示)的输出信号，该冷却剂温度传感器检测散热器中的冷却剂温度，并根据检测到的冷却剂温度输出转速命令信号。
PWM信号产生电路6基于电压信号和校正命令信号产生PWM控制命令信号。三角信号产生电路7产生固定频率(例如19kHz)的三角形形式的三角信号(载波)。电路6利用它的比较器(图中未示)将PWM控制命令信号与三角信号进行比较，以产生最后的PWM信号。驱动器电路8接收该PWM信号，并根据该PWM信号将驱动信号施加到N沟道MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管)9的栅极。
FET 9和电动机11的串联电路与安装在车辆上的电池10并联。PET 9位于接地端，因此装置1构造为低端驱动系统。电动机11用于驱动散热器(图中未示)的风扇11a。电动机11连接在1a和1b端之间。噪声滤波器12构造为包括线圈12a和电容器12b和12c的∏型滤波器。校正电路5连接到1b端，即，FET 9的漏极，以响应电动机11的端电压。这样，校正电路5产生校正命令信号，该校正命令信号随着电池10的电压的变化而变化。
二极管13连接在FET 9的漏极和噪声滤波器12的输入端之间。二极管13提供了通道以允许当FET 9关闭时延迟电流能够流过电池端。当FET 9响应19kHz的PWM信号反复开关时，FET 9产生噪声信号。噪声滤波器12限制那些噪声信号以免施加到电池端。
PWM信号的载波频率设定为19kHz，该频率接近可听频率范围的上限，因此电动机11由PWM控制时产生的声音令人耳难以忍受。为此，噪声滤波器12对于克服切换噪声是很必要的。由于线圈12a以及电容器12b、12c的尺寸较大，噪声滤波器12占用了相当大的安装空间。进一步地，由于FET 9的切换频率较高，切换损耗较大，并且FET 9生热较多，需要大的散热片。这样，最终装置1的尺寸变得很大。
为了克服这个缺点，JP P2002-142494A建议将用于驱动风扇电动机11的PWM信号的载波频率设定到非常低的频率，可以低于几十(Hz)。在这种建议的非常低的频率下，当风扇11a旋转时产生的咝音降低。相反地，由于风扇11a的转速非常低，振动声显著增大，变得令人耳难以忍受。
如图6所示，风扇电动机11可以利用控制装置14的模拟电压代替PWM控制来进行驱动。该装置14包括模拟驱动器电路15，用于控制施加到风扇电动机11的模拟电压。模拟驱动器电路15通过将从输入处理电路3施加的电压信号调整到适合驱动FET 9的电平，来产生FET 9的栅极电压。在控制装置14中没有提供噪声滤波器或者二极管。由于FET 9被驱动在线性区域(不饱和区域)进行操作，并且在电动机控制期间电流持续流过FET 9，因此FET 9生热较大，从而需要很大的散热片。
发明内容
因此，本发明的一个目的是提供一种不需噪声滤波器或者大的散热片的半导体器件控制装置和方法。
半导体器件控制装置用于使风扇旋转的电动机。在该装置中，半导体器件串联到电动机以驱动该电动机。模拟驱动器电路利用模拟电压驱动半导体器件。PWM控制电路利用频率低于几十的PWM信号驱动半导体器件。当电动机要以低于和高于预定速度旋转时，切换控制电路分别选择模拟驱动器电路和PWM控制电路。结果是，通过在低转速下利用模拟电压驱动电动机，抑止了电动机的振动声。进一步地，通过在高转速下利用低频PWM信号驱动电动机，电动机振动声被风扇咝音掩盖。
附图说明
通过下面的参照附图的详细描述，半导体器件控制装置和方法的其它特性和优点将会更加明显。其中：
图1的电子电路图说明了作为半导体器件控制装置的一个实施例的车辆风扇电动机驱动控制装置；
图2的图形说明了与施加到风扇电动机的电压相比的风扇电动机的噪声电平；
图3的图形说明了与施加到风扇电动机的电压相比的风扇电动机的转速；
图4的电子电路图说明了作为半导体器件控制装置的另一实施例的车辆风扇电动机驱动控制装置；
图5的电子电路图说明了常规的车辆风扇电动机驱动控制装置；以及
图6的电子电路图说明了另一种常规的车辆风扇电动机驱动控制装置。
具体实施方式
首先参照图1，车辆风扇电动机驱动控制装置21作为半导体器件控制装置。该控制装置21类似图5和图6中所示的控制装置。因此，只相对于与图5和图6的差异来描述控制装置21。
在控制装置21中，PWM控制电路23除了PWM信号产生电路6和驱动器电路8之外，还具有三角信号产生电路22。三角信号产生电路22产生50Hz频率的三角信号。开关24用于选择PWM控制电路23产生的PWM信号或者模拟驱动器电路15产生的模拟控制信号，并将所选的信号施加到半导体器件FET 9的栅极。开关24的切换操作受切换控制电路25控制，该切换控制电路25响应输入信号处理电路3所产生的命令信号(命令电压)的输出电平(例如，0伏至5伏)。
切换控制电路25可以构造有比较器(图中未示)，该比较器将命令信号与阈值电平Vth相比较。该阈值电平Vth可以是6V。因此，当输入处理电路3的命令信号在相对于电池10的供应电压(12V)的0V至6V的低电压范围内和高于6V的高电压范围内时，切换控制电路25驱动开关24分别将FET 9连接到模拟驱动器电路15和PWM控制电路23。
