CN102420554A - 电动机 - Google Patents

Abstract

一种电动机，其具有驱动装置，是驱动电压(Vm)变化的PAM控制方式。驱动装置向线圈提供驱动电流。驱动装置具有上游侧功率元件、下游侧功率元件、控制电路和控制电压形成电路。控制电路向上游侧功率元件和下游侧功率元件施加控制电压(Vg)。控制电压形成电路对驱动电压(Vm)进行分压来形成控制电压(Vg)。在上游侧功率元件中采用了P沟道MOSFET。控制电压形成电路设置有低电压辅助电路。低电压辅助电路在控制电压(Vg)降低到预定值以下的情况下，使控制电压(Vg)变高。

Description

电动机

技术领域

本发明涉及PAM(Pulse Amplitude Modulation：脉冲幅度调制)控制方式的电动机。

背景技术

为了对电动机的旋转速度进行可变控制，所施加的驱动电压进行大小变化。因此，要求能够在从驱动电压较高的高电压区域到驱动电压较低的低电压区域的较宽的范围内稳定地进行旋转驱动的性能。

在对电动机进行旋转驱动时，需要向线圈提供预定模式的电流。一般通过对功率元件(MOSFET：Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor：金属氧化物半导体场效应晶体管)进行导通/截止控制来进行该控制。

在MOSFET中，有N沟道MOSFET和P沟道MOSFET。在N沟道MOSFET的情况下，通过向栅电极施加正极侧的电位，而使得电流在源电极和漏电极之间流过(导通状态)。在P沟道MOSFET的情况下，通过向栅电极施加负极侧的电位，而使得电流在源电极和漏电极之间流过(导通状态)。在阈值电压附近，在源电极和漏电极之间流过的电流量受到施加给栅电极的电位大小的影响。

例如，在日本特开2008-259340号公报中，公开了在功率元件中采用了N沟道MOSFET的电动机驱动电路。

在该电动机驱动电路中，设置有对驱动电压进行升压的电荷泵电路。并且，用该电荷泵电路进行升压后的升压电压在调节电路中被转换为进行了恒压化的调节电压。并且，该所转换的调节电压被输出到功率元件的栅极。

一直以来，电动机驱动电路以一定的分压比降低驱动电压。并且，电动机驱动电路利用该降低后的电压向功率元件输出控制电压。但是，当降低驱动电压时，输出到功率元件的控制电压也对应于该驱动电压的降低而降低。因此，当较大程度地降低驱动电压时，功率元件的导通/截止动作变得不稳定。并且，存在转速和/或转矩的降低等不能得到所需的电动机性能的问题。

图1示出功率元件100的驱动电路的概况。图1表示在功率元件100中采用了P沟道MOSFET的情况。在功率元件100的情况下，在N型半导体101上隔开形成两个P型区域(源电极102和漏电极103)。在源电极102和漏电极103之间的沟道区域上隔着氧化膜104层叠有栅电极105。

功率元件100与向线圈提供电流的电流供给线106的中途连接。电源侧(高电位侧)与源电极102连接。线圈侧(低电位侧)与漏电极103连接。向电流供给线106施加驱动电压Vm。

分压电路110具有第1电阻111和第2电阻112。分压电路110向功率元件100施加控制电压。第1电阻111和第2电阻112串联连接。向分压电路110也施加驱动电压Vm。栅电极105与第1电阻111和第2电阻112之间电连接。并且，栅电极105的电位与第1电阻111和第2电阻112之间的电位为相同电位。

在分压电路110没有通电时，不向栅电极105输出电位。因此，沟道区域不导通(截止状态)。但是，如图1所示，通过分压电路110通电而向栅电极105输出负极侧的电位。并且，向栅电极105施加由于电压下降而产生的控制电压(栅极电压Vg)。于是，沟道区域导通。并且，电流从源电极102流向漏电极103(导通状态)。

