CN113727812A - 电气机器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种可抑制故障风险的电气机器。电气机器包括：马达(32)；逆变电路(30)，具有开关元件(S1～S6)且驱动所述马达(32)；以及电荷泵电路(22)，生成所述开关元件(S1～S6)的驱动电压。在供给所述马达(32)的驱动电压(VM)的电源线与所述电荷泵电路(22)的输出端子(VGT端子)之间设有放电电路(放电电阻R及电容器C1)。开关元件(S4～S6)关断时在寄生电感(Ls)产生的浪涌电压(Vs)的能量由放电电路(放电电阻R及电容器C1)吸收。

Description

电气机器
技术领域
本发明涉及一种电气机器，利用电荷泵(charge pump)电路来生成马达驱动用的逆变电路的驱动电压。
背景技术
下述专利文献1公开一种利用逆变电路来驱动马达的电气机器。所述电气机器为交流驱动，在向逆变电路供给直流的二极管桥(diode bridge)的输出端子间，包括浪涌(surge)吸收用的电解电容器。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利特开2018-057178号公报
发明内容
发明所要解决的问题
在逆变电路的一部分开关元件关断(turn-off)的时机，在布线的寄生电感产生浪涌电压(surge voltage)。有时所述浪涌电压导致电荷泵电路的输出端子的电压上升而超过电荷泵电路的输出电压的设定值。若电荷泵电路的输出端子的电压超过电路元件的耐电压，则故障的风险变高。
本发明是认识到此种状况而成，其目的在于提供一种可抑制故障风险的电气机器。
解决问题的技术手段
本发明的某实施例为一种电气机器。所述电气机器包括：
马达；
逆变电路，具有开关元件，驱动所述马达；以及
电荷泵电路，生成所述开关元件的驱动电压，且
在供给所述马达的驱动电压的电源线与所述电荷泵电路的输出端子之间设有放电电路。
此处，也可在所述电源线与所述电荷泵电路的输出端子之间设置放电元件。
本发明的某形态为一种电气机器。所述电气机器包括：
马达；
逆变电路，具有开关元件，驱动所述马达；以及
电荷泵电路，生成所述开关元件的驱动电压，且
在供给所述马达的驱动电压的电源线与所述电荷泵电路的输出端子之间设有放电元件。
此处，所述电荷泵电路的输出端子也可相对于所述电源线而为高电位。
所述开关元件也可包含：高电压侧开关元件，连接于所述电源线；以及低电压侧开关元件，连接于地线，
所述电荷泵电路具有：高电压侧部，连接于所述高电压侧开关元件的控制端子；以及低电压侧部，连接于所述低电压侧开关元件，
所述放电元件设于所述电源线与所述高电压侧部之间。
也可包括：二极管，将所述高电压侧开关元件和所述低电压侧开关元件的相互连接部、与所述电荷泵电路的所述高电压侧部之间连接，所述二极管的阴极连接于所述高电压侧部。
所述放电元件也可为电阻。
所述放电元件也可为稳压二极管(Zener diode)。
此外，以上的结构元件的任意组合、将本发明的表述在方法或系统等之间转换而得的形态也作为本发明的形态而有效。
发明的效果
根据本发明，可提供一种可抑制故障风险的电气机器。
附图说明
图1为本发明的实施方式的电动工具1的立体图。
图2为电动工具1的电路框图。
图3为图2的控制部20的电路框图。
图4为表示图2的开关元件S1～S6的通断(on-off)的时间图。
图5为将图2的放电元件14设为稳压二极管ZD的情况下的、电动工具1的要部电路框图。
图6为将图2的放电元件14设为电阻R的情况下的、电动工具1的要部电路框图。
图7为去掉图2的放电元件14的、比较例的要部电路框图。
图8为表示图6的电路的开关元件S1、S2、S4、S5的通断以及高边电荷泵电压VGT、开关元件S4的漏极-源极间电压Vu、低边电荷泵电压VGB的波形的时间图。
