CN105846413B - 高电压抑制方法及装置 - Google Patents

Abstract

一种高电压抑制装置，与一发电机的一组三相线圈电性连接，该装置包括：三个上臂半导体开关，分别具有一第一端以及一第二端，所述上臂半导体开关的第一端互相电性连接，且其第二端是分别与该三相线圈的各相线圈电性连接；三个下臂半导体开关，分别具有一第一端以及一第二端，所述下臂半导体开关的第一端分别地与所述上臂半导体开关的第二端电性连接，且所述下臂半导体开关的第二端互相电性连接；一控制电路用以输出PwM信号予所述下臂半导体开关，以控制所述下臂半导体开关依序导通与截止，以分摊与吸收突涌电压所产生的能量。

Description

高电压抑制方法及装置

技术领域

本发明是与高电压抑制装置有关；特别是指一种适用于行动载具的发电机高电压抑制方法及装置。

背景技术

近年来，行动载具的发电机输出电流有越来越大的趋势，传统上的P-N接面二极管的整流器，已无法负荷如此的电流强度。

目前，由于金属氧化半导体场效应晶体管(MOSFET)除了有可快速开/关的特性之外，更具有较低的顺向偏压，因此可大幅减少热能的产生。举例来说，当导通电阻Rds(on)为1mΩ的MOSFET流过100A的电流时，其压降仅有0.1V，相较于传统上的二极管会有1.0V的压降来看，光是热能的产生就降低了90％。因此，使用MOSFET整流器的发电机除了有热消耗较低而有省能源的优点之外，更可缩减发电机内部的散热元件的配置，使发电机的重量减轻，让行动载具更加省油。

然而，当发电机应用于配备有启停系统(Start-stop system)的微混(MircoHybrid)动力车时，通常会面临负载突降(Load Dump)状况而产生突涌电压(SurgeVoltage)，此时，如何将突涌电压有效地吸收，防止电子装置受突涌电压的冲击而损坏，为当前的一大课题。

传统上以MOSFET整流器抑制突涌电压的做法为，当突涌电压发生时，立即停止发电，并导通多个MOSFET以将突涌电压的能量转换为热能的形式消耗。然而，由于突涌电压的高电压与高能量特性，将会于MOSFET流过极大的电流，即使欲通过导通多个MOSFET以使电流分流，但实际上，电流及热量都将集中在某一相的单一MOSFET中，而无法有效地平均分摊并吸收突涌电压的能量。因此，必须要采用大功率、大尺寸的芯片与热容量大的材料与结构来制作散热片来作为传统上的解决方案。但此一方法不但效果不彰，在此设计下的MOSFET的成本也相对的较高而不符经济效益。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种高电压抑制方法及装置，可有效地平均分摊并吸收突涌电压所带来的高热能，而达到抑制高压的目的。

缘以达成上述目的，本发明所提供的高电压抑制装置是与一发电机的一组三相线圈电性连接，该高电压抑制装置包括三个上臂半导体开关、三个下臂半导体开关以及一控制电路。所述上臂半导体开关分别具有一第一端以及一第二端，各该上臂半导体开关的第一端互相电性连接，且其第二端是分别与该三相线圈的各相线圈电性连接；所述下臂半导体开关，分别具有一第一端以及一第二端，各该下臂半导体开关的第一端分别地与所述上臂半导体开关的第二端电性连接，且各该下臂半导体开关的第二端互相电性连接；该控制电路与所述下臂半导体开关电性连接，该控制电路用以分别输出一PWM(Pulse WidthModulation)信号予所述下臂半导体开关，以控制所述下臂半导体开关依序导通与关闭。

本发明再提供一种高电压抑制装置，是与一发电机的一组三相线圈电性连接，该高电压抑制装置包括三个上臂半导体开关、三个下臂半导体开关以及至少三个反向崩溃(reverse breakdown)效应的二极管。所述上臂半导体开关分别具有一第一端以及一第二端，所述上臂半导体开关的第一端互相电性连接，且其第二端是分别与该三相线圈的各相线圈电性连接；所述下臂半导体开关分别具有一第一端以及一第二端，所述下臂半导体开关的第一端分别地与所述上臂半导体开关的第二端电性连接，且所述下臂半导体开关的第二端互相电性连接；所述二极管分别地与所述上臂半导体开关并联、或是分别地与所述下臂半导体开关并联；其中，所述上臂半导体开关以及所述下臂半导体开关分别地由金属氧化半导体场效应晶体管(MOSFET)所构成。