但是，当降低驱动电压Vm时，如图2所示，栅极电压Vg也伴随驱动电压Vm的降低而降低。功率元件100具有稳定发挥功能的栅极电压Vg的下限值VgL。并且，当低于该下限值时，即使施加栅极电压Vg也不会变为导通状态。因此，功率元件100的导通/截止动作变得不稳定。此外，即使变为导通状态，沟道部的电阻也较大。因此不能得到适当的电流量。并且，由于转速和转矩的降低等，不能得到所需的电动机性能。在这方面，专利文献1的电动机驱动电路利用电荷泵电路对驱动电压进行升压。因此，即使驱动电压降低也能够防止栅极电压的过度降低。但是，电路结构比较复杂，因此在部件成本和可靠性方面不利。

发明内容

驱动电压Vm变化的PAM控制方式的电动机1具有驱动装置4。驱动装置4具有上游侧功率元件21、下游侧功率元件22、控制电路31和控制电压形成电路41。并且，驱动装置4通过多个电流输入输出布线7向线圈6提供驱动电流。上游侧功率元件21和下游侧功率元件22对电流输入输出布线7进行切换。控制电路31向上游侧功率元件21和下游侧功率元件22施加控制电压Vg。控制电压形成电路41设置在控制电路31和上游侧功率元件21之间。控制电压形成电路41对驱动电压Vm进行分压来形成控制电压Vg。上游侧功率元件21采用了P沟道MOSFET。控制电压形成电路41设置有低电压辅助电路50。并且，低电压辅助电路50在控制电压Vg降低到预定值以下的情况下，使控制电压Vg变高。

附图说明

图1是示出功率元件的驱动电路的优选一例的概略图。

图2是示出驱动电压Vm与控制电压Vg之间的关系的图。

图3是示出本发明的优选的第1实施方式的电动机的概略图。

图4是表示本发明的优选的驱动装置的电路结构的概略图。

图5是表示本发明的优选的控制电压形成电路的概略图。

图6(a)和图6(b)是用于说明本发明的优选的控制电压形成电路的动作的图。

图7是表示驱动电压与控制电压之间的关系的概略图。

图8是表示本发明的优选的第2实施方式的电动机中的驱动装置的电路结构的概略图。

图9是表示本发明的优选的最小电位输出电路的电路结构的概略图。

图10是表示本发明的优选的比较电路的电路结构的概略图。

图11是表示本发明的优选变形例的电动机中的驱动装置的电路结构的概略图。

图12是表示本发明的优选变形例的电动机中的低电压辅助电路的主要部分的概略图。

具体实施方式

下面，根据附图来详细地说明本发明的实施方式。但是，以下的说明在本质上不过是例示，本发明并不限制其适用物或其用途。

<第1实施方式>

图3是应用了本发明的本实施方式的电动机1的概况的优选一例。电动机1例如是用于送风机的风扇等的、PAM控制方式的三相无刷DC电动机。在电动机1中，具有转子2、电动机主体3和驱动装置4。

转子2在电动机壳5上借助轴被支撑为旋转自如。驱动电动机2旋转的电动机主体3被收纳在电动机壳5中。电动机主体3的结构与以往的电动机相同。例如，如果是内转子型，则转子2形成为在外周具有多个磁铁的圆柱状。并且，在转子2的外侧隔开少许的间隙，配置具有多个线圈6(参照图4)的圆环状的定子。

线圈6例如由U、V、W的三相线圈6u、6v、6w构成。三相线圈6u、6v、6w根据电动机的规格利用Y接线或△接线进行接线。在本实施方式中，进行Y接线。在电动机主体3中设置有电流输入输出布线7(电流输入输出路径)。通过电流输入输出路径，从驱动装置4以预定顺序向线圈6u、6v、6w提供驱动电流。

由此，通过依次被励磁的各线圈6u、6v、6w和永磁铁之间的作用产生转矩。于是，转子2旋转。为了改变其旋转速度，通过PAM控制方式将驱动电压Vm进行大小变化。

驱动装置4例如是由IC等构成的电路基板。并且，驱动装置4被装入电动机壳5的内部。驱动装置4为了接受电源等的供给，与外部装置8连接。在电动机主体3的附近，配置有霍尔元件等位置传感器9。位置传感器9检测转子2的位置(旋转角度)。通过位置传感器9检测的转子2的位置数据被输出到驱动装置4。