图9将图8的电角θ＝60度附近的电压Vu、VGT的波形放大表示的曲线图。
具体实施方式
以下，一边参照附图一边对本发明的合适实施方式进行详述。此外，对各附图所示的相同或同等的结构元件、构件等标注相同符号，适当省略重复的说明。而且，实施方式为例示而不限定发明，实施方式中描述的所有特征或其组合也未必为发明的本质。
本实施方式涉及电动工具1。电动工具1为电气机器的例示。如图1所示，电动工具1包括电动工具本体10及电池包5。电池包5可装卸地连接于电动工具本体10。若作业者扣下电动工具本体10的扳机(trigger)11，则从电池包5向电动工具本体10供给电力。电动工具1的机械结构众所周知，因而此处省略说明。以下，对电动工具1的电路结构进行说明。如图2所示，电动工具1包括马达31、逆变电路30及控制部20。此处，马达31为内转子(innerrotor)型的无刷马达(brushless motor)，具有定子32及转子33。定子32具有经星形接线(Y型接线)的U相、V相、W相的定子绕组。
逆变电路30将电池包5输出的直流转换为交流并供给于定子32的各定子绕组，驱动马达31。在电池包5与逆变电路30之间的布线路中，存在寄生电感(布线电感)Ls。在电池包5的输出端子间，未设置浪涌吸收用的电容器(电解电容器)。逆变电路30包含经三相桥接的场效应晶体管(Field Effect Transistor，FET)或绝缘栅双极晶体管(Insulate-GateBipolar Transistor，IGBT)等开关元件S1～S6。开关元件S1～S6的各漏极或各源极连接于经星形接线的定子绕组U、V、W。开关元件S1～S6在向自身的栅极(控制端子)的输入电压为高电平(high level)时接通，在为低电平(low level)时断开。开关元件S1～S6的通断是由控制部20控制。
开关元件S1～S6的各栅极连接于控制部20的逆变驱动部25，开关元件S1～S6根据从逆变驱动部25输入的开关元件驱动信号H1～H6进行切换动作。由此，施加于逆变电路30的来自电池包5的直流电压作为三相(U相、V相及W相)电压Vu、Vv、Vw而供给于U相、V相及W相的各定子绕组。在各定子绕组产生的反电压信号Hu、Hv、Hw输入至控制部20。
在反电压信号Hu到达控制部20的路径中，设有电阻R1。电阻R1的一端连接于开关元件S1、S4的相互连接部。电阻R1的另一端连接于二极管D4的阴极及控制部20。二极管D4的阳极接地。在反电压信号Hv到达控制部20的路径中，设有电阻R2。电阻R2的一端连接于开关元件S2、S5的相互连接部。电阻R2的另一端连接于二极管D5的阴极及控制部20。二极管D5的阳极接地。在反电压信号Hw到达控制部20的路径中，设有电阻R3。电阻R3的一端连接于开关元件S3、S6的相互连接部。电阻R3的另一端连接于二极管D6的阴极及控制部20。二极管D6的阳极接地。电阻R1～R3及二极管D4～D6为用于吸收在寄生电感Ls产生的浪涌电压Vs的负成分的、保护元件。
利用逆变电路30的通电方式为众所周知的120度通电(矩形波驱动)，如图4所示，高边侧(高电压侧)开关元件S1～S3以每一周期360度中120度接通，低边侧(低电压侧)开关元件S4～S6也以每一周期360度中120度接通。图4中，将开关元件S1～S6的接通期间涂黑表示。接通期间中，高边侧开关元件S1～S3及低边侧开关元件S4～S6的至少一个也可经脉宽调制(Pulse Width Modulation，PWM)控制。
