JP5706538B2 - 低損失低雑音電動機制御システム - Google Patents

Description

多くのタイプの自動車および他の車両で、自動車システムの自動化が普及している。パワーリフトゲート、パワーウィンドウおよびパワースライドドアなどの自動車可動システムは、電動機速度制御を必要とする１つまたは複数のブラシ型ＤＣ電動機を含む。自動車システムを自動化するための電動機速度制御の目的は、一定の電動機速度を達成することではなく、機械システムの横方向の位置または角度に応じて目標速度が変化する電動機速度プロファイルを達成することである。

速度制御を達成するためには、電動機に印加される電力を制御しなければならない。最も広く利用されている制御は、固定周波数で印加される電動機電圧がスイッチ制御（オン/オフ制御）され、その一方で、目標速度制御を達成するようにプログラムされたマイクロプロセッサユニットによってデューティサイクルが変化するパルス幅変調（ＰＷＭ）制御である。制御モジュールは、ＰＷＭ制御を実行し、かつ、電動機にＰＷＭ電力を供給する。

ＰＷＭ制御の副作用の１つは、機械システムによって雑音が生成され、その雑音は、その周波数に応じて不快になることである。可聴雑音を除去するために、ＰＷＭ周波数には、通常、２０ＫＨｚ以上の周波数が使用される。従来のＰＷＭ制御では、ＰＷＭパルス列信号がワイヤを介して電動機に送信される。その場合、電動機インタフェースワイヤ内におけるＰＷＭパルス列信号の高周波高調波成分は、ＡＭバンド（５００ＫＨｚ〜１．６ＭＨｚ）放射放出（ＲＥ）問題の原因になり、ＰＷＭ波形は、立上り時間および立下り時間が１０マイクロ秒より短くなる鋭いエッジを有している。

共振問題または他の振動問題を防止する方法の１つは、ＲＥ ＥＭＣ問題が生じるのを防止するためにＰＷＭ波形の傾斜を十分に傾けることである。最大動作電流が１０Ａ以上であるほとんどの自動車可動システム用途では、ＲＥ ＥＭＣ問題を防止するためにＰＷＭ傾斜を十分に傾ける設定は、熱特性が良好なヒートシンクおよび金属ハウジングを使用しなければ達成することはできない。立上り時間または立下り時間をより長くすると、ＦＥＴの消費電力が増加し、また、設定すべき適用可能な最長の立上り時間または立下り時間がＦＥＴの熱能力と制御の動作周囲温度要求事項とによって制限される。

一実施形態では、低損失低雑音電動機制御システムにより、自動車可動制御設計においてＰＷＭによって生成される雑音成分を、電力およびコストの面で効率的に制限することができる。他の実施形態では、低損失低雑音電動機制御システムにより、電動機コンポーネント内の雑音が低減される。

一実施形態では、低損失雑音電動機制御システムは、５０ｋＨｚ以上のＰＷＭ周波数を用いて、可聴雑音を防止し、フィルタコンポーネントサイズや他のすべてのモジュールコンポーネントを制約されたモジュールサイズ内にし、ＲＥ放出問題の発生を防止するために、電動機に供給されるＰＷＭ電力からの高周波成分を十分に低減し、ヒートシンクを有することなく、熱管理制御を必要とすることなく、ＦＥＴの消費電力がＦＥＴの熱能力を超えることを防止するためにスイッチング損失を低減し、また、ＰＷＭ制御回路は、自動車のロードダンプを含む自動車の瞬間耐圧と両立しなければならない。

一実施形態では、自動車の電動機内のコンポーネント雑音を小さくするためのシステムは、第１のゲートドライバおよび第２のゲートドライバと、高電位側ＦＥＴと、低電位側ＦＥＴと、チャージポンプ回路と、高周波低減コンポーネントと、タイミング信号源とを含む。タイミングソース信号は、チャージポンプ、第１のゲートドライバおよび第２のゲートドライバに相互接続され、第１のゲートドライバはチャージポンプに相互接続され、第１のゲートドライバは高電位側ＦＥＴに相互接続され、高電位側ＦＥＴおよび低電位側ＦＥＴは高周波低減コンポーネントに相互接続され、タイミング信号源は、第１のゲートドライバ、第２のゲートドライバおよびチャージポンプ回路への信号にタイミング信号を提供し、タイミング信号源は３つのタイミング信号を提供し、これらの３つのタイミング信号は、第１のゲートドライバに提供される、高電位側ＦＥＴのためのＨＳＤ ＰＷＭ信号である第１のタイミング信号と、第２のゲートドライバに提供される、高電位側ＦＥＴのためのＬＳＤ ＰＷＭ信号である第２のタイミング信号と、チャージポンプに提供される第３のタイミング信号とを含む。一代替形態では、システムは、検出抵抗器と、ＭＣＵが順方向電流および逆電流を監視し、かつ、高電位側ＦＥＴおよび低電位側ＦＥＴを保護するための第１および第２の演算増幅器とをさらに含む。

