JP2006204063A - 半導体素子制御装置及び半導体素子の制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 ノイズフィルタを必要とせず且つ放熱構造を大型化させることなしに、ファンモータを通電させる半導体素子を駆動制御可能な半導体素子制御装置を提供する。
【解決手段】 モータ駆動装置２１の切替え制御部２５は、外部より与えられるモータ１１の指令電圧が低い領域ではアナログ駆動回路１５によってＦＥＴ９をアナログ制御し、前記指令電圧が所定のしきい値を超える高い領域では、ＰＷＭ制御部２３によってＦＥＴ９を５０Ｈｚの周波数でＰＷＭ制御するように切替える。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ファンを回転駆動するためのファンモータを通電させる半導体素子の駆動を制御する半導体素子制御装置、及び半導体素子の制御方法に関する。

図４は、車両のラジエータ部に配置されるファンモータを駆動する装置の一構成例を示すものである。モータ駆動装置１は、ＥＣＵ２よりＰＷＭ信号として与えられるモータの回転速度指令を入力信号処理部３で受けると、ＰＷＭ信号のデューティに応じた電圧信号に変換してＰＷＭ制御部４に出力する。また、ＰＷＭ制御部４には、電源電圧補正部５からの補正指令も与えられている。ＥＣＵ２は例えばラジエータ内部の水温を検知する水温センサ（図示せず）からの出力信号を受けて、検知される水温に応じた回転速度指令を出力する。
ＰＷＭ信号生成部６は、前記電圧信号と前記補正指令とに応じてＰＷＭ制御指令を生成すると、三角波発生部７より与えられる周波数１９ｋＨｚ程度の三角波（搬送波）と、前記ＰＷＭ制御指令とをコンパレータで比較してＰＷＭ信号を生成し、駆動回路８に出力する。駆動回路８は、与えられたＰＷＭ信号に応じてＮチャネルＭＯＳＦＥＴ９のゲートに駆動信号を出力する。

車両のバッテリ１０には、モータ１１とＦＥＴ９との直列回路が並列に接続されている。即ち、モータ駆動装置１はローサイド駆動方式となっている。モータ１１は、ラジエータに送風するためのファン（図示せず）を回転駆動するもので、駆動装置１の接続端子１ａ，１ｂ間に接続されている。接続端子１ａと電源電圧補正部５との間には、コイル１２ａ並びにコンデンサ１２ｂ，１２ｃによりπ型フィルタとして構成されるノイズフィルタ１２が接続されている。電源電圧補正部５は、接続端子１ｂ、即ちＦＥＴ９のドレインにも接続されており、モータ１１の端子電圧を参照することでバッテリ１０の電圧変動に応じた補正指令を駆動信号生成部４に出力するようになっている。
また、ＦＥＴ９のドレインとノイズフィルタ１２の入力側との間には、ダイオード１３が接続されている。このダイオード１３は、ＦＥＴ９がターンオフした場合に、遅れ電流をバッテリ１０側に流す経路を構成するために配置されている。そして、ノイズフィルタ１２は、ＦＥＴ９が１９ｋＨｚのＰＷＭ信号に応じてスイッチング動作を行うことで発生するノイズが、バッテリ１０側に伝播するのを阻止するために配置されている。

ここで、ＰＷＭ信号の搬送波周波数を１９ｋＨｚに設定しているのは、可聴周波数域の上限付近とすることでモータをＰＷＭ制御した際に発生する音が耳障りとならないようにするためである。しかしながら、その結果としてスイッチングノイズ対策用のフィルタ１２が必要となっている。このノイズフィルタ１２は、コイル１２ａ並びにコンデンサ１２ｂ，１２ｃの素子サイズが何れも大きいため、配置スペースをかなり大きく占有することになる。また、ＦＥＴ９のスイッチング周波数が高いことからスイッチング損失も大きくＦＥＴ９の発熱量も多くなるため、ヒートシンクなどの放熱構造も大型化してしまう。これらの要因により、駆動装置１自体が大型化してしまうという問題があった。
特許文献１には、斯様な問題を解決することを目的として、ＰＷＭ信号の搬送波周波数を、数１０Ｈｚ以下の極めて低い値に設定してファンモータを駆動するという技術が開示されている。
特開２００２−１４２４９４号公報

しかしながら、特許文献１に開示されている技術を実際に適用しようとすると新たな問題が派生する。即ち、ファンが回転するとその回転数に応じて風切り音が発生するが、モータの回転数が低くなる領域では風切り音は低下する。ところが、極めて低い搬送波周波数でＰＷＭ制御を行うとモータの低速領域において振動音が著しく大きくなる傾向を示すため、その振動音が耳につき易くなってしまう。

