JP2004350461A - Inductive load driving device and vacuum cleaner - Google Patents

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JP2004350461A
JP2004350461A JP2003147138A JP2003147138A JP2004350461A JP 2004350461 A JP2004350461 A JP 2004350461A JP 2003147138 A JP2003147138 A JP 2003147138A JP 2003147138 A JP2003147138 A JP 2003147138A JP 2004350461 A JP2004350461 A JP 2004350461A
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inductive load
nchfet
transistor
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power supply
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JP2003147138A
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Hiroyuki Kushida
博之 櫛田
Takuya Ogishima
拓哉 荻島
Osamu Sakurai
修 桜井
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Toshiba TEC Corp
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Toshiba TEC Corp
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To suppress noise, by reducing a large transient voltage that is caused to occur because of the inductivity of a load at the time of switching. <P>SOLUTION: With regard to the structure of a high-voltage-side driving circuit portion 4a, the circuit is structured by connecting a second resistance element 15 with a first resistance element 14 and the collector-emitter path of a first transistor 11 in series between a power supply terminal Pb of a second power source 7 and a ground terminal Pe, by connecting a third resistance element 16 with the collector-emitter path of a second transistor 12 in series between the connection point 18 of a first NchFET 3a and a second NchFET 3d connected in series and the power supply terminal Pb of the second power source 7, and by connecting the anode of a diode 13 and the gate of the first NchFET 3a to the connection point 20 of the second transistor 12 and the third resistance element 16. This circuit structure reduces the transient voltage that is generated when the second NchFET 3d at the low-voltage side is turned off so that the noise can be suppressed. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、誘導性負荷駆動装置及びこの誘導性負荷駆動装置を備える電気掃除機に関する。
【0002】
【従来の技術】
図9は、例えば特許文献1等に示される従来のブラシレスモータ駆動装置の高電圧側駆動回路100を示す回路図である。この高電圧側駆動回路100は、ブートストラップダイオード101、ブートストラップコンデンサ102、トランジスタ103,104、抵抗素子105,106、ダイオード107などから構成されている。
【0003】
そして、この高電圧側駆動回路100において、ブラシレスモータの低電圧側NchFET(Nチャネル電界効果型トランジスタ;以下同様)108がオンの時には、ブートストラップコンデンサ102は、ブートストラップダイオード101を介して充電される。この充電電圧により、高電圧側NchFET109をオンする。
【0004】
【特許文献1】
特開平5−328782号公報
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
図9に示す従来の高電圧側駆動回路100を用いて、ブラシレスモータを回転駆動させた時の、高電圧側NchFET109のゲート・ソース間の電圧波形を図10に示す。図10からも判るように、低電圧側NchFET108をオフした瞬間に、ブラシレスモータ(巻線)の誘導性のために、NchFET109とNchFET108の接続点110に大きな過渡電圧Vmが発生する。このような大きな過渡電圧は、回路システムのノイズの原因となる。
【0006】
また、低電圧側NchFET108をオフした時、高電圧側NchFET109のゲート電位は接地電位であり、その結果として、NchFET109のゲート・ソース間には図10に示すようにマイナスの過渡電圧Vmが発生する。従って、この過渡電圧Vmが高電圧側NchFET109のゲート・ソース間耐圧±Vpよりも大きくなると、NchFET109が破壊してしまう。