一実施形態では、電動機のための雑音低減コンポーネントの改善は、第１のＦＥＴと、第１のＦＥＴがオフ状態の間、フリーホイールダイオードとして使用される電力整流器とを含み、この改善は、第２のＦＥＴへの電力整流器の置換えを含み、この第２のＦＥＴは、第１のＦＥＴがオン状態の間、オフ状態になるように構成され、また、第１のＦＥＴがオフ状態になるとオン状態になるように構成される。一代替形態では、この改善は、マイクロプロセッサの提供をさらに含み、マイクロプロセッサは３つのタイミング信号を出し、これらの３つのタイミング信号は、第１のゲートドライバに提供される、第２のＦＥＴのためのＨＳＤ ＰＷＭ信号である第１のタイミング信号と、第２のゲートドライバに提供される、第２のＦＥＴのためのＬＳＤ ＰＷＭ信号である第２のタイミング信号と、チャージポンプに提供される第３のタイミング信号とを含む。

一実施形態では、電動機のための雑音低減コンポーネントは、回路電力の損失率が１０％未満であることを特徴とする第１および第２のＦＥＴを含む。任意選択で、雑音低減コンポーネントは、回路電力の損失率が５％未満であることを特徴としている。任意選択で、第２のＦＥＴは、第１のＦＥＴがオン状態の間、オフ状態になるように構成され、また、第１のＦＥＴがオフ状態になるとオン状態になるように構成される。任意選択で、雑音低減コンポーネントは、第１のゲートドライバおよび第２のゲートドライバと、チャージポンプ回路と、高周波低減コンポーネントと、タイミング信号源とをさらに含み、タイミングソース信号は、チャージポンプ、第１のゲートドライバおよび第２のゲートドライバに相互接続され、第１のゲートドライバはチャージポンプに相互接続され、第１のゲートドライバは第１のＦＥＴに相互接続され、第１のＦＥＴおよび第２のＦＥＴは高周波低減コンポーネントに相互接続され、タイミング信号源は、第１のゲートドライバ、第２のゲートドライバおよびチャージポンプ回路への信号にタイミング信号を提供する。

他の実施形態では、電動機内のコンポーネント雑音を小さくするためのシステムは、第１のゲートドライバおよび第２のゲートドライバと、高電位側ＦＥＴと、低電位側ＦＥＴと、チャージポンプ回路と、高周波低減コンポーネントと、タイミング信号源とを含み、タイミングソース信号は、チャージポンプ、第１のゲートドライバおよび第２のゲートドライバに相互接続され、第１のゲートドライバはチャージポンプに相互接続され、第１のゲートドライバは高電位側ＦＥＴに相互接続され、高電位側ＦＥＴおよび低電位側ＦＥＴは高周波低減コンポーネントに相互接続され、タイミング信号源は、第１のゲートドライバ、第２のゲートドライバおよびチャージポンプ回路への信号にタイミング信号を提供する。一代替形態では、システムは、検出抵抗器と、ＭＣＵが順方向電流および逆電流を監視し、かつ、高電位側ＦＥＴおよび低電位側ＦＥＴを保護するための第１および第２の演算増幅器とをさらに含む。任意選択で、タイミング信号源は３つのタイミング信号を提供する。任意選択で、これらの３つのタイミング信号は、第１のゲートドライバに提供される、高電位側ＦＥＴのためのＨＳＤ ＰＷＭ信号である第１のタイミング信号を含む。他の代替形態では、これらの３つのタイミング信号は、第２のゲートドライバに提供される、高電位側ＦＥＴのためのＬＳＤ ＰＷＭ信号である第２のタイミング信号を含む。任意選択で、これらの３つのタイミング信号は、チャージポンプに提供される第３のタイミング信号を含む。他の代替形態では、高周波低減コンポーネントは、インダクタおよびコンデンサである。任意選択で、タイミング信号源はマイクロプロセッサである。一代替形態では、システムは、二方向電動機運転を可能にする継電器を含む。

