ITMI20072243A1

ITMI20072243A1 - Interruttore statico per motori di unita' di climatizzazione ed unita' di climatizzazione comprendente tale interruttore.

Info

Publication number: ITMI20072243A1
Application number: IT002243A
Authority: IT
Inventors: Mana Giuseppe Dalla
Original assignee: Emerson Network Power Srl
Priority date: 2007-11-28
Filing date: 2007-11-28
Publication date: 2009-05-29
Also published as: EP2066016B1; US20090134825A1; US8049453B2; ATE495573T1; CN101447754A; EP2066016A1; DE602008004412D1

Description

DESCR IZIONE

Il presente trovato ha come oggetto un interruttore statico per motori DC di unità di climatizzazione, in particolare motori DC di tipo brushless, ed un'unità di climatizzazione comprendente tale interruttore.

Il pilotaggio dei motori DC, a scopo ventilazione nelle unità di climatizzazione, è normalmente realizzato mediante dispositivi a commutazione elettromeccanica in corrente continua, la cui bobina viene alimentata dalla stessa tensione di commutazione del carico. Questi dispositivi elettromeccanici sono normalmente costosi, richiedono cablaggio dedicato e sono soggetti ad usura meccanica. Inoltre, a seconda della potenza del motore DC, è necessario porre adeguati dispostivi di protezione come interruttori elettromeccanici di tipo magnetotermico.

Compito precipuo del presente trovato è quello di risolvere gli inconvenienti sopra lamentati, escogitando un interruttore statico per motori DC di unità di climatizzazione che consenta operazioni di pre-carica e pilotaggio PWM del motore DC e, allo stesso tempo, protegga da eventuali sovracorrenti.

Nell'ambito di questo compito, uno scopo del trovato è quello di realizzare un interruttore statico che consenta di modificare agevolmente la corrente di pre-carica.

Un altro scopo del trovato è quello di realizzare un interruttore che sia implementabile in un'unica scheda elettronica.

Non ultimo scopo del trovato è quello di realizzare un interruttore che sia di elevata affidabilità, di lunga vita, di relativamente facile realizzazione e a costi competitivi.

Questo compito, nonché questi ed altri scopi che meglio appariranno in seguito, sono raggiunti da un interruttore statico secondo la rivendicazione 1.

Ulteriori caratteristiche e vantaggi del trovato risulteranno maggiormente dalla descrizione di una forma di esecuzione preferita, ma non esclusiva, dell'interruttore secondo il trovato, illustrata, a titolo indicativo e non limitativo, nell'unita figura, in cui è rappresentato lo schema elettrico dell'interruttore.

L'interruttore secondo il trovato, indicato globalmente con il numero di riferimento 1, comprende un lato segnale 2 ed un lato potenza 3, rispettivamente a sinistra e a destra delle linee di demarcazione tratteggiate indicate in figura. Il lato segnale 2 ed il lato potenza 3 sono separati tra loro mediante optoisolatori OKI, 0K2, 0K3, 0K4, che verranno descritti in seguito.

Sul lato segnale 2, che è alimentato con un segnale di tensione 3V3 (per esempio, 3.3V e 30mA) rispetto ad una massa GND, afferiscono in ingresso almeno un segnale ON/OFF di accensione/spegnimento del motore ed un segnale PWM di modulazione larghezza impulso, per modulare in ampiezza, sul lato potenza 3, un segnale SPDSGN di velocità del motore che viene alimentato ad un opportuno ingresso di un invertitore all'ingresso del motore, non illustrato in figura.

Preferibilmente, il lato segnale 2 comprende ulteriormente un segnale interno PWRGD, atto ad indicare la corretta alimentazione del motore e, come si dirà più avanti, ad attivare il segnale PWM. Eventualmente, può essere previsto anche un segnale di servizio PWRPST per indicare che il motore è alimentato ad almeno una certa tensione, ad esempio 15V.

