-
Die
gegenwärtige
Erfindung bezieht auf eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Steuerung
einer Halbleitervorrichtung, die beispielsweise zum Ansteuern eines
Lüftermotors
oder eines Lüfters
verwendet werden können.
-
Eine
herkömmliche
Vorrichtung zur Steuerung einer Halbleitervorrichtung wird zur Steuerung verschiedener
Motoren verwendet. Ein Beispiel ist eine in 5 dargestellte
Steuervorrichtung 1 zum Ansteuern eines Motors. Bei dieser
Steuervorrichtung 1 empfängt eine Eingangssignalverarbeitungsschaltung 3 ein
Drehzahlanweisungssignal in der Form eines pulsweitenmodulierten
(PWM; pulse-width-modulated)
Signals von einer elektronischen Steuereinheit (ECU) 2,
und sie wandelt es in ein SpannungssignaL um, welches der Leistung
des PWM-Signals entspricht. Dieses Spannungssignal wird an eine
PWM-Steuerschaltung 4 angelegt. Von einer Energieversorgungsquellen-Spannungskorrekturschaltung 5 wird
ebenfalls ein Korrekturanweisungssignal angelegt. Die ECU 2 empfängt beispielsweise
ein Ausgangssignal eines (nicht dargestellten) Kühlmitteltemperatursensors,
welcher Kühlmitteltemperaturen
in einem Kühler
erfasst, und sie gibt das Drehzahlanweisungssignal gemäß der erfassten Kühlmitteltemperatur
aus.
-
Eine
PWM-Signal-Erzeugungsschaltung 6 erzeugt ein PWM-Steuerungsanweisungssignal
auf der Grundlage des Spannungssignals und des Korrekturanweisungssignals.
Eine Dreieckssignal-Erzeugungsschaltung 7 erzeugt ein Dreieckssignal
(eine Trägerwelle)
in Dreiecksform bei einer festen Frequenz (beispielsweise 19kHz).
Die Schaltung 6 vergleicht das PWM-Steuerungsanweisungssignal
mit dem Dreieckssignal durch ihre (nicht dargestellte) Vergleichseinrichtung,
um ein resultierendes PWM-Signal zu erzeugen. Eine Treiberschaltung bzw.
Ansteuerschaltung 8 empfängt dieses PWM-Signal und legt
an den Gate eines N-Kanal-MOSFETs 9 (metal
oxid semiconductor field effect transistor; Metalloxidhalbleiter-Feldeffekttransistor)
gemäß dem PWM-Signal
ein Ansteuersignal an.
-
Eine
Reihenschaltung aus dem FET 9 und einem Motor 11 ist
parallel zu einer an einem Fahrzeug angebrachten Batterie 10 verbunden.
Der FET 9 befindet sich auf der Masseseite, und die Vorrichtung 1 ist
daher als Ansteuersystem auf der niedrigen Seite aufgebaut. Der
Motor 11 wird zum Ansteuern eines Lüfters 11a eines (nicht
dargestellten) Kühlers verwendet.
Der Motor 11 ist zwischen den Anschlüssen 1a und 1b angeschlossen.
Ein Rauschfilter 12 ist mit einer Spule 12a und
Kondensatoren 12b und 12c als ein π-Filter aufgebaut.
Die Korrekturschaltung 5 ist mit dem Anschluss 1b,
das heißt
mit dem Drain des FETs 9, verbunden, welcher auf eine Anschlussspannung
des Motors 11 anspricht. Somit erzeugt die Korrekturschaltung 5 das
Korrekturanweisungssignal, das sich mit Spannungsschwankungen der
Batterie 10 ändert.
-
Zwischen
dem Drain des FETs 9 und der Eingangsseite des Störschutzfilters 12 ist
eine Diode 13 angeschlossen. Diese Diode 13 stellt
einen Weg bereit, sodass ein Verzögerungsstrom zur Batterieseite fließen kann,
wenn sich der FET 9 ausgeschaltet. Der FET 9 erzeugt
Störsignale,
wenn er sich als Reaktion auf das PWM-Signal von 19kHz wiederholt
ein- und ausschaltet. Das Störschutzfilter 12 schränkt diese Störsignale
derart ein, dass sie nicht an die Batterieseite angelegt werden.
