JP2007185013A - Brushless motor with built-in high withstand voltage pre-driver ic - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、ブラシレスモータ及びブラシレスモータ内蔵プリント配線板の小型化に関するものである。 The present invention relates to miniaturization of a brushless motor and a printed wiring board with a built-in brushless motor.
ルームエアコンディショナー等、各種家電機器の送風ファン用途に供される軸出力20〜50W程度の小型ブラシレスモータには、プリント配線板上に各種電子部品を配して構成した駆動装置をモータに内蔵したものが一般的である。 A small brushless motor with a shaft output of about 20 to 50 W used for blower fans of various home appliances such as room air conditioners has a built-in drive device that is configured by arranging various electronic components on a printed wiring board. Things are common.
図101は従来技術の1例を示すもので、図12は、従来の3相ブラシレスモータ101の外観図、図13は内部の構造を示す断面図、図14は駆動装置106の回路構成図、図15は、前記駆動装置106を具現化したプリント配線板組立107であり。図16は、前記駆動装置106の主要構成要素であるMOSFETと高耐圧ゲートドライバIC(HVIC)との接続の詳細を1相分だけ示した回路構成図である。
101 shows an example of the prior art, FIG. 12 is an external view of a conventional three-phase
スイッチング素子として用いられているMOSFETにはアバランシェ耐量を有ししているので、図14のモータ電力供給用直流電源109の正側出力VdcにサージなどMOSFET耐圧を超えるパルス状の過電圧が重畳しても前記内であれば前記MOSFETは破壊することがないという信頼性面での大きな効果があるが、一方では、図16に示すようにHVICとMOSFETゲート間には、MOSFETのdV/dt、di/dtや、ON/OFF遅延時間を所望の値にする目的で、少なくとも、抵抗、コンデンサ、ダイオードの受動部品が各ゲートに6個必要で、3相モータ駆動のためには6×6すなわち36個の受動部品が必要になる。したがって、図15に示すプリント配線板組立には、MOSFET6チップを1パッケージ化したMOSFETアレイ110、HVIC111が3個、プリドライブIC112の他に多数の図示しない受動部品がはんだづけ実装されており、総数の一例では、100個ほどにもなり、プリント配線板の一層の小型化を困難にしている。
Since the MOSFET used as the switching element has an avalanche resistance, a pulse-like overvoltage exceeding the MOSFET withstand voltage such as a surge is superimposed on the positive output Vdc of the motor power supply
その他にMOSFETではなく駆動装置をモノリシックIC化したものや、MOSFETと高耐圧ゲートドライバIC(HVIC)を一体化したパワーモジュールがあるが、一体モジュール化や、1チップIC化にはICやモジュールの空間的制約から適用可能なモータの定格ワット数が限られたり、MOSFETの遅延時間などの諸特性が制約されるという設計上の課題があった(例えば、特許文献1参照)。
解決しようとする課題は、MOSFETを用いてブラシレスモータに内蔵する駆動装置を具現化する場合には、部品数が多く、小型化ができないという点である。 The problem to be solved is that when a drive device built in a brushless motor is realized using a MOSFET, the number of components is large and the device cannot be miniaturized.
本発明は、駆動装置の複数のゲートドライバICとプリドライブICをエポキシモールド樹脂で一体成型し、1つの高耐圧プリドライブICとしたことで、前記プリント配線板上の主要部品は、前記MOSFET並びに高耐圧プリドライブICと周辺受動部品だけという簡単な構成としたことを特徴とする。 According to the present invention, a plurality of gate driver ICs and pre-drive ICs of a driving device are integrally molded with an epoxy mold resin to form one high voltage pre-drive IC. It is characterized by a simple configuration comprising only a high voltage pre-drive IC and peripheral passive components.
本発明の高耐圧プリドライブIC内蔵ブラシレスモータは、上記構成を有し、アバランシェ耐量を有するMOSFETをスイッチング素子としながら、駆動装置を具現化するプリント配線板上の電子部品数の低減と、前記プリント配線板の小型を果たし、ブラシレスモータ自体の小型に寄与しうる利点がある。 A brushless motor with a built-in high-voltage pre-drive IC according to the present invention has the above-described configuration, and uses a MOSFET having an avalanche resistance as a switching element, while reducing the number of electronic components on a printed wiring board that embodies the drive device, There is an advantage that the circuit board can be miniaturized and can contribute to the miniaturization of the brushless motor itself.