电流检测电路12通过设于马达31的驱动电流(定子32的各定子绕组中流动的电流)的路径中的、电阻Rs的电压，来检测马达31的驱动电流，并发送至控制部20。电压检测电路13检测电池包5的输出电压(向逆变电路30的输入电压)，并发送至控制部20。电池包5的输出电压输入至控制部20的VM端子。放电元件(电力消耗元件)14及第二放电元件(电容器C1)在控制部20的VM端子与VGT端子之间串联。电容器C2连接于控制部20的VGB端子与地面之间。即，放电元件14、电容器C1及电容器C2是与控制部20分立地外接设置。
温度检测元件15例如为热敏电阻(thermistor)，设于马达31或逆变电路30的附近。温度检测电路16通过温度检测元件15的输出电压来检测马达31或逆变电路30的温度，并发送至控制部20。霍尔集成电路(Integrated Circuit，IC)19为磁检测元件的例示，在马达31的附近设有例如三个。转子位置检测电路17为从霍尔IC19的输出信号除去噪声的滤波电路。转子位置检测电路17的三个输出信号分别输入至控制部20的UH端子、VH端子、WH端子。开关结构18与图1的扳机11的操作连动地切换通断，向控制部20发送开关操作检测信号。
图3表示控制部20的具体结构例。控制部20可使用适于控制三相直流(DirectCurrent，DC)无刷马达的通用马达控制IC(Integrated Circuit)。控制部20包括多个外部端子作为确立与外部的电连接的部件。UH端子、VH端子及WH端子为输入来自三个霍尔IC19的信号的输入端子。UHOUT端子、ULOUT端子、VHOUT端子、VLOUT端子、WHOUT端子及WLOUT端子为输出逆变电路30的驱动信号(图2的开关元件驱动信号H1～H6)的输出端子。U端子、V端子及W端子为在定子绕组产生的反电压(图2的反电压信号Hu、Hv、Hw)检测用的输入端子。VGT端子为电荷泵电路22所输出的高边栅极驱动用电压(高边电荷泵电压)VGT显现的端子。VGB端子为电荷泵电路22所输出的低边栅极驱动用电压(低边电荷泵电压)VGB显现的端子。VM端子为用于自电池包5受理电源电压VM的供给的电源端子。如上文所述，本实施方式中，在控制部20的VM端子与VGT端子之间，与电容器C1串联地外部连接放电元件14。其原因将于后述。虽然图示省略，但在控制部20也设有输入电流检测电路12、电压检测电路13、温度检测电路16及开关结构18的输出信号的各端子，各端子连接于运算部21。
控制部20包含运算部21、电荷泵电路22、转子位置检测电路23、定电压生成电路24及逆变驱动部(预驱动电路)25。定电压生成电路24包含输出3.3V的定电压生成电路24a、及输出5.0V的定电压生成电路24b。3.3V作为动作电压而供给于运算部21。5.0V供给于逆变驱动部25。电荷泵电路22通过运算部21的控制而运作，生成较电池包5的输出电压(此处为18V)更高的高边栅极驱动用电压(此处为31V)、及低边栅极驱动用电压(此处为13V)，供给于逆变驱动部25。此外，电荷泵电路22具有高电压侧部(高边电荷泵)及低电压侧部(低边电荷泵)，由高电压侧部生成高边栅极驱动电压，由低电压侧部生成低边栅极驱动用电压。转子位置检测电路23基于从UH端子、VH端子、WH端子输入的信号来检测马达31的旋转位置，并发送至运算部21。运算部21基于来自转子位置检测电路23的信号而生成栅极控制信号，并输出至逆变驱动部25。栅极控制信号与逆变电路30的开关元件S1～S6对应地有6个，分别为二值信号，在使开关元件S1～S6接通时成为高电平，在断开时成为低电平。逆变驱动部25生成提高了各栅极控制信号的电流能力的栅极电压(开关元件驱动信号H1～H6)，并输出至逆变电路30的开关元件S1～S6的栅极(控制端子)。各栅极电压在对应的栅极控制信号为高电平时成为高电平，在栅极控制信号为低电平时成为低电平。