-
Die
Trägerwellenfrequenz
des PWM-Signals ist auf 19kHz eingestellt, was in der Nähe der oberen Grenze
des hörbaren
Frequenzbereiches liegt, sodass die Töne, welche erzeugt werden,
wenn der Motor 11 PWM-gesteuert ist, für Ohren hörbar werden. Aus diesem Grund
ist das Störschutzfilter 12 gegen die
Schaltgeräusche
erforderlich. Weil die Spule 12a sowie die Kondensatoren 12b und 12c groß sind, nimmt
das Störschutzfilter 12 einen
beträchtlich
großen
Einbauraum ein. Weil ferner die Schaltfrequenz des FETs 9 hoch
ist, sind sowohl der Schaltverlust als auch die Wärmeerzeugung
des FETs 9 groß,
was einen großen
Kühlkörper erforderlich
macht. Somit wird die Vorrichtung 1 schließlich groß.
-
Gegen
diesen Nachteil schlägt
die JP P2002-142494A vor, die Trägerwellenfrequenz
des PWM-Signals zum Ansteuern des Lüftermotors 11 auf
eine sehr niedrige Frequenz einzustellen, welche kleiner als einige
Zehn (Hz) sein kann. Mit dieser vorgeschlagenen, sehr niedrigen
Frequenz wird ein Zischgeräusch
verringert, das erzeugt wird, wenn sich der Lüfter 11a dreht. Im
Gegensatz dazu erhöht sich
auf Grund der sehr niedrigen Drehzahlen des Lüfters 11a ein Schwingungsgeräusch beträchtlich, und
es wird hörbar.
-
Wie
in 6 dargestellt ist,
kann der Lüftermotor 11 anstelle
der PWM-Steuerung mit analogen Spannungen durch eine Steuervorrichtung 14 angesteuert
werden. Diese Vorrichtung 14 beinhaltet eine analoge Treiberschaltung
bzw. Ansteuerschaltung 15, um die analoge Spannung zu steuern,
welche an den Lüftermotor 11 angelegt
wird. Die analoge Treiberschaltung 15 erzeugt die Gate-Spannung
für den FET 9 dadurch,
dass das Spannungssignal, welches von der Eingabeverarbeitungsschaltung 3 angelegt wird,
auf ein Niveau geregelt wird, welches für die Ansteuerung des FETs 9 geeignet
ist. In der Steuervorrichtung 14 ist weder ein Störfschutzfilter
noch eine Diode vorgesehen.
-
Weil
der FET 9 derart angesteuert wird, dass er in einem linearen
Bereich (in einem ungesättigten Bereich)
arbeitet, und weil ein Strom während
des Motorssteuerungszeitraumes kontinuierlich durch den FET 9 fließt, ist
die Wärmeerzeugung
durch den FET 9 groß,
und es ist ein großer
Kühlkörper erforderlich.
-
Es
ist Aufgabe der gegenwärtigen
Erfindung, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Steuerung einer
Halbleitervorrichtung bereitzustellen, welche weder ein Störschutzfilter
noch einen großen
Kühlkörper erforderlich
machen.
-
Diese
Aufgabe wird durch die Merkmale von Anspruch 1 gelöst. Verfahrenstechnisch
wird diese Aufgabe durch die Merkmale von Anspruch 8 gelöst. Weitere
Vorteile und Merkmale der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
-
Eine
Vorrichtung zur Steuerung einer Halbleitervorrichtung dient für einen
Motor, welcher einen Lüfter
dreht. Bei dieser Vorrichtung ist eine Halbleitervorrichtung mit
dem Motor in Reihe verbunden, um den Motor anzusteuern. Eine analoge
Treiberschaltung bzw. Ansteuerschaltung steuert die Halbleitervorrichtung
mit einer analogen Spannung an. Eine PWM-Steuerschaltung steuert
die Halbleitervorrichtung mit einem PWM-Signal an, welches eine
Frequenz von weniger als einigen Zehn hat. Eine Umschaltsteuerschaltung
wählt die
analoge Treiberschaltung und die PWM-Steuerschaltung aus, wenn der
Motor mit Drehzahlen gedreht werden soll, welche niedriger bzw.