【0007】
そこで、本発明は、スイッチング時に負荷の誘導性のために発生する大きな過渡電圧を小さくし、ノイズを抑制することを目的とする。
【0008】
また、本発明は、高電圧側NchFETのゲート・ソース間耐圧よりも大きな過渡電圧が発生しないようにすることを目的とする。
【0009】
【課題を解決するための手段】
本発明は、誘導性負荷(例えば、ブラシレスモータ)の高電位側に設けた複数の第1NchFETと、前記第1NchFETに各々直列接続され前記誘導性負荷の低電位側に設けた複数の第2NchFETと、前記第1NchFETを駆動する高電圧側駆動回路部と、この高電圧側駆動回路部を制御する誘導性負荷制御部と、前記誘導性負荷に電力を供給する第1電源と、前記高電圧側駆動回路部に電力を供給する第2電源と、を備える誘導性負荷駆動装置において、前記高電圧側駆動回路部は、少なくとも、第1トランジスタ、第2トランジスタ、ダイオード、第1抵抗素子、第2抵抗素子、及び、第3抵抗素子を備え、前記第2電源の電源端子と当該誘導性負荷駆動装置の接地端子との間に、前記第1抵抗素子、前記第1トランジスタのコレクタ・エミッタ路及び前記第2抵抗素子を直列に接続し、前記第1トランジスタのベースと前記誘導性負荷制御部の出力端子とを接続し、直列接続された前記第1NchFETと前記第2NchFETとの接続点と前記第2電源の電源端子との間に、前記第2トランジスタのコレクタ・エミッタ路と前記第3抵抗素子とを直列に接続し、前記第1抵抗素子と前記第1トランジスタとの接続点に、前記第2トランジスタのベース及び前記ダイオードのカソードを接続し、前記第2トランジスタと前記第3抵抗素子との接続点に、前記ダイオードのアノード及び前記第1NchFETのゲートを接続してなる。
【0010】
従って、高電圧側駆動回路部の構成に関して、第1トランジスタ、第2トランジスタ、ダイオード、第1抵抗素子に加えて第2抵抗素子及び第3抵抗素子を用いる構成とし、第2電源の電源端子と接地端子との間に、第1抵抗素子、第1トランジスタのコレクタ・エミッタ路とともに第2抵抗素子を直列に接続し、かつ、直列接続された第1NchFET・第2NchFETの接続点と第2電源の電源端子との間に、第2トランジスタのコレクタ・エミッタ路とともに第3抵抗素子を直列に接続し、かつ、これらの第2トランジスタと第3抵抗素子との接続点に、ダイオードのアノード及び第1NchFETのゲートを接続する回路構成により、低電圧側の第2NchFETをオフしたときに発生する大きな過渡電圧を小さくし、ノイズを抑制することが可能になる。
【0011】
【発明の実施の形態】
本発明の一実施の形態を図1ないし図8に基づいて説明する。
【0012】
まず、図1に本実施の形態の誘導性負荷駆動装置1の回路図を示す。巻線2a〜2cを有する誘導性負荷2の高電位側に設けた複数、例えば3個の第1NchFET3a〜3cと、誘導性負荷2の低電位側に設けた複数、例えば3個のの第2NchFET3d〜3fとが直列に接続されている。各々のNchFET3a〜3fのゲートには、高電圧側駆動回路部4a〜4c及び低電圧側駆動回路部4d〜4fの出力部が接続されている。ここで、高電圧側駆動回路部4a〜4c及び低電圧側駆動回路部4d〜4fは、第1NchFET3a〜3c及び第2NchFET3d〜3fをオンする時に、各々のNchFET3a〜3fのソースに対してプラス電圧を各々のNchFET3a〜3fのゲートに印加するようになっている。
【0013】
高電圧側の第1NchFET3a〜3cを駆動する高電圧側駆動回路部4a〜4cに対しては、各々ブートストラップ回路5a〜5cが設けられている。これにより、高電圧側駆動回路部4a〜4cは、各々のブートストラップ回路5a〜5c内のブートストラップコンデンサ6a〜6cから駆動用の直流電源の供給を受ける。
【0014】
ここに、ブートストラップ回路5a〜5cは、各々、駆動用の電源(第2電源)7、ブートストラップコンデンサ6a〜6c、電源7とブートストラップコンデンサ6a〜6cとの間に接続されたブートストラップダイオード8a〜8c、及び、第2NchFET3d〜3fから構成されている。誘導性負荷制御部17は、第1NchFET3a〜3cをオフとし、第2NchFET3d〜3fをオンにすることにより、ブートストラップ回路5a〜5cがオンとなる。そして、電源7からブートストラップダイオード8a〜8cを介してブートストラップコンデンサ6a〜6cへの充電が行われる。
【0015】
ここに、本実施の形態では、高電圧側駆動回路部4a〜4cは、少なくとも、第1トランジスタ11、第2トランジスタ12、ダイオード13、第1抵抗素子14、第2抵抗素子15、第3抵抗素子16から構成されている(図1中では、高電圧側駆動回路部4a内についてのみ図示するが、高電圧側駆動回路部4b,4cにあっても同様である)。
【0016】
次に、高電圧側駆動回路部4a〜4cの回路構成を具体的に説明する。ブートストラップ回路51aの電源端子Pb(電源7の電源端子)と当該誘導性負荷駆動装置1の接地端子Peとの間に、第1抵抗素子14、第1トランジスタ11のコレクタ・エミッタ路、及び、第2抵抗素子15が直列に接続されている。さらに、第1トランジスタ11のベースと誘導性負荷制御部17の出力端子Paとが接続されている。さらに、第1NchFET3aと第2NchFET3dとの接続点18(この接続点18が各々誘導性負荷2の巻線2a〜2cに接続される)と、ブートストラップ回路5aの電源端子Pbとの間に、第2トランジスタ12のコレクタ・エミッタ路と第3抵抗素子16とが直列に接続されている。また、第1抵抗素子14と第1トランジスタ11との接続点19に、第2トランジスタ12のベース及びダイオード13のカソードが接続されている。そして、第2トランジスタ12と第3抵抗素子16の接続点20に、ダイオード13のアノード及び第1NchFET3aのゲート端子Pcが接続されている。
【0017】
21は誘導性負荷2及び電源7に電力を供給する、例えば30〜40V程度の電源(第1電源)である。
【0018】
このような構成の高電圧側駆動回路部4a〜4cを用いて誘導性負荷2を駆動した時の、高電圧側NchFET3aのゲート・ソース間の電圧波形を図2に示す。この時の誘導性負荷2に対する電源21の電圧は35Vである。本実施の形態の回路と従来の回路とを比較したところ、低電圧側NchFET3dをオフしたときに発生する過渡電圧V1は、小さくなることが判った。他の相も同様である。
