发明内容
本发明的目的在于有效地使稳定阶段中经受过电流的多个开关元件的各自的温度下降。
本发明的无刷DC电机驱动器包括DC-AC变换电路、控制电路、检测电路和比较电路,在具有电机线圈的无刷DC电机中使用。DC-AC变换电路具有多个开关元件,它们以将从DC电源供给的DC电压变换为AC电压的方式排列。控制电路控制该DC-AC变换电路的开关,向该电机线圈供给用于驱动该无刷DC电机的AC电压。检测电路检测流过该电机线圈的电流。当通过该检测电路检测出的电流达到或超过过电流阈值时,该比较电路产生过电流检测信号。当该比较电路产生该过电流检测信号时,控制电路在预先决定的时间的期间,使多个开关元件的全部或部分断开,不对它们供给电力。在本发明的特征中,当在起动阶段通过该检测电路检测出的电流达到或超过该过电流阈值时,控制电路在第一截断时间的期间不对该多个开关元件供给电力,此外,当在稳定阶段中通过该检测电路检测出的电流达到或超过该过电流阈值时,控制电路在比该第一截断时间长的第二截断时间的期间,不对该多个开关元件供给电力。
在本发明中,当在起动阶段中通过检测电路检测出的电流达到或超过过电流阈值时,控制电路在第一截断时间的期间不对多个开关元件供给电力。当多个开关元件在稳定阶段中经受过电流时,控制电路在比第一截断时间长的第二截断时间的期间,不对多个开关元件供给电力。由此,能够有效降低在稳定阶段中经受过电流的多个开关元件的各自的温度。
在一个实施方式中,比较电路在通过该检测电路检测出的电流达到或超过该过电流阈值的期间,产生该过电流检测信号。控制电路在从该过电流检测信号结束开始的第一截断时间的期间,不对该多个开关元件供给电力。比较电路具有保持电路和延迟电路。当该比较电路在该稳定阶段中产生该过电流检测信号时,保持电路不论通过该检测电路检测出的电流如何,在保持时间的期间保持该比较电路的输出,使得该比较电路持续产生该过电流检测信号。该保持时间与该第一截断时间构成该第二截断时间。延迟电路构成为,从该无刷DC电机起动到预先决定的延迟时间结束,延迟该保持电路的动作。
在该实施方式中,仅通过在比较电路中具有保持电路和延迟电路,就能够有效地降低经受过电流的多个开关元件的各自的温度。
在一个实施方式中,无刷DC电机还包括具有多个磁极的磁转子。控制电路还具有磁传感器、第一驱动元件和第二驱动元件、以及第一延迟电路和第二延迟电路。磁传感器根据该磁转子的旋转产生矩形波信号。第一驱动元件和第二驱动元件以根据该矩形波信号使该DC-AC变换电路中的该多个开关元件中的第一开关元件和第二开关元件交替导通和断开的方式排列。第一延迟电路和第二延迟电路与通过该检测电路检测出的电流无关地,在该第一截断时间的期间,分别使该第一开关元件和第二开关元件通过该第一驱动元件和第二驱动元件导通的动作延迟。
在一个实施方式中,DC-AC变换电路和检测电路在该DC电源的正端子与负端子间串联连接。检测电路具有电流检测电阻。检测电路以该电流检测电阻检测流过该电机线圈的电流,产生检测电压。比较电路具有运算放大器,它具有第一输入端子和第二输入端子以及输出端子。运算放大器由该第一输入端子和第二输入端子分别接受该检测电压和作为该过电流阈值的基准电压,比较该检测电压和该过电流阈值。保持电路具有第一电阻、第二电阻和电容器。第一电阻连接于该运算放大器的第一输入端子与该DC电源的该负端子之间。第二电阻具有第一端和第二端,该第一端与该第一输入端子连接。电容器连接在该第二电阻的该第二端与该运算放大器的该输出端子之间。比较电路的延迟电路具有连接在该第二电阻的该第二端与该DC电源的该负端子之间的延迟开关,从该无刷DC电机起动到该延迟时间结束使该延迟开关导通,之后使该延迟开关断开。
具体实施方式
图1表示本发明的一实施方式的无刷DC电机驱动器。该驱动器包括DC-AC变换电路1、检测电路2、比较电路3和控制电路6,例如在燃料电池装置或热泵装置等液体供给装置中的单相全波型的无刷DC电机7中使用。另外,并不限定于此,本发明的无刷DC电机驱动器也能够应用于三相全波型的无刷DC电机等各种无刷DC电机。
如图2所示,无刷DC电机7包括定子芯71、电机线圈72和磁转子73。电机线圈72卷绕于定子芯71。磁转子73具有多个磁极(未图示),以各磁极面面对定子芯71的方式被旋转自由地支承。