图2显示了在三种控制方法，即50Hz PWM控制、19kHz PWM控制以及模拟电压(线性且非PWM)控制下，电动机11和风扇11a的旋转所产生的噪声的声压[dB]相对于电动机电压[V]的关系。本图中，纵轴的声压用每个声压相对于参考情况下的声压的比率来表示，该参考情况是19kHz PWM控制下施加到电动机11的电压为13V。每个声压在可听频率范围内，即20Hz至20kHz之内，通过使用1/3倍频程分析方法进行测量。
图3显示了在上述三种控制方法下，电动机11和风扇11a的转速与施加到电动机11的电压的关系。由图3可知，电动机11的转速基本上成比例地随着施加到其上的电压的改变而改变。进一步地，在该三种不同的控制方法中，电动机11的转速彼此没有不同。
但是，由图2可知，在电动机电压的整个范围内，即约3V至13V的范围内，19kHz PWM控制和模拟电压控制之间的噪声电平并没有非常不同。在电动机电压小于某个电压，例如对应于大约1000转每分(rpm)的6V，的范围内，50Hz PWM控制的情况下的振动声开始大于其它两种控制情况下的振动声。这种差异随着电动机电压降低而增大。因此，用于切换开关24的切换控制电路25的阈值电平Vth最好设定为6V，在该电压附近，低频PWM控制下的电动机11的振动声通常等于风扇11a的咝音。也就是说，设定阈值电平Vth以满足下列关系：
低频PWM控制下的咝音≥电动机振动声
因此，依据本实施例，当施加到电动机11的电压在0V至6V的范围内时，控制装置21通过模拟驱动器电路15的模拟电压控制来驱动电动机11以降低振动声。当施加到电动机11的电压是6V时，控制器件21通过PWM控制电路23的低频PWM控制来驱动电动机11，以降低FET 9中的电流和生热。电动机高转速范围内风扇11a产生的咝音相对较高。结果是，电动机11的振动声将被风扇11a的咝音掩盖，即使在低频PWM控制下驱动电动机11。
如上所述，当来自外部的电动机转速命令低于和高于阈值电平Vth时，FET 9分别由模拟驱动器电路15的模拟电压控制和PWM控制电路23的低频(例如50Hz)PWM控制进行驱动。因此，克服了低转速范围内的电动机振动声问题，并且不需要噪声滤波器或大的散热片就能达到低频PWM控制的优点。
如图4所示，上述实施例可以变形。在该变形的实施例中，提供了FET 9a和9b分别在低频PWM控制方法和连续电压控制方法下驱动电动机11。因此，切换控制电路25连接到PWM控制电路23用于驱动FET 9a，连接到模拟驱动器电路15用于驱动FET 9b。
上述实施例可以以下述方式变形。FET 9、9a、9b可以连接在电池10的高电势端。半导体器件9、9a、9b可以是P沟道MOSFET、功率晶体管或者IGBT。低频PWM控制可以使用其它低于几十Hz的频率来实现。阈值电平Vth可以根据设计规范如电动机11和风扇11a的额定值而变化。可以在模拟电压控制和低频PWM控制之间的切换处提供滞后(hysteresis)。电动机11可以用于驱动除了散热器风扇11a之外的各种风扇。

Claims (10)

1. 一种用于电动机(11)的控制装置，所述电动机使风扇(11a)旋转，所述装置包括：
半导体器件(9、9a、9b)，串联到所述电动机，以当被接通时驱动所述电动机；
模拟驱动器电路(15)，用于利用模拟电压连续地驱动所述半导体器件；
PWM控制电路(23)，用于利用频率小于几十Hz的PWM信号周期性地驱动所述半导体器件；以及
切换控制电路(25)，用于当所述电动机要以低于或高于预定速度的速度旋转时，分别选择所述模拟驱动器电路或所述PWM控制电路。
2. 如权利要求1所述的控制装置，其中，所述半导体器件(9、9a、9b)是单个开关晶体管。
3. 如权利要求1所述的控制装置，其中，所述半导体器件(9、9a、9b)包括两个可通过所述切换控制电路选择的开关晶体管(9a、9b)，所述开关晶体管的一个和另一个分别由所述模拟电压和所述PWM信号驱动。
4. 如权利要求1所述的控制装置，其中，所述切换控制电路(25)执行具有滞后的选择的切换。
5. 如权利要求1至4中任一项所述的控制装置，其中，所述预定速度为每分钟大约1000转。
6. 如权利要求5所述的控制装置，其中，所述PWM信号的频率为大约50Hz。
7. 如权利要求1至4中任一项所述的控制装置，其中，所述预定速度是所述风扇的咝音和所述电动机的振动声基本彼此相等时的速度。
8. 一种用于电动机(11)的控制方法，所述电动机使风扇(11a)旋转，该方法包括：
将命令速度与预定速度进行比较；
当所述命令速度低于所述预定速度时，利用模拟电压驱动与所述电动机串联的半导体器件(9、9a、9b)；以及
当所述命令速度高于所述预定速度时，利用频率小于几十Hz的PWM信号驱动所述半导体器件。
9. 如权利要求8所述的控制方法，其中，所述预定速度是所述风扇的咝音和所述电动机的振动声基本彼此相等时的速度。
10. 如权利要求8或9所述的控制方法，其中，所述PWM信号的频率为大约50Hz。
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