Il lato potenza 3, oltre allo spinotto per il segnale di velocità del motore SPDSGN, comprende un polo di alimentazione positiva PGND del lato potenza (ad esempio OV), un polo collegato ad un'alimentazione negativa (per esempio, pari a -48V) e due spinotti di uscita MOT+ e MOT- per il collegamento ai corrispondenti poli di alimentazione positiva e negativa del motore DC. Preferibilmente, lo spinotto MOT+ è collegato direttamente al polo di alimentazione positiva PGND, mentre lo spinotto MOT- è collegato al polo di alimentazione negativa mediante un interruttore di potenza M2 del tipo MOS a canale n.

A causa della presenza dell'invertitore all'ingresso del motore, tra i poli di alimentazione del motore MOT+ e MOT- è presente una grossa capacità 3⁄4» di ingresso, tipicamente dell'ordine delle centinaia di microfarad. Tale capacità deve essere pre-caricata prima di pilotare il motore DC mediante il segnale PWM.

Per pre-caricare la capacità CIH, l'invenzione comprende un dispositivo di pre-carica Mi, preferibilmente un transistor MOS di potenza, avente un terminale di comando 4 collegato ad un optoisolatore di accensione OKI ed avente un terminale 5 di alimentazione della corrente di pre-carica collegato ad un polo di alimentazione del motore.

Nell'esempio illustrato in figura, il dispositivo di precarica Mi è di tipo n-MOS ed il terminale 5, corrispondente al ramo di drain, è collegato allo spinotto di alimentazione negativa MOT- del motore. Inoltre, il terminale di comando 4 del dispositivo di pre-carica, che nell'esempio illustrato comprende il gate del transistor Mi, è collegato all'optoisolatore di accensione OKI mediante uno stadio di protezione, che può essere formato da due transistor BJT Q6 e Q8 e da un resistore R8 collegato tra base ed emettitore di uno dei due BJT.

La corrente di pre-carica è determinata da un BJT (Q10) il cui collettore è collegato al terminale di comando 4 e la cui base è collegata, mediante un partitore, ad un terminale di source del dispositivo di pre-carica Mi. La corrente di pre-carica, quindi, è sostanzialmente uguale al rapporto tra tensione base-emettitore del BJT Q10 e il valore della resistenza R22 tra il nodo di source del dispositivo Mi e l'alimentazione negativa del lato potenza 3.

Il terminale di comando 4 del dispositivo di pre-carica MI è ulteriormente collegato ad un gruppo di segnalazione di fine carica, comprendente un secondo optoisolatore 0K4. L'optoisolatore 0K4 comprende un terminale di uscita per il segnale interno PWGRD, il quale è collegato ad un terminale di ingresso di un terzo optoisolatore 0K2, in modo da abilitare il passaggio del segnale PWM verso il polo SPDSGN, mediante uno stadio di uscita di tipo push-pull Q5-Q9, quando il segnale interno PWGRD è alto.

L'interruttore 1 comprende ulteriormente almeno un transistor di accensione motore M2, che ha il compito di permettere l'accensione effettiva del motore DC alla fine del periodo di precarica, permettendo il passaggio della corrente primaria necessaria al pilotaggio del carico stesso. Tale transistor M2 opera anche come dispositivo di protezione di corrente.

I terminali di drain e source di M2 sono collegati tra un polo di alimentazione del motore (MOT-) ed il polo di alimentazione del lato potenza (-48V), quindi agli stessi poli a cui sono collegati i terminali di drain e, indirettamente, di source del dispositivo MI. Eventualmente, il transistor M2 può essere accoppiato in parallelo ad un identico transistor M3 allo scopo di poter drenare il doppio di corrente dal carico e quindi permettere il pilotaggio di potenze quadrupla.

Opzionalmente, l'interruttore 1 può comprendere un quarto optoisolatore di segnalazione 0K3, il cui LED è connesso tra l'alimentazione PGND del lato potenza 3 ed il polo del motore MOT-a cui afferisce il terminale di alimentazione del dispositivo di pre-carica Mi. In questo modo, sull'uscita PWRPST del lato segnale dell'optoisolatore è possibile indicare la presenza della tensione di alimentazione sul carico (ovvero che l'interruttore è attivo) aggiungendo in questo modo funzioni di capacità di autodiagnosi al sistema.