【0019】
このように、トランジスタ104のエミッタ側及び抵抗素子106の一端を直接接地した従来の回路構成に代えて、第2抵抗素子15を付加し、第3抵抗素子16の接続を変えた構成を含む本実施の形態の高電圧側駆動回路部4a〜4cを用いることによって、低電圧側NchFET3d〜3fをオフしたときに誘導性負荷2に起因して発生する大きな過渡電圧を小さくし、ノイズを抑制することが可能になる。
【0020】
次に、第2抵抗素子15の抵抗値R2について説明する。図3に、第1抵抗素子14及び第3抵抗素子16の抵抗値を固定し、第2抵抗素子15の抵抗値R2を変化させた時の、図2中の電圧V1及び電圧V2の値の変化を示す。抵抗値R2を小さくしすぎると、電圧V1の値が、第1NchFET3a〜3cの耐圧(この場合、±20V)を超えてしまう。逆に、抵抗値R2を大きくしすぎると、電圧V2の値が第1NchFET3a〜3cのゲート閾値電圧(この場合、2V)を超えてしまう。従って、第2抵抗素子15の抵抗値R2は、少なくとも、これら電圧V1及び電圧V2によって範囲が規定される。
【0021】
次に、第3抵抗素子16の抵抗値R3について説明する。図4に、第1抵抗素子14及び第2抵抗素子15の抵抗値を固定し、第3抵抗素子16の抵抗値R3を変化させた時の、図2中の電圧V1及び第1NchFET3a〜3cでの損失Pの変化を示す。抵抗値R3を小さくしすぎると、損失Pの値が、第1NchFET3a〜3cの許容損失(この場合、30W)を超えてしまう。逆に、抵抗値R3を大きくしすぎると、第1NchFET3a〜3cの耐圧(この場合、±20V)を超えてしまう。従って、第3抵抗素子16の抵抗値R3は、少なくとも、これら許容損失P及び電圧V1によって範囲が規定される。
【0022】
このように、第1〜第3抵抗素子14,15,16の抵抗値R1,R2,R3を調整することによって、低電圧側NchFET3d〜3fをオフしたときに発生する過渡電圧V1を高電圧側FET3a〜3cのゲート・ソース間耐圧よりも小さくすることができるようになる。また、特に、誘導性負荷2の電源電圧が、高電圧側の第1NchFET3a〜3cのゲート・ソース間耐圧よりも大きく、さらに大きな電流を誘導性負荷2に流す装置では、過渡電圧V1も大きくなるので、本実施の形態は有効である。
【0023】
次に、本実施の形態の誘導性負荷駆動装置1を使用するのに特に適した電気機器としてコードレスタイプの電気掃除機を説明する。
【0024】
図5は、本実施の形態の電気掃除機31の外観構成を示す斜視図である。本実施の形態の電気掃除機31は、その基体をなすハウジング32、一端をハウジング32に着脱自在に接続されたホース33、ホース33の他端側に設けられた手元操作部34、一端側を手元操作部34に着脱自在に接続された2分割構成の延長管35、延長管35の他端側に着脱自在に取付けられた吸込口体36、ハウジング32内に収納保持されたファンモータ37(図7参照)、ハウジング32内に形成された集塵室(図示せず)等により構成されている。
【0025】
ホース33は、その基端が図示しない集塵室を介してファンモータ37の吸込側に連通するようにハウジング32に接続されており、そのホース33の他端側に設けられた手元操作部34には、後方に向けて延出した握り部38と、この握り部38を握った操作者の指で操作可能な範囲に位置する操作手段39が設けられている。
【0026】
操作手段39は、ファンモータ37の電源スイッチを兼ね、このファンモータ37を各々異なる駆動状態にする複数種類の運転モードを選択することができるように構成されている。具体的には、握り部38から延長管35の方向に向けて、図7中に示すように、運転モードを停止状態とする停止操作ボタン39a、運転モードを弱運転状態とする弱運転操作ボタン39b、運転モードを強運転状態とする強運転操作ボタン39cが一列に順次並んで配設されている。
【0027】
また、ファンモータ37は、図7中に示すように、誘導性負荷2としてのブラシレスモータ40と、このブラシレスモータ40により回転駆動される遠心型ファン41とにより構成されている。図6は、遠心型ファン41の羽根車42の形状を示す概略図である。遠心型ファン41は、電気掃除機用として性能に優れているため、従来から広く使用されている。羽根車42はブラシレスモータ40のヨーク(図示せず)に囲まれたロータ43の回転軸44に固定され、主板45、側板46、及び、複数の羽根47から構成されている。この羽根47には複数の凸部が設けられていて、主板45と側板46に設けられた穴に嵌合し加締られて、各々が固定される。電気掃除機31では、この羽根車42を30,000rpm以上にまで回転させ、吸引力を得る。
【0028】
次に、図7を用いて本実施の形態の電気掃除機31のファンモータ37を駆動する電気掃除機制御装置(ファンモータ駆動装置)51を説明する。この電気掃除機制御装置49は、バッテリ構成の電源21を駆動源として駆動されるインバータ回路52から発生する交流電流によってブラシレスモータ40(誘導性負荷2)からなるファンモータ37を回転駆動させる。ここに、インバータ回路52等を含む電気掃除機制御装置(ファンモータ駆動装置)51の構成は、基本的には、図1を参照して説明した誘導性負荷駆動装置1の構成に準ずるものであり、対応する部分は同一符号を用いて示す。
【0029】
即ち、誘導性負荷制御部17は電気掃除機用であり電気掃除機制御部として構成され、具体的に、モータ制御部53、本体制御部54、メモリ55等を有する他、操作手段39や表示部56が接続されている。また、各NchFET3a〜3fやその駆動回路部4a〜4f等の構成は図1の場合と同様であるが、ここでは、高電圧側駆動回路部4a〜4cにおいて調整用の抵抗素子57が付加されている他、電気掃除機制御部17の出力部に信号反転用としてのトランジスタ58も付加されている。
【0030】
また、電源21としては、ニッケルカドミウム(NiCd)電池、ニッケル水素電池又はリチウムイオン電池などの2次電池を複数本組み合わせた組電池が用いられている。この直流電圧が、インバータ回路52に供給される。インバータ回路52は、6個のNchFET3a〜3fを三相ブリッジ接続した構成になっており、マイコンを主体とする電気掃除機制御部17によって出力されるパルス信号に基づき、高電圧側駆動回路部4a〜4c及び低電圧側駆動回路部4d〜4fにて駆動され、交流電流をファンモータ37の巻線2a〜2cに供給する。
【0031】