图5为将图2的放电元件14设为稳压二极管ZD的情况下的、电动工具1的要部电路框图。图6为将图2的放电元件14设为电阻R的情况下的、电动工具1的要部电路框图。电阻R为固定电阻。图7为去掉图2的放电元件14的、比较例的要部电路框图。图5～图7中，示出逆变驱动部25的内部电路中与开关元件S1、S4的驱动有关的部分。虽然图示省略，但逆变驱动部25的内部电路中与开关元件S2、S5的驱动有关的部分以及与开关元件S3、S6的驱动有关的部分也和与开关元件S1、S4的驱动有关的部分同样地构成，且同样地运作。
逆变驱动部25包含FET等开关元件Q1～Q12。开关元件Q1、Q3、Q5、Q7、Q9、Q11为P通道型，开关元件Q2、Q4、Q6、Q8、Q10、Q12为N通道型。在U端子(开关元件S1、S4的相互连接部)与VGT端子之间，设有二极管D1。二极管D1的阳极连接于U端子，阴极连接于VGT端子。在U端子与地面之间设有二极管D2、D3。二极管D2的阳极连接于U端子。二极管D2、D3的阴极彼此相互连接。二极管D3的阳极接地。
运算部21向开关元件Q5～Q8的栅极(控制端子)输入用于使开关元件S1的栅极电压输出的栅极控制信号。在给予开关元件Q5～Q8的栅极控制信号为高电平时，开关元件Q5、Q7断开，开关元件Q6、Q8接通，开关元件Q1接通，开关元件Q2断开，开关元件S1接通。当给予开关元件Q5～Q8的栅极控制信号为低电平时，开关元件Q5、Q7接通，开关元件Q6、Q8断开，开关元件Q1断开，开关元件Q2接通，开关元件S1断开。同样地，当从运算部21给予开关元件Q9～Q12的栅极控制信号为高电平时开关元件S4接通，当为低电平时开关元件S4断开。
图8为表示图6的电路的开关元件S1、S2、S4、S5的通断以及高边电荷泵电压VGT、开关元件S4的漏极-源极间电压Vu、低边电荷泵电压VGB的波形的时间图。作为示例，参照图5、图6及图8对电角θ为0度～60度时的动作进行说明。在电角θ为0度～60度的范围内，开关元件S1及开关元件S5接通(ON)，其他开关元件断开(OFF)。此时，开关元件S4的漏极-源极间电压Vu成为Vu＝VM。
当电角θ＝60度时，开关元件S5由接通(ON)变为断开(OFF)。图5及图6表示电角θ＝60度时开关元件S5刚关断后且开关元件6开通前的状态，在寄生电感Ls产生浪涌电压Vs。此时，蓄积于寄生电感Ls的能量作为浪涌电压Vs经由开关元件S1施加于开关元件S4的漏极-源极间，开关元件S4的漏极-源极间电压Vu成为Vu＝VM+Vs。若由浪涌电压Vs导致开关元件S4的漏极-源极间电压Vu变得大于高边电荷泵电压VGT，则经由二极管D1向VGT端子流动充电电流。
图5的电路中，充电电流由连接于VGT端子与VM端子之间的稳压二极管ZD消耗，因而高边电荷泵电压VGT一直实质上成为一定电压。即，在VGT端子与VM端子之间形成有包含稳压二极管ZD的放电电路。VGT端子相对于VM端子而成为高电位。放电电路例如由稳压二极管ZD、寄生电感Ls、开关元件S1、二极管D1及电容器C1形成。这样，在使用稳压二极管ZD作为保护元件的情况下，因关断低边侧(下臂侧)开关元件S4～S6时在寄生电感产生的浪涌电压Vs而成为Vu＞VGT的能量由形成放电电路的稳压二极管ZD中流动的、瞬间的大电流所消耗。因此，对于稳压二极管ZD，需要使用容许损失大的稳压二极管，稳压二极管ZD的外形尺寸变大，零件成本也变高。此外，也可不与稳压二极管ZD串联设置电容器C1，此时，浪涌电压Vs也可由稳压二极管ZD中流动的瞬间的大电流所消耗。
图6的电路中，利用连接于VGT端子与VM端子之间的电阻R将充电电流以热形式消耗。与图5的电路同样地，在VGT端子与VM端子之间形成有包含电阻R的放电电路。此时，VGT端子也相对于VM端子而成为高电位。放电电路例如由电阻R、寄生电感Ls、开关元件S1、二极管D1及电容器C1所形成。与保护元件为稳压二极管ZD的情况不同，此时的充电电流根据欧姆定律(Ohm's law)而相对较小，流动相对较耗时。在形成放电电路的电阻R中流动电流的期间与除此以外的期间相比较，高边电荷泵电压VGT变高。通过适当选择电阻R的电阻值，从而可将高边电荷泵电压VGT的上升抑制于容许范围内。稳压二极管ZD的短路故障的风险相对较高，但作为被动元件的电阻R的短路故障的风险低，因而可靠性提高。此外，也可不与电阻R串联设置电容器C1，此时，浪涌电压Vs也可由电阻R中流动的电流所消耗。