DC-AC变换电路1和检测电路2(详细地说是后述的电流检测电阻20)在DC电源8的正端子81与负端子82之间串联连接。
DC-AC变换电路1包括以将从DC电源8供给的DC电压变换为AC电压的方式排列的多个开关元件,并连接于DC电源8的正端子侧,例如,DC-AC变换电路1具有构成H桥电路的开关元件11~14和电阻15、16。
开关元件11和12(第一和第二开关元件)各为N沟道FET,开关元件13和14各为P沟道FET。FET13和14的源极端子与DC电源8的正端子81连接,而它们的漏极端子分别与FET11和12的漏极端子连接。FET11和12的源极端子经由检测电路2(电流检测电阻20)与DC电源8的负端子82连接。作为一个例子,开关元件11~14也可以为双极晶体管(例如NPN和PNP晶体管)。
FET13的栅极端子经由电阻15与DC电源8的正端子81连接,而且与FET12的漏极端子直接连接。FET14的栅极端子经由电阻16与DC电源8的正端子81连接,而且与FET11的漏极端子直接连接。电机线圈72具有第一端和第二端,它们分别与FET11和13的连接点以及FET12和14的连接点连接。作为一个例子,FET13的栅极端子可以经由电阻或二极管与FET12的漏极端子连接,FET14的栅极端子也可以经由电阻或二极管与FET11的漏极端子连接。
检测电路2构成为对流过电机线圈72的电流进行检测。本实施方式中,检测电路2构成为对流过电机线圈72以及FET11或12的电流进行检测。例如,检测电路2具有电流检测电阻20和二极管21,它们配置在DC-AC变换电路1与DC电源8的负端子82之间,以检测流过电机线圈72的电流并产生检测电压(电流检测值)。具体地说,电流检测电阻20连接在DC-AC变换电路1与DC电源8的负端子82之间。二极管21的阳极与DC-AC变换电路1和电流检测电阻20的连接点连接。二极管21的阴极与比较电路3连接。
当通过检测电路2检测出的电流达到或超过过电流阈值时,比较电路3产生过电流检测信号。在图2的例子中,比较电路3在通过检测电路2检测出的电流达到或超过该过电流阈值的期间,产生过电流检测信号。
即,比较电路3由电阻31和32以及运算放大器30构成。电阻31和32连接在控制电源9与地(ground)之间,对控制电源9的电压进行分压,产生基准电压即过电流阈值,在图2的例子中,地为DC电源8的负端子82。过电流阈值被供给至运算放大器30的反转输入端子(第二输入端子),放大器30的非反转输入端子(第一输入端子)与二极管21的阴极连接。因此,运算放大器30构成为,分别从非反转输入端子和反转输入端子接受检测电压和过电流阈值,将检测电压与过电流阈值进行比较。更详细地说,当检测电压达到或超过过电流阈值时,运算放大器30产生HIGH信号即过电流检测信号,否则则产生LOW信号。HIGH信号和LOW信号被供给至控制电路6(和后述的电容器43)。此处,从电流检测电阻20的电压减去二极管21的导通电压而得到的电压,作为检测电压被供给至运算放大器30的非反转输入端子。因此,该过电流阈值被规定为与期望的过电流流过电流检测电阻20时的检测电压(非反转输入端子的输入电压)相同的电压。换言之,控制电源9的电压和电阻31和32基于期望的过电流而进行设定。作为一个例子,比较电路3不限定于该放大器(运算放大器30),也可以由比较器和上拉电阻构成。
控制电路6控制DC-AC变换电路1的开关,向电机线圈72供给用于驱动电机7的AC电压(矩形波电压)。例如,控制电路6包含磁传感器61、NOT电路62、开关63和64(第一和第二驱动元件)以及RC电路65和66(第一和第二延迟电路)。
磁传感器61配置在磁转子73附近,根据磁转子73的旋转(磁极的位置)产生矩形波信号。例如,能够将包含霍尔元件(霍尔效果元件)的霍尔IC用作该磁传感器61。矩形波信号经由NOT电路62供给至开关63,而且直接供给至开关64。开关63和64分别为双极晶体管或FET等,以根据供给至它们的控制端子(例如基极或栅极端子)的矩形波信号,使FET11和12交替导通和断开的方式排列。即,开关63连接在FET11的栅极端子与地之间,而开关64连接在FET12的栅极端子与地之间。由此,当开关63或64导通时,FET11或12的栅极端子分别与地直接连接。