höher als
eine vorgegeben Drehzahl sind. Als ein Ergebnis hieraus wird das
Schwingungsgeräusch
des Motors dadurch unterdrückt, dass
der Motor bei niedrigen Drehzahlen mit der analogen Spannung angesteuert
wird. Ferner wird das Schwingungsgeräusch des Motors durch das Zischgeräusch des
Lüfters
dadurch verdeckt, dass der Motor bei hohen Drehzahlen mit dem Niederfrequenz-PWM-Signal
angesteuert wird.
-
Weitere
Merkmale und Vorteile einer Vorrichtung und eines Verfahrens zur
Steuerung einer Halbleitervorrichtung werden aus der folgenden detaillierten
Beschreibung ersichtlich, welche unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung
gemacht worden ist.
-
Es
zeigen:
-
1 ein
elektrisches Steuerschaltbild, welches eine Steuervorrichtung zum
Ansteuern eines Fahrzeuglüftermotors
als eine Ausführungsform
einer Vorrichtung zur Steuerung einer Halbleitervorrichtung darstellt;
-
2 eine
graphische Darstellung, welche Störpegel eines Lüftermotors
in Bezug auf an den Lüftermotor
angelegte Spannungen zeigt;
-
3 eine
graphische Darstellung, welche Drehzahlen eines Lüftermotors
in Bezug auf an den Lüftermotor
angelegte Spannungen zeigt;
-
4 ein
elektrisches Schaltbild, welches eine Steuervorrichtung zum Ansteuern
eines Fahrzeuglüftermotors
als andere Ausführungsform
einer Vorrichtung zur Steuerung einer Halbleitervorrichtung darstellt;
-
5 ein
elektrisches Schaltbild, welches eine herkömmliche Steuervorrichtung zum
Ansteuern eines Fahrzeuglüftermotors
darstellt; und
-
6 ein
elektrisches Schaltbild, welches eine andere herkömmliche
Steuervorrichtung zum Ansteuern eines Fahrzeuglüftermotors darstellt.
-
Als
erstes wird auf 1 Bezug genommen. Als eine Vorrichtung
zur Steuerung einer Halbleitervorrichtung ist eine Steuervorrichtung 21 zum
Ansteuern bzw. Antreiben eines Fahrzeuglüftermotors vorgesehen. Diese
Steuervorrichtung 21 entspricht der in den 5 und 6 dargestellten
Steuervorrichtung 1. Daher wird die Steuervorrichtung 21 nur
in Bezug auf ihre Unterschiede zu den in 5 und 6 dargestellten
Vorrichtungen beschrieben.
-
In
der Steuervorrichtung 21 weißt eine PWM-(pulse-width-modulated)
Steuerschaltung 23 zusätzlich
zu einer PWM-Signal-Erzeugungsschaltung 6 und einer Treiberschaltung
bzw. Ansteuerschaltung 8 eine Dreieckssignal-Erzeugungsschaltung 22 auf.
Die Dreieckssignal-Erzeugungsschaltung 22 erzeugt
ein Dreieckssignal bei einer Frequenz von 50Hz. Es ist ein Schalter 24 vorgesehen, um
entweder ein PWM-Signal, welches von der PWM-Steuerschaltung 23, oder ein
analoges Steuersignal, welches von einer analogen Treiberschaltung 15 erzeugt
wird, auszuwählen,
und er legt das ausgewählte
Signal an den Gate eines FETs 9 (field-effect-transistor;
Feldeffekttransistor) an, der eine Halbleitervorrichtung ist. Der
Umschaltvorgang des Schalters 24 wird als Reaktion auf
Ausgangspegel (beispielsweise 0V bis 5V) eines Anweisungssignals (einer
Anweisungsspannung), welches von einer Eingangssignalverarbeitungsschaltung 3 erzeugt wird,
durch eine Umschaltsteuerschaltung 25 gesteuert.
