CN100490300C - 马达/发电机一体式的双向交/直流转换电路 - Google Patents
马达/发电机一体式的双向交/直流转换电路 Download PDFInfo
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Abstract
本发明是一种马达/发电机一体式的双向交/直流转换电路，是用以将直流电能输入至交/直流马达，做为加速或起动电能之用，亦可将交、直流发电机的电能回充至直流电瓶进行充电；其中本发明是以数字信号处理器改变功率晶体管导通路径及电压、电流回授电路，使得本发明具有变转矩加速、起动、定电流充电、定电压充电及脉冲充电等功能；因此，本发明以最精简的单一硬件电路，配合程序，达到双向交/直流转换电路的多项功能，达到降低体积、重量及成本，并提升系统可靠度及效率。
Description
技术领域
本发明为一种马达/发电机一体式的双向交/直流转换电路，尤指一种配合程控功率晶体管导通路径，达到转矩可控、加速、起动、定电流充电、定电压充电及脉冲充电等功能的双向交/直流转换的一体式电路，以应用于传统内燃机动力载具、电动载具及混合式电动载具。
背景技术
目前市面上习用的内燃机动力载具的起动系统及充电系统分别由一起动马达及发电机组成。但由于起动马达及发电机为分开作动，而需各别的硬件控制电路，如此，会造成载具有着成本高及系统复杂、体积大及重量大等缺点。因此，较理想状况则是能够将马达及发电机予以结合，则能有效简化系统，并降低系统的体积、重量，进而达到降低成本的效益。
由于将马达及发电机整合为一体式架构，则其配合电路则需具有双向功率传输的功能，而另外设计一双向交/直流转换电路。如此，亦可改进目前习用起动电路及充电电路为独立的硬件电路，造成体积及重量无法有效降低的缺点。此外，习用的充电电路为定电压的方式，不但充电时间长，且电瓶温度容易上升，无法达成双向充电或脉冲充电等快速充的功能。
发明内容
本发明的主要目的是提供一种应用于一体式马达/发电机架构的双向交/直流转换电路，以替代习用的独立电路，并可依不同的载具设计驱动交、直流马达，进行起动及加速控制使载具前进外，亦可在载具的行进过程中，依电瓶的状态，进行不同速率的充电模式，使电瓶在不同状态样皆可迅速充饱电。
欲达上述目的所使用的主要技术手段，是令双向交/直流转换电路主要包含有：
一功率元件电路单元，由功率元件及电容构成，并与一直流电瓶及一体式马达/发电机的三相线圈连接，以提供一体式马达/发电机不同的电枢电流路径，并调节电枢电流的大小，该电容是设在直流电瓶正、负端子之间，在起动、加速、定电流充电及定电压充电时使用；
一数字控制逻辑单元，其主要包含有一中央控制单元，该数字控制逻辑单元连接至该功率元件电路单元的功率元件，以控制各功率元件的启闭；
上述数字控制逻辑单元是藉由控制功率元件电路单元的功率元件的启闭，即能提供该一体式马达/发电机不同的电枢电流路径，并调节电枢电流的大小，进而控制转矩使马达加速、起动，并使发电机对直流电瓶进行定电流充电，定电压充电及脉冲充电作用。
附图说明
图1：是本发明电路的系统架构图。
图2：是本发明于驱动马达时的反电动势与激磁电流的示意图。
图3：是本发明于发电机充电时的反电动势与充电电流的示意图。
图4：是本发明于的功率元件与电瓶的接线示意图。
图5：是本发明部份驱动电路与直流电瓶构成放电回路的示意图。
图6：是本发明部份驱动电路构成续流，调节放电回路的示意图。
图7：是本发明部份驱动电路与直流电瓶构成充电回路的示意图。
图8：是本发明部份驱动电路构成蓄流，调节充电回路的示意图。