以下、本発明の実施の形態について、図1から図6を用いて説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to FIGS.
図1は、本発明のブラシレスモータの外観図であり、ステータモールド組立3に蓋状のブラケット4、そしてシャフト5が突出し、前記ステータモールド組立3の側面からリード線組立2が伸びている。
FIG. 1 is an external view of a brushless motor of the present invention. A lid-like bracket 4 and a shaft 5 protrude from a
図2は、本発明のブラシレスモータの断面図であり、駆動コイル21を配したステータコア20を不飽和ポリエステル樹脂で一体成型したステータモールド組立3に、シャフト5に軸受け14、ロータヨーク18、マグネット17を配したロータ組立19を収め、その上にMOSFETアレイ10、高耐圧プリドライブIC51、ロータ磁極位置センサ25と図示しない周辺部品をはんだづけ実装したプリント配線板13を配置し、その上に絶縁板15を置き、ブラケット4で蓋をした構造を有する。前記パワーモジュール10と前記ブラケット4の空隙部には、放熱シリコン16を充填した構成である。
FIG. 2 is a cross-sectional view of the brushless motor of the present invention. A
図3は、本発明のブラシレスモータの駆動装置6の回路構成図であり、磁極位置センサ25、プリドライブIC12と3個のHVIC11とを一体化した高耐圧プリドライブIC51と、6個のMOSFET8を含むMOSFETアレイ10で構成され、高電圧直流電源9、制御電源23、速度制御信号源24からの出力が、前記ブラシレスモータの駆動装置6の各入力端子に接続され、出力端子には、3相結線された駆動コイル21が接続される構成である。
FIG. 3 is a circuit diagram of the brushless
図4は、高耐圧プリドライブIC51の断面図であり、フレーム28に接着固定されたHVIC11とプリドライブIC12が相互間またはリード電極27間をボンディングワイヤ30で接続し、かつエポキシ樹脂29にて一体成型した構成である。
FIG. 4 is a cross-sectional view of the high-voltage pre-drive
図5は、プリント配線板組立7の平面図であり、プリント配線板13上には、主要構成部品としてMOSFETアレイ10並びに高耐圧プリドライブIC51を配した構成である。
FIG. 5 is a plan view of the printed wiring board assembly 7. On the printed
図6は、本発明の外郭周囲直径78±5mmの径小ブラシレスモータの駆動装置を具現化した直径68±5mmの径小プリント配線板組立31であり、実施の形態1の図5のプリント配線板の直径が81±5mmに比較して直径を小さくした径小プリント配線板13aに主要構成部品としてMOSFETアレイ10並びに高耐圧プリドライブIC51を配した構成である。
FIG. 6 shows a small printed
図7は、本発明の径小ブラシレスモータ32の断面図であり、図6の径小プリント配線板組立31を内蔵し、モータ外郭の直径を実施の形態1のブラシレスモータ1に比較して小さくした構成である。
FIG. 7 is a cross-sectional view of the small-diameter
図3は、本発明のブラシレスモータの駆動装置の回路構成図3のプリドライブIC12とHVIC11を含む高耐圧プリドライブIC51と、MOSFET8の1相分の詳細構成図であり、MOSFET8はゲートコンデンサ37を含み、HVIC11の出力端子は、ハイサイド側がHOsoとHOsi、ロウサイド側がLOsoとLOsiの2出力となっており、各出力端子とMOSFETのゲート間には、各々第一のゲート抵抗38、第二
のゲート抵抗39を介して接続される。
FIG. 3 is a circuit configuration of the brushless motor driving apparatus of the present invention. FIG. 3 is a detailed configuration diagram of one phase of the high-voltage pre-drive
図3の本発明のブラシレスモータの駆動装置の詳細構成図で、MOSFET8のゲートコンデンサ37の静電容量値、HVIC11の出力端子に接続される、第一のゲート抵抗38、第二のゲート抵抗39の抵抗値を、任意に設定することで、前記MOSFET8のON/OFF遅延時間を所望の値に設定可能とした。
3 is a detailed configuration diagram of the brushless motor driving apparatus of the present invention shown in FIG. 3, in which the capacitance value of the gate capacitor 37 of the
次に本発明の具体例を説明する。 Next, specific examples of the present invention will be described.
