JP4303212B2 - モータ駆動 - Google Patents

Description

関連出願の相互参照
本願は、以下の米国仮出願に関連しており、その恩恵と優先権主張を主張するものである。ＦＵＬＬＹ ＩＮＴＥＧＲＡＴＥＤ ＬＩＮＥＡＲ ＣＡＢＩＮ ＦＡＮ ＣＯＮＴＲＯＬＬＥＲと言う名称の２００４年３月３０日に出願された米国出願シリアル番号６０／５５７，４９３号； ＦＵＬＬＹ ＩＮＴＥＧＲＡＴＥＤ ＬＩＮＥＡＲ ＣＡＢＩＮ ＦＡＮ ＣＯＮＴＲＯＬＬＥＲと言う名称の２００４年５月２５日に出願された米国出願シリアル番号６０／５７４，４４１号； 及びＢＬＯＷＥＲ ＳＴＲＵＣＴＵＲＥ ＷＩＴＨ ＣＯＮＶＥＲＳＩＯＮ ＯＦ ＰＷＭ ＤＵＴＹ ＣＹＣＬＥ ＴＯ ＯＵＴＰＵＴ ＶＯＬＴＡＧＥと言う名称の２００４年５月２５日に出願された米国出願シリアル番号６０／５７４，４４３号。これらの各々の全開示は、参照によりここに組み込まれる。

本発明は、ＤＣ電源に関し、特に、ＤＣモータ駆動に関し、さらに特に、例えばＤＣブラシ・モータ（DC brushed motors）のための集積化され完全に保護されたＤＣモータ駆動に関する。特に、本発明は、モータ駆動回路に用いられる集積回路並びに電力スイッチを含む完全に集積化されたモータ駆動回路に関する。

特に１００ワットから３５０ワットの範囲におけるＤＣモータ駆動に対する必要性や、例えば、送風機ファン・モータのためのような自動車の適用において用いられる、１２ボルトから１４ボルトの範囲におけるＤＣモータを付勢するための必要性がある。また、このようなＤＣモータを制御するためのコントローラ集積回路に対する必要性もある。

本発明は、広範囲のモータ特性に渡るプログラムの可能性並びにコントローラ回路及び負荷のための保護を提供するＤＣモータ・コントローラを提供する。これらの保護技術は、ＭＯＳＦＥＴスイッチの熱暴走の危険性を最小にするために、埋め込まれた温度管理を含む。コントローラの開いた構造も、単純設計で、異なった種類のモータまたは負荷の運用を駆動することができるようにする。

本発明によれば、殆どのＨＶＡＣシステム・プロセッサ速度信号とインターフェースする自己適応型ＰＷＭ入力が提供される。電力消失が監視されて、モータ電流を減少させることによって制御される。さらに、保護として、回路は、過度の電力スイッチ・ジャンクション温度の場合に、制御集積回路をシャット・ダウンする。集積回路及びモータは、次に、何等の外部のセンサ無しで保護され、従って、設計を大いに単純化する。

ヒート・シンクは、集積回路コントローラ内に含まれた電力トランジスタ・スイッチに対する熱冷却を提供する。可変電流制限対モータ速度もしくは温度軽減性能を含む保護戦略が用いられても良い。

一態様によれば、本発明は、モータ駆動であって、
モータ負荷と直列に結合された一対の主電流搬送端子を有する第１の電力半導体スイッチング・デバイスと、
該スイッチング・デバイスを通る電流を制御するために該スイッチング・デバイスのための電流センサを有する第１の電流制御ループと、
スイッチング・デバイスにおける電流を所望のレベルに維持するよう第１の電流制御ループを駆動する電流制限回路であって、第１及び第２入力を有する前記電流制限回路と、
速度制御入力に結合される第１の入力及び実際のモータ速度を表すモータからのフィードバック電圧に結合される第２の入力を有する速度調整回路であって、モータを所望のモータ速度に駆動するよう電流制限回路の第１の入力に出力を提供する前記速度調整回路と、
モータによって消費される電力を所定のレベルに制限し、そして電流制限回路の第２の入力に出力を提供するための電力制限回路であって、モータからのフィードバック電圧を受信するように結合された入力を有する前記電力制限回路と、
を備えたモータ駆動を提供する。

好適な実施形態において、第１及び第２の電力スイッチング・デバイスは、それらの主電流搬送端子が並列に接続されるように結合され、そして各電力スイッチング・デバイスごとに電流センサを有する、各電力スイッチング・デバイスとごに１つの第１及び第２の電流制御ループが提供され、それにより、各電力スイッチング・デバイスにおける電流は、個別に制御され得る。

本発明の他の特徴及び長所は、添付図面を参照する本発明の以下の詳細な説明から明瞭となるであろう。
図面を参照して以下で本発明を一層詳細に説明する。

さて、図面を参照すると、図１Ａ及び図１Ｂは、モータ・コントローラのブロック図を示す。参照数字１０は、ＤＣモータ２００のような負荷を制御するコントローラ集積回路である。特に、モータ２００は、自動車のＨＶＡＣ（暖房、通気及び空調）機能のためのキャビン・ファン送風駆動モータであり得る。トルク及び速度制御ループ並びにプログラム可能な速度応答時間が、回路によって与えられるモータ駆動機能である。コントローラ１０は、ＰＷＭ復調器１３及びディジタル・アナログ変換器１４を備えたＰＷＭ／アナログ・インターフェース１２を含む。構成要素１３及び１４の目的は、ラインＩＮ＿ＰＷＭ上の入力ＰＷＭ信号をラインＩＮ＿Ｖ上のアナログ信号に変換することである。ＰＷＭ・アナログ変換器、並びに論理制御、コントローラ速度モード、温度管理及び短絡回路保護も、コントローラ１０に埋設される。なお、これら全てを以下に説明する。コントローラ１０は、ディジタル、アナログ及び電力回路の混成体を含む。