また、モータの駆動方式としては、ＰＷＭ制御を行わずに、ＦＥＴのゲート電圧をアナログ的に制御し、モータの印加電圧を制御する方式がある。図５は、アナログ制御方式の駆動装置１４の構成を示す。即ち、駆動装置１よりノイズフィルタ１２、ダイオード１３を除き、ＰＷＭ制御部４はアナログ駆動回路１５に置き換わっている。この場合、アナログ駆動回路１５は、入力信号処理部３より与えられる電圧信号に応じて、ＦＥＴ９を駆動するのに適切なレベルに変換してゲート電圧を生成出力する。

斯様なアナログ制御方式を採用した場合は、駆動装置１について生じるような問題は発生しないが、モータ１１を駆動している間はＦＥＴ９に電流が連続的に流れ、またＦＥＴ９をリニア領域（非飽和領域）で使用するため、発熱量はやはり多く、放熱構造が大型化することはやはり避けられない。
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、ノイズフィルタを必要とせず且つ放熱構造を大型化させることなしに、ファンモータを通電させる半導体素子を駆動制御可能な半導体素子制御装置、及び半導体素子の制御方法を提供することにある。

本発明の半導体素子制御装置によれば、切替え制御部は、外部より与えられるファンモータの回転速度指令が所定のしきい値以下となる低い領域ではアナログ制御部によって半導体素子をアナログ制御し、前記回転速度指令が前記しきい値を超える高い領域では、ＰＷＭ制御部によって半導体素子を数１０Ｈｚ以下の周波数でＰＷＭ制御するように切替える。即ち、ファンモータの回転数が低い領域では、アナログ制御によりファンモータのＰＷＭ駆動に伴う振動音が発生することを抑制する。そして、ファンモータの回転数が高い領域ではファンの風切り音が相対的に上昇するので、数１０Ｈｚ以下の周波数でＰＷＭ制御してもファンモータの振動音はマスキングされて耳につくことはなくなる。従って、ファンモータの低速回転領域における駆動音の問題を解決した上で、ノイズフィルタを必要とせず、放熱構造を大型化させることがない低周波ＰＷＭ制御のメリットを享受することが可能となる。

以下、本発明を車両用のファンモータを駆動する駆動装置に適用した場合の一実施例について、図１乃至図３を参照して説明する。尚、図４又は図５と同一部分には同一符号を付して説明を省略し、以下異なる部分についてのみ説明する。本実施例のモータ駆動装置２１は、駆動装置１のＰＷＭ制御部４について、三角波生成部７を周波数が５０Ｈｚの三角波生成部２２に置き換えたＰＷＭ制御部２３を備えている。
また、モータ駆動装置２１は、駆動装置１４と同様のアナログ駆動回路（アナログ制御部）１５も備えており、ＰＷＭ制御部２３より出力されるＰＷＭ信号と、アナログ駆動回路１５より出力されるアナログ制御信号とは、切替えスイッチ２４を介して択一的にＦＥＴ（半導体素子）９のゲートに与えられるようになっている。切替えスイッチ２４の切替え制御は、切替え制御部２５によって行われる。切替え制御部２５は、入力信号処理部３より出力される電圧信号（指令電圧）のレベル（例えば、０〜５Ｖの範囲）を参照し、そのレベルに応じて切替えスイッチ２４の切替え制御を行う。

切替え制御部２５は、例えばコンパレータなどで構成され、切替えのしきい値は、例えばモータ１１の印加電圧６Ｖに相当する指令電圧に設定される。従って、入力信号処理部３より出力される指令電圧が印加電圧０〜６Ｖの範囲に相当する間は切替えスイッチ２４にアナログ駆動回路１５側を選択させ、指令電圧が印加電圧６Ｖ相当値を超えると、切替えスイッチ２４にＰＷＭ制御部２３側を選択させるように切り替える。尚、以上の構成において、モータ駆動装置２１よりＦＥＴ９及びダイオード１３を除いたものが半導体素子制御装置２６を構成している。

次に、本実施例の作用について図２及び図３も参照して説明する。図２は、横軸にモータ１１の印加電圧をとり、縦軸にモータ１１及びファンの回転に伴って発生する騒音の音圧レベルをとって、５０ＨｚＰＷＭ制御、１９ｋＨｚＰＷＭ制御及びアナログ制御（リニア制御）の場合について示すものである。尚、縦軸の音圧レベルは、可聴周波数域２０Ｈｚ〜２０ｋＨｚに亘る１／３オクターブ分析による測定結果を元に、１９ｋＨｚＰＷＭ制御においてモータ１１の印加電圧が１３Ｖの場合を「１」とした比率で表している。
また、図３は、図２と同様の各制御方式について、指令電圧に応じたモータ１１及びファンの回転数の変化を示すものである。この図に示すように、各制御方式について、モータ１１の回転数変化は略同様となっている。