図3の本発明のブラシレスモータの駆動装置6の回路構成図において、ロータ磁極位置センサ25は、ロータ組立29のマグネット17の磁極位置情報をプリドライブIC12へ入力する。前記プリドライブIC12は、PWM信号をHVIC11へ入力し、前記HVIC12は、入力された信号を増幅出力してMOSFET8の各ゲートへ作用することで、前記MOSFET8をON/OFF制御して駆動コイルへ、高圧直流電源9から電力供給を行う。
In the circuit configuration diagram of the brushless
以上のような動作を行うブラシレスモータの駆動装置6の構成要素でプリドライブIC12とHVIC11は、図4に示すようにエポキシ樹脂29で一体成型さ高耐圧プリドライブIC51を成す。前記MOSFETアレイ10と前記高耐圧プリドライブIC51の2つの主要構成要素と図示しない周辺部品及びリード線組立2は、プリント配線板13に設けられてプリント配線板組立7を成すことでブラシレスモータの駆動装置6は、簡単な構成で具現化される。前記プリント配線板組立7は、図2の断面図に示すようにブラシレスモータ1の内部に組み込まれて、図1に示す本発明の高耐圧プリドライブIC内蔵ブラシレスモータを成す。
As shown in FIG. 4, the
図6において、径小プリント配線板組立31は、主要構成要素MOSFETアレイ10と高耐圧プリドライブIC51は変更することなく、図5のプリント配線板組立7のプリント配線板13の外形を小さくしたもので、前記径小プリント配線板組立31を図7の断面図に示すようにブラシレスモータの駆動装置として供することにより、ブラシレスモータ自体の外径を図1又は図2に示すブラシレスモータ1に比較して径小化した径小ブラシレスモータ32の具現化を可能とした。図7ではモータ外径のみ小型したが、ロータ組立19のマグネット17、ロータヨーク18を小型化してもよい。
In FIG. 6, the small-diameter printed
図8に示すHVIC11及びMOSFET8のON/OFF動作を示す図が図9であり、時刻t<t1では、第一、第三のスイッチ40、42はOPEN、第二、第四のスイッチ41、43はCLOSEであり、QA、QBのゲート電圧VGa、VGbがLを維持しMOSFETQA、QBはOFF状態である。時刻t=t1になりHINに入力されるPWM信号がLからHへ切り替わると、第二のスイッチ素子41がOPENに、第一のスイッチ素子40がCLOSEになり、ブートコンデンサ36の蓄積電荷が、MOSFETQAのゲートに供給されるが、第1のゲート抵抗38とゲートコンデンサ37によりVGaはある時定数で立ち上がる。VGaがMOSFETQAのスレッシュホールド電圧Vthに達したt=t1’のとき、前記MOSFETQAはONする。前記MOSFETQAのONにより駆動コイル21へ高圧直流電源(Vdc)から電力供給が行われる。次に時刻t=t2になりHINに入力されるPWM信号がHからLへ切り替わると、第一のスイッチ素子40がOPEN、第二のスイッチ素子41がCLOSEし、ゲートコンデンサ37と第二のゲート抵抗39によりある時定数でVGaは立ち下がり、VGaがMOSFETQAのスレッシュホールド電圧Vthを下回ったt=t2’のとき前記MOSFETQAはO
FFする。以後時刻t3以降のMOSFETQBのON/OFF動作も同様であるので説明は省略する。
FIG. 9 shows the ON / OFF operation of the
FF. Are the same ON / OFF operation of the subsequent time t3 after MOSFET Q B explanation is omitted.