本发明另提供一种适用于上述高电压抑制装置的高电压抑制方法，其步骤包含有：A、侦测该三相线圈所输出的电压或该负载所接收的电压是否超过该默认值，若是，则执行下述的步骤；若否，则重新执行步骤A；B、关闭该发电机的激磁电流，以停止发电；C、该控制电路输出该PWM信号予各该下臂半导体开关，以控制所述下臂半导体开关依序导通。

本发明的效果在于利用PWM信号控制各个半导体开关的时序，以有效地分摊与吸收突涌电压所产生的能量。

附图说明

为能更清楚地说明本发明，以下结合较佳实施例并配合附图详细说明如后，其中：

图1是本发明一较佳实施例高电压抑制装置的电路结构图。

图2是本发明上述较佳实施例，揭示其中两相线圈导通时的电流路径。

图3是本发明上述较佳实施例，揭示其中两相线圈导通时的电流路径。

图4是本发明上述较佳实施例的PWM信号的波形时序图。

图5是本发明上述较佳实施例额外增加三个二极管分别与上臂半导体开关并联。

图6是本发明另一较佳实施例，揭露整流电路仅使用上臂与下臂半导体开关。

图7是本发明上述较佳实施例的PWM信号的波形时序图。

具体实施方式

请参图1所示，本发明一较佳实施例的高电压抑制装置，电性连接于发电机的一组三相线圈10以及一负载Z之间，其中于本实施例中，该负载Z为电池，特别是指行动载具所装置的电瓶。该高电压抑制装置包括有一整流电路20、一控制电路30以及一侦测电路40。

该三相线圈10可为Y型接法或是Δ型接法的三相线圈，用以产生交流电能，例如：输出一弦波电压。而于本实施例中是以Y型接法的三相线圈10为例。

该整流电路20包含有三个上臂半导体开关22a-22c、三个下臂半导体开关24a-24c以及三个具有反向崩溃效应的二极管26。其中，所述上臂半导体开关22a-22c与所述下臂半导体开关24a-24c于本实施例中是分别地由金属氧化半导体场效应晶体管(MOSFET)所构成；所述二极管26是选用雪崩二极管(Avalanche Diode)为例。

所述上臂半导体开关22a-22c分别具有一第一端以及一第二端，所述上臂半导体开关22a-22c的第一端(漏极)互相电性连接，而其第二端(源极)是分别与该三相线圈10的各相线圈U、V、W电性连接。

所述下臂半导体开关24a-24c，分别具有一第一端以及一第二端，所述下臂半导体开关24a-24c的第一端(漏极)分别与各该上臂半导体开关的第二端电性连接，且所述下臂半导体开关的第二端(源极)互相电性连接。

所述二极管26分别具有一正极以及一负极，所述二极管26的正极分别与各该下臂半导体开关24a-24c的第二端电性连接；所述二极管26的负极则分别地与所述下臂半导体24a-24c的第一端电性连接。该控制电路30分别与所述上臂半导体开关22a-22c以及所述下臂半导体开关24a-24c的栅极电性连接，该控制电路30用以控制所述上臂半导体开关22a-22c关闭，并且分别输出一脉冲宽度调变(Pulse Width Modulation，PWM)信号予所述下臂半导体开关24a-24c，以控制各该下臂半导体开关依序导通或截止。

而当三相线圈10输出一弦波电压，请参图2所示，当U相线圈输出负电位而V相线圈输出正电位时，将导通上臂二极管开关22b，以及导通下臂半导体开关24a，使得二极管26除了与下臂半导体开关24b并联之外，更与上臂半导体开关22a串联；反之，当U相线圈输出正电位而V相线圈输出负电位时，如图3所示，导通下臂半导体开关24b，以及导通上臂半导体开关22a，藉以，由该整流电路20将三相线圈所输出的弦波电压进行全波整流，并将整流后的电能供应予该负载Z。另外，当由其他两相线圈(U-W，V-W)组合输出电能时，其原理与上述相同，因此，其输出电能的路径，于此不再赘述。

该侦测电路40一侧与该三相线圈10的各相线圈U、V、W电性连接，另一侧与该控制电路30电性连接，该侦测电路40用以侦测该三相线圈10所输出的弦波电压值，当侦测到该发电机的三相线圈10的各相线圈U、V、W的其中一相或一相以上的弦波电压超过一默认值时，即关闭该发电机的激磁电流，以停止发电，接着，该侦测电路40则输出一信号予该控制电路30，以控制该控制电路30输出PWM信号。