图7的比较例的电路中，在VGT端子与VM端子之间仅有成为第二放电元件的电容器C1，不存在消耗电力的元件，因而高边电荷泵电压VGT大幅度地上升。电荷泵电路22中，高边电荷泵电压VGT的最大额定为例如48V。图7的比较例的电路中，高边电荷泵电压VGT因浪涌电压Vs而超过最大额定的可能性变高，高边电荷泵发生故障的风险高。但是，若为浪涌电压Vs小的情况，则如图5或图6那样，不设置放电元件14而仅利用成为第二放电元件的电容器C1便可吸收浪涌电压Vs。此时，也在VGT端子与VM端子之间形成有包含电容器C1的放电电路。放电电路例如由电容器C1、寄生电感Ls、开关元件S1、二极管D1所形成。
图9为将图8的电角θ＝60度附近的电压Vu、VGT的波形放大表示的曲线图。如图9所示，电压VGT从成为Vu＞VGT的A点开始上升，然后电压VGT从成为Vu＜VGT的B点逐渐下降。电压VGT的上升相对于电压Vu的上升的延迟、及电压Vu与电压VGT的顶点的时间上的偏差是由电阻R1所致。图9所示的电压变动是由电角θ＝60度时的开关元件S5的关断引起的、寄生电感Ls的浪涌电压Vs所致，但电角θ＝180度时的开关元件S6的关断、及电角θ＝300度时的开关元件S4的关断也使寄生电感Ls产生同样的浪涌电压Vs，引起与图9所示同样的电压变动。
根据本实施方式，可发挥下述效果。
(1)在电荷泵电路22生成的高边电荷泵电压VGT显现的VGT端子、与输入电池包5的输出电压VM的VM端子之间，构成放电电路，因而可利用放电电路来消耗因关断低边侧开关元件S4～S6而在寄生电感Ls产生的浪涌电压Vs的能量。因此，可抑制高边电荷泵电压VGT暴增所致的、电路元件(电荷泵22、特别是高边侧(高电压侧)电荷泵)的故障风险。
而且，在VGT端子与VM端子之间设有放电元件14，因而可利用放电元件14来消耗因关断低边侧开关元件S4～S6而在寄生电感Ls产生的浪涌电压Vs的能量。因此，可抑制高边电荷泵电压VGT暴增所致的、电路元件(电荷泵22、特别是高边侧(高电压侧)电荷泵)的故障风险。而且，在VGT端子与VM端子之间设有第二放电元件(电容器C1)，因而可利用第二放电元件来消耗因关断低边侧开关元件S4～S6而在寄生电感Ls产生的相对较小的浪涌电压Vs的能量。
(2)在如图5所示那样将放电元件14设为稳压二极管ZD的情况下，可使高边电荷泵电压VGT一直实质上一定。
(3)在如图6所示那样将放电元件14设为电阻R的情况下，高边电荷泵电压VGT虽以某种程度变动，但短路故障的风险低，因而可靠性高，而且也可抑制零件成本。
(4)通过如上文所述那样设有放电元件14，从而可一边享有电荷泵方式的后述优点，一边抑制缺点，也就是无法容许高边电荷泵电压VGT的大幅度变动所造成的影响。以下，对此方面进行说明。作为驱动高边侧(上臂侧)开关元件S1～S3的方式，除了电荷泵方式以外，有自举(bootstrap)方式。自举方式有下述缺点，即：在马达驱动中需要对自举电容器进行充电的期间；或无法长期间维持占用率(Duty)100％等。相对于此，本实施方式的电荷泵方式有下述优点，即：无需在马达31的驱动中对自举电容器进行充电；或可长期间维持占用率(Duty)100％等。另一方面，自举方式由于为浮动电源(floating power)因而容许电压变动，在寄生电感Ls产生的浪涌电压Vs所致的电压变动不大成问题。相对于此，本实施方式的电荷泵方式以相对于地面而一直维持一定的电压为理念(为接地电源)，因而浪涌电压Vs所致的高边电荷泵电压VGT的变动成问题。本实施方式中，通过利用放电元件14来抑制浪涌电压Vs所致的高边电荷泵电压VGT的变动，从而可抑制电荷泵方式的缺点的影响。