再度、図１Ａ及び図１Ｂに戻ると、出力段は、低側位置において動作する２つの電流感知パワーＭＯＳＦＥＴ Ｍ１及びＭ２を含むのが好ましく、それらの電力端子は並列に配列されている。従って、２つのＭＯＳＦＥＴ Ｍ１及びＭ２のソース並びに２つのＭＯＳＦＥＴ Ｍ１及びＭ２のドレインは、示されているように一緒に接続されている。ドレイン出力は、モータ負荷２００の低側に提供され、該負荷の他側はＢ＋電源＋Ｖ ｂａｔに接続される。２つのＭＯＳＦＥＴのゲートは、以下に説明されるように、並列に接続されておらず、それにより各ＭＯＳＦＥＴにおける電流は、独立して調整され得る。

ソースは、接地もされている−Ｖ ｂａｔに接続される。並列の主端子を有する２つのＭＯＳＦＥＴが示されているけれども、回路は単一のＭＯＳＦＥＴを用いることもできる。しかしながら、２つのＭＯＳＦＥＴの使用が電力消失能力を高め、かつ２つの電流制御ループが各々における電流の個別の調整を可能とする。

２つのＭＯＳＦＥＴのゲートは、それぞれゲート・ドライバ１６及び１８によって独立して駆動される。各ＭＯＳＦＥＴに対する追加のソース及びソース抵抗からの電流感知は、加算器19及び２０を介してフィードバックされる。加算器19及び２０への正の入力は、並列である。他の電流センサ、例えば主ソース−ドレイン回路における抵抗が用いられ得る。

ＭＯＳＦＥＴ Ｍ１及びＭ２の各々は、従って、それぞれの電流制御ループにおいて独立して制御される電流ソースとして駆動される。各々は、能動クランプ保護、ＣＬ１及びＣＬ２を特徴とする。負荷電流は、２つの装置の間で能動的に分割される。電力消失は、従って、２つのシリコン・ダイ間で配分され、最大のジャンクション温度の増加は、従って、制限される。

ブロック２２は、電流制限ブロック、Ｉ制限を含む。Ｉ制限ブロックは、双方の低側ＭＯＳＦＥＴの電流制御ループに同じ出力指令を提供する。最大の負荷電流は、外部の抵抗Ｒを介してプログラミングされる。過度の電力消失、例えば１５０ワット以上の場合、この最大は減少されて、過電力保護ブロック２４によって制御される。どんな速度ループ動作であろうとも、モータ電流は、抵抗Ｒによってプログラミングされた電流制限Ｉ＿ｌｉｍと電力制限回路２４との間の最も低い制限値を超えることができない。

従って、各ＭＯＳＦＥＴスイッチは、電流センサ、加算器１９及び２０、並びにゲート・ドライバ段１６及び１８を介して、それ自体の独立した電流制御回路を有し、各々は、電流制限ブロック２２によって駆動される。

電力制限回路２４は、抵抗ドライバ段２５Ｂを介して２つのＭＯＳＦＥＴ Ｖｄを横切る電圧を監視する。それは、１５０ワットの全電力消失に対応する各ドレインにおける最大受容可能電流を発生する。この機能は、環境が過渡状態及び定常状態の双方において最大電力能力を超える傾向を有するときはいつも、電流制限Ｉ＿Ｌｉｍでプログラミングされた値を無効にする。

モータ電圧は、バッテリ電圧＋Ｖｂａｔを考慮した２つの抵抗分圧器２５Ａ及び２５Ｂを介して感知され、差信号が差段２６によって発生される。このフィードバックは、差段２７を介するディジタル・アナログ変換器１４の出力からのアナログ速度入力ＩＮ＿Ｖと比較され、一定のモータ速度を維持するために増幅器２８によって増幅される。モータ電圧は、段２６におけるバッテリ電圧と比較され、このフィードバックは、段２７によってアナログ速度入力ＩＮ＿Ｖと比較され、次に、一定のモータ速度を維持するために増幅器２８によって増幅される。フィルタ・コンデンサ２９は、ＨＶＡＣシステム要求を満たすためだけでなく、速度に与える電力制限効果への過渡応答を避けるためにも、速度変動を低減する。ＰＷＭインターフェース１２は、ＩＮ＿Ｖ上に電圧を発生するが、それはまた、ＰＷＭ入力の代わりに外部のアナログ速度入力が与えられる場合には、抵抗を介して強制され得る。

ＰＷＭインターフェース１２は、任意の調整または発振器の同期なしで、６０Ｈｚから３０００Ｈｚまでの入力周波数をカバーする自己適応型回路を特徴とする。それは、デューティ・サイクル、すなわち周期に対するオン状態期間を、安定なアナログ速度指令に変換する。ＩＮ＿ＰＷＭ入力上の永久論理レベルは、効果を有しない。ＰＷＭインターフェースは、２００４年１０月２７日に出願され、この出願（ＩＲ−２５０５）の譲受人に譲渡された米国特許出願シリアル番号第１０／９７４，５８１号に一層詳細に記載されており、その全開示内容は、参照によりここに組み込まれる。

静止性の消耗は、ＩＮ＿Ｖ及びＩＮ＿ＰＷＭ端子の双方が固定時間の間速度指令を感知しなかった場合に減少される。これは、スリープ・モードと呼ばれる。この回路は、以下に一層詳細に説明するが、入力クロック検出ブロック３０を除いて、コントローラ１０を切断する。

入力クロック検出ブロック３０は、低電流消費に対して最適化される。それは、ＩＮ＿ＰＷＭ端子のエッジを監視することによって、ＰＷＭ速度指令の存在を検出する。それは、立ち上がりエッジが検出されるや否やコントローラを起動させる。好ましくは、それは、アナログ信号ＩＮ＿Ｖをも監視する。もし、双方の立ち上がりエッジがＩＮ＿ＰＷＭ上に検出され、そしてＩＮ＿Ｖが０．６Ｖよりも大きいならば、それは、ＰＷＭインターフェース１２による速度指令へのデューティ・サイクルの変換を可能とする。スリープ・モードにおけるとき、論理回路のための電源は、低電力消費モードに行く。もし、非立ち上がりエッジまたはＩＮ＿ＰＷＭの双方が或る時間の間検出され、そしてＩＮ＿Ｖが約０．６ボルトよりも小さいならば、コントローラは、スリープ・モードに行く。