Il funzionamento dell'interruttore secondo l'invenzione è il seguente. Quando il segnale di velocità del motore è OV, il motore si trova in uno stato di stand-by ed assorbe una bassa corrente di stand-by ISBdall'alimentazione del lato potenza 3.

Con l'attivazione del segnale ON/OFF, il LED dell'optoisolatore OKI viene acceso, causando un'iniezione di corrente che attiva il dispositivo di pre-carica MI, che comincia ad assorbire una corrente costante attraverso il motore.

La tensione drain-source del dispositivo Mi diminuisce progressivamente, mentre aumenta la tensione sul motore, ossia la tensione sul condensatore CINdell'invertitore all'ingresso del motore.

Alla fine del periodo di pre-carica, la tensione tra drain e source del dispositivo Mi è pressoché uguale a 0. Ciò significa che la tensione sul drain del transistore M2 è pari alla tensione presente sul resistore R22, che a sua volta è pari alla tensione tra base ed emettitore di Q10, ovvero circa 0.6V-0.7V. Pertanto, quando la tensione drain-source del dispositivo M2 raggiunge il valore di circa 0.6V-0.7V, il transistore di potenza M2 atto al pilotaggio del carico si accende, assieme al secondo optoisolatore OK4, determinando la fine del periodo di pre-carica.

Il passaggio di corrente nel LED dell'optoisolatore 0K4 genera il segnale interno PWRGD alto, che a sua volta attiva il terzo optoisolatore OK2, abilitando il passaggio del segnale PWM verso lo stadio push-pull, generando così il corrispondente segnale SPDSGN .

Se, in questa fase, la tensione sul carico, ossia la tensione tra i poli MOT+ e MOT-, aumenta oltre un certa soglia indicativa della corretta alimentazione del motore, viene attivato 1'optoisolatore 0K3 che indica la presenza della tensione sul carico .

Grazie alla funzione di protezione offerta dal transistor M2 è possibile evitare un'eccessiva alimentazione di corrente da parte del motore. Infatti, tale corrente genera una caduta di tensione tra i terminali di source e drain del transistor M2. Se questa caduta di tensione supera una soglia di protezione, quantificabile in circa 0.6V-0.7V nell'esempio di figura, sia il transistor M2 che il secondo optoisolatore 0K4 vengono spenti, facendo così ricominciare la fase di pre-carica della capacità CIH.

È da rilevare che il periodo di pre-carica (TPC) è una funzione della tensione VINdel lato potenza 3 (48V nel caso di figura), della corrente di stand-by ISB, della capacità di carico CINe della corrente di pre-carica (IPC=VBEQIO/R22), ossia TpC=VIN*CIN/(IPC-ISB)· Se si desidera una maggiore corrente di pre-carica, basta semplicemente sostituire la resistenza R22 con una di valore più basso ed eventualmente sostituire il dissipatore associato al dispositivo di pre-carica Mi con un dissipatore con migliore resistenza termica.

Elenco dei componenti illustrati:

RI: 150Ω R26: 330Ω Q6 : BC867-42

R2: 330Ω R27: 330Ω Q7: 8CB17-40

R3 : 15k0 R28: 5.6kΩ Q8 : 2N5401ALRAG R4 : 330Ω Cl: lpF, 16V Q9 : BC807-40 R5 : 22kO, 1/2W C2: lpF, 16V Q10 : BC017-40 R6: 220Ω C4: lOOnF, 2BV Qll : BC887-40 R7: 100)ίΩ DI: 1N5401

R8 : 158Ω D2: BZX84C12

R9: 15kΩ D3: LL4146

RIO: 5.6kΩ D4: LL4140

RII: 15kΩ D5: LL4148

R12 : 22kΩ, 1/2 D6: B2X84C18

R13 : 15kΩ D7: LL4148

R14: 15kΩ DK2: 4N25

R15 : 330Ω DK4: TLP372(F)

R16 : 228Ω MI: IRF540ZP8F

R17: 330Ω M2: IRF540ZP8F

R18 : lkQ M3: IRF540ZP8F

R19 : 330Ω 0X3:TLP372/F)

R21: 33kΩ Ql: BC807-40

R22: 4.7kO, 1/2W Q2 BC817-40

R23: 5.6kQ Q3: 2N5401ALRAG

R24 : 5.6kQ Q4: BC817-40

R25 : 330Ω Q5: BC817-40

Si è in pratica constatato come il dispositivo secondo il trovato assolva pienamente il compito prefissato in quanto che consente di pre-caricare la capacità di ingresso di un motore DC dotato di invertitore e di pilotarlo in modalità PWM il motore DC una volta che la carica è stata raggiunta. Allo stesso tempo, durante la fase di pilotaggio, il motore viene protetto da eventuali sovracorrenti.