また、電気掃除機制御装置51では、インバータ回路52に流れる電流を検出するインバータ回路電流検出手段59と、インバータ回路52への入力電圧を検出するインバータ回路入力電圧検出手段60とを備え、電気掃除機制御部17に接続されている。これらの検出手段59,60により電気掃除機31の状態を監視する。また、ゴミサインや充電サイン等の表示部56が接続されている。
【0032】
さらに、ブラシレスモータ40は、ロータ43の永久磁石位置を検出するための位置検出手段61を備える。このような位置検出手段61としては、電気角120°間隔で設置した3つの磁気センサを用いる。磁気センサとしては、ホールセンサやホールIC等がある。この位置検出手段61とNchFET3a〜3fの状態との関係の一例として、120度通電方式のスイッチングパターンを図8に示す。位置検出手段61は、ロータ43の一定間隔毎に配置された永久磁石に応じて、位置検出信号1,2,3を出力する。そして、電気掃除機制御部17のマイコンは、その位置検出信号1,2,3を用いてパルス信号を高電圧側駆動回路部4a〜4c及び低電圧側駆動回路部4d〜4fに出力する。そして、NchFET3a〜3fを順次スイッチングし、ブラシレスモータ40の各相の巻線2a〜2cに電流を流し、トルクを発生させる。また、その他の永久磁石の位置検出方法として、特に図示しないが光学式パルスエンコーダを使用する方法や、巻線2a〜2cに誘起される電圧を電圧位相検出手段によって検出する方法などが使用可能である。
【0033】
また、前述の位置検出信号を用いてロータ43の回転速度を算出することも可能である。この回転速度により、ロータ43の回転状態を監視することができる。もし、異常な回転速度が検出されれば、電気掃除機制御部17は、ロータ43の回転を停止させる場合もある。
【0034】
図8に示す120度通電方式では、各相において、第1NchFET3a〜3cのオン区間と第2NchFET3d〜3fのオン区間との間に、60度の非通電期間があるため、デッドバンド制御などの煩わしい設定が必要ない。さらに、簡単な位置検出手段を用いて容易にファンモータ37の回転制御をすることが可能である。よって、電気掃除機31のファンモータ37のように、必要とされる回転速度が30000rpm以上と高速で、NchFET3a〜3fの切替が高速に行われる用途では、特に有用である。
【0035】
2次電池を複数本組み合わせた組電池を搭載したコードレスタイプの電気掃除機において、ゴミ吸込力の向上を図るために、組電池の電圧は高電圧化している(30V前後)。従って、その場合は、高電圧側に使用する第1NchFET3a〜38cのゲート・ソース間電圧(例えば、±20V)よりも高くなってしまう。そこで、本実施の形態を適用することにより、スイッチング時に発生するピーク電圧の値を小さくすることが可能となるので、上記のようなコードレスタイプの電気掃除機に対しては、とても効果的である。
【0036】
【発明の効果】
本発明によれば、誘導性負荷を用いた時のスイッチング時に発生する大きな過渡電圧を下げることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施の形態の誘導性負荷駆動装置を示す回路図である。
【図2】第1NchFET及び第2NchFETの動作状態と第1NchFETのソース・ゲート間の電圧波形を示すタイムチャートである。
【図3】電圧V1及び電圧V2と第2抵抗素子の抵抗値R2との関係を示す特性図である。
【図4】電圧V1及び第1NchFETの損失と第3抵抗素子の抵抗値R3との関係を示す特性図である。
【図5】電気掃除機の外観構成を示す斜視図である。
【図6】遠心型ファンの羽根車の概略を示し、(a)は正面図、(b)はそのA−A線断面図である。
【図7】電気掃除機駆動装置を示す回路図である。
【図8】位置検出信号と第1及び第2NchFETの動作状態との関係を示す説明図である。
【図9】従来例を示す回路構成図である。
【図10】従来例を示す高圧側NchFET及び低圧側NchFETの動作状態と高圧側NchFETのソース・ゲート間の電圧波形を示すタイムチャートである。
【符号の説明】
2 誘導性負荷
3a〜3c 第1NchFET
3d〜3f 第2NchFET
4a〜4c 高電圧側駆動回路部
4d〜4f 低電圧側駆動回路部
7 第2電源
11 第1トランジスタ
12 第2トランジスタ
13 ダイオード
14 第1抵抗素子
15 第2抵抗素子
16 第3抵抗素子
17 誘導性負荷制御部
18,19,20 接続点
21 第1電源
30 ブラシレスモータ(誘導性負荷)
32 ハウジング
37 ファンモータ
51 ファンモータ駆動装置
[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to an inductive load driving device and a vacuum cleaner having the inductive load driving device.
[0002]
[Prior art]
FIG. 9 is a circuit diagram showing a high-voltage side driving circuit 100 of a conventional brushless motor driving device disclosed in Patent Document 1, for example. The high-voltage drive circuit 100 includes a bootstrap diode 101, a bootstrap capacitor 102, transistors 103 and 104, resistance elements 105 and 106, a diode 107, and the like.
[0003]
In the high-voltage drive circuit 100, when the low-voltage NchFET (N-channel field effect transistor; the same applies hereinafter) 108 of the brushless motor is on, the bootstrap capacitor 102 is charged via the bootstrap diode 101. You. The high voltage side NchFET 109 is turned on by this charging voltage.