バッテリ電圧が１８ボルトより高いかまたは８ボルトより低いかのいずれかに行く場合、下方／過電圧（過不足電圧）ブロック３２は、モータを停止する。ＩＮ＿Ｖ端子を放電することは、モータ・スイッチを円滑にオフにする。バッテリ電圧が回復すると、ソフト・スタート・シーケンスが再びモータを加速させる。

温度ブロック３４は、コントローラ１０のダイに埋め込まれた温度センサを含む。このブロックは、ＭＯＳＦＥＴのジャンクション温度が１２５℃よりも高く監視されるとき、コントローラをシャット・ダウンする。この温度保護は、ラッチ３６によってラッチされ、そしてフィードバック診断シーケンスが、ＨＶＡＣプロセッサ５２へのＩＮ＿ｐｗｍ端子上に送られる。従って、端子ＩＮ＿ＰＷＭは、速度制御入力として及び診断分析機能のための二重機能を行う。最小時間の間のＩＮ＿ｐｗｍ上の低レベルは、この保護をリセットする。

論理制御／診断３８は、速度入力管理及び診断を提供する。論理ブロック３８は、コントローラがスイッチ・オフされるとき、電流制御ループ並びにＭＯＳＦＥＴのゲートを、信号３８Ａ、３８Ｂ及び３８Ｃを介して接地に短絡する。パワーアップ時にすべての信号を解放する関連のタイミングも、この回路において履行される。スリープ・モード及びバッテリ管理並びに温度過昇診断も、このブロックにおいて発生される。

モータ２００のブラシに起因する電圧リプルは、コンデンサ４０によってフィルタリングされる。それは、バッテリ電圧＋Ｖｂａｔと、速度フィードバックＣｐ＿Ｖとの間で提供される。Ｉ＿ｌｉｍ及びＩＮ＿Ｖが開のままであるとき、最大モータ電流が４０アンペアにおいて内部に設定される。１５０ワット電力制限及び熱シャットダウンの双方は、以下に説明するように、過負荷、失速されたロータ状態もしくは短絡回路の場合の適用をなおかつ充分に保護するであろう。

ＩＮ＿Ｖに結合されたコンデンサ２９は、ソフト速度制御をもたらし、そしてＭＯＳＦＥＴ Ｍ１及びＭ２によってクランプされたエネルギを減少するのを助ける。低電力モータに対して、バッテリ保護レベルは、Ｉ＿ｌｉｍ端子上の抵抗Ｒをプログラミングすることによって達成される。この入力は、特定の電流保護プロフィル（特性）を満たすよう、外部の構成要素によって動的に駆動され得る。例えば、端子ＩＮ＿Ｖ及びＩ＿ｌｉｍ間の抵抗性分圧器が、速度に線形的に適合される可変電流保護を達成するための簡単な方法を提供する。端子ＩＮ＿Ｖは、また、ヒート・シンク温度センサまたは他の任意の回路のような外部の構成要素によって強制されるかまたは減少され得る。最後に、電流及び速度制御ループは、複雑かつ緻密な戦略を達成するために、結合されることができる。

従って、コントローラ１０は、モータ２００の動作を制御するために、電流及び速度制御ループの双方を用いる。

コントローラ１０は、電力スイッチを含む全キャビン・ファン駆動機能を単一の集積回路パッケージに集積化する。高レベルの集積化は、適用の信頼性を改善するだけでなく、高い規準の性能を低価格で提供もする。埋め込まれた熱管理と関連する二重ＭＯＳＦＥＴのトポロジーは、冷却性能を最適化するための設計努力を減少し、かつ２、３の外部の受動素子だけを選択することを必要とする。

図２２Ａ、図２２Ｂ、図２２Ｃ及び図２２Ｄに戻ると、この図は、コントローラの概略図を一層詳細に示している。ＰＷＭ入力ＩＮ＿ＰＷＭが６に示されている。ＰＷＭ入力ＩＮ＿ＰＷＭは、クロック発生器１２Ａからのクロック信号を受信する、前述したＰＷＭインターフェース１２に提供される。ＰＷＭインターフェース１２の出力は、アナログ信号ＩＮ＿Ｖである。ＰＷＭインターフェースの出力は、電圧または速度調整ループＶに与えられ、これは前述したように、分圧器２５Ａ及び２５Ｂを介してバッテリ電圧及びモータ・フィードバック電圧からモータ速度に比例したモータ電圧を提供する。段２７の出力は、増幅器２８によって増幅され、そして分圧器２５Ｂを介して電圧Ｖｄを監視する段２４Ａによって制御される電力制限段２２Ｂ及び電流制限段２２Ａを備えるＩ制限段２２に与えられる。前述したように、電力制限段は、全電力が所定のレベル、例えば１５０Ｗを超えた場合に、電流制限段を無効にする。Ｉ制限段２２Ａ、２２Ｂの出力は、レベル・シフタ３１に与えられる。レベル・シフタ３１の出力は、スイッチＭ１及びＭ２の各々を通る電流を個別に制御するために、２つの電流調整制御ループＩ１及びＩ２に与えられる。

さて、図２に戻ると、この図は、１５ピン・パッケージとして履行される制御ＩＣ１０を示す。ＰＷＭ速度指令ＩＮ＿ＰＷＭは、６において与えられる。自動車のＨＶＡＣ制御システムの部分であるＨＶＡＣ制御ボード５０は、代表的には、マイクロプロセッサ５２を備えている。Ｉ＿ｌｉｍ抵抗Ｒは、コントローラ１０に接続されて示されている。また、ＩＮ＿Ｖコンデンサ２９も示されている。ＭＯＳＦＥＴのソースは、−Ｖｂａｔに接続されており、コンデンサ４０は、バッテリ電圧とモータ電圧フィードバックＣＰ＿Ｖとの間に接続されている。モータの制御される側＋ＶＭは、ＭＯＳＦＥＴ Ｍ１及びＭ２のドレインに接続されている。