-
Die
Umschaltsteuerschaltung 25 kann mit einer (nicht dargestellten)
Vergleichseinrichtung aufgebaut sein, welche das Anweisungssignal
mit einem Grenzwertpegel Vth vergleicht. Dieser Grenzwertpegel Vth
kann 6V sein. Somit steuert die Umschaltsteuerschaltung 25 den
Schalter 24 derart an, dass der FET 9 mit der
analogen Treiberschaltung 15 und der PWM-Steuerschaltung 23 verbunden
wird, wenn sich das Anweisungssignal der Eingabeverarbeitungsschaltung 3 in
Bezug auf eine Netzspannung (12V) der Batterie 10 in
einem Niederspannungsbereich von 0V bis 6V bzw. in einem Hochspannungsbereich über 6V befindet.
-
2 zeigt
Verhältnisse
der Schalldrücke [dB]
von Geräuschen,
welche durch die Drehung des Motors 11 und des Lüfters 11a erzeugt
werden, gegenüber
Motorspannungen [V] in Bezug auf drei Steuerverfahren, das heißt eine
PWM-Steuerung bei 50Hz, eine PWM-Steuerung bei 19kHz und eine (lineare
und nicht PWM) Steuerung einer analogen Spannung. In dieser Figur
sind die Schalldrücke
auf der Ordinate als ein Verhältnis
von jedem Schalldruck bezogen auf den Schalldruck in einem Bezugsfall dargestellt,
in welchem die Spannung, welche an den Motor 11 angelegt
wird, bei der PWM-Steuerung 19kHz 13V beträgt. Jeder Schalldruck wird
in dem hörbaren
Frequenzbereich gemessen, das heißt von 20Hz bis 20kHz, wobei
das 1/3-Oktaven-Analyseverfahren
(1/3 octave analysis method) verwendet wird.
-
3 zeigt
die Drehzahlen des Motors 11 und des Lüfters 11a im Verhältnis zu
den an den Motor 11 angelegten Spannungen in Bezug auf
die obigen drei Steuerverfahren. Wie aus 3 ersichtlich ist, ändern sich
die Drehzahlen des Motors 11 im Wesentlichen proportional
mit der daran angelegten Spannung. Ferner unterscheiden sich die
Drehzahlen des Motors 11 bei den drei verschiedenen Steuerverfahren
nicht voneinander.
-
Gemäß 2 unterscheiden
sich jedoch die Störpegel
zwischen der 19kHz PWM-Steuerung und der Steuerung einer analogen
Spannung über
dem gesamten Bereich der Motor spannung, das heißt in dem Bereich von ungefähr 3V bis
13V, im wesentlichen nicht voneinander. Im Falle der PWM-Steuerung bei 50Hz
wird das Schwingungsgeräusch
in dem Bereich der Motorspannung, welche geringer ist als ein bestimmte
Spannung, beispielsweise 6V, die etwa 1000 Umdrehungen pro Minute
(rpm; revolutions per minute) entspricht, größer als in dem Fall der anderen
zwei Steuerverfahren. Dieser Unterschied nimmt zu, wenn die Motorspannung
abnimmt. Daher wird der Grenzwertpegel Vth der Umschaltsteuerschaltung 25 zum
Umschalten des Schalters 24 vorzugsweise auf 6V eingestellt,
in dessen Bereich das Schwingungsgeräusch des Motors 11 bei
der Niederfrequenz-PWM-Steuerung
im Allgemeinen gleich dem Zischgeräusch des Lüfters 11a ist. Das
heißt
der Grenzwertpegel Vth wird derart eingestellt, dass er das folgende
Verhältnis
erfüllt:
Zischgeräusch ≥ Motorschwingungsgeräusch bei Niederfrequenz-PWM-Steuerung
-
Erfindungsgemäß steuert
daher die Steuervorrichtung 21 den Motor 11 durch
die Steuerung einer analogen Spannung der analogen Treiberschaltung 15 an,
damit das Schwingungsgeräusch
verringert wird, wenn die an den Motor 11 angelegte Spannung
in dem Bereich von 0V bis 6V. Die Steuervorrichtung 21 steuert
den Motor 11 durch die Niederfrequenz-PWM-Steuerung der
PWM-Steuerschaltung 23 an, damit der Stromfluss und die
Wärmerzeugung in
dem FET 9 verringert werden, wenn die an den Motor 11 angelegte
Spannung 6V beträgt.