低損失低雑音電動機制御システムの特徴および利点をより完全に理解するために、以下、異なる図における対応する部品に対応する符号を付して、添付の図と共に以下の詳細な説明を参照する。

低損失低雑音電動機制御システムの一実施形態を示す図である。 低損失低雑音電動機制御システムに使用されるチャージポンプの一実施形態を示す図である。 低損失低雑音電動機制御システムに使用される電流帰還発生器の一実施形態を示す図である。 電流帰還発生器の他の実施形態を示す図である。 第１のゲートドライバの一実施形態を示す図である。 電流帰還発生器の一実施形態を示す図である。 第２のゲートドライバ設計の一実施形態を示す図である。 低損失低雑音自動車電動機制御システムの一実施形態のタイミング線図である。

例示的な実施形態についての以下の詳細な説明では、本明細書の一部をなしている添付の図面が参照されている。これらの実施形態は、当業者による低損失低雑音電動機制御システムおよび関連するシステムならびに方法の実践を可能にするために十分詳細に説明されており、他の実施形態を利用することができること、また、本開示の趣旨または範囲を逸脱することなく、論理構造的、機械的、電気的および化学的な変更を加えることができることは理解されよう。当業者が本明細書において説明されている実施形態を実践するのを必ずしも必要としない詳細を除くために、以下の説明には、場合によっては、当業者に知られている特定の情報が省略されている。したがって以下の詳細な説明は、制限的な意味合いで捕らえてはならない。

当業者には理解されるように、低損失低雑音電動機制御システムおよび関連するシステムならびに方法の態様は、集積回路、ＦＰＧＡまたは他のハードプログラマブルプロセッサあるいはソフトプログラマブルプロセッサの中で具体化することができる。したがって低損失低雑音電動機制御システムおよび関連するシステムならびに方法の態様は、完全なハードウェア実施形態の形態、またはソフトウェア態様とハードウェア態様を組み合わせた実施形態の形態を取ることができる。

上記背景技術で説明したように、多くの自動車用途、ならびに電動機を利用している他のシステムでは、システムを適切に機能させるためには電動機の速度制御が必要である。広く使用されている制御技法は、固定周波数で印加される電動機電圧がスイッチ制御され、その一方で、ソフトウェア内の実行計画に応じて制御を実施するマイクロプロセッサユニットによってデューティサイクルが変化させられるパルス幅変調（ＰＷＭ）である。

ＰＷＭの副作用は、特定の変調周波数での動作が可聴であり、あるいはＡＭバンド（５００ＫＨｚ〜１．６ＭＨｚ）などの広く使用されている他の周波数を妨害することである。これの一部は、波形の急峻な立上りおよび立下りによるものである。

したがって妨害を除去する方法の１つは、傾斜を緩やかにし、したがってＲＥ ＥＭＣ妨害が生じないよう、波形の傾斜を十分に傾けることである。共振問題または他の振動問題を防止する方法の１つは、ＲＥ ＥＭＣ問題が生じるのを防止するためにＰＷＭ波形の傾斜を十分に傾けることである。最大動作電流が１０Ａ以上である自動車可動システム用途でそれを実施する方法の１つは、熱特性が良好なヒートシンクおよび金属ハウジングを使用して、ＲＥ ＥＭＣ問題を防止するために十分にＰＷＭ傾斜を傾けて設定することである。立上り時間または立下り時間をより長くすると、ＦＥＴの消費電力が増加し、また、設定すべき適用可能な最長の立上り時間または立下り時間がＦＥＴの熱能力と制御の動作周囲温度要求事項とによって制限される。

この方法の欠点は、かなりの量のエネルギーが熱の形態で失われることである。この損失を防止するために、低損失低雑音電動機制御システムの一実施形態を使用することができる。したがって一実施形態では、低損失低雑音電動機制御システムは、周波数がより高いＰＷＭ電力を車両可動システムのためのブラシ型ＤＣ電動機に供給することによって電動機制御を提供することができ、その一方で、以下で説明する要求事項および制約に合致する制御モジュール回路を提供する。
５０ｋＨｚ以上のＰＷＭ周波数を用いて、可聴雑音を防止し、また、フィルタコンポーネントサイズや他のすべてのモジュールコンポーネントを制約されたモジュールサイズ内にする。
ＲＥ放出問題の発生を十分に防ぐために、電動機に供給されるＰＷＭ電力からの高周波成分を低減する。
ヒートシンクを有することなく、熱管理制御を必要とすることなく、ＦＥＴの消費電力がＦＥＴの熱能力を超えることを防止するためにスイッチング損失を低減する。
ＰＷＭ制御回路は、自動車のロードダンプを含む自動車の瞬間耐圧と両立しなければならない。