RC电路65和66与通过检测电路2检测出的电流无关地,使得在第一截断时间的期间FET11和12通过开关63和64导通的情况分别延迟。在图2的例子中,RC电路65包括电阻651和电容器652,该电阻651连接在控制电路9与FET11的栅极端子和开关63的连接点之间,该电容器652连接在该连接点与地之间。同样,RC电路66包括电阻661和电容器662,该电阻661连接在控制电路9与FET12的栅极端子和开关64的连接点之间,该电容器662连接在该连接点与地之间。由此,在开关63断开时,FET11的导通时刻根据RC电路65的时间常数,被延迟至直到电容器652的电压达到FET11的阈值电压。同样,在开关64断开时,FET12的导通时刻根据RC电路66的时间常数,被延迟至直到电容器662的电压达到FET12的阈值电压。即,第一截断时间由RC电路65和66的各自的时间常数决定。换言之,RC电路65和66的各自的时间常数基于第一截断时间而设定。例如,与现有技术同样地决定第一截断时间,RC电路65和66的各时间常数基于该决定了的第一截断时间而设定。
此外,当比较电路3产生过电流检测信号时,控制电路6在预先决定的时间(第一或第二截断时间)的期间,使多个开关元件11~14全部或部分断开,使得不向多个开关元件11~14供电。本实施方式中,控制电路6还包括开关67和68(第一和第二截断元件),实质上使多个开关元件11~14断开。作为一个例子,控制电路6也可以构成为使开关11和12断开。
开关67和68各自为双极晶体管或FET等。开关67以根据供给至其本身的控制端子(例如基极或栅极端子)的过电流检测信号(HIGH信号)而导通,使FET11断开的方式排列。即,开关67连接在FET11的栅极端子和开关63的连接点与地之间,使得能够将FET11的栅极端子与地直接连接。开关68以根据来自比较电路3的过电流检测信号导通,使FET12断开的方式排列。即,开关68连接在地与FET12的栅极端子和开关64的连接点之间,使得能够将FET12的栅极端子与地直接连接。此外,开关67和68分别根据来自比较电路3的LOW信号而断开。这样,控制电路6在从过电流检测信号的结束(HIGH信号的下降沿)到第一截断时间的期间,使FET11~14断开,对它们不进行供电。
根据本发明的特征,比较电路3还包括保持电路4和延迟电路5。当比较电路3在稳定阶段产生过电流检测信号时,保持电路4与通过检测电路2检测出的电流无关地,在保持时间的期间保持比较电路3的输出,使得比较电路3持续产生该过电流检测信号。保持时间和接续该保持时间的第一截断时间构成第二截断时间。例如,保持电路4包括电阻41和42(第一和第二电阻)以及电容器43。电阻41连接在运算放大器30的非反转输入端子与DC电源8的负端子82之间。电阻42具有第一端和第二端,该第一端与运算放大器30的非反转输入端子连接。电容器43连接在电阻42的第二端与运算放大器30的输出端子之间。由此,保持时间由电阻41和42以及电容器43的时间常数决定。即,当运算放大器30产生过电流检测信号(HIGH信号)时,过电流检测信号供给至控制电路6和电容器43,因此电容器43利用过电流检测信号而被充电。此时,从HIGH信号的电压减去电容器43的电压所得到的电压,通过电阻41和42被分压,电阻41的电压(分压电压)供给至运算放大器30的非反转输入端子。由此,电容器43的电压由于过电流检测信号而逐渐增大,当电阻41的电压低于过电流阈值(基准电压)时,运算放大器30产生LOW信号,电容器43通过电阻41和42放电。即,在电阻41的电压达到与保持时间对应的电压之前,运算放大器30持续产生过电流检测信号。由此,电阻41和42以及电容器43基于保持时间而设定。该保持时间和第一截断时间构成第二截断时间,因此,保持时间基于第二截断时间决定。例如,第二截断时间决定为使得FET11~14的各结(Junction)温度不超过最大额定温度。第二截断时间没有限定,但决定为第一截断时间的至少20倍,电阻41和42以及电容器43基于根据该决定了的第二截断时间得到的保持时间进行设定。