其中，适用于上述高电压抑制装置的高电压抑制方法包含有以下步骤：

A、侦测该三相线圈所输出的电压或该负载所接收的电压是否超过该默认值，若是，则执行下述的步骤；若否，则重新执行步骤A；

B、关闭该发电机的激磁电流，以停止发电；

C、该控制电路输出PWM信号予各该下臂半导体开关，以控制所述下臂半导体开关依序导通与关闭。

举例来说，若该发电机的三相线圈10输出电压约为36V左右的发电机系统，而其侦测负载电压的默认值设定为45V。当该发电机有突涌电压(Surge Voltage)产生，而该侦测电路40侦测到该三相线圈的其中一相线圈的负载电压超过45V时，即先关闭该发电机的激磁电流，以停止发电，并且控制该控制电路30输出如图4所示的PWM信号，其中，PWM信号S24a-S24c是分别对应输入予各该下臂半导体开关24a-24c的栅极，以控制各该半导体开关24a-24c依序导通与截止，并通过各个下臂半导体开关24a-24c将突涌电压所产生的高能量吸收并消耗。值得一提的是，于一低电位时间区段Toff中，所述PWM信号S24a-S24e输出低电位信号，而使得所述下臂半导体开关24a-24c同时处于截止区。此时，与所述下臂半导体开关24a-24c并联的所述二极管26即导通，并由所述二极管26来吸收突涌电压的能量。

而于控制电路30输出PWM信号控制整流电路20分摊与吸收突涌电压的能量时，该侦测电路40将持续侦测该三相线圈10的负载电压是否已低于该默认值而回到正常数值，若是，则重新启动该发电机的激磁电流，以继续发电，并重新持续监测该三相线圈10所输出的电压；若否，则持续控制该控制电路30输出PWM信号予整流电路20，以进行突涌电压抑制的动作。

值得一提的是，针对功率较大而会产生更大能量的突涌电压的发电机系统，如输出电压约为48V或以上的发电机系统来说，请参照图5所示，可于上述实施例的整流电路20的架构下，再于各上臂半导体开关22a-22c分别并联二极管28，以使得在低电位时间区段Toff中，让二极管28吸收突涌电压的能量，以增加发电机系统的耐受度，提升高电压抑制的效果。

除此之外，针对功率较小而突涌电压能量较低的发电机系统，例如输出电压约为24V或以下的发电机系统，于另一实施例中，如图6所示，可不须并联二极管，而仅使用上臂半导体开关52a-52c以及下臂半导体开关54a-54c耦接而成的整流电路50，进行高电压的抑制。而其PWM信号的控制时序波形与前述实施例不同的地方在于，请配合图7所示，PWM信号S54a-S54c分别对应控制该下臂半导体开关54a-54c依序导通与关闭，其中，于各高电位时间区段Ton内，具有两个以上的下臂半导体开关同时处于导通区，而可确保所产生的突涌电压的能量，皆能有效地被抑制。

综上所述，本发明的高电压抑制方法及装置，通过PWM信号可有效地控制下臂半导体开关的导通以及关闭时序，而可有效地平均分摊突涌电压所产生的能量，因此，可承受突涌电压的高能量冲击，并可降低发电机系统的热消耗及节省能源。

以上所述仅为本发明较佳可行实施例而已，其中，控制电路可整合于电压调整的线路或是发电机的马达驱动电路中，而能节省电路成本；另外，上述的该侦测电路40除了耦接于三相线圈10与整流电路20之间用以侦测各相线圈的相电压之外，亦可改为分别与整流电路20、负载Z以及控制电路30电性连接，用以侦测该负载Z所接收的电压是否超过默认值，同样地可实现侦测是否产生突涌电压的效果；此外，为因应大能量的突涌电压，上臂半导体开关以及下臂半导体开关可分别地由两个以上的金属氧化半导体场效应晶体管所构成，而可分摊更多的突涌电压能量，而不以上述实施例为限。