图4是表示驱动装置4的电路结构的概略图的优选一例。如该图所示，驱动装置4具有电流供给布线11(电流供给路径)、功率元件21、22、控制电路31(控制装置)和控制电压形成电路41(控制电压形成装置)。并且，控制电压形成电路41具有分压电路47和低电压辅助电路50。低电压辅助电路50设置有分压比可变电路51。

电流供给布线11具有高电位侧布线12、三个切换布线13a、13b、13c(切换路径)和低电位侧布线14。

高电位侧布线12的一端与驱动电源侧连接。切换布线13a、13b、13c(切换路径)从高电位侧布线12的另一端分支且并联配置。低电位侧布线14的一端与切换布线13a、13b、13c的低电位侧连接。

低电位侧布线14的另一端经由下部电阻15接地。在电动机1的驱动时，向电流供给布线11施加驱动电压Vm。

功率元件21、22是可进行导通/截止控制的开关元件。功率元件21、22中的每两个分别与三个切换布线13a、13b、13c串联连接。功率元件21、22包含配置在高电位侧的功率元件21(上游侧功率元件21a、21b、21c)、和配置在低电位侧的功率元件22(下游侧功率元件22a、22b、22c)。上游侧功率元件21采用了P沟道MOSFET。下游侧功率元件22采用了N沟道MOSFET。

电流输入输出布线7由三个电流输入输出布线7a、7b、7c构成。在各切换布线13a、13b、13c中的上游侧功率元件21与下游侧功率元件22之间的部分，分别连接有电流输入输出布线7a、7b、7c。并且，上游侧功率元件21a、21b、21c中的任意一个被导通控制。并且，下游侧功率元件22a、22b、22c中的任意一个被导通控制。由此，形成施加了驱动电压Vm的一个闭合电路。

即，通过三个电流输入输出布线7a、7b、7c中的两个电流输入输出布线7、7，按预定顺序向预定线圈6提供预定流向的驱动电流。例如，上游侧功率元件21a被导通，下游侧功率元件22c被导通。此时，驱动电流按照切换布线13a、电流输入输出布线7a、线圈6w、线圈6v、电流输入输出布线7c、切换布线13c的顺序流过。

控制电路31为了对功率元件21、22进行导通/截止控制，在预定的定时输出通电信号(控制信号)。控制电路31具有位置检测输入部32、定时控制部33、通电信号形成部34、上臂驱动电路部35和下臂驱动电路部36。另外，在控制电路31的驱动中，采用了比驱动电压Vm低的电路用电压Vcc。

位置检测输入部32输入位置传感器9输出的位置数据。位置检测输入部32将该位置数据转换为位置信号。并且，位置检测输入部32将位置信号输出到定时控制部33。定时控制部33根据该位置信号、和预先存储的时序图，生成各功率元件21、22的导通/截止信号。导通/截止信号对各功率元件21、22进行导通/截止。定时控制部33将该导通/截止信号输出到通电信号形成部34。通电信号形成部34根据导通/截止信号，生成通电信号(具体而言为基于电路用电压Vcc的电位)。通电信号在预定的定时使各功率元件21、22进行导通/截止动作。通电信号形成部34分别与上臂驱动电路部35和下臂驱动电路部36协作而将该通电信号输出到电流供给布线11侧。

通电信号从下臂驱动电路部36被输出到预定的下游侧功率元件22的栅电极。与其相对，通电信号从上臂驱动电路部35被输出到控制电压形成电路41。控制电压形成电路41设置在控制电路31和上游侧功率元件21之间。

图5是控制电压形成电路41的电路结构的优选一例。控制电压形成电路41形成控制上游侧功率元件21的控制电压(也称作第1控制电压Vg)。控制电压形成电路41按照上游侧功率元件21a、21b、21c的每一个进行设置。图5表示优选例子的一种结构。在控制电压形成电路41的上游侧连接有驱动电源。向控制电压形成电路41施加驱动电压Vm。控制电压形成电路41以预定的分压比对该驱动电压Vm进行分压。并且，控制电压形成电路41形成第1控制电压Vg。