電動機に供給されるＰＷＭ電力からの高周波成分を小さくするために、ＰＷＭ発電機の出力にインダクタコンデンサフィルタが使用される。ＦＥＴに十分な電荷を提供することができ、かつ、ロードダンプの瞬間耐圧と両立するゲートドライバおよびチャージポンプの設計が開示される。

ＰＷＭ ＦＥＴの熱能力を有効に利用するために、２つのＮ−チャネルＦＥＴ、ＨＳＤ ＦＥＴおよびＬＳＤ ＦＥＴは、ＨＳＤ ＦＥＴのソースがＬＳＤ ＦＥＴのドレインに接続されたプッシュ−プル電力スイッチとして働くように構成される。ＬＳＤ ＦＥＴは、従来のＰＷＭ発電機におけるフリーホイールのために使用されるダイオードの代わりである。ＬＳＤ ＦＥＴは、フリーホイールダイオードが消費する電力の１０％または２０％しか消費しない。ＨＳＤ ＦＥＴとＬＳＤ ＦＥＴとの対の消費電力は、ＦＥＴとダイオードとの対よりもはるかに少なく、したがってモジュール内の空気温度を低くし、また、消費電力バジェット（余裕）を増加させる。

スイッチングデバイスである電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）の消費電力は、印加されるＰＷＭ波形の周波数および立上り／立下り時間に比例する。１０Ａ以上の動作電流を必要とするシステムに２０ＫＨｚのＰＷＭ周波数および１０マイクロ秒の立上り／立下り時間の両方を適用すると、ＦＥＴの消費電力がデバイスの仕様限界を超え、したがってこれは、ほとんどの場合、ＦＥＴを金属ハウジング内の熱特性が良好なヒートシンクに取り付けない限り、適用することはできない。

インダクタ−コンデンサフィルタ（ＬＣフィルタ）は、ＰＷＭ発生器の出力に置くことができ、それにより電動機ワイヤからの高周波成分が十分に低減され、ガイドラインより短いＰＷＭ波形の立上り／立下り時間を有するシステムの場合であってもＲＥ問題が防止される。しかしながら、以下で説明する課題が、この技術の適用性を妨害し、あるいは制限している。

インダクタおよびコンデンサのコンポーネントサイズは、車両ＯＥＭ要求事項に合致するために、あるいはモジュールを競合可能にするために適用されているモジュールのＷ×Ｈ×Ｄ制約に対して一般的に適用されている制御モジュールサイズである５．５”×３．５”×１”内に収納するには、大きすぎる。

したがってＦＥＴの消費電力を制限し、また、１０Ａの動作電流システムに対するヒートシンクの必要性をなくすために必要な立上り時間／立下り時間デューティサイクルは、周期の２．５％未満であり、つまり５０ＫＨｚのＰＷＭの場合であれば０．５マイクロ秒未満であり、あるいは１００ＫＨｚのＰＷＭの場合であれば０．２５マイクロ秒未満である。

一実施形態では、ゲートドライバＩＣは、自動車用途に適した高電圧（５０Ｖ以上）ＦＥＴに対する立上り時間／立下り時間の要求事項に合致する。ＩＣは、通常、５０Ｖピーク電圧および２００ミリ秒の継続期間を有する車両ロードダンプの瞬間電圧に耐えるために必要な十分な過渡的電力消費能力を有していないため、自動車の瞬間耐圧と両立する個別化されたＩＣを設計する場合、電力は大きな課題である。

図１を参照すると、低損失低雑音電動機制御システム１００の一実施形態は、マイクロプロセッサユニット１４５、チャージポンプ１６５、第１のゲートドライバ１０５、第２のゲートドライバ１１０、高電位側ＦＥＴ１１５、低電位側ＦＥＴ１２５、ツェナーダイオード１４２、ダイオード１４３（ツェナーダイオード１４２、ダイオード１４３は、ゲート−ソース電圧サプレッサとして機能し、当業者には、本開示に照らして代替が明らかであろう）、インダクタ１３５、コンデンサ１４０、電流検出抵抗器１７１、演算増幅器ＩＣ１７５、１８０、Ｈ−ブリッジ継電器１８５および継電器コイルドライバ１９０、１９５、電動機１９８および電源Ｖ_batt１４４を含む。