さて、図３に戻ると、モータ電圧対速度指令（デューティ・サイクルにおける）及びアナログ電圧ＩＮ＿Ｖのグラフが示されている。速度指令は、ＨＶＡＣ制御ボード５０によって与えられる低周波ＰＷＭ信号である。ピンＩＮ＿ＰＷＭは、シュミット・トリガ・インターフェースを有していて良く、好ましくは、静電気的に放電保護される。入力の不感域は、ほとんどの応用において任意の論理接地接続を回避するために充分に高く提供されるのが好ましい。ＩＮ＿ＰＷＭピン上のデューティ・サイクルは、アナログ指令ＩＮ＿Ｖに変換される速度要求として読み取られる。この信号は、速度変動時定数及び電圧モータ・ループＶを駆動する。双方の特性は、図３において単一モータ電圧転送曲線上に示される。

図５は、ＰＷＭ入力及びアナログ出力ＩＮ＿Ｖの例を示す。
ＰＷＭからアナログ電圧への変換器は、入力周波数またはバッテリ電圧変動のいずれによっても影響されず、従って、自己適応性インターフェースである。デューティ・サイクルの範囲は、６０Ｈｚ及び３０００Ｈｚ間の搬送周波数の場合、５％から９５％までである。それが５％より低いとき、ＩＮ＿Ｖピンは、０．６ボルトより下に引っ張られ、それ故、モータは、もはや付勢されない。デューティ・サイクルが９５％より高いとき、ＩＮ＿Ｖピンは、５ボルトに維持される。図３及び図４を参照。これは、バッテリがそれ自体１５ボルト（＋ＭＯＳＦＥＴ電圧降下）より高いときはいつも、ファン・モータ２００上に一定の１５ボルト電圧を表す。ＩＮ＿ＰＷＭ信号は、ＩＮ＿Ｖピンに正確に変換されて転送されるために、所定の時間以上、例えば１０ミリ秒以上で安定していることが必要である。ＩＮ＿ＰＷＭ入力上に或る時間以上の間、例えば２６０ミリ秒以上の間、信号がないならば、そしてＩＮ＿Ｖピンが０．６ボルトより小さいならば、コントローラは、スリープ及びリセット・モードに変えられる。コントローラは、立ち上がりエッジがＩＮ＿ＰＷＭ信号ピン上に再度検出されるか、またはＩＮ＿Ｖ＞０．６ボルトとなるや否や、ウェークアップする、もしくは起動する。このことは図４に示されている。

ＩＮ＿Ｖコンデンサ２９及び内部回路インピーダンスは、速度変動を制限する。関連の時定数は、傾斜上昇中並びに減速中に動作する。さらに、コンデンサ２９は、デューティ・サイクルが５％より低くなるごとに、抵抗を通して放電する。この第２の時定数は、ＥＭＩ摂動を制限しかつ消磁化（能動クランプ）を助けるソフト・ターンオフ時間を提供する。

熱保護は、過度のＭＯＳＦＥＴジャンクション温度の場合に、使用を決定的にシャット・ダウンするであろう。ＨＶＡＣ制御ボード５０は、ＩＮ＿ＰＷＭピン上に伝送される診断シーケンスＤｇによって報知される。このシーケンスは、１Ｋのインピーダンスを介して入力上に強制される１３Ｈｚ−５０％デューティ・サイクルのプル・ダウン信号から成る。それ自体の出力と直列に単純抵抗を加えることにより、ＨＶＡＣμプロセッサは、次に、Ｄｇシーケンスを検出することができる。これは図６に示されており、熱シャット・ダウン後、１３Ｈｚ診断シーケンスが、プロセッサ５２によって読取られ得るピンＩＮ＿ＰＷＭ上に強制されるということを示している。

最大のモータ速度変動は、通常、数ボルト／秒に制限される。外部のＩＮ＿Ｖコンデンサ２９及び回路の内部インピーダンス（約１００Ｋオーム）は、この時定数のパラメータである。コンデンサに対する最適化された値は、幾つかのテストで達成され得るが、最初の見積もりとして、それは、全使用の機械的慣性をカバーもしくは包含しなければならない。電力制限回路２４（１５０Ｗ）もこの時定数上に制約をもたらす。もし、速度の過渡応答が早すぎるならば、該制限は、時折、付勢され得て、音響ノイズ変動の形態で不愉快な効果を発生し得る。最後に、ＩＮ＿Ｖコンデンサ２９も、モータのターン・オフのソフトさを決定する。これら全ての規準の中で、機械的な時定数が通常支配的である。図７参照。

直接スタートの突入電流特性（プロフィル）を測定することは、この時定数を評価するための最も簡単な方法である。適用速度変動要求も、コンデンサの値に直接的に変換され得る。双方の場合において、最大バッテリ電圧における０−１００％速度変動テストが、速度過渡応答中の任意の電力制限の影響が無いことを確認するために必要とされる。

I＿Ｌｉｍ抵抗Ｒは、負荷に与えられる最大電流を制限する。それは電圧（０から５Ｖ）を強制することによって動的に調整され得るけれども、I＿Ｌｉｍ回路は、１００μＡ電流源２２Ａを有するのが好ましい。図１参照。単純な抵抗がプログラミングを提供することができる。この値は、最大の正常動作電流（最も高いバッテリ電圧において最大の負荷）よりも少し高い幾らかの余裕をもってセットされなければならない。それは、通常、車両の配線ハーネスによって受容可能な最大電流である。図８は、I＿Ｌｉｍ特性を示す。示された実施形態において、電流制限範囲は、４Ａから４０Ａである。グラフは、プログラミングされたI＿Ｌｉｍ電圧または抵抗Ｒの関数として最大負荷電流を示す。