尤其是，控制电压形成电路41设置有低电压辅助电路50。例如，第1控制电压Vg伴随驱动电压Vm的降低而下降到预定值以下。此时，低电压辅助电路50使第1控制电压Vg变高。本实施方式设置有分压比可变电路51作为低电压辅助电路50。分压比可变电路51能够切换为通常电压用的第1分压比、和相比于第1分压比第1控制电压Vg更高的低电压用的第2分压比。

首先，控制电压形成电路41具有分压电路47。分压电路47具有分压布线45(分压路径)、和电位输出布线46(第1电位输出路径)。分压布线45从高电位侧依次具有串联连接的第1电阻43和第2电阻44。电位输出布线46为了向上游侧功率元件21施加第1控制电压Vg，向上游侧功率元件21输出第1电阻43和第2电阻44之间的电位。

比第2电阻44低电位侧的部分经由开关元件(也称作第1开关元件48)接地。第1开关元件48是N沟道MOSFET。第1开关元件48的栅电极经由控制布线49与上臂驱动电路部35连接。第1开关元件48通过从上臂驱动电路部35输出的通电信号被导通/截止控制。

分压比可变电路51由分压电路47、第3电阻52、第4电阻53、开关元件(也称作第2开关元件54)构成。第3电阻52与分压布线45中的比第1电阻43高电位侧的部分串联连接。与设置有第3电阻52和第1电阻43的部分(也称作分压电阻部)并联地连接有副分压布线55(副分压路径)。在副分压布线55上从高电位侧依次串联连接有第4电阻53和第2开关元件54。

本实施方式的第2开关元件54也还是N沟道MOSFET。向第2开关元件54施加控制电压(也称作第2控制电压)。因此，分压布线45中的第3电阻52与第1电阻43之间的部分和第2开关元件54的栅电极用电位输出布线56(第2电位输出路径)连接。第3电阻52与第1电阻43之间的电位被输出到第2开关元件54的栅电极。由此，在向第2开关元件54施加第2控制电压时，第2开关元件54接通。副分压布线55变为通电状态。

根据第2开关元件54和上游侧功率元件21的栅电极的性能适当设定第3电阻52和第1电阻43等的电阻值。

此外，与分压电阻部和副分压布线55并联设置有齐纳二极管57(过电压防止装置)。由此，限制为不向第2开关元件54和上游侧功率元件21的栅电极施加预定值以上的电压。

参照图6对这种结构的控制电压形成电路41的优选一例的动作进行说明。存在通过PAM控制在通常的驱动电压Vm下驱动电动机1的情况。此时，以第2开关元件54变为稳定的接通状态的方式，设定第3电阻52等的电阻值。因此，副分压布线55变为通电状态。控制电压形成电路41成为产生通常电压用的第1分压比的图6(a)所示的电路结构。

此外，第2开关元件54有时伴随驱动电压Vm的降低而断开。此时，副分压布线55断开。控制电压形成电路41成为产生低电压用的第2分压比的图6(b)所示的电路结构。

此时，相比第1分压比，分压电阻部和副分压布线55的部分的总电阻增加。因此，电压下降量变大，第1电阻43和第2电阻44之间的电位进一步降低。因此，相比第1分压比的情况，在第2分压比的情况下施加到上游侧功率元件21的栅电极的第1控制电压Vg变高。

并且，如果再次返回通常的驱动电压Vm，则第2开关元件54接通。并且，控制电压形成电路41切换为产生第1分压比的电路结构。

图7示出这些驱动电压Vm与第1控制电压Vg之间的关系。在图7中，虚线表示通常电压用的第1分压比的情况，实线表示低电压用的第2分压比的情况。在低电压区域中应用第2分压比。因此，相对于驱动电压Vm的第1控制电压Vg的值相对变高。因此，即使较大程度降低驱动电压Vm，也能够将第1控制电压Vg保持得较高。因此，上游侧功率元件21的导通/截止动作稳定。并且，电动机性能也稳定。

<第2实施方式>

在本实施方式中，作为低电压辅助电路50，替代分压比可变电路51而使用比较电路61和最小电位输出电路71。在变为低电压区域的情况下，低电压辅助电路50将第1控制电压Vg切换为最小电位。另外，本实施方式的基本结构与第1实施方式相同。因此，针对相同结构使用相同标号并省略其说明，对不同点进行详细说明。