いくつかの事例では、以下を始めとする、ＰＷＭ制御に対する副作用が存在する
１．電動機にＰＷＭ電力を提供することにより、場合によっては機械システムによって可聴雑音が生成され、この可聴雑音は、その周波数によって不快になる。この可聴雑音を除去するために、２０ＫＨｚ以上の周波数がＰＷＭ制御のために使用される。
２．電動機にＰＷＭ電力を提供することによって電磁波が放射され（ＲＥ）、これは、ＡＭバンド（５００ＫＨｚ〜１．６ＭＨｚ）受信機ユニットにとって潜在的妨害雑音源になる。

低損失低雑音電動機制御システムのためのコンポーネントの機能は、以下で説明する通りである。チャージポンプ１６５、第１のゲートドライバ１０５、第２のゲートドライバ１１０、高電位側ＦＥＴ１１５、低電位側ＦＥＴ１２５、ツェナーダイオード１４２、ダイオード１４３（ツェナーダイオード１４２、ダイオード１４３は、ゲート−ソース電圧サプレッサとして機能し、代替が存在する）、インダクタ１３５、コンデンサ１４０、電流検出抵抗器１７１、演算増幅器ＩＣ１７５、１８０、Ｈ−ブリッジ継電器１８５および継電器コイルドライバ１９０、１９５、電動機１９８および電源Ｖ_batt１４４。

マイクロプロセッサユニット１４５は、
チャージポンプ１６５、第１のゲートドライバ１０５および第２のゲートドライバ１１０のためのタイミング信号を提供し、
二重モードに対する電動機電流、つまり電動機が駆動されている間の能動電流、および電動機が制動モードである間の受動電流を監視し、
継電器コイルドライバ１９０、１９５のためのオン信号またはオフ信号を提供する。

チャージポンプ１６５は、出力として、第１のゲートドライバ１０５のための電源のために使用される、公称７Ｖ＋Ｖ_battのレベルの電圧を有するＶ_CPを生成する。

第１のゲートドライバ１０５は、高電位側ＦＥＴ１１５のためのゲート信号を生成する。

第２のゲートドライバ１１０は、低電位側ＦＥＴ１２５のためのゲート信号を生成する。

高電位側ＦＥＴ１１５は、このＦＥＴのゲート信号がハイレベルである間、電動機電力に高電圧能動電流を提供する。

低電位側ＦＥＴ１２５は、このＦＥＴのゲート信号がハイレベルである間、電動機に低電圧受動電流を提供する。

代替抑制回路に置き換えることができるツェナーダイオード１４２、ダイオード１４３は、ゲート−ソース間電圧を抑制し、かつ、高電位側ＦＥＴ１１５を高電圧から保護する。

インダクタ１３５およびコンデンサ１４０は、電動機に供給されるＰＷＭ電力からの高周波成分を小さくする。

抵抗器１７１は、電動機電流に比例する電動機電流帰還信号を提供する。

演算増幅器ＩＣ１７５は、電動機電流帰還信号を増幅し、かつ、能動電流監視入力、Ａｃｔｉｖｅ＿Ｃ＿ＭＯＮ１７６に変換する。

演算増幅器ＩＣ１８０は、電動機電流帰還信号を増幅し、かつ、受動電流監視入力、Ｐａｓｓｉｖｅ＿Ｃ＿ＭＯＮ１７７に変換する。

継電器１８５は、電動機をオン−オフ制御し、かつ、回転方向を制御するためのスイッチ制御を行う。

継電器コイルドライバ１９０は、継電器スイッチをオン状態にし、ＣＷ Ｈｉｇｈ１９６に高電圧を提供するために継電器コイルに電力を提供する。

継電器コイルドライバ１９５は、継電器スイッチをオン状態にし、ＣＣＷ Ｈｉｇｈ１９７に高電圧を提供するために継電器コイルに電力を提供する。

当業者には理解されるように、低損失低雑音電動機制御システムおよび関連するシステムならびに方法の態様は、集積回路、ＦＰＧＡまたは他のハードプログラマブルプロセッサあるいはソフトプログラマブルプロセッサの中で具体化することができる。したがって低損失低雑音自動車電動機制御システムおよび関連するシステムならびに方法の態様は、完全なハードウェア実施形態の形態、またはソフトウェア態様とハードウェア態様を組み合わせた実施形態の形態を取ることができる。