(5)利用放电元件14来消耗寄生电感Ls的浪涌电压Vs的能量，因而无需在电池包5的输出端子间设置浪涌吸收用的电解电容器，成本低廉。
(6)通过与控制部20分立地外接设置放电元件14，从而与和控制部20一体的经一体封装(one package)的结构相比较，可根据产品规格来仅选择放电元件，因而设计的自由度提高，并且可容易地抑制高边电荷泵电压暴增所致的、电路元件的故障风险。
(7)由于为在电荷泵电路22生成的高边电荷泵电压VGT显现的VGT端子、与输入电池包5的输出电压VM的VM端子之间，将放电元件14与电容器C1串联的结构，因而与将放电元件连接于VGT端子与地线之间的情况相比较，可减小成为保护元件的放电元件的耐压。此外，在连接于VGT端子与地线之间的情况下，对放电元件施加电源电压(电池电压)加上浪涌电压的电压，因而需要增大耐压。
以上，以实施方式为例对本发明进行了说明，但本领域技术人员理解，可在权利要求记载的范围内对实施方式的各结构元件或各处理过程进行各种变形。以下说明变形例。
本发明的电气机器不限定于DC驱动(无绳型(cordless type))，也可为交流(Alternating Current，AC)驱动(有绳型)，而且也可为电动工具以外的电动作业机或动力工具，进而也可为其他电气机器。实施方式中所示的具体的电压值等为一例，可适当变更。
符号的说明
1：电动工具
5：电池包
10：电动工具本体
11：扳机
12：电流检测电路
13：电压检测电路
14：放电元件(电力消耗元件)
15：温度检测元件
16：温度检测电路
17：转子位置检测电路
18：开关结构
19：霍尔IC
20：控制部
21：运算部
22：电荷泵电路
23：转子位置检测电路
24：定电压生成电路
24a：定电压生成电路(3.3V)
24b：定电压生成电路(5.0V)
25：逆变驱动部(预驱动电路)
30：逆变电路
31：马达(无刷马达)
32：定子
33：转子

Claims (8)

1.一种电气机器，包括：
马达；
逆变电路，具有开关元件，驱动所述马达；以及
电荷泵电路，生成所述开关元件的驱动电压，且
在供给所述马达的驱动电压的电源线与所述电荷泵电路的输出端子之间设有放电电路。
2.根据权利要求1所述的电气机器，其中，
在所述电源线与所述电荷泵电路的输出端子之间设有放电元件。
3.一种电气机器，包括：
马达；
逆变电路，具有开关元件，驱动所述马达；以及
电荷泵电路，生成所述开关元件的驱动电压，且
在供给所述马达的驱动电压的电源线与所述电荷泵电路的输出端子之间设有放电元件。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的电气机器，其中，
所述电荷泵电路的输出端子相对于所述电源线而为高电位。
5.根据权利要求2或3所述的电气机器，其中，
所述开关元件包含：高电压侧开关元件，连接于所述电源线；以及低电压侧开关元件，连接于地线，
所述电荷泵电路具有：高电压侧部，连接于所述高电压侧开关元件的控制端子；以及低电压侧部，连接于所述低电压侧开关元件，
所述放电元件设于所述电源线与所述高电压侧部之间。
6.根据权利要求5所述的电气机器，包括：
二极管，将所述高电压侧开关元件和所述低电压侧开关元件的相互连接部、与所述电荷泵电路的所述高电压侧部之间连接，所述二极管的阴极连接于所述高电压侧部。
7.根据权利要求2、3、5、6中任一项所述的电气机器，其中，
所述放电元件为电阻。
8.根据权利要求2、3、5、6中任一项所述的电气机器，其中，
所述放电元件为稳压二极管。
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