[0004]
[Patent Document 1]
JP-A-5-328792
[Problems to be solved by the invention]
FIG. 10 shows a voltage waveform between the gate and the source of the high voltage side NchFET 109 when the brushless motor is rotationally driven using the conventional high voltage side driving circuit 100 shown in FIG. As can be seen from FIG. 10, at the moment when the low-voltage side NchFET 108 is turned off, a large transient voltage Vm is generated at the connection point 110 between the NchFET 109 and the NchFET 108 due to the inductive property of the brushless motor (winding). Such a large transient voltage causes noise in the circuit system.
[0006]
When the low voltage side NchFET 108 is turned off, the gate potential of the high voltage side NchFET 109 is the ground potential. As a result, a negative transient voltage Vm is generated between the gate and the source of the NchFET 109 as shown in FIG. . Therefore, if the transient voltage Vm is larger than the gate-source breakdown voltage ± Vp of the high-voltage side NchFET 109, the NchFET 109 is destroyed.
[0007]
Therefore, an object of the present invention is to reduce a large transient voltage generated due to load inductiveness at the time of switching and suppress noise.
[0008]
Another object of the present invention is to prevent generation of a transient voltage larger than the gate-source breakdown voltage of the high-voltage side NchFET.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
The present invention relates to a plurality of first NchFETs provided on a high potential side of an inductive load (for example, a brushless motor), and a plurality of second NchFETs respectively connected in series to the first NchFET and provided on a low potential side of the inductive load. A high-voltage drive circuit for driving the first NchFET; an inductive load control unit for controlling the high-voltage drive circuit; a first power supply for supplying power to the inductive load; A second power supply that supplies power to the drive circuit unit, wherein the high-voltage-side drive circuit unit includes at least a first transistor, a second transistor, a diode, a first resistance element, and a second power supply. A resistance element and a third resistance element, wherein the first resistance element and the first transistor are connected between a power supply terminal of the second power supply and a ground terminal of the inductive load driving device. A collector-emitter path and the second resistance element are connected in series, a base of the first transistor is connected to an output terminal of the inductive load control unit, and the first NchFET and the second NchFET connected in series are connected. A collector / emitter path of the second transistor and the third resistance element are connected in series between a connection point and a power terminal of the second power supply, and a connection between the first resistance element and the first transistor is provided. A point is connected to a base of the second transistor and a cathode of the diode, and a connection point between the second transistor and the third resistance element is connected to an anode of the diode and a gate of the first NchFET.
[0010]
Accordingly, with respect to the configuration of the high-voltage side drive circuit section, the second transistor and the third resistor are used in addition to the first transistor, the second transistor, the diode, and the first resistor. A second resistor element is connected in series between the first resistor element and the collector-emitter path of the first transistor between the first resistor element and the ground terminal, and a connection point of the first NchFET / second NchFET connected in series and the second power supply are connected. A third resistor is connected in series between the power supply terminal and the collector-emitter path of the second transistor, and a connection point between the second transistor and the third resistor is connected to an anode of a diode and a first NchFET. Large transient voltage generated when the second NchFET on the low voltage side is turned off is reduced, thereby suppressing noise. It becomes possible to.
[0011]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
An embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
[0012]
First, FIG. 1 shows a circuit diagram of an inductive load driving device 1 according to the present embodiment. A plurality of, for example, three first NchFETs 3a to 3c provided on the high potential side of the inductive load 2 having the windings 2a to 2c, and a plurality of, for example, three second NchFETs 3d provided on the low potential side of the inductive load 2 To 3f are connected in series. The output terminals of the high-voltage drive circuit units 4a to 4c and the low-voltage drive circuit units 4d to 4f are connected to the gates of the respective NchFETs 3a to 3f. Here, when turning on the first NchFETs 3a to 3c and the second NchFETs 3d to 3f, the high voltage side drive circuit units 4a to 4c and the low voltage side drive circuit units 4d to 4f apply a positive voltage to the sources of the respective NchFETs 3a to 3f. To the gates of the respective NchFETs 3a to 3f.
[0013]
Bootstrap circuits 5a to 5c are provided for the high voltage side drive circuit units 4a to 4c for driving the first Nch FETs 3a to 3c on the high voltage side, respectively. As a result, the high-voltage side drive circuit units 4a to 4c receive the supply of the driving DC power from the bootstrap capacitors 6a to 6c in each of the bootstrap circuits 5a to 5c.
[0014]
Here, the bootstrap circuits 5a to 5c include a driving power supply (second power supply) 7, bootstrap capacitors 6a to 6c, and a bootstrap diode connected between the power supply 7 and the bootstrap capacitors 6a to 6c, respectively. 8a to 8c and second NchFETs 3d to 3f. The inductive load control unit 17 turns off the first NchFETs 3a to 3c and turns on the second NchFETs 3d to 3f, thereby turning on the bootstrap circuits 5a to 5c. Then, the power supply 7 charges the bootstrap capacitors 6a to 6c via the bootstrap diodes 8a to 8c.
[0015]
Here, in the present embodiment, the high-voltage-side drive circuit units 4a to 4c include at least the first transistor 11, the second transistor 12, the diode 13, the first resistance element 14, the second resistance element 15, and the third resistance It is composed of an element 16 (in FIG. 1, only the inside of the high voltage side drive circuit section 4a is shown, but the same applies to the high voltage side drive circuit sections 4b and 4c).