図10は、図9の時刻t1を拡大し、かつ駆動コイル端子電圧VUの変化を追記した図である。時刻t1でHINがLからHに切り替わるとヒステリシスコンパレータ45、レベルシフト手段44、第一のスイッチ素子40の伝達時間経過後t11でVGaは立ち上がり始める。(図9では前記伝達時間は省略した。)
次に時刻t1’でVGaはVthに達し、MOSFETQAはONするが、実際にはVthには、MOSFETQA自身がOFFからONに至る時間すなわち駆動コイル端子電圧VUは図中では0VからVdcに変化するある幅ΔVthが存在する。駆動コイル端子電圧VUが0VからVdcに変化する電圧変化率dV/dtは、VGaがΔVth通過に要する時刻t12からt13が短いほどdV/dtは大となり、逆にt12からt13が長いほどdV/dtは大となる。VGaがt12からt13へ至る時間は第1のゲート抵抗38の抵抗値とゲートコンデンサ37の静電容量値で定める時定数によることはいうまでも無い。たとえば家電機器などにモータを供する場合では、dV/dtを2kV/μsec程度になるよう第1のゲート抵抗38の抵抗値とゲートコンデンサ37の静電容量値を予め定めておく。図9の時刻t2のONからOFFへ至る場合も上記説明の逆の動作を示すのみであるので説明は省略する。図8では、MOSFETにゲートコンデンサを内蔵していたが、前記ゲート−ソース間にコンデンサを外付けすることで、ゲートコンデンサを内蔵しないMOSFETを用いても良い。
FIG. 10 is a diagram in which the time t1 in FIG. 9 is enlarged and a change in the drive coil terminal voltage VU is added. When HIN switches from L to H at time t1, VGa starts to rise at t11 after the transmission time of the hysteresis comparator 45, the level shift means 44, and the first switch element 40 has elapsed. (In FIG. 9, the transmission time is omitted.)
Then the VGa at time t1 'reaches Vth, MOSFET Q A is ON Suruga, in fact Vth, MOSFET Q A itself time or drive coil terminal voltage VU ranging from OFF to ON to Vdc from 0V in the figure There is a certain width ΔVth that changes. The voltage change rate dV / dt at which the drive coil terminal voltage VU changes from 0 V to Vdc is such that the dV / dt increases as the time t12 to t13 required for VGa to pass through ΔVth is shorter, and conversely as the voltage tV from t12 to t13 increases. dt becomes large. Needless to say, the time from V12 to t13 depends on the time constant determined by the resistance value of the first gate resistor 38 and the capacitance value of the gate capacitor 37. For example, when a motor is used for home appliances, the resistance value of the first gate resistor 38 and the capacitance value of the gate capacitor 37 are determined in advance so that dV / dt is about 2 kV / μsec. Since the operation from ON to OFF at time t2 in FIG. 9 only shows the reverse operation of the above description, the description is omitted. In FIG. 8, a gate capacitor is built in the MOSFET, but a MOSFET without a gate capacitor may be used by externally attaching a capacitor between the gate and the source.
図11は、図8の回路構成においてHINがH→Lへ切り替わる時刻t2とLINがL→Hへ切り替わる時刻t3が接近している場合の動作図である。時刻t2で立下り始めたVGaがVth以下になる前に時刻t3になってVGbが立ち上がり始めてしまう場合には、MOSFETQAがOFFする前にMOSFETQBがONしてしまうことが無いように、すくなくともt2’が、t3’以前になるように39の第二のゲート抵抗の抵抗値R2と、38の第一のゲート抵抗の抵抗値R1を、R1>>R2となるように予め定めておく。
HINがH→Lへ切り替わる時刻t2からLINがL→Hへ切り替わる時刻t3へ至る時間は、一般にデッドタイムと呼ばれるもので、通常HVIC11及びMOSFET8とその周辺部品で生じる遅延時間に対し十分大きくしておくが、一方でデッドタイムが長くなると、デッドタイム分高圧直流電源から駆動コイルへの電力供給が絶たれるので、軸出力20Wから50W程度の家電用ファン用途の場合では、音や振動が発生するという不具合が発生しかねないので意図してデッドタイムを可能な限り小さくする必要があり、R1、R2およびゲートコンデンサ容量値を予め十分吟味する必要がある。
FIG. 11 is an operation diagram when time t2 at which HIN switches from H to L and time t3 at which LIN switches from L to H are close to each other in the circuit configuration of FIG. VGa that at time t2 began falling becomes the time t3 before the below Vth when VGb will begun rising, so as not to MOSFETQB will be ON before the MOSFET Q A is OFF, at least t2 The resistance value R2 of the 39 second gate resistance and the resistance value R1 of the first gate resistance of 38 are determined in advance so that R1 >> R2 so that “is before t3”.