ゲートドライバをディスクリート部品を使用して設計する方法の一実施形態は、以下のステップを含む。
ＦＥＴのゲート電荷仕様を確認するステップ。
ゲートドライバのために必要な電荷移動を確認するステップ。
以下の詳細な開示に従ってチャージポンプ１６５を動作させるステップ。
以下の設計詳細における開示に従って第１のゲートドライバ１０５を動作させるステップ。
以下の設計詳細における開示に従って第２のゲートドライバ１１０を動作させるステップ。
以下の設計詳細における開示に従ってゲート−ソース間電圧サプレッサ（例えばツェナーダイオード１４２、ダイオード１４３）を動作させるステップ。

一代替形態では、電流検出抵抗器１７１および演算増幅器１７５、１８０は、ＭＣＵが順方向電流または逆電流を監視し（それぞれ信号Ｆ ＭＣ ＭＯＭ１９６およびＦ ＭＣ ＭＯＭ１９７を使用して）、かつ、ＦＥＴ１１５およびＦＥＴ１２５を保護するために、任意選択で使用される。他の代替形態では、継電器コイルドライバ１８５は、ダイオードまたはスタンドアロンデバイスを備えたＢＪＴ（バイポーラトランジスタ）、ドライバ１９０およびドライバ１９５のための微小信号ＦＥＴ統合継電器コイルドライバを含む。継電器１８５は、二方向電動機運転の場合に使用されるＨブリッジ継電器である。

チャージポンプ１６５の設計詳細
図２を参照すると、チャージポンプ回路は、ＢＪＴ２０５、２１０、２１５、ダイオード２２０、２２５、コンデンサ２３０、２３５、抵抗器２４０、２４５、２５０、２５５、２６０、２６５および電流帰還発生器２７０からなっている。

これらのコンポーネントの機能は、以下で説明する通りである。
抵抗器２４０は、ＢＪＴ２０５のベース電流を制限する。
抵抗器２４５は、帰還信号を提供し、この信号の電圧は、ＢＪＴ２０５のエミッタ電流に比例する。
電流帰還発生器２７０は、帰還信号をＢＪＴ２０５のベースに適した制御信号に変換し、この制御信号は、ＢＪＴ２０５のベース電圧を調整し、ＣＰ＿ＰＷＭ２ ２８５信号がハイレベルである間、ＢＪＴ２０５に一定の電流を供給させる。
ＢＪＴ２０５は、Ｖ_batt２７５から提供される電流を経路のダイオード２２０、コンデンサ２３０、ＢＪＴ２０５のコレクタ、ＢＪＴ２０５のエミッタ、抵抗器２４５およびＧＮＤ（グラウンド端子）に提供し、ＣＰ＿ＰＷＭ２ ２８５がハイレベルになるとコンデンサ２３０を充電する。
ＢＪＴ２１０は、ＣＰ＿ＰＷＭ１ ２８０がハイレベルになると、ＢＪＴ２１５のベースに提供される電流を提供し、ＢＪＴ２１５をオン状態にする。
抵抗器２５０は、ＢＪＴ２１５のベース電流およびＢＪＴ２１０のコレクタ電流を制限する。
抵抗器２５５は、ＢＪＴ２１０を介した漏れ電流によるＢＪＴ２１５のオン状態への意図しない遷移を防止する。
ＢＪＴ２１５は、オン状態になると、抵抗器２６０、コンデンサ２３０およびダイオード２２５を介してＶＣＰノード２９０に高電圧充電電流を提供する。
抵抗器２６０は、ＢＪＴ２１５がオン状態になると、抵抗器２６０、コンデンサ２３０およびダイオード２２５を介してＶＣＰノード２９０に供給されるＶ_batt２７５によるソース電流を制限する。
コンデンサ２３０は、ＢＪＴ２０５がオン状態の間、電荷が増加し、ＢＪＴ２１５がオン状態の間、増加した電荷がＶＣＰノード２９０へ移動する。
コンデンサ２３５は、ＢＪＴ２１５がオン状態になると電荷が増加し、ＢＪＴ２１５がオフ状態になると、増加した電荷をＶＣＰノード２９０の負荷に提供する。
ダイオード２２０は、ＢＪＴ２１５がオン状態の間、Ｖ_batt２７５への電流の流入を防止する。
ダイオード２２５は、ＢＪＴ２０５がオン状態の間、コンデンサ２３５からコンデンサ２３０への電流の流入を防止する。
抵抗器２６５は、ＶＣＰノード２９０がオフ状態になると、放電コンデンサ２３５に電流を提供する。