[0016]
Next, the circuit configuration of the high voltage side drive circuit units 4a to 4c will be specifically described. A first resistor 14, a collector-emitter path of the first transistor 11, and a power supply terminal Pb (power supply terminal of the power supply 7) of the bootstrap circuit 51 a and a ground terminal Pe of the inductive load driving device 1. The second resistance element 15 is connected in series. Further, the base of the first transistor 11 and the output terminal Pa of the inductive load control unit 17 are connected. Further, a connection point 18 between the first NchFET 3a and the second NchFET 3d (the connection point 18 is connected to each of the windings 2a to 2c of the inductive load 2) and the power supply terminal Pb of the bootstrap circuit 5a. The collector-emitter path of the two transistors 12 and the third resistance element 16 are connected in series. The base of the second transistor 12 and the cathode of the diode 13 are connected to a connection point 19 between the first resistance element 14 and the first transistor 11. The anode of the diode 13 and the gate terminal Pc of the first NchFET 3a are connected to a connection point 20 between the second transistor 12 and the third resistance element 16.
[0017]
Reference numeral 21 denotes a power supply (first power supply) of, for example, about 30 to 40 V that supplies power to the inductive load 2 and the power supply 7.
[0018]
FIG. 2 shows a voltage waveform between the gate and the source of the high-voltage side NchFET 3a when the inductive load 2 is driven by using the high-voltage side drive circuit sections 4a to 4c having such a configuration. At this time, the voltage of the power supply 21 with respect to the inductive load 2 is 35V. A comparison between the circuit of the present embodiment and a conventional circuit has revealed that the transient voltage V1 generated when the low-voltage side NchFET 3d is turned off is small. The same applies to other phases.
[0019]
Thus, instead of the conventional circuit configuration in which the emitter side of the transistor 104 and one end of the resistance element 106 are directly grounded, a book including a configuration in which the second resistance element 15 is added and the connection of the third resistance element 16 is changed. By using the high voltage side drive circuit units 4a to 4c of the embodiment, a large transient voltage generated due to the inductive load 2 when the low voltage side NchFETs 3d to 3f are turned off is reduced, and noise is suppressed. It becomes possible.
[0020]
Next, the resistance value R2 of the second resistance element 15 will be described. FIG. 3 shows the values of the voltages V1 and V2 in FIG. 2 when the resistance values of the first resistance element 14 and the third resistance element 16 are fixed and the resistance value R2 of the second resistance element 15 is changed. Indicates a change. If the resistance value R2 is too small, the value of the voltage V1 exceeds the withstand voltage (± 20 V in this case) of the first NchFETs 3a to 3c. Conversely, if the resistance value R2 is too large, the value of the voltage V2 exceeds the gate threshold voltage (in this case, 2V) of the first NchFETs 3a to 3c. Therefore, the range of the resistance value R2 of the second resistance element 15 is defined by at least the voltage V1 and the voltage V2.
[0021]
Next, the resistance value R3 of the third resistance element 16 will be described. In FIG. 4, when the resistance values of the first resistance element 14 and the second resistance element 15 are fixed and the resistance value R3 of the third resistance element 16 is changed, the voltage V1 and the first NchFETs 3a to 3c in FIG. 3 shows the change in the loss P. If the resistance value R3 is too small, the value of the loss P exceeds the allowable loss (30 W in this case) of the first NchFETs 3a to 3c. Conversely, if the resistance value R3 is too large, the withstand voltage (in this case, ± 20 V) of the first NchFETs 3a to 3c will be exceeded. Therefore, the range of the resistance value R3 of the third resistance element 16 is defined by at least the allowable loss P and the voltage V1.
[0022]
As described above, by adjusting the resistance values R1, R2, and R3 of the first to third resistance elements 14, 15, and 16, the transient voltage V1 generated when the low-voltage-side NchFETs 3d to 3f are turned off can be reduced to the high-voltage side. The gate-source breakdown voltage of the FETs 3a to 3c can be reduced. In particular, in a device in which the power supply voltage of the inductive load 2 is higher than the gate-source withstand voltage of the first Nch FETs 3a to 3c on the high voltage side, and a device in which a larger current flows through the inductive load 2, the transient voltage V1 also increases. Therefore, this embodiment is effective.
[0023]
Next, a cordless type vacuum cleaner will be described as an electric device particularly suitable for using the inductive load driving device 1 of the present embodiment.
[0024]
FIG. 5 is a perspective view showing an external configuration of the vacuum cleaner 31 of the present embodiment. The vacuum cleaner 31 according to the present embodiment includes a housing 32 serving as a base, a hose 33 having one end detachably connected to the housing 32, a hand operation unit 34 provided at the other end of the hose 33, and one end. An extension pipe 35 having a two-part structure detachably connected to the hand operation unit 34, a suction port body 36 detachably attached to the other end of the extension pipe 35, and a fan motor 37 housed and held in the housing 32 ( 7), a dust collection chamber (not shown) formed in the housing 32, and the like.
[0025]
The hose 33 is connected to the housing 32 such that a base end thereof communicates with a suction side of a fan motor 37 via a dust collection chamber (not shown). A hand operation unit 34 provided at the other end of the hose 33 is provided. Is provided with a grip portion 38 extending rearward and operating means 39 located in a range operable by a finger of an operator holding the grip portion 38.
[0026]
The operating means 39 also serves as a power switch for the fan motor 37, and is configured to be able to select a plurality of types of operation modes for setting the fan motor 37 in different driving states. Specifically, as shown in FIG. 7, a stop operation button 39a for setting the operation mode to the stop state and a weak operation operation button for setting the operation mode to the weak operation state, as shown in FIG. 39b, a strong driving operation button 39c for setting the driving mode to a strong driving state is arranged in a line.