Il dispositivo, così concepito, è suscettibile di numerose modifiche e varianti, tutte rientranti nell'ambito del concetto inventivo; inoltre, tutti i dettagli potranno essere sostituiti da altri elementi tecnicamente equivalenti.

In pratica, i materiali impiegati, nonché le dimensioni, potranno essere qualsiasi secondo le esigenze e lo stato della tecnica.

Claims

R IVEN D ICA ZION I 1. Interruttore statico per motori DC di unità di climatizzazione caratterizzato dal fatto di comprendere un lato segnale (2) ed un lato potenza (3) separati tra loro mediante optoisolatori, detto lato comprendendo in ingresso almeno un terminale per un segnale (ON/OFF) di accensione/spegnimento motore ed un terminale per un segnale PWM di modulazione larghezza impulso, per modulare in ampiezza, sul lato potenza (3), un segnale (SPDSGN) di velocità motore, detto interruttore comprendendo un dispositivo di pre-carica (MI) avente un terminale di comando (4) collegato ad un optoisolatore di accensione (OKI) ed avente un terminale (5) di alimentazione della corrente di precarica collegato ad un polo di alimentazione motore (MOT-), detto interruttore comprendendo ulteriormente almeno un transistor di accensione motore (M2) collegato al medesimo polo di alimentazione motore (MOT-) del terminale (5) di alimentazione del dispositivo (MI), in modo che una tensione applicata ai capi del transistor di accensione (M2) superiore ad una certa soglia provochi lo spegnimento del transistor di accensione motore (M2).
2. Interruttore secondo la rivendicazione 1, in cui detto dispositivo di pre-carica (MI) è un transistor MOS e la corrente di pre-carica è determinata da un transistor bipolare o BJT (Q<'>10) il cui collettore è collegato al terminale di comando (4) e la cui base è collegata, mediante un partitore, ad un terminale di source del dispositivo di pre-carica MI, in modo che la corrente di precarica sia dipendente dal valore di una resistenza (R22) di detto partitore .
3. Interruttore secondo la rivendicazione 1 o 2, in cui il terminale di comando (4) del dispositivo di pre-carica (MI) è collegato ad un gruppo di segnalazione di fine carica, comprendente un secondo optoisolatore (0K4), detto secondo optoisolatore (OK4) comprendente un terminale di uscita per un segnale interno (PWGRD) che è collegato ad un terminale di ingresso di un terzo optoisolatore (0K2), detto terzo optoisolatore comprendendo detto terminale di ingresso per il segnale PWM, in modo che detto segnale interno (PWGRD) possa abilitare il passaggio del segnale PWM verso un'uscita (SPDSGN) di detto interruttore.
4. Interruttore secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, comprendente due di detti transistor di accensione di corrente (M2) accoppiati in parallelo.
5. Interruttore secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, comprendente un quarto optoisolatore di segnalazione (0K3), il cui ingresso è connesso tra un'alimentazione (PGND) del lato potenza (3) ed il polo di alimentazione motore (MOT-) a cui afferisce il terminale di alimentazione (5) del dispositivo di pre-carica MI, in modo da generare, su un'uscita (PWRPST) del quarto optoisolatore (OK3), un segnale quando la tensione del polo di alimentazione motore (MOT-) rispetto all'alimentazione (PGND) del lato potenza è superiore ad una certa soglia.
6. Unità di climatizzazione comprendente un motore DC dotato di invertitore di ingresso, caratterizzato dal fatto di comprendere un interruttore secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, collegato a detto invertitore mediante almeno detto un polo di alimentazione motore (MOT-) ed in modo da alimentare all'invertitore detto segnale (SPDSGN) di velocità motore.