延迟电路5构成为,从电机7起动到预先决定的延迟时间结束,使保持电路4的动作延迟(停止)。例如,延迟电路5包括延迟开关51、RC电路52和NOT电路53。延迟开关51为双极晶体管或FET等,连接在电阻42的第二端与DC电源8的负端子82之间。RC电路52由电阻521和电容器522构成。电阻521连接在用于接收起动信号(HIGH信号)的输入端子50与NOT电路53的输入端子之间。电容器522连接在电阻521和NOT电路53的连接点与地之间。NOT电路53的输出端子与延迟开关51的控制端子(例如基极或栅极端子)连接。由此,当起动信号供给至输入端子50时,NOT电路53产生HIGH信号直至电容器522的电压达到或超过NOT电路53的阈值电压。之后,产生LOW信号。换言之,NOT电路53在由RC电路52的时间常数决定的延迟时间结束之前产生HIGH信号,之后产生LOW信号。这样,延迟电路5构成为,从电机7起动到该延迟时间结束使延迟开关51导通,之后使延迟开关51断开。当延迟开关51导通时,电阻41和42的并联电路连接在运算放大器30的非反转输入端子与地之间,电容器43连接在运算放大器30的输出端子与地之间。由此,运算放大器30作为比较器起作用,保持电路4停止。此处,RC电路52的时间常数以该延迟时间的结束包含于稳定阶段的期间的方式设定。例如,该时间常数基于无刷DC电机7的规格(例如直至电机被稳定驱动的时间等)而设定。优选的是,该时间常数设定为50~100msec的范围内的时间或者为1sec以上。
由此,在起动阶段,当通过检测电路2检测出的电流达到或超过过电流阈值时,控制电路6在第一截断时间的期间使FET11~14断开,不对其供电。此外,在稳定阶段,当通过检测电路2检测出的电流达到或超过过电流阈值时,控制电路6在比第一截断时间长的第二截断时间的期间,使FET11~14断开,不对其供电。
首先,参照图3说明稳定阶段中的本驱动器的动作。在稳定阶段,磁传感器61根据磁转子73的旋转(磁极的位置)而产生矩形波信号。即,磁传感器61交替产生HIGH信号和LOW信号。
当磁传感器61产生HIGH信号时,LOW信号和HIGH信号分别被供给至开关63和64的控制端子,开关63和64分别被断开和导通。当开关64导通时,地与FET12的栅极端子连接,因此FET12在开关64导通的时刻断开。另一方面,FET11在从开关63的断开时刻起经过第一截断时间(Td)后导通。即,当开关63断开时,控制电路9经由RC电路65与FET11的栅极端子连接。由此,RC电路65的电容器652的电压根据其时间常数而增大,在达到或超过FET11的阈值电压时,FET11导通。也就是说,在第一截断时间的期间,FET11~14断开,因此不对其供电。
当FET11导通时,FET11的漏极端子与DC电源8的负端子82连接,该漏极端子的电压与负端子82的电压(即接地电压(电位))相等。此外,FET14的栅极端子的电压也与负端子82的电压相等。由此,FET14导通,DC电源8的电压通过FET11和14施加于电机线圈72。
之后,当磁传感器61产生LOW信号时,HIGH信号和LOW信号分别供给至开关63和64的控制端子,由此开关63和64分别导通和断开。当开关63导通时,地与FET11的栅极端子连接,因此FET11在开关63导通的时刻断开。此时,FET11的漏极端子经由电阻16与DC电源8的正端子81连接,因此,该漏极端子的电压与DC电源8的电压相等,FET14的栅极端子的电压也与DC电源8的电压相等。由此,FET14断开。此外,RC电路66在从开关64断开的时刻开始的第一截断时间(Td)的期间,延迟FET12的导通。由此,FET11~14在第一截断时间的期间断开,不对其供电。
当FET12导通时,FET12的漏极端子与DC电源8的负端子82连接,该漏极端子的电压与负端子82的电压相等。此外,FET13的栅极端子的电压也与负端子82的电压相等。由此,FET13导通,DC电源8的电压通过FET12和13以相反的极性施加于电机线圈72。即,通过FET12和13施加于电机线圈72的电压具有与通过FET11和14施加的电压相反的极性。
这样,FET11和14的组以及FET12和13的组根据磁传感器61的输出而交替地导通和关闭,由此AC电压(矩形波电压)施加于电机线圈72。由此,从定子芯71产生交替磁场,磁转子73旋转。
接着,参照图4说明起动阶段中的本驱动器的动作。当起动信号供给至输入端子50时,延迟开关51导通直至由延迟电路5决定的延迟时间结束。在本实施方式中,保持电路4至少在起动阶段的期间停止。