图8是表示本实施方式的电动机1中的驱动装置4的电路结构的概略图的优选一例。如该图所示，驱动装置4的控制电压形成电路41设置有比较电路61和最小电位输出电路71。控制电压形成电路41不仅施加驱动电压Vm，还施加电路用电压Vcc。

图9是最小电位输出电路71的电路结构的优选一例。第1控制电压Vg有时会降低到上游侧功率元件21的导通状态可能会变得不稳定的预定值(也称作阈值)以下。此时，最小电位输出电路71向上游侧功率元件21输出0V(在该电动机1中设定的最小电位)。

具体而言，最小电位输出电路71具有最小电位输出布线72(最小电位输出路径)和开关元件(也称作第3开关元件73)。

最小电位输出布线72的一端与分压布线45中的比第2电阻44低电位侧的和接地相同电位的部分连接。最小电位输出布线72的另一端与分压布线45中的第1电阻43和第2电阻44之间的部分连接。此外，该部分与上游侧功率元件21的栅电极连接。第3开关元件73设置在最小电位输出布线72的中途。并且，第3开关元件73与第2电阻44并联。第3开关元件73采用了N沟道MOSFET。第3开关元件73与电位输出布线74(第3电位输出路径)的一端连接。电位输出布线74向第3开关元件73的栅电极施加控制电压(也称作第3控制电压)。图10示出比较电路61的电路结构的优选一例。比较电路61比较第1控制电压Vg是否降低到了预定值以下。比较电路61由第1分压布线62、第2分压布线63和比较器64(comparator)构成。

第1分压布线62从高电位侧依次串联连接有第5电阻65和第6电阻66。此外，第2分压布线63从高电位侧依次串联连接有第7电阻67和第8电阻68。向第1分压布线62施加电路用电压Vcc。向第2分压布线63施加驱动电压Vm。另外，根据上游侧功率元件21的栅电极和比较器64的性能适当设定第5电阻65等的电阻值。

并且，第1分压布线62中的第5电阻65和第6电阻66之间的部分与比较器64的高电位侧的端子64a连接。并且，第2分压布线63中的第7电阻67和第8电阻68之间的部分与比较器64的低电位侧的端子64b连接。在比较器64的输出端子64c(电位输出端子)上连接有电位输出布线74的另一端。

比较器64对高电位侧的端子64a的电位和低电位侧的端子64b的电位进行比较。比较第1控制电压Vg是否降低到了阈值以下。并且，在第1控制电压Vg降低到了阈值以下的情况下，比较器64通过电位输出布线74向第3开关元件73的栅电极输出施加第3控制电压的高电平的电位。并且，第3开关元件73被接通。

于是，最小电位输出布线72变为通电状态。因此，向上游侧功率元件21的栅电极输出0V的电位。第1控制电压Vg进一步变得更高。因此，在驱动电压Vm大幅度降低的情况下，电动机1能够使上游侧功率元件21的导通/截止动作稳定。此外，电动机1也能够稳定发挥电动机性能。

另一方面，在第1控制电压Vg高于阈值的情况下，比较器64通过电位输出布线74向第3开关元件73的栅电极输出低电平的电位(例如0V)。于是，第3开关元件73被截止。因此，此时，最小电位输出布线72被断开。因此，上游侧功率元件21施加在通常的分压电路47下生成的第1控制电压Vg。

(变形例)

本变形例的电动机1具有低电压辅助电路50。低电压辅助电路50用第1实施方式的电动机1的分压比可变电路51、第2实施方式的电动机1的比较电路61和最小电位输出电路71进行了组合。

图11示出本变形例的电动机1中的驱动装置4的电路结构。电动机1中的分压比可变电路51等的各结构与上述各实施方式相同，因此使用相同标号并省略其说明。图12示出在本变形例的低电压辅助电路50中除了比较电路61以外的部分(比较电路61与第2实施方式相同)。本变形例的电动机1能够分两阶段进行低电压区域中的第1控制电压Vg的切换。

