CN102420555B - 无电刷电动机驱动电路 - Google Patents

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Abstract

无电刷电动机驱动电路包括：电池，用于向所述无电刷电动机驱动电路供电；驱动器电路；桥式电路，其包括多个N沟道场效应晶体管(FET)；控制单元，用于通过基于转子位置检测信号，经由所述驱动器电路而切换所述桥式电路，来使无电刷电动机旋转；浮动电压生成器，用于将电压施加至所述桥式电路的第一组所述FET；以及转换器，其从所述电池供电。所述转换器的输出连接至所述桥式电路的所述第一组FET的所述浮动电压生成器的输入并且连接至所述桥式电路的第二组所述FET的所述驱动器电路的输入，以专门向所述FET的栅极供电，以及所述控制单元从所述电池供电而不使用所述转换器。

Description

无电刷电动机驱动电路
技术领域
本发明涉及用于驱动无电刷电动机的驱动电路；以及，更具体地，涉及驱动用在可充电电动工具中的无电刷电动机的驱动电路。
背景技术
公开了一种用于通过采用电池作为其电源来驱动DC无电刷电动机的驱动电路(参见，例如，日本专利申请公开No.H06-104000)。在该传统的示例中，当控制单元基于从无电刷电动机的位置检测单元(未示出)输出的信号，通过经由驱动器电路切换包括多个场效应晶体管(FET)的桥式电路，来使无电刷电动机旋转时，由浮动(floating)电压生成器(引导电路)生成将提供至FET的栅极的电压。
同时，如图3所示，施加在栅极和源极(后文中，称为“栅/源电压”)之间的更高的电压会降低导通电阻并因此减少热发散。另一方面，更低的栅/源电压会升高导通电阻并因此增加热发散。在图3中所示的FET的情况下，优选地施加7V或更高的栅/源电压。
另一方面，控制单元典型地由微计算机形成，并且其驱动电压为约3或5V，这低于所需要的栅/源电压。
在使用电池供电的电动工具的情况下，电池电压在完全充满状态下较高，并随着电池电量的降低而变低。为了增加每个充电周期的工作量，可能需要在即使电池电量较低，并因此电池电压较低的情况下仍然操作电动工具。然而，当电池电压降低时，FET的栅/源电压也降低，这会导致增加的热发散，并使FET的运行不稳定。
因此，当电池电压变得低于参考电压时，需要停止电动工具的操作。然而，由于参考电压高于控制单元的可操作电压范围，因此参照参考电压来停止电动工具的操作会导致每单个充电周期工作量的减小。
发明内容
考虑上述，本发明提供了即使在电池电压降低时仍然能够维持无电刷电动机的操作的无电刷电动机驱动电路。
根据本发明的一个实施例，提供了无电刷电动机驱动电路，其包括：电池，用于向所述无电刷电动机驱动电路供电；驱动器电路；桥式电路，其包括多个N沟道场效应晶体管(FET)；控制单元，用于通过基于转子位置检测信号，经由所述驱动器电路而切换所述桥式电路，来使无电刷电动机旋转；浮动电压生成器，用于将电压施加至所述桥式电路的第一组所述FET；以及转换器，其从所述电池供电。所述转换器的输出连接至所述桥式电路的所述第一组FET的所述浮动电压生成器的输入并且连接至所述桥式电路的第二组所述FET的所述驱动器电路的输入，以专门向所述FET的栅极供电，以及所述控制单元从所述电池供电而不使用所述转换器。
根据本发明的另一实施例，提供了一种无电刷电动机驱动电路，包括：电池，用于向所述无电刷电动机驱动电路供电；驱动器电路；桥式电路，其包括多个N沟道场效应晶体管(FET)；控制单元，用于通过基于位置检测信号，经由所述驱动器电路而切换所述桥式电路，来使无电刷电动机旋转；第一转换器，用于专门向所述桥式电路的第一组所述FET的栅极供电；以及第二转换器，用于专门向所述桥式电路的第二组所述FET的栅极供电。所述第一转换器的输出电压高于所述第二转换器的输出电压，以及所述控制单元从所述电池供电而不使用所述第一转换器和所述第二转换器。