図２に示すように、ＰＷＭ制御の周波数が１９ｋＨｚの場合とアナログ制御の場合とで、発生する騒音レベルは印加電圧の全域に亘って殆ど替わらない。これに対して、ＰＷＭ制御の周波数が５０Ｈｚの場合は（低周波数ＰＷＭ制御）、印加電圧があるレベル（図２では６Ｖ）よりも低くなるとモータ１１の振動音が次第に大きくなる傾向を示している。そこで、低周波数ＰＷＭ制御におけるモータ１１の振動音が、ファンによる風切り音と同等になる付近の印加電圧レベルに相当する指令電圧を、切替え制御のしきい値として設定しておく。即ち、
（モータ駆動時の風切り音）≧（低周波数ＰＷＭ制御におけるモータの振動音）
という条件に基づき、しきい値を設定する。

そして、本実施例の場合は、上述したように印加電圧が０〜６Ｖの範囲ではアナログ駆動回路１５によるアナログ制御を行うことでモータ１１による振動音の発生を抑制し、印加電圧が６Ｖを超えるとＰＷＭ制御部２３により低周波数ＰＷＭ制御を行い、電流消費及びＦＥＴ９の発熱を抑制する。即ち、モータ１１の回転数が高い領域ではファンの風切り音が相対的に上昇するので、５０Ｈｚの周波数でＰＷＭ制御してもモータ１１の振動音はマスキングされて耳につくことはなくなる。

以上のように本実施例によれば、モータ駆動装置２１の切替え制御部２５は、外部より与えられるモータ１１の指令電圧（回転速度指令）が低い領域ではアナログ駆動回路１５によってＦＥＴ９をアナログ制御し、前記指令電圧が所定のしきい値を超える高い領域では、ＰＷＭ制御部２３によってＦＥＴ９を５０Ｈｚの周波数でＰＷＭ制御するように切替えるようにした。従って、モータ１１の低速回転領域における駆動音の問題を解決した上で、ノイズフィルタを必要とせず、放熱構造を大型化させることがない低周波ＰＷＭ制御のメリットを享受することが可能となる。

本発明は上記し又は図面に記載した実施例にのみ限定されるものではなく、以下のような変形が可能である。
ローサイド駆動方式に限ることなく、ハイサイド駆動方式に適用しても良い。
半導体素子は、ＮチャネルＭＯＳＦＥＴ９に限ることなく、ＰチャネルＭＯＳＦＥＴやパワートランジスタ、ＩＧＢＴなどであっても良い。
低周波ＰＷＭ制御の周波数は５０Ｈｚに限ることなく、数１０Ｈｚ以下の領域で適宜設計すれば良い。
また、低周波ＰＷＭ制御とアナログ制御とを切り替えるしきい値は、モータの定格やファン及びその他の機構の設計状態に応じて適当等となる値を適宜選択して設定すれば良い。
車両用に限ることなく、ファンを回転駆動させるためのモータを駆動する装置であれば広く適用が可能である。

本発明を車両用のファンモータを駆動する駆動装置に適用した場合の一実施例であり、モータ駆動装置の電気的構成を示す機能ブロック図 印加電圧に応じて発生するファンモータの騒音レベルを、各駆動方式について示す図 印加電圧に応じたファンモータの回転数変化を、各駆動方式について示す図 従来技術を示す図１相当図（その１） 従来技術を示す図１相当図（その２）

符号の説明

図面中、９はＮチャネルＭＯＳＦＥＴ（半導体素子）、１１はモータ（ファンモータ）、１５はアナログ駆動回路（アナログ制御部）、２１はモータ駆動装置、２３はＰＷＭ制御部、２４は切替えスイッチ、２５は切替え制御部、２６は半導体素子制御装置を示す。

Claims (2)

1. ファンを回転駆動するためのファンモータに対して直列に接続され、オン状態となると前記ファンモータを通電させる半導体素子の駆動を制御する半導体素子制御装置において、
   前記半導体素子を、アナログ制御するためのアナログ制御部と、
   前記半導体素子を、数１０Ｈｚ以下の周波数でＰＷＭ制御するためのＰＷＭ制御部と、
   外部より与えられる前記ファンモータの回転速度指令が所定のしきい値以下となる低い領域では前記アナログ制御部を使用し、前記回転速度指令が前記しきい値を超える高い領域では前記ＰＷＭ制御部を使用するように切替える切替え制御部とを備えて構成されることを特徴とする半導体素子制御装置。
2. ファンを回転駆動するためのファンモータに対して直列に接続され、オン状態となると前記ファンモータを通電させる半導体素子の駆動を制御する半導体素子の制御方法において、
   外部より与えられる前記ファンモータの回転速度指令が所定のしきい値以下となる低い領域では前記半導体素子をアナログ制御し、前記回転速度指令が前記しきい値を超える高い領域では前記半導体素子を数１０Ｈｚ以下の周波数でＰＷＭ制御するように切替えることを特徴とする半導体素子の制御方法。
   
   

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