チャージポンプ１６５の機能は、第１のゲートドライバ１０５の電源であるチャージポンプ出力ＶＣＰ２９０、公称７Ｖ＋Ｖ_batt２７５を生成することである。

Ｖ_battの動作電圧範囲である９．５Ｖ〜１６Ｖにわたって安定化されるＶＣＰ２９０を得るためには、移動する電荷を制御しなければならない。

電荷移動は、ＣＰ＿ＰＷＭ信号のＰＷＭデューティを変えることによって制御される。

電荷をＰＷＭ信号のデューティに応じて直線的に移動させるためには、充電電流を一定に調整しなければならない。

そのために電流帰還発生器２７０が利用される。

ＭＣＵ１４５は、ＢＪＴ２０５を過渡エネルギーから保護するために十分に短い継続期間内でＶ_battを周期的に監視し、瞬間電圧を検出し、かつ、信号をオフ状態にする。

ＭＣＵ１４５は、７Ｖ±０．５Ｖの目標以内に調整されたＶＣＰを得るために、ＶＣＰ電圧を監視し、かつ、ＣＰ＿ＰＷＭ１ １６０およびＣＰ＿ＰＷＭ２ １６１のデューティを動的に調整する。

チャージポンプ３０５の電流帰還発生器２７０の設計詳細のオプション１
図３ａを参照すると、電流帰還発生器２７０は、ＢＪＴ３１０およびツェナーダイオード３１５からなっている。

２Ｖのツェナーダイオード３１５を使用して帰還信号とツェナー電圧とが比較され、かつ、ＢＪＴ３１０のベースに電流が提供され、それによりＢＪＴ３１０が駆動されて、チャージポンプのＢＪＴ３１０のベースに提供される帰還電流が生成される。

電流帰還発生器２７０の設計詳細のオプション２
図３ｂを参照すると、電流帰還発生器２７０は、比較器３５０、ダイオード３５５、抵抗器３６０、３６５、および５Ｖのレギュレータと、一対の抵抗器を備えた分圧器とを使用して構成される電圧源Ｖ_ref３７０からなっている。

比較器３５０は、チャージポンプのＢＪＴ２０５ベースに提供される帰還電流を生成するために、帰還信号と基準電圧Ｖ_ref３７０とを比較し、ダイオード３５５に電流を提供する。

第１のゲートドライバ１０５の設計詳細
第１のゲートドライバ１０５は、コンデンサ４２６、抵抗器４１５、抵抗器４１０、電流帰還発生器４１６、ＢＪＴ４２２、ＢＪＴ４０５、ＢＪＴ４３０および抵抗器４２３からなっている。

これらのコンポーネントの機能は、以下で説明する通りである。
コンデンサ４２６は、チャージポンプの出力電圧であるＶＣＰから脈動電流をデカップリングする。
抵抗器４１５は、ディジタルＢＪＴ４０５を通って流れる漏れ電流によるＢＪＴ４２２のオン状態への意図しない遷移を防止する。
抵抗器４１０は、ＢＪＴ４２２のベース電流およびディジタルＢＪＴ４０５のコレクタ電流を制限する。
電流帰還発生器４１６は、ＦＥＴが遷移している間、ＨＳＤ＿Ｇａｔｅ信号のための一定の電流を提供する。
ＢＪＴ４２２は、ＨＳＤ＿Ｇａｔｅ信号をハイレベルにする。
ＢＪＴ４３０は、ＨＳＤ＿Ｇａｔｅ信号をローレベルにする。
抵抗器４２３は、雑音によるＦＥＴのオン状態への意図しない遷移を防止するために低インピーダンスにする。

第１のゲートドライバ１０５の機能は、スイッチングの立上り時間／立下り時間が周期の２．５％未満、つまり５０ＫＨｚのＰＷＭの場合は０．５マイクロ秒未満であり、あるいは１００ＫＨｚのＰＷＭの場合は０．２５マイクロ秒未満でなければならない高電位側ＦＥＴ１１５のためのゲート信号を生成することである。