Das Zischgeräusch,
welches durch den Lüfter 11a erzeugt
wird, ist in dem hohen Drehzahlbereich des Motors 11 verhältnismäßig stärker. Als
ein Ergebnis hieraus wird das Schwingungsgeräusch des Motors 11 durch
das Zischgeräusch
des Lüfters 11a sogar
dann verdeckt, wenn der Motor 11 durch die Niederfrequenz-PWM-Steuerung
angesteuert wird.
-
Wie
oben beschrieben, wird der FET 9 durch die Steuerung einer
analogen Spannung der analogen Treiberschaltung 15 und
durch die Niederfrequenz- (beispielsweise 50Hz) PWM-Steuerung der PWM-Steuerschaltung 23 angesteuert,
wenn die Motordrehzahlanweisung von der Außenseite niedriger bzw. höher als
der Grenzwertpegel Vth ist. Daher ist das Problem des Motorschwingungsgeräusches in dem
Niederdrehzahlbereich gelöst,
und der Vorteil der Niederfrequenz-PWM-Steuerung kann ohne Störschutzfilter
oder großen
Wärmeableiter
erzielt werden.
-
Die
obige Ausführungsform
kann abgewandelt werden, wie es in 4 dargestellt
ist. Bei dieser modifizierten Ausführungsform sind FETs 9a und 9b vorgesehen,
um den Motor in dem Niederfrequenz-PWM-Steuerverfahren bzw. in dem
Steuerverfahren mit kontinuierlicher Spannung anzusteuern. Die Umschaltsteuerschaltung 25 ist
daher mit der PWM-Steuerschaltung 23 zum Ansteuern des
FETs 9a und mit der analogen Treiberschaltung 15 zum Ansteuern
des FETs 9b verbunden.
-
Die
obigen Ausführungsformen
können
folgendermaßen
abgewandelt werden. Die FETs 9, 9a, 9b können mit
der Hochpotenzialseite der Batterie 10 verbunden sein.
Die Halbleitervorrichtungen 9, 9a, 9b können P-Kanal-MOSFETs,
Leistungstransistoren oder IGBTs (insulated gate bipolar transistor;
Isolierschichtbipolartransistor) sein. Die Niederfrequenz-PWM-Steuerung
kann mit anderen Frequenzen durchgeführt werden, die kleiner als
einige zehn Hz sind. Der Grenzwertpegel Vth kann entsprechend der
Ausgestaltungsanforderungen verändert
werden, wie zum Beispiel den Nominalwerten des Motors 11 und
des Lüfters 11a.
Beim Umschalten zwischen der Steuerung einer analogen Spannung und
der Niederfrequenz-PWM-Steuerung kann eine Hysterese vorgesehen
sein. Der Motor 11 kann dafür verwendet wer den, verschiedene
andere Lüfter
als den Kühlerlüfter 11a anzutreiben.
-
Bei
einer erfindungsgemäßen Steuervorrichtung
für einen
Motor, welcher einen Lüfter
dreht, ist eine Halbleitervorrichtung mit dem Motor in Reihe verbunden,
um diesen anzusteuern. Eine analoge Treiberschaltung steuert die
Halbleitervorrichtung mit einer analogen Spannung an. Eine PWM-Steuerschaltung
steuert die Halbleitervorrichtung mit einem PWM-Signal bei einer
Frequenz von weniger als einigen Zehn an. Eine Umschaltsteuerschaltung
wählt die
analoge Treiberschaltung und die PWM-Steuerschaltung aus, wenn der
Motor mit Drehzahlen gedreht werden soll, welche niedriger bzw.
höher als eine
vorgegeben Drehzahl sind.