于上述的架构底下，于一更小功率的发电机系统中，亦可不需连接控制电路，不需输出PWM信号，而仅通过至少三个反向崩溃二极管(如雪崩二极管)，分别与上臂半导体开关并联，且分别地与下臂半导体开关串联；或是通过至少三个雪崩二极管分别与所述下臂半导体开关并联，且分别地与上臂半导体开关串联。是以，当系统产生突涌电压时，其所产生的高压能量则可经由所并联的雪崩二极管吸收。如此一来，各上臂半导体开关以及各下臂半导体开关不需负责吸收能量，就可选用功率较小的MOSFET，因此，可降低设计的成本与整流电路的空间。而视系统所产生的突涌电压的大小，亦可设置六个雪崩二极管分别地与上臂、下臂半导体开关并联，同样地可通过所并联的雪崩二极管来吸收突涌电压产生的高压能量。

凡是应用本发明说明书及申请专利范围所为的等效变化，理应包含在本发明的权利要求范围内。

Claims (11)

1.一种高电压抑制装置，与一发电机的一组三相线圈电性连接，用以接收该三相线圈所输出的一交流电能，并将该交流电能转换后供应予一负载，该高电压抑制装置包括：

三个上臂半导体开关，分别具有一第一端以及一第二端，所述上臂半导体开关的第一端互相电性连接，且其第二端分别与该三相线圈的各相线圈电性连接；

三个下臂半导体开关，分别具有一第一端以及一第二端，所述下臂半导体开关的第一端分别与所述上臂半导体开关的第二端电性连接，且所述下臂半导体开关的第二端互相电性连接；

一控制电路，与所述下臂半导体开关电性连接，该控制电路用以输出脉冲宽度调变信号予所述下臂半导体开关，以控制所述下臂半导体开关依序导通与截止；

一侦测电路，该侦测电路一侧与该三相线圈连接或与该负载连接，另一侧则与该控制电路连接，当该侦测电路侦测到该三相线圈所输出的电压或该负载所接收的电压超过一默认值时，关闭该发电机的激磁电流，以停止发电，接着，该侦测电路输出一信号予该控制电路，以控制该控制电路输出该脉冲宽度调变信号予所述下臂半导体开关，进而控制所述下臂半导体开关依序导通与截止，使所述下臂半导体开关有效地平均分摊与吸收突涌电压所产生的能量。

2.如权利要求1所述的高电压抑制装置，其中于控制所述下臂半导体开关依序导通与截止时，于一高电位时间区段，具有两个以上的下臂半导体开关同处于导通区。

3.如权利要求1所述的高电压抑制装置，其中所述上臂半导体开关以及所述下臂半导体开关分别地由金属氧化半导体场效应晶体管所构成。

4.如权利要求1或3所述的高电压抑制装置，还包含有三个具有反向崩溃效应的二极管，各具有一正极以及一负极；所述二极管的正极分别与所述下臂半导体开关的第二端电性连接；所述二极管的负极则分别与各该下臂半导体的第一端电性连接。

5.如权利要求4所述的高电压抑制装置，还包含有另外三个具有反向崩溃效应的二极管，且分别具有一正极以及一负极，而其正极分别与各该上臂半导体开关的第二端电性连接，其负极分别地与所述上臂半导体开关的第一端电性连接。

6.如权利要求4所述的高电压抑制装置，其中于一低电位时间区段，脉冲宽度调变信号输出低电位信号，而使所述下臂半导体开关同时处于截止区，所述二极管导通。

7.一种适用于权利要求1的高电压抑制装置的高电压抑制方法，该高电压抑制方法包含步骤如下：

A、侦测该三相线圈所输出的电压或该负载所接收的电压是否超过该默认值，若是，则执行下述的步骤；若否，则重新执行步骤A；

B、关闭该发电机的激磁电流，以停止发电；

C、该控制电路输出该脉冲宽度调变信号予各该下臂半导体开关，以控制所述下臂半导体开关依序导通与截止。

8.如权利要求7所述的高电压抑制方法，其中于步骤C中，所述下臂半导体开关依序导通与截止时，于一高电位时间区段，具有两个以上的下臂半导体开关同处于导通区。

9.如权利要求7所述的高电压抑制方法，其中所述下臂半导体开关分别并联具有反向崩溃效应的一二极管；当该控制电路输出脉冲宽度调变信号予各该下臂半导体开关时，于一低电位时间区段，所述下臂半导体开关同时处于截止区，且所述二极管导通。

10.如权利要求9所述的高电压抑制方法，其中所述上臂半导体开关分别并联具有反向崩溃效应的另一二极管。

11.如权利要求7所述的高电压抑制方法，于步骤C之后还包含有一步骤D，侦测该三相线圈的负载电压是否低于该默认值，若是，则开启该发电机的激磁电流以继续发电；若否，则执行步骤C。