当所述转换器(或者，所述第一或第二转换器)的电压等于或者低于预设电压时，所述控制单元停止所述FET的运行。此外，所述无电刷电动机驱动电路还可以包括布置在所述FET附近的温度检测单元。所述控制单元可以基于由所述温度检测单元检测到的温度来改变所述预设电压。
根据本发明，通过转换器向FET的栅极供电，因此，在即使电池电压变得更低时也可以获得FET的稳定运行。此外，虽然电池电压略微降低，也不需要停止FET的运行。因此，当用于电动工具时，可以增加每一个充电周期的工作量。此外，转换器专用于向FET的栅极供电。该电力从电池提供到具有高功耗的控制单元，而不用经过转换器。因此，可以采用额定电压小的转换器。
附图说明
根据结合附图给出的实施例的一些描述，本发明的目的和特征将变得显而易见，其中：
图1是示出了根据本发明第一实施例的用于驱动无电刷电动机的驱动电路的示意性电路图；
图2是示出了驱动电路的转换器的电路图；
图3说明了导通电阻和FET的栅/源电压之间的关系；
图4是示出了在该驱动电路用在电动工具中时的电池电压的变化的时间图；
图5是示出了根据本发明第二实施例的用于驱动无电刷电动机的驱动电路的示意性电路图；
图6是示出了根据本发明第三实施例的用于驱动无电刷电动机的驱动电路的示意性电路图；
图7是示出了驱动电路的转换器的电路图；
图8是示出了根据本发明第四实施例的用于驱动无电刷电动机的驱动电路的示意性电路图；
图9说明了转换器的输出电压和输入电压之间的关系；
图10是示出了根据本发明第五实施例的用于驱动无电刷电动机的驱动电路的示意性电路图；以及
图11说明了所检测的温度与驱动停止电压之间的关系。
具体实施方式
现在将参考构成本发明一部分的附图来描述本发明的实施例。图1示出了根据本发明第一实施例，通过采用电池1作为其电源来驱动三相DC无电刷电动机的驱动电路。连接至DC无电刷电动机的三相线圈U、V和W的是包括6个N-沟道场效应晶体管(FET)的桥式电路2。驱动器电路31分别连接至FET 21、23和25的栅极；并且驱动器电路32分别连接至FET 22、24和26的栅极。在图1中，为了简单，省略了连接至FET 23至26的驱动器电路31和32。驱动器电路31和32中的每一个是由晶体管桥组成的。
控制驱动器电路31和32的操作的控制单元4包括分配电路，其中从无电刷电动机的位置检测单元(未示出)生成的信号(转子位置检测信号)被输入至该分配电路。控制单元4基于转子位置检测信号确定使电流流经线圈U、V和W中的哪个线圈，以生成旋转力矩并向驱动器电路31和32输出栅极信号。驱动器电路31和32接收栅极信号并且选择性地导通FET 21至26。例如，当FET 21和24导通时，电流从线圈U流至线圈V。
在图1中，参考标号“11”指示用于将电压提供至FET 21至26的栅极的转换器。从电池1供电的转换器11的输出连接至用于位于桥式电路2的上游(upper stage)处的FET 21、23和25的驱动器电路31的浮动电压生成器5的输入。转换器11的输出还连接至位于桥式电路2的下游处的FET22、24和26的驱动器电路32的输入。浮动电压生成器5包括具有如图1所示的引导电容器Cb的引导电路。
对于转换器11，可以采用电荷泵转换器，但是在本实施例中采用图2所示的升压转换器(step-up converter)。如上所述从电池1供电的转换器11通过向集成电路(IC)19反馈由电阻器R1和R2提供的电压Vout的分压来运行(或者震荡)晶体管Tx，或者使晶体管Tx的运行(或者震荡)停止。当电池电压足够高时，不需要从转换器11提供电力。电阻器R1和R2的值被设置为使得晶体管Tx的运行在电池电压足够高时停止。当晶体管Tx的运行停止时，电池电压被提供为通过电阻器Rsc、线圈L和二极管D1的电压Vout。
然而，当电池电压变得更低时，电压Vout降低，因此，反馈至IC 19的电阻器R1和R2的分压输出变得更低。当电阻器R1和R2的分压输出低于阈值时，晶体管Tx的运行开始，以将存储在线圈L中的电压作为升压电压提供。