段２６を介してＶｂａｔ電圧からＶｄ電圧を差し引くことは、モータ速度を感知する。この信号は、ブラシに起因するリプルを除去するためにフィルタリングされる。フィルタは、電圧センサの内部インピーダンスとＣｐ＿Ｖ外部コンデンサ４０とから構成される。４７ｎＦセラミック・コンデンサは、通常、速度／電圧制御ループへフィードバックされる信頼できる速度を保証するために充分である。

最大電力消失は、テストによるかまたは模擬によるかのいずれかによって評価され得る。実際のハウジング内でファンが装着された状態で測定されるモータの電気特性（電流対電圧）から、電力消失プロフィル（特性）は、ＭＯＳＦＥＴを横切る電圧降下に、各モータ電圧に対するモータ電流を乗算することに対応する。このプロフィル（特性）は、使用の最悪の場合、通常、１６Ｖバッテリ電圧及び７０℃の空気流、に対して創設されるべきである。モータ特性及び関連の電力プロフィルの例が図９に提示されている。

図９の例において、最大電力消失は、１６Ｖバッテリ電圧で動作する場合、９０Ｗである。ヒート・シンクＲｔｈサイズは、図１０の７０℃空気流及び熱抵抗のフローチャートを仮定して決定され得る。

図１０は、Ｉ．Ｃ．を通る全熱伝達を要約している。全電力量は、２つのＭＯＳＦＥＴダイ間で分割され、Ｉ．Ｃ．熱シャットダウンは、各ＭＯＳＦＥＴ上の“抵抗性分圧器”Ｒｔｈ１及びＲｔｈ２として象徴化される。それは、正確なアセンブリ技術を反映していないけれども、この表示は、正確であり、究極の熱保護モードを理解するのを助ける。この等価機構の代表的な値は、以下の通りである。
ａ）Ｒｔｈ ＭＯＳＦＥＴダイ／リードフレーム＝ＭＯＳＦＥＴにつき１．４℃／Ｗ（実際の値―アセンブリ技術）
ｂ）Ｒｔｈ ＭＯＳＦＥＴダイ／Ｉ．Ｃ．センサ＝Ｒｔｈ１＝ＭＯＳＦＥＴにつき０．８℃／Ｗ（等価の熱分圧器）
ｃ）Ｒｔｈ Ｉ．Ｃ．センサ／リードフレーム＝ＭＯＳＦＥＴにつき０．６℃／Ｗ（等価の熱分圧器）
ｄ）全Ｒｔｈ ２×ＭＯＳＦＥＴダイ／リードフレーム＝Ｉ．Ｃ．に対し０．７℃／Ｗ

この例に対し、半分の電力量は、４５Ｗである。各温度の増加が示されており、そしてヒート・シンクＲｔｈは、次に、以下のように評価される。
［空気流^θ−リードフレーム^θ］／Ｐｍａｘ
この結果は、冷却システムに対する全Ｒｔｈ要件である。ウォッシャ、熱グリースまたは任意の特定の装着技術を孤立させることは、このＲｔｈの予算に含まれなければならない。ヒート・シンクＲｔｈは、次に、正常な動作状態（１４Ｖバッテリ電圧−５０％Ｃ空気流−Ｐｍａｘ＠１４ｖ）におけるＭＯＳＦＥＴのジャンクション温度を評価するために再使用される。

図１１に例において、正常状態における最大ジャンクション温度は、１３０℃に制限されるであろう。かかる値は、使用が、低いＰＰＭ故障率を達成することができるようにするであろう。本発明のコントローラのモータ電力範囲において、ヒート・シンクとＩ．Ｃ．センサとの間の温度差は、代表的には、１５℃を越える。Ｉ．Ｃ．熱シャットダウン（１２５℃）に起因して、どんな環境であろうとも、ヒート・シンク温度は、ＨＶＡＣシステムのプラスチック・ハウジング（１１０℃）と両立的なままである。

さらに、内部温度の増加は、電力制限制御２４のために、１５０Ｗの全電力消失に対応する温度増加を決して超えない。従って、最適化されたヒート・シンクを設計することによって、全応用は、任意の外部温度センサ無しで働くことができる。しかしながら、過温度保護３４は、シリコンまたはファン・モータのいずれかに対する何等かの危険無しで、“異常熱過負荷”の場合に、全使用をシャット・ダウンする。

Ｉ．Ｃ．設計体系は、コントローラが、２、３の外部要素を有する過酷な自動車環境（ＩＳＯパルス、逆バッテリ、負荷ダンプ（ｄｕｍｐ）、等）において動作できるようにする。正及び負のパルスが、モータ経路を通してクランプされ、逆バッテリ状態は、Ｉ．Ｃ．それ自体に影響を与えず、ＭＯＳＦＥＴ本体ダイオードに起因してファンが逆に回転するという結果になるだけである。速度の傾斜上昇及び減速は、ＩＮ＿Ｖコンデンサ２９によって制限される。この時定数は、また、ファンを円滑にターンオフするために用いられる。さらに、能動クランプ回路は、各ＭＯＳＦＥＴが電力ツェナー・ダイオードのように振舞うようにする。モータ誘導エネルギは、次に、各ターンオフ後にトランジスタＭ１及びＭ２の一方において消失される。能動クランプは、最大負荷ダンプ（ｄｕｍｐ）電圧よりすぐ上にセットされる。負荷ダンプ（ｄｕｍｐ）・プロフィル（特性）の間、コントローラ１０は、充分に前もってスイッチ・オフし、それにより、能動クランプは、最大ピーク電圧に先立って誘導エネルギを消失する。