图9：是本发明直流电瓶对应图7充电电流波形，及电压波形。
图10：是本发明于脉冲充电下的电枢电流波形。
图11：是本发明于脉冲充电下的等效电路图。
图12：是本发明于脉冲充电下的电瓶充电电流波形。
附图中：
10--双向交/直流转换电路
11--数字控制逻辑单元
12--功率元件电路单元
20--直流电瓶
且体实施方式
本发明为一种以程控功率晶体管导通路径，达到可起动载具、可加减速、可定电流充电、定电压充电及脉冲充电等功能的双向交/直流转换的一体式功率转换电路。
首先请参阅图1所示，本发明主要是由一数字控制逻辑单元11及一功率元件电路单元12组成。其中该功率元件电路单元12是由功率元件及电容构成，并与一直流电瓶20及一体式马达/发电机的三相线圈连接，以提供该一体式马达/发电机的三相线圈的不同电枢电流路径，并调节电流的大小，以提供该电容在起动、加速、定电流充电及定电压充电时使用。而该数字控制逻辑单元11的中央控制单元是与该功率元件电路单元12功率元件连接，以控制功率元件的启闭，由于该功率元件电路单元12是与一体式马达/发电机的三相线圈及直流电瓶20连接，因此藉由启闭功率元件，即能决定各相线圈的电枢电流路径及其大小，如图2及图3所示，分别为各相线圈反电动势、激磁电流及充电电流的波形图。由于电枢电流的大小及方向为可控，藉此可达到控制转矩使马达加速、起动，发电机可做定电流充电，定电压充电及脉冲充电等功能。
再请参阅图4所示，为本发明的功率元件电路单元的一较佳实施例，是应用于三相交流马达载具的驱动电路10，其包含有：
三组晶体管对(Q1/Q2)(Q3/Q4)(Q5/Q6)，各组晶体管对是由两个串联晶体管组成，又，各晶体管对的两端分别连接至直流电瓶20的正、负极，而各晶体管对(Q1/Q2)(Q3/Q4)(Q5/Q6)的串联节点则连接至对应的线圈的一端，而三相线圈的另一端则连接至该数字控制逻辑单元11；其中各功率晶体管可为MOS、IGBT或BJT晶体管；
六续流二极管(D1~D6)，是各别逆向连接于各晶体管(Q1~Q6)上；及
一储存电容C，是设于直流电瓶20的正、负端子之间。
为方便说明本发明的电路动作，是以两组晶体管对(Q1/Q2)(Q3/Q4)进行说明，请参阅图5所示：
由于晶体管对(Q1/Q2)(Q3/Q4)(Q5/Q6)的串联节点与一体式马达/发电机的三相线圈连接，故藉由控制各晶体管对(Q1/Q2)(Q3/Q4)(Q5/Q6)的导通与否，令其中特定线圈通入驱动电流。如欲驱动该一体式马达/发电机的马达，并使其加速或起动，可使各相线圈(是以一电感La及电阻Ra的等效电路表示之)激磁，也就是说，可控制其中两组晶体管对(Q1/Q2)(Q3/Q4)的各一晶体管(Q1/Q4)导通，使其与直流电瓶20构成放电回路，如此一个放电激磁电流IR会由直流电瓶20依序流经晶体管Q1及线圈等效电路。由于放电电流流经线圈等效电路时，因为等效电路的电感元件La会储存电能Eab，故如图6所示晶体管Q1与二极管D3可构成一电流回路，可使电流维持连续，达到调节电流的功能。
请再参阅图7所示，为上述的功率元件电路单元实施例的另一种充、放电回路的构成方式，具有达到定电流充电、定电压充电的功能。即(仍以两晶体管对(Q1/Q2)(Q3/Q4)说明之)，当一体式马达/发电机的发电机在一定转速内输出电压时，控制其中一晶体管Q1导通，以与直流电瓶20构成充电回路，即直流电瓶20的充电电流IR会经过导通晶体管Q1、另一晶体管对的晶体管Q4的逆向续流二极管D4。请再配合图8所示，是可控制与充电回路中导通晶体管Q2连接的另一晶体管Q4的逆向续流二极管D4导通，使得各相线圈等效电路与直流电瓶20构成一个蓄能充电回路，以将反电动势Eab透过导通的晶体管Q2，进行电枢蓄能，储存电磁能。请配合图9所示，为三相线圈(La)(Lb)(LC)在马达为发电机状态下，量测而得的电压波形，由图式可知，藉由本发明设计的驱动电路10，可提供定电压作为充电电源，不会对直流电瓶造成损坏，定电流亦同。