根据结合图3描述的导通电阻和栅/源电压之间的关系，需要转换器11提供大于一个值(在图3的情况中为7V)的输出电压Vout，以在即使电池电压变得低于例如7V时减小导通电阻。在单个操作期间，使用无电刷电动机的电动工具的电池电压由于负载的变化而逐渐减小地变化。具体地，在使用冲击类(impact-type)电动工具的情况中，电池电压描绘了如图4所示的电压变化曲线。
在该情况中，如果转换器11被配置为在电池电压低于A1时开始晶体管Tx的运行，则在由于升压电压生成的延迟导致的转换器11提供高于A1的电压Vout之前电池电压快速下降为低于7V的情况中，转换器11的输出电压Vout可能变得临时低于7V。因此，考虑到转换器11的升压电压生成的延迟，需要将转换器11的开始电压设置为高于A1的值(例如，图4中的A2或更高)。
如上所述，在采用其中电池电压在完全充电状态中较高并且随着电池电量降低而变低的电池供电的电动工具的情况下，可能需要在即使电池电量很低并因此电池电压也很低的情况下操作电动工具，以增加每个充电周期的工作量。通过在电池电压降低时由转换器11增加栅/源电压，本实施例解决了一个传统问题，即较低的电池电压引起FET的栅/源电压降低，从而增加了热发散。
此外，随着功耗变大，转换器11的大小和/或额定值变得更大。因此，如果需要高功耗的控制单元4也从转换器11供电，则转换器11的大小和/或额定值也要增加。
然而，控制单元4需要的最低电压低于栅/源电压。因此，在该实施例中，从电池1向控制单元4提供电池电力而不经过转换器11，并且因此，可能抑制转换器11的大小和/或额定值的增加。
图5是示出了根据本发明第二实施例的用于驱动无电刷电动机的驱动电路的示意性电路图。在本实施例中，除了转换器11，还包括转换器12，该转换器12连接至位于桥式电路2的下游处的FET 22，24和26的驱动器电路32的输入。此外，转换器11直接连接至位于桥式电路2的上游处的FET 21、23和25的驱动器电路31的输入，而不使用由引导电路构成的浮动电压生成器5。此时，由于位于上游处的FET 21、23和25的源极电压与电池电压基本上相同，优选地满足电池电压加上转换器12的输出电压等于转换器11的输出电压的情况。
当从地的角度看时，施加在位于上游处的每个FET 21、23和25的栅极和源极之间的电压需要电池电压加上FET的栅/源电压。为此，通常采用引导电路。
在采用引导电路的情况下，如果由于电动机堵转(lock)等而使电流持续地在同一相位上流动，则引导电容器的电压变得更低。因此，引导电路适于这种作为可恒定旋转的冲击驱动器的电动工具。另一方面，包括当负载增加时堵转的发动机的另一类型的电动工具(例如，钻驱动器或者圆锯)在堵转时在特定的相位处维持电连接状态。因此，在这种情况下，电容器的电压变得更低，导致位于上游处的FET 21、23和25的更低的栅/源电压。
然而，在本实施例中，可以由转换器11和12提供电力而不需要使用引导电路。这使得即使在发送机堵转情况下仍然可以解决该问题。
根据本发明的第三实施例，连接至位于下游处的FET 22、24和26的驱动器电路32的转换器12可以是降压类型的。在这种情况下，转换器12可以如图6所示的连接至转换器11。也就是，连接至位于上游的FET 21、23和24的驱动器电路31的转换器11的输出连接至转换器12的输入。在这种情况下，降压转换器可以由例如图7中所示的串联调节器构成。
图8是示出了根据本发明第四实施例的用于驱动无电刷电动机的驱动电路的示意性电路图。与图5所示的第二实施例相比，本实施例的驱动电路还包括测量电池电压的电压测量单元6。当由电压测量单元6检测的电池电压等于或者小于预设驱动停止电压时，控制单元4停止驱动电路的操作。