図１２は、ＰＷＭ速度指令に対するモータ電圧及び電流応答を示す。

バッテリ電圧が正常動作範囲を超えたとき、または熱シャットダウンの場合、ＭＯＳＦＥＴゲートは、１００ｋオーム抵抗を通してプル・ダウンされる。これらの高ゲート抵抗は、なお、ソフト・ターンオフ・プロフィル（特性）を提供し、それにより、トランジスタによって消失された誘導エネルギは、それらのエネルギ容量よりも充分に下のままである。負荷ダンプ状態中、コントローラ１０は、モータ２００をスイッチ・オフし、速度時定数コンデンサ２９を放電する。バッテリ電圧が回復したとき、ソフト・スタート・シーケンスが、速度指令に再度円滑に達するよう開始される。バッテリが突然に切断されるとき、反応における速度ループがＭＯＳＦＥＴを充分にターンオンするということが述べられるべきである。モータの逆起電力（バックＥＭＦ）は、次に、Ｖｂａｔピン電圧が過電圧閾値以下に行くまで、コントローラ１０を付勢する。全応用は、ロータ／プロペラの慣性に起因して短絡（もしくは不足）バッテリの電圧降下を実際に持続させる。回路は、バッテリ電圧が８．５Ｖ以下に行くかもしくは１８Ｖを超えるや否や、出力をスイッチ・オフする。これは、ＩＮ＿Ｖコンデンサ２９の軽放電に帰結し、それにより、“フライト中”の再スタートを可能とする。ターンオフ波形は、クランプ消失が制限されるように、低速かつソフトである。図１３は、同じシーケンスを提示するが、負荷ダンプ・プロフィルを有している。示されているように、負荷ダンプに起因する過電圧が感知されるとき、過電圧保護が動作する。モータ電圧はクランプされ、コンデンサ２９は放電され、そしてバッテリ電圧が再度１８Ｖ以下に減少したとき、ソフト・スタートが履行される。

コントローラ１０は、関連のヒート・シンクが適正な寸法であり対応の空気流内に位置付けられている限り、全使用（Ｉ．Ｃ．及びモータ）を保護することができる。種々の欠陥の性質は、実際、３つの主たる場合に導く。
ａ）失速された状態におけるモータ。保護の目的は、この場合において発生されるキャビン内の“焦げているような臭い”を阻止することであり、かつモータが損傷されないようにすることである。
ｂ）短絡回路。この場合、保護は、Ｉ．Ｃ．自体を損傷から保護する。
ｃ）過負荷。過負荷の根本原因は、ＨＶＡＣシステムまたはモータ／ファンそれ自体のいずれかに存在する。双方の場合において、それは、モータ及びＩ．Ｃ．の双方に対して長期的かつ反復的な超過ストレスを表す。保護の重要な目的は、超過ストレスの連続的もしくは反復的な影響を回避することである。

３つの場合は、プログラミング可能な電流制限２２、最大電力制限２４及びジャンクション温度シャットダウン３４を含む、コントローラ１０内の埋設された回路によってカバーされる、もしくは包含される。２つのＭＯＳＦＥＴは、さらなる保護を提供するために２つの独立した制御ループによって駆動される。モータにおける全電流は、プログラミングされた値を超えることができない。Ｉ＿Ｌｉｍピンが開のままであるときでさえ、モータにおける最大電流は４０Ａを超えることができない。短絡回路電流は、次に、ＭＯＳＦＥＴダイが永久にその状態を持続することができるように制限される。ＭＯＳＦＥＴにおける全電力消失が、欠陥状態に起因して、例えば１５０Ｗよりも大きいならば、（それは通常の場合であるが）、短絡回路の電流は、プログラミングされたＩ＿Ｌｉｍ値よりも小さい値に減少されるであろう。この小さい連続電流は、運用（使用）または配線ハーネスのいずれをも損傷しないであろう。最後に、コントローラ１０は、Ｉ．Ｃ．温度がシャットダウン閾値に達したときに運用を決定的にスイッチ・オフするであろう。上述のことは、述べられた３つの場合すべてを包含する。さらに、ヒート・シンクの温度は、ＨＶＡＣハウジング・プラスチックによって持続可能な最大温度に決して達しない。保護の組合せられた動作は、図１４、１５及び１６に要約されている。

図１４は、過負荷の場合の動作を示す。モータ電流は、電力消費を１５０Ｗに維持するよう制限され、もし、熱過負荷温度に達したならば、モータは、消勢される。

図１５は、短絡回路の場合の動作を示す。Ｉ＿Ｌｉｍに達したとき、電力制限回路２４はモータ電流を減少し、もし、熱過負荷があるならば、モータは消勢される。

図１６は、ロータが失速された（a stalled rotor）場合の動作を示す。それは、電流がＩ＿Ｌｉｍ制限を超えたときの図１５の場合と同様である。点線は、図１４の過負荷状態と同様である、低速での失速状態の場合を示す。

コントローラ１０は、Ｑ１００自動車の互換性のあるスルーホールＳＩＰ１５ピン・パッケージ内に、もしくは同じ熱スプレッダ上に３つのダイを収容することができる任意の他の基板上に、のいずれかにパッケージングされ得る。部品は、３つの異なったダイから成る：例えばインターナショナル・レクティファイヤ・コーポレーションから入手可能な２ｘＧＥＮ７．０．Ｈｅｘｆｅｔｓである２つのＭＯＳＦＥＴと、１つのドライバＩ．Ｃ １０Ａとである。ＭＯＳＦＥＴは、リードフレーム上に半田付けされるが、Ｉ．Ｃ．は孤立される。これは、図１７に示されている。この混合した技術は、複雑な運用（適用）に対して単純かつ信頼性のある解決法を提供する。リードフレームの形状は、また、高電流接続（ソース・ピンが溶融される）を支援するために適合され、そしてＴａｂ １０Ｂ（図２）も利用可能なピン＃８（４０Ａ連続電流能力）である。ＭＯＳＦＥＴは半田付けされるので、Ｔａｂは、出力ピン（ＭＯＳＦＥＴドレイン）に接続される。図１９は、側面図を示す。