The time from the time t2 at which HIN switches from H to L to the time t3 at which LIN switches from L to H is generally called a dead time, and is usually sufficiently larger than the delay time that occurs in the
家電機器の送風ファン用途だけでなく、高電圧で20Wから50W程度の負荷である各種機器にも利用できる。 It can be used not only for blower fans for home appliances, but also for various devices that are high voltage and have a load of about 20 W to 50 W.
1 本発明のブラシレスモータ
2 リード線組立
3 ステータモールド組立
4 ブラケット
5 シャフト
6 ブラシレスモータ駆動装置
7 プリント配線板組立
8 MOSFET
9 高電圧直流電源
10 MOSFETアレイ
11 高耐圧ゲートドライバIC(HVIC)
12 プリドライブIC
13 プリント配線板
14 軸受け
15 絶縁板
16 放熱シリコン
17 マグネット
18 ロータヨーク
19 ロータ組立
20 ステータコア
21 駆動コイル
22 端子pin
23 制御電源
24 速度制御信号源
25 ロータ磁極位置センサ
26 電流検出抵抗
27 リード電極
28 フレーム
29 エポキシ樹脂
30 ボンディングワイヤ
31 径小プリント配線板組立
32 径小ブラシレスモータ
33 径小ブラケット
34 径小ステータモールド組立
35 高速ダイオード
36 ブートコンデンサ
37 ゲートコンデンサ
38 第一のゲート抵抗
39 第二のゲート抵抗
40 第一のスイッチ
41 第二のスイッチ
42 第三のスイッチ
43 第四のスイッチ
44 レベルシフト手段
45 ヒステリシスコンパレータ
51 高耐圧プリドライブIC
13a 径小プリント配線板
101 従来のブラシレスモータ
102 リード線組立
103 ステータモールド組立
104 ブラケット
105 シャフト
106 従来のモータ駆動装置
107 従来のプリント配線板組立
108 MOSFET
109 高電圧直流電源
110 従来のMOSFETアレイ
111 高耐圧ゲートドライバIC(HVIC)
112 プリドライブIC
113 従来のプリント配線板
DESCRIPTION OF
9 High Voltage
12 Pre-drive IC
13 Printed
23
13a Small printed
109 High Voltage
112 Pre-drive IC
113 Conventional printed wiring board
Claims (5)
前記駆動装置の複数のゲートドライバICチップ、プリドライブICチップをエポキシモールド樹脂で一体成型し、1つの高耐圧プリドライブICとしたことで、前記プリント配線板上の主要部品は、前記高耐圧プリドライブIC並びに複数のスイッチ素子と周辺受動部品だけという簡単な構成としたことを特徴とするブラシレスモータ。 A plurality of MOS gate switch elements that supply power to the drive coils of a multi-phase brushless motor, a plurality of gate driver ICs that act on the gates of the switch elements to perform ON / OFF control, and PWM to the gate triber IC A brushless motor incorporating a pre-IC that outputs a signal, a peripheral component such as a resistor, a capacitor, and a printed wiring board provided with a lead wire,
A plurality of gate driver IC chips and pre-drive IC chips of the driving device are integrally molded with an epoxy mold resin to form a single high-voltage pre-drive IC. A brushless motor characterized by a simple configuration comprising only a drive IC and a plurality of switch elements and peripheral passive components.
5. The brushless motor according to claim 1, wherein a capacitor is built in a gate of a MOS gate switch element built in a MOS array which is a component of the driving device.
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JP2006000351A JP2007185013A (en) | 2006-01-05 | 2006-01-05 | Brushless motor with built-in high withstand voltage pre-driver ic |
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JP2012135213A (en) * | 2012-04-13 | 2012-07-12 | Mitsubishi Electric Corp | Brushless dc motor and apparatus |
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