在起动阶段,在磁转子73旋转,磁传感器61产生矩形波信号之前,磁传感器61产生与磁转子73的磁极位置对应的信号(HIGH或LOW信号)。依据该信号,开关64或64起动,FET11或12导通,而另一方则断开。由此,FET11和14的第一组或FET12和13的第二组导通。当第一组或第二组导通时,DC电源8的电压施加于电机线圈72,因此,过渡电流流过电机线圈72(参照图4的“流过电机线圈的电流”)。在起动阶段,从电机线圈72不会产生大的反电动势,因此DC电源8的电压除以电机线圈72的电阻成分得到的大电流流过电机线圈72。
当过渡电流经由FET11或12流至电流检测电阻20时,过渡电流与电阻20的电阻值相乘而得的过渡电压产生于电阻20。从该过渡电压减去二极管21的导通电压而得的电压成为检测电路2的检测电压,检测电压供给至运算放大器30的非反转输入端子。检测电压与该过渡电流对应,因此检测电压能够达到施加于运算放大器30的反转输入端子的过电流阈值。当检测电压达到过电流阈值时,运算放大器30产生过电流检测信号,该信号实际上被供给至控制电路6的开关67和68。由此开关67和68导通。
开关67和68刚一导通,FET11~14就断开,电机线圈72和FET11~14不被供给电力。此外,过渡电流也被截断。由此,检测电路2的输出电压变得低于过电流阈值,运算放大器30产生LOW信号,将该信号供给至控制电路6的开关67和68。结果,与开关67和68的断开同时地,第一截断时间(Td)开始。
当开关67和68断开时,FET11或12的栅极端子分别经由RC电路65或66与控制电源9连接。由此,FET11或12在第一截断时间(Td)之后导通。当FET11或12导通时,第一组或第二组分别导通,DC电源8的电压施加于电机线圈72。
这样,在每次检测电压达到过电流阈值时,本驱动器使FET11~14断开,不对电机线圈72和FET11~14供电,接着在第一截断时间的期间,使FET11或12的导通延迟,同时使电机7的转速逐渐增大。之后,当电机7的转速增大,反电动势增大时,流过电流检测电阻20的电流减少,检测电压变得低于过电流阈值,驱动器的动作阶段转移至稳定阶段。此外,在由延迟电路5决定的延迟时间之后,保持电路4变得有效(实际上进行动作)。
最后,参照图5说明稳定阶段中本驱动器的用于应对过负载的动作。在稳定阶段,本驱动器如果受到由于DC电源8的过电压以及由对电机7的负载的增大和电机锁引起的流过电机线圈72的电流的增大所导致的过负载,则FET11~14和电机线圈72经受过电流,这导致它们各自的温度上升。依据本发明的特征,保持电路4进行动作,使得在稳定阶段经受过电流的FET11~14和电机线圈72的各自的温度有效下降。
即,在本驱动器像图3所示那样动作的稳定阶段中,当驱动器受到该过负载时,如图5所示,电流检测电阻20的电压(检测电压)达到施加于运算放大器30的反转输入端子的过电流阈值(Ic)。当检测电压达到过电流阈值时,比较电路3产生过电流检测信号,将该信号供给至控制电路6和保持电路4。由此,在开关67和68导通、FET11~14断开的同时,保持电路4在保持时间(Th)的期间保持比较电路3的输出,使得比较电路3持续产生过电流检测信号。经受过电流的FET11~14和电机线圈72的各自的温度在保持时间的期间例如通过周围温度而减少。
当经过保持时间,比较电路3产生LOW信号,则该信号被供给至控制电路6。由此,保持电路4的电容器43通过电阻41和42放电,而开关67和68断开。当开关67和68断开时,FET11或12在第一截断时间之后导通,DC电源8的电压施加于电机线圈72。即,在第二截断时间之后,DC电源8的电压施加于电机线圈72。
这样,保持电路4进行动作,使得在本驱动器没受到该过负载之前,使经受过电流的FET11~14和电机线圈72的各自的温度有效地下降。在本实施方式中,通过采用在比较电路3之外具有保持电路4和延迟电路5的价廉且简单的结构,能够有效地使经受过电流的开关元件11~14的各自的温度下降。例如,如果第二截断时间为第一截断时间的至少20倍长,则能够将经受过电流的开关元件11~14的各自的温度降低至元件11~14的各自的发热量为不具有保持电路4和延迟电路5的结构的各自的发热量的1/3以下。
本发明记载了几个优选的实施方式,但在不脱离本发明的主旨和权利范围的情况下,本领域的技术人员能够进行各种修正和变形。