提示されたプロフィルは、コントローラ１０内で消失される全電力を考慮している。それは、２つのＭＯＳＦＥＴ内で消失される全電力量を仮定してコントローラの過渡応答Ｒｔｈを表す。それは、０．７℃／Ｗまでの安定状態値を増加させるけれども、コントローラとヒート・シンクとの間の合成熱の使用が好ましい。

Ｉ．Ｃは、埋設された温度センサを有する。それは、電力ＭＯＳＦＥＴ間に組立てられなければならない。図１７Ａ参照。次に、フィードバックが、実際のＭＯＳＦＥＴ温度と比較して遅延される。この熱応答時間は、Ｉ．Ｃの設計（構築及び保護）において考慮される。図２０に示されるように、１５０Ｗ電力ステップに対し、遅延は約２０ｍｓである。図１８は、１５０Ｗ電力消失及び２０℃のヒート・シンク温度の場合の、時間に対するＭＯＳＦＥＴジャンクション温度を示す。

ヒート・シンクの設計及びジャンクションの計算を簡単にするために、示された熱インピーダンスのすべては、合成熱（０．３℃／Ｗ最大）の効果を統合している。これは、（ＴＢＣ）２０ｋｇの全パッケージ上の一定圧力を仮定している。コントローラのＲｔｈ構造が図２１に提示されているが、しかし今はヒート・シンクの設計に対して用いられるべき実際のＲｔｈの構造を有している。それらはＭａｘ．値に対応し、そして合成熱だけでなく、プロセス変動をも含む。

本発明をその特定の実施形態に関連させて説明してきたけれども、他の多くの変形及び修正並びに他の使用は、当業者には明瞭であろう。従って、本発明は、ここでの特定の開示によって制限されるべきではなく、特許請求の範囲によってのみ制限されるべきである。

本発明によるモータ・コントローラの左半分のブロック図である。 本発明によるモータ・コントローラの右半分のブロック図である。 図１の集積回路を、マイクロプロセッサ・コントローラに及び負荷ＤＣモータに接続して示す図である。 モータ電圧対速度指令のグラフである。 入力ＰＷＭ信号の範囲を示す図である。 入力ＰＷＭ信号と変換されたアナログ信号とのグラフである。 入力ＰＷＭ信号と変換されたアナログ信号とのもう１つの例を示すグラフである。 Ｃ ＩＮ＿Ｖを決定するための直接起動プロフィル方法を示す図である。 プログラム可能な電圧に最大負荷電流を関係付けたグラフである。 モータ電流及び電力消失を示すグラフである。 集積回路を通る熱伝達を示す図である。 熱伝達に関するさらなるグラフである。 回路に対するさらなる波形を示す図である。 過電圧保護を説明するための図である。 過負荷保護を説明するための図である。 短絡回路の場合の回路動作を示す図である。 ロータが失速された場合の回路動作を示す図である。 集積回路のパッケージングを示す図である。 銅基板上のダイ・アセンブリを示す図である。 過渡応答Ｒｔｈを示すグラフである。 ＭＯＳＦＥＴスイッチ及びドライバＩＣのパッケージングを示す側面図である。 Ｉ．Ｃ及びＭＯＳＦＥＴのジャンクション温度（熱応答時間）を示す図である。 アセンブリ全Ｒｔｈの単純化した図である。 図１のモータ・コントローラの四分の一部分を示す概略図である。 図１のモータ・コントローラの四分の一部分を示す概略図である。 図１のモータ・コントローラの四分の一部分を示す概略図である。 図１のモータ・コントローラの四分の一部分を示す概略図である。

符号の説明

１０ コントローラ集積回路
１２ ＰＷＭ／アナログ・インターフェース
１３ ＰＷＭ復調器
１４ ディジタル・アナログ変換器
Ｍ１ ＭＯＳＦＥＴ
Ｍ２ ＭＯＳＦＥＴ
１６ ゲート・ドライバ
１８ ゲート・ドライバ
１９ 加算器
２０ 加算器
２２ 電流制限ブロック
２４ 電力制限回路
２８ 増幅器
２９ フィルタ・コンデンサ
３０ 入力クロック検出ブロック
３２ 不足／超過電圧ブロック
３４ 温度ブロック
３８ 論理制御／診断
５２ ＨＶＡＣプロセッサ
２００ ＤＣモータ

Claims (27)