[0027]
7, the fan motor 37 includes a brushless motor 40 as the inductive load 2, and a centrifugal fan 41 driven to rotate by the brushless motor 40. FIG. 6 is a schematic diagram showing the shape of the impeller 42 of the centrifugal fan 41. The centrifugal fan 41 has been widely used since it has excellent performance for vacuum cleaners. The impeller 42 is fixed to a rotating shaft 44 of a rotor 43 surrounded by a yoke (not shown) of the brushless motor 40, and includes a main plate 45, side plates 46, and a plurality of blades 47. The blade 47 is provided with a plurality of convex portions, which are fitted into holes provided in the main plate 45 and the side plate 46 and are caulked to fix each. In the vacuum cleaner 31, the impeller 42 is rotated to 30,000 rpm or more to obtain a suction force.
[0028]
Next, a vacuum cleaner control device (fan motor drive device) 51 that drives the fan motor 37 of the vacuum cleaner 31 according to the present embodiment will be described with reference to FIG. The vacuum cleaner control device 49 rotationally drives the fan motor 37 including the brushless motor 40 (the inductive load 2) by an AC current generated from an inverter circuit 52 driven by the power source 21 having a battery configuration as a driving source. Here, the configuration of the vacuum cleaner control device (fan motor drive device) 51 including the inverter circuit 52 and the like basically conforms to the configuration of the inductive load drive device 1 described with reference to FIG. Yes, corresponding parts are indicated using the same reference numerals.
[0029]
That is, the inductive load control unit 17 is used for a vacuum cleaner and is configured as a vacuum cleaner control unit. Specifically, the inductive load control unit 17 includes a motor control unit 53, a main body control unit 54, a memory 55, and the like. The unit 56 is connected. The configuration of each of the NchFETs 3a to 3f and the drive circuit units 4a to 4f is the same as that of FIG. 1, but here, a resistance element 57 for adjustment is added in the high-voltage drive circuit units 4a to 4c. In addition, a transistor 58 for inverting a signal is added to the output of the vacuum cleaner controller 17.
[0030]
As the power source 21, an assembled battery in which a plurality of secondary batteries such as a nickel cadmium (NiCd) battery, a nickel hydride battery, and a lithium ion battery are combined is used. This DC voltage is supplied to the inverter circuit 52. The inverter circuit 52 has a configuration in which six NchFETs 3a to 3f are connected in a three-phase bridge, and based on a pulse signal output by the vacuum cleaner control unit 17 mainly including a microcomputer, the high voltage side drive circuit unit 4a To 4c and the low voltage side drive circuit units 4d to 4f to supply an alternating current to the windings 2a to 2c of the fan motor 37.
[0031]
In addition, the electric vacuum cleaner control device 51 includes an inverter circuit current detecting means 59 for detecting a current flowing through the inverter circuit 52 and an inverter circuit input voltage detecting means 60 for detecting an input voltage to the inverter circuit 52. Connected to the machine control unit 17. The state of the vacuum cleaner 31 is monitored by these detecting means 59 and 60. Further, a display unit 56 such as a garbage sign or a charge sign is connected.
[0032]
Further, the brushless motor 40 includes position detecting means 61 for detecting the position of the permanent magnet of the rotor 43. As such position detecting means 61, three magnetic sensors installed at an electrical angle of 120 ° are used. Examples of the magnetic sensor include a hall sensor and a hall IC. As an example of the relationship between the position detecting means 61 and the states of the NchFETs 3a to 3f, a switching pattern of a 120-degree conduction method is shown in FIG. The position detection means 61 outputs position detection signals 1, 2, 3 according to the permanent magnets arranged at regular intervals of the rotor 43. Then, the microcomputer of the vacuum cleaner control unit 17 outputs a pulse signal to the high voltage side drive circuit units 4a to 4c and the low voltage side drive circuit units 4d to 4f using the position detection signals 1, 2 and 3. Then, the NchFETs 3a to 3f are sequentially switched to supply a current to the windings 2a to 2c of each phase of the brushless motor 40 to generate torque. As other methods for detecting the position of the permanent magnet, although not particularly shown, a method using an optical pulse encoder, a method of detecting a voltage induced in the windings 2a to 2c by a voltage phase detecting means, and the like can be used. is there.
[0033]
Further, it is also possible to calculate the rotation speed of the rotor 43 using the above-described position detection signal. The rotational speed of the rotor 43 can be monitored based on the rotational speed. If an abnormal rotation speed is detected, the vacuum cleaner control unit 17 may stop the rotation of the rotor 43.
[0034]
In the 120-degree conduction method shown in FIG. 8, since there is a 60-degree non-conduction period between the on-period of the first NchFETs 3a to 3c and the on-period of the second NchFETs 3d to 3f in each phase, trouble such as dead band control is troublesome. No settings are required. Further, it is possible to easily control the rotation of the fan motor 37 using a simple position detecting means. Therefore, it is particularly useful in applications such as the fan motor 37 of the vacuum cleaner 31 in which the required rotation speed is as high as 30000 rpm or more and the switching of the NchFETs 3a to 3f is performed at high speed.
[0035]
In a cordless type vacuum cleaner equipped with an assembled battery in which a plurality of secondary batteries are combined, the voltage of the assembled battery is increased (around 30 V) in order to improve the dust suction force. Therefore, in that case, the voltage becomes higher than the gate-source voltage (for example, ± 20 V) of the first NchFETs 3a to 38c used on the high voltage side. Therefore, by applying the present embodiment, it is possible to reduce the value of the peak voltage generated at the time of switching, which is very effective for the above-described cordless type vacuum cleaner. .