由于马达正常运转时，三组晶体管对的晶体管需顺序地交替启/闭。因此，前述的充、放电回路会持续交替进行。而观察各线圈输出的反电动势会构成一交流波形，如图3的实线所示。而在同一个时间内，马达的任二个线圈的反电动势会分别处于一正、一负电压，透过电感蓄能而提供该直流电瓶一足够大的定电压电源。如图10所示，当马达处于发电机运转状态下的电枢电流，在电流下降缘处，即代表下一周期换相即将的开始，而此时直流电瓶即开始充电，因此若将原电容去除如图11所示，将可形成一种脉冲充电波形，如图12所示，此种脉冲充电即可令直流电瓶达到快速充电的效果。
综上所述，本发明的驱动电路不但可驱动载具的马达转动，亦能有效地将马达运转时三相线圈产生的反电动势作为直流电瓶的充电电源，又，该反电动势为一定电压，而在马达三相线圈被换相驱动时，能利用本电路随时对直流电瓶进行不同的充电策略，藉此，本发明可有效地延缓电动载具直流电瓶的电量下降，增加载具的蓄航力。
为此，本发明符合发明专利的产业上利用性、新颖性及进步性等专利要件，爰依法具文提出申请。
Claims (5)
1.一种马达/发电机一体式的双向交/直流转换电路，其特征在于，是包含有：
一功率元件电路单元，由功率元件及电容构成，并与一直流电瓶及一体式马达/发电机的三相线圈连接，以提供一体式马达/发电机不同的电枢电流路径，并调节电枢电流的大小，该电容是设在直流电瓶正、负端子之间，在起动、加速、定电流充电及定电压充电时使用；
一数字控制逻辑单元，其主要包含有一中央控制单元，该数字控制逻辑单元连接至该功率元件电路单元的功率元件，以控制各功率元件的启闭；
上述数字控制逻辑单元是藉由控制功率元件电路单元的功率元件的启闭，即能提供该一体式马达/发电机不同的电枢电流路径，并调节电枢电流的大小，进而控制转矩使马达加速、起动，并使发电机对直流电瓶进行定电流充电，定电压充电及脉冲充电作用。
2.如权利要求第1项所述马达/发电机一体式的双向交/直流转换电路，其特征在于，该功率元件电路单元是主要包含有：
三组晶体管对，分别与对应的三相线圈连接，即各组晶体管对是由两个串联晶体管组成，且各晶体管对的两端分别连接至所述直流电瓶的正、负极，而各晶体管对的串联节点则连接至对应相线圈的一端，而该三相线圈的另一端则连接至该数字控制逻辑单元；
六个续流二极管，各续流二极管与对应晶体管的漏极和源极并联。
3.如权利要求2所述马达/发电机一体式的双向交/直流转换电路，其特征在于，各晶体管为MOS功率晶体管。
4.如权利要求第1项所述马达/发电机一体式的双向交/直流转换电路，其特征在于，该功率元件电路单元是主要包含有：
三组晶体管对，分别与对应的三相线圈连接，即各组晶体管对是由两个串联晶体管组成，且各晶体管对的两端分别连接至所述直流电瓶的正、负极，而各晶体管对的串联节点则连接至对应相线圈的一端，而该三相线圈的另一端则连接至该数字控制逻辑单元；
六个续流二极管，各续流二极管与对应晶体管的集电极和发射极并联。
5.如权利要求4所述马达/发电机一体式的双向交/直流转换电路，其特征在于，各晶体管为IGBT功率晶体管。
6.如权利要求4所述马达/发电机一体式的双向交/直流转换电路，其特征在于，各晶体管为BJT功率晶体管。
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