1. モータ負荷と直列に結合された一対の主電流搬送端子を有する第１の電力半導体スイッチング・デバイスと、
   該スイッチング・デバイスを通る電流を制御するために該スイッチング・デバイスのための電流センサを有する第１の電流制御ループと、
   スイッチング・デバイスにおける電流を所望のレベルに維持するよう第１の電流制御ループを駆動する電流制限回路であって、第１及び第２入力を有する前記電流制限回路と、
   速度制御入力に結合される第１の入力及び実際のモータ速度を表すモータからのフィードバック電圧に結合される第２の入力を有する速度調整回路であって、モータを所望のモータ速度に駆動するよう電流制限回路の第１の入力に出力を提供する前記速度調整回路と、
   モータによって消費される電力を所定のレベルに制限し、そして電流制限回路の第２の入力に出力を提供するための電力制限回路であって、モータからのフィードバック電圧を受信するように結合された入力を有する前記電力制限回路と、
   を備えたモータ駆動。
2. 第１の電力スイッチング・デバイスの主電流搬送端子と並列に接続された主電流搬送端子を有する第２の電力半導体スイッチング・デバイスをさらに備え、
   第２の電流制御ループをさらに備え、第１の電流制御ループは第１の電力スイッチング・デバイスを駆動するように結合され、第２の電流制御ループは第２の電力スイッチング・デバイスを駆動するように結合され、第１及び第２の電流制御ループは、電流制限回路によって駆動され、各電力スイッチング・デバイスにおける電流は、それぞれの第１及び第２の電流制御ループによって個別に調整される、
   請求項１に記載のモータ駆動。
3. 所望のモータ速度を表すＰＷＭ信号をアナログ信号に変換するためのＰＷＭ・アナログ変換器をさらに備え、前記アナログ信号は、前記速度調整回路への速度制御入力として与えられる請求項１に記載のモータ駆動。
4. 第１及び第２の電力半導体スイッチング・デバイスは、各々、電力ＭＯＳＦＥＴを備え、電流センサは、各ＭＯＳＦＥＴのドレイン−ソース経路における電流センサであり、さらに、所望の電流を表す信号を感知された電流と比較して、前記ＭＯＳＦＥＴの各々のゲートを個別に駆動するためのドライバ段を駆動する誤差信号を生成するための差段を備え、それにより、各ＭＯＳＦＥＴにおける電流を個別に所望のレベルに調整する、請求項２に記載のモータ駆動。
5. 電流制限回路は、速度調整回路からの入力信号に基づいて前記第１及び第２の電流制御ループの各々に出力を提供する回路を備え、前記電流制限回路は、前記モータ負荷における電流を所定の最大レベルに制限する、請求項２に記載のモータ駆動。
6. 速度調整回路は、モータ速度に関係した第１の入力信号、モータ負荷への電源電圧に関係した第２の入力信号、電源電圧及びモータ電圧間の差に比例した誤差信号を提供するための差回路を備え、さらに、第１の差段の出力を所望の速度信号と比較して、第２の差段の出力を速度誤差信号として前記電流制限回路に提供するための第２の差回路を備える、請求項１に記載のモータ駆動。
7. 第２の差段からの信号を増幅して、電流制限回路に増幅された信号を提供する増幅器をさらに備える請求項６に記載のモータ駆動。
8. 電力制限回路は、モータ負荷において消失される電力を予め限定された最大レベルに制限するための回路を備え、モータ負荷において消失された電力が予め限定されたレベルよりも小さいように、電流制限段を制御して電流を制限する請求項１に記載のモータ駆動。
9. 電力制限段は、モータ負荷を横切る電圧に結合される入力を有する請求項８に記載のモータ駆動。
10. 電源電圧と、前記モータ負荷を横切る前記電圧との間に結合されるコンデンサをさらに備える請求項９に記載のモータ駆動。
11. 前記速度制御入力に結合されるコンデンサをさらに備え、速度制御入力は、アナログ電圧を備える請求項１に記載のモータ駆動。
12. ＰＷＭ・アナログ変換器は、パルス幅変調された信号のデューティ・サイクルをディジタル信号に復調するためのパルス幅変調復調器と、該ディジタル信号を、所望のモータ速度に比例したアナログ電圧に変換するためのディジタル・アナログ変換器とを備える請求項３に記載のモータ駆動。
13. 速度制御入力を監視して、速度制御入力が第１の所定のレベルよりも小さいならば、低電力消費モードに移行させるための論理制御をさらに備える請求項４に記載のモータ駆動。
14. さらに、速度制御入力が感知された所定のレベルよりも大きいならば、モータ負荷は全速度に行く請求項１３に記載のモータ駆動。
15. 速度制御入力はＰＷＭ信号であり、ＰＷＭ信号のデューティ・サイクルが第１の所定のレベルよりも小さいならば、モータ駆動は前記モータ負荷をターンオフし、該デューティ・サイクルが第２の所定のレベルよりも大きいならば、前記モータ駆動は、前記モータ負荷を全速度で動作させる請求項３に記載のモータ駆動。
16. さらに、論理制御が前記入力ＰＷＭ信号を監視し、所定の期間の間、前記ＰＷＭ信号にエッジがないならば、前記論理制御は、低電力消費モードに移行する請求項１５に記載のモータ駆動。
17. 前記論理制御は、前記所望の速度を表すアナログ信号を監視し、前記信号が所定の電圧よりも小さいならば、前記論理制御は、低電力消費モードに移行する請求項１３に記載のモータ駆動。
18. 前記ＭＯＳＦＥＴのジャンクション温度を監視するための温度センサをさらに備え、前記ジャンクション温度が所定の最大値を超えたならば、前記論理制御は、前記ＭＯＳＦＥＴをターンオフする請求項１３に記載のモータ駆動。
19. 前記論理制御には、前記ＭＯＳＦＥＴをターンオフするように前記ＭＯＳＦＥＴのゲートを駆動するための出力が提供され、さらに、前記電流制御ループへの入力をターンオフするための出力が提供される請求項１３に記載のモータ駆動。
20. 前記入力ＰＷＭ信号が所定の時間間隔にパルスを含むか否かを決定し、もし含まないならば、低電力消費モードに移行するよう前記論理制御に信号を提供するための入力クロック検出回路をさらに備える請求項１５に記載のモータ駆動。
21. 電源電圧が第１の所定のレベルより小さいか、または第２の所定のレベルよりも大きいならば、前記電力スイッチング・デバイスがターンオフされて前記モータ負荷をターンオフするように、前記論理制御に入力を提供するための不足／超過電圧監視回路をさらに備える請求項１３に記載のモータ駆動。
22. ソフト起動またはソフト・ターンオフで前記ＭＯＳＦＥＴをターンオンまたはターンオフするための少なくとも１つの回路をさらに備える請求項４に記載のモータ駆動。
23. 前記電流制限段の最大電流は、外部のプログラミング可能抵抗によって提供される請求項１に記載のモータ駆動。
24. 前記ソフト起動及びソフト・ターンオフは、前記速度制御入力に接続された容量によって提供される請求項２２に記載のモータ駆動。
25. 速度制御入力は、前記論理制御の診断出力として作用する請求項１３に記載のモータ駆動。
26. モータ負荷からの前記フィードバック電圧に結合されたフィルタをさらに備えた請求項１に記載のモータ駆動。
27. モータ負荷はＤＣモータを含む請求項１に記載のモータ駆動。
    
    
    
    
    

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