[0036]
【The invention's effect】
According to the present invention, a large transient voltage generated at the time of switching when an inductive load is used can be reduced.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a circuit diagram showing an inductive load driving device according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a time chart showing operating states of a first NchFET and a second NchFET and a voltage waveform between a source and a gate of the first NchFET.
FIG. 3 is a characteristic diagram illustrating a relationship between voltages V1 and V2 and a resistance value R2 of a second resistance element.
FIG. 4 is a characteristic diagram illustrating a relationship between a voltage V1, a loss of a first NchFET, and a resistance value R3 of a third resistance element.
FIG. 5 is a perspective view showing an external configuration of the vacuum cleaner.
6A and 6B schematically show an impeller of a centrifugal fan, wherein FIG. 6A is a front view, and FIG. 6B is a sectional view taken along line AA.
FIG. 7 is a circuit diagram showing a vacuum cleaner driving device.
FIG. 8 is an explanatory diagram showing a relationship between a position detection signal and operation states of first and second NchFETs.
FIG. 9 is a circuit configuration diagram showing a conventional example.
FIG. 10 is a time chart showing an operation state of a high-side NchFET and a low-side NchFET and a voltage waveform between a source and a gate of the high-side NchFET, showing a conventional example.
[Explanation of symbols]
2 Inductive loads 3a to 3c First NchFET
3d-3f 2nd NchFET
4a-4c High voltage side drive circuit section 4d-4f Low voltage side drive circuit section 7 Second power supply 11 First transistor 12 Second transistor 13 Diode 14 First resistance element 15 Second resistance element 16 Third resistance element 17 Inductive Load controller 18, 19, 20 Connection point 21 First power supply 30 Brushless motor (inductive load)
32 Housing 37 Fan motor 51 Fan motor drive

Claims (5)

誘導性負荷の高電位側に設けた複数の第1NchFETと、前記第1NchFETに各々直列接続され前記誘導性負荷の低電位側に設けた複数の第2NchFETと、前記第1NchFETを駆動する高電圧側駆動回路部と、この高電圧側駆動回路部を制御する誘導性負荷制御部と、前記誘導性負荷に電力を供給する第1電源と、前記高電圧側駆動回路部に電力を供給する第2電源と、を備える誘導性負荷駆動装置において、
前記高電圧側駆動回路部は、少なくとも、第1トランジスタ、第2トランジスタ、ダイオード、第1抵抗素子、第2抵抗素子、及び、第3抵抗素子を備え、
前記第2電源の電源端子と当該誘導性負荷駆動装置の接地端子との間に、前記第1抵抗素子、前記第1トランジスタのコレクタ・エミッタ路及び前記第2抵抗素子を直列に接続し、
前記第1トランジスタのベースと前記誘導性負荷制御部の出力端子とを接続し、
直列接続された前記第1NchFETと前記第2NchFETとの接続点と前記第2電源の電源端子との間に、前記第2トランジスタのコレクタ・エミッタ路と前記第3抵抗素子とを直列に接続し、
前記第1抵抗素子と前記第1トランジスタとの接続点に、前記第2トランジスタのベース及び前記ダイオードのカソードを接続し、
前記第2トランジスタと前記第3抵抗素子との接続点に、前記ダイオードのアノード及び前記第1NchFETのゲートを接続したことを特徴とする誘導性負荷駆動装置。
A plurality of first NchFETs provided on the high potential side of the inductive load, a plurality of second NchFETs each connected in series to the first NchFET and provided on the low potential side of the inductive load, and a high voltage side for driving the first NchFET A drive circuit unit, an inductive load control unit for controlling the high voltage side drive circuit unit, a first power supply for supplying power to the inductive load, and a second power supply for supplying power to the high voltage side drive circuit unit A power supply, comprising:
The high-voltage side drive circuit unit includes at least a first transistor, a second transistor, a diode, a first resistor, a second resistor, and a third resistor.
Connecting the first resistance element, the collector-emitter path of the first transistor, and the second resistance element in series between a power terminal of the second power supply and a ground terminal of the inductive load driving device;
Connecting a base of the first transistor and an output terminal of the inductive load control unit,
A collector-emitter path of the second transistor and the third resistance element are connected in series between a connection point between the first NchFET and the second NchFET connected in series and a power supply terminal of the second power supply;
Connecting a base of the second transistor and a cathode of the diode to a connection point between the first resistance element and the first transistor;
An inductive load driving device, wherein an anode of the diode and a gate of the first NchFET are connected to a connection point between the second transistor and the third resistance element.
前記第1電源の電圧が、前記第1NchFETのソース・ゲート間耐圧よりも大きいことを特徴とする請求項1記載の誘導性負荷駆動装置。2. The inductive load driving device according to claim 1, wherein a voltage of the first power supply is higher than a source-gate breakdown voltage of the first NchFET. 前記誘導性負荷がブラシレスモータであることを特徴とする請求項1記載の誘導性負荷駆動装置。2. The inductive load driving device according to claim 1, wherein the inductive load is a brushless motor. 吸込口体が連通されたハウジングと、
前記ハウジング内に収納されて請求項3記載の誘導性負荷駆動装置を有するファンモータ駆動装置と、
を備えることを特徴とする電気掃除機。
A housing to which the suction port body is connected,
A fan motor drive device having the inductive load drive device according to claim 3 housed in the housing;
An electric vacuum cleaner comprising:
前記誘導性負荷は3相構造のブラシレスモータであって、120度通電方式で駆動されることを特徴とする請求項5記載の電気掃除機。The vacuum cleaner according to claim 5, wherein the inductive load is a brushless motor having a three-phase structure, and is driven by a 120-degree conduction method.
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