关于转换器11和12，低于预设电压的输入电压导致输出电压降低，因此，驱动停止电压被设置为高于输入电压，其中，如图9所示，在该输入电压处，输出电压开始降低。转换器11或者12的显著降低的输入电压导致停止操作，并且因此停止升压电压的生成，这显著地降低了栅/源电压。然而，在该实施例中，如果栅/源电压显著降低，则电动工具的驱动电路的操作停止。因此，可能防止FET的损坏。
测量电池电压等价于间接监视转换器11或者12的输出电压。因此，取代于测量电池电压，可以直接测量转换器11或者12的输出电压。
图10是根据本发明第五实施例的用于驱动无电刷发动机的驱动电路的示意性电路图。具体地，由例如热敏电阻或者正温度系数热敏电阻(正温度特性的热敏电阻)构成的温度检测单元7位于FET 21至26附近，并且由温度检测单元7检测的温度被输入到控制单元4中。然后，控制单元4依据所检测的温度来确定驱动停止电压。具体地，如图11所示，当所检测的温度较低时，控制单元4将驱动停止电压设置为较低，并且在所检测的温度较高时，控制单元4将驱动停止电压设置为较高。
通常，FET的接点温度(芯片温度)的上限被设置在150至175℃的范围。FET的导通电阻影响其热发散。如果热量在较低的温度处生成，则其需要更长的时间到达上限温度。另一方面，当热量在较高的温度处生成时，其需要更短的时间到达上限温度。通过依据温度设置驱动停止电压，驱动电路可以在电池电压较低时在较低的温度处操作，从而延伸了可使用的操作范围。
此外，电池1的单元的内部电阻在较低的温度处增加，因此，在电流流过它时电压降低增加。这使得施加至FET的栅极的电压降低。此外，当电池1处于低温状态时，期望其环境以及FET 21至26也处于低温状态中。因此，当电池电压由于低温而较低时，可用的操作范围也延伸。
虽然已经参照实施例示出和描述了本发明，但是本领域技术人员将理解，可以在不背离如权利要求所限定的本发明的范围的情况下进行各种改变和修改。

Claims (4)

1.一种无电刷电动机驱动电路，包括：
电池，用于向所述无电刷电动机驱动电路供电；
驱动器电路；
桥式电路，其包括多个N沟道场效应晶体管（FET）；
控制单元，用于通过基于转子位置检测信号经由所述驱动器电路而切换所述桥式电路，来使无电刷电动机旋转；
浮动电压生成器，用于将电压施加至所述桥式电路的第一组FET；以及
转换器，其从所述电池供电，
其中，所述转换器的输出连接至所述桥式电路的所述第一组FET的所述浮动电压生成器的输入并且连接至所述桥式电路的第二组FET的所述驱动器电路的输入，以专门向所述FET的栅极供电，以及
所述控制单元从所述电池供电而不使用所述转换器，
其中，当所述转换器的电压等于或者低于预设驱动停止电压时，所述控制单元停止所述FET的运行。
2.根据权利要求1所述的无电刷电动机驱动电路，还包括布置在所述FET附近的温度检测单元，
其中，所述控制单元基于由所述温度检测单元检测到的温度来改变所述预设驱动停止电压。
3.一种无电刷电动机驱动电路，包括：
电池，用于向所述无电刷电动机驱动电路供电；
驱动器电路；
桥式电路，其包括多个N沟道场效应晶体管（FET）；
控制单元，用于通过基于转子位置检测信号经由所述驱动器电路而切换所述桥式电路，来使无电刷电动机旋转；
第一转换器，用于专门向所述桥式电路的第一组所述FET的栅极供电；以及
第二转换器，用于专门向所述桥式电路的第二组所述FET的栅极供电，
其中，所述第一转换器的输出电压高于所述第二转换器的输出电压，以及
所述控制单元从所述电池供电而不使用所述第一转换器和所述第二转换器，
其中，当所述第一转换器或所述第二转换器的电压等于或者低于预设驱动停止电压时，所述控制单元停止所述FET的运行。
4.根据权利要求3所述的无电刷电动机驱动电路，还包括布置在所述FET附近的温度检测单元，
其中，所述控制单元基于由所述温度检测单元检测到的温度来改变所述预设驱动停止电压。
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