例如，设定第1基准电压、和比第1基准电压低的第2基准电压。根据第1基准电压控制分压比可变电路51。根据第2基准电压控制比较电路61和最小电位输出电路。由此，能够进一步细致控制低电压区域中的上游侧功率元件21的导通/截止动作。因此，上游侧功率元件21的导通/截止动作更稳定。还进一步稳定发挥了电动机1的性能。

另外，本发明的电动机不限于上述实施方式，还包含除此以外的各种结构。例如，电动机1也可以是外转子型。开关元件(第2开关54)不限于MOSFET，也可以是其他的晶体管。

Claims (6)

1.一种电动机，其是驱动电压变化的脉冲幅度调制控制方式的电动机，

该电动机具有转子、电动机主体、驱动装置和多个线圈，

转子被支撑为旋转自如，

电动机主体具有三个以上的电流输入输出路径，

所述电流输入输出路径与所述线圈连接，

所述驱动装置具有电流供给路径、控制装置、控制电压形成装置和多个功率元件，通过所述电流输入输出路径中的至少任意两个向所述线圈提供驱动电流，由此驱动所述转子旋转，

所述电流供给路径包含并联配置的多个切换路径，并向所述电动机主体提供所述驱动电流，

所述多个功率元件包含上游侧功率元件和下游侧功率元件，对所述电流输入输出路径进行切换，

所述上游侧功率元件是P沟道MOSFET，分别与所述切换路径的高电位侧连接，

所述下游侧功率元件分别配置于所述切换电路的低电位侧，

所述控制装置为了分别对所述上游侧功率元件和所述下游侧功率元件进行导通/截止控制，在预定的定时输出控制信号，

所述控制电压形成装置包含分压电路和低电压辅助电路，并且设置在所述控制装置和所述上游侧功率元件之间，根据所述驱动电压形成所述上游侧功率元件的控制电压，

所述分压电路具有分压路径和第1电位输出路径，

所述分压路径被施加有所述驱动电压，具有从高电位侧依次串联连接的第1电阻和第2电阻，

所述第1电位输出路径将所述第1电阻和所述第2电阻之间的电位输出给所述上游侧功率元件，

所述低电压辅助电路在所述控制电压降低到预定值以下的情况下，使所述控制电压变高。

2.根据权利要求1所述的电动机，其中，

所述低电压辅助电路具有分压比可变电路，

所述分压比可变电路能够切换为第1分压比、和所述控制电压相比于该第1分压比更高的低电压用的第2分压比。

3.根据权利要求2所述的电动机，其中，

所述分压比可变电路具有所述分压电路、第3电阻和副分压路径，

所述第3电阻串联连接在所述分压路径中的比所述第1电阻高电位侧的部分，

所述副分压路径具有第4电阻和开关元件，与所述分压路径中的设置有所述第3电阻和所述第1电阻的部分并联连接，

所述第4电阻和开关元件从高电位侧依次串联连接，

所述开关元件是N沟道MOSFET，

第2电位输出路径设置在所述分压路径和所述副分压路径之间，将所述第3电阻和所述第1电阻之间的电位输出给所述开关元件。

4.根据权利要求1所述的电动机，其中，

所述低电压辅助电路具有比较电路和最小电位输出电路，

所述比较电路比较所述控制电压是否降低到了预定值以下，

所述最小电位输出电路在所述控制电压降低到了预定值以下的情况下，根据来自所述比较电路的指示将最小电位输出给所述上游侧功率元件。

5.根据权利要求4所述的电动机，其中，

所述比较电路具有比较器，

所述比较器根据比较结果从电位输出端子输出预定电位，

所述最小电位输出电路具有最小电位输出路径和开关元件，

所述最小电位输出路径的一端与所述分压路径中的相比于所述第2电阻的低电位侧连接，

所述最小电位输出路径的另一端与所述上游侧功率元件连接，

所述开关元件设置在所述最小电位输出路径的中途，

所述开关元件是N沟道MOSFET，

第3电位输出路径设置在所述比较电路和所述最小电位输出路径之间，将所述电位输出端子的电位输出给所述开关元件。

6.根据权利要求2所述的电动机，其中，

该电动机还具有权利要求4所述的所述比较电路和所述最小电位输出电路。

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