必要な立下り時間を達成するために、ＢＪＴの高速ターンオン特性が利用される。

そのためにＮＰＮ型のＢＪＴ４３０が使用される。

ＮＰＮ型のＢＪＴ４３０がオフ状態からオン状態へ遷移している間、ＰＮＰ型のＢＪＴ４２２は依然としてオン状態であり、そのためにＢＪＴ４３０内で電力を著しく消費する。

ＢＪＴ４３０の消費電力をその仕様限界に制限するためには、４２２のコレクタ電流を制限しなければならない。そのために電流帰還発生器４１６を使用して、遷移中、一定の電流が提供される。必要な立上り時間を達成するために、ＢＪＴの高速ターンオン特性が利用される。そのためにＰＮＰ型のＢＪＴ４２２および４０５が使用される。

供給する電流は、以下の式によって識別される。
立上り時間＝ＦＥＴのゲートドレイン電荷／供給電流

電流帰還発生器４１６の電流検出抵抗器Ｒ１およびツェナーダイオードＺ１は、必要な電流が提供されるように設定される。

ゲートドライバを、車両のロードダンプであって、５０Ｖピークに抑制されないロードダンプに適用するゲートドライバを用意するためには、ＢＪＴデバイス４０５、４２２および４３０のＶｃｃ／Ｖｂｅの定格を６５Ｖ以上にしなければならない。

電流帰還発生器４１６の設計詳細
図５を参照すると、電流帰還発生器４１６は、ＢＪＴ５１０、ツェナーダイオード５１５および抵抗器５２０からなっている。

これらのコンポーネントの機能は、以下で説明する通りである。
抵抗器５２０は、帰還信号を提供し、この信号の電圧はＢＪＴ４２２に比例する。
２Ｖのツェナーダイオード５１５は、帰還信号とツェナー電圧とを比較してＢＪＴ５１０のベースに電流を提供し、それによりＢＪＴ５１０を駆動して、ＢＪＴ２２２のベースに提供される帰還電流を生成する。

電流帰還発生器４１６の機能は、４２２のコレクタからの電流を制限するために帰還を提供することである。

４２２のエミッタ電流は、許容誤差が２％未満のコレクタ電流を表しているため、このエミッタ電流が帰還として使用される。

帰還コンポーネントの値は、以下のように設定される。
ＢＪＴ５１０は２つの抵抗器を有している。
１つは、ベースとエミッタとの間に置かれるＲ＿ｂｅである。
もう１つは、ＢＪＴのベースとベース端子との間に接続されるＲ＿ｂｂである。
ＢＪＴは、ターンオン閾値電圧を最小化することができるよう、Ｒ＿ｂｅ／Ｒ＿ｂｂ＞＞１を有するように選択される。
Ｖ_th＝公称０．７Ｖ
Ｉ＿ｅｍｉｔｔｅｒ＿２２２×Ｒ１＝Ｖ_z1（Ｚ１のスニア電圧）＋Ｖｔｈ
Ｉ＿ｅｍｉｔｔｅｒ＿２２２＝Ｖ_z1（Ｚ１のスニア電圧）＋Ｖｔｈ
ツェナーダイオード５１５の場合、２Ｖのツェナーダイオードが使用される。

第２のゲートドライバ１１０の設計詳細
図６を参照すると、第２のゲートドライバ１１０は、ＰＮＰ型とＮＰＮ型との複合ＢＪＴ６６０、結合コンデンサ６６５、抵抗器６５５および６５０からなっている。

これらのコンポーネントの機能は、以下で説明する通りである。
ＰＮＰ型とＮＰＮ型との複合ＢＪＴ６６０は、入力信号ＬＳＤ＿ＰＷＭに応じてハイレベルまたはローレベルになる。
抵抗器６５５は、ＰＮＰ型とＮＰＮ型との複合ＢＪＴ６６０のベースへの電流、またはＰＮＰ型とＮＰＮ型との複合ＢＪＴ６６０からの電流を制限する。
抵抗器６５０は、雑音による意図しない６６０の起動を防止する低インピーダンスをＰＮＰ型とＮＰＮ型との複合ＢＪＴ６６０に提供する。
６６０は十分な電力消費能力を有していることを確認しなければならない。
必要な消費電力は、ＦＥＴのゲート電荷仕様から導出される。
Ｐｏｗｅｒ＿ｄｉｓｓｉｐａｔｉｏｎ＝ＦＦＴのゲート電荷×５Ｖ×ＰＷＭ周波数
ゲート−ソース間電圧のサプレッサ
ゲート−ソース電圧のサプレッサは、１４Ｖ以下のツェナー電圧を有するツェナーダイオード１４２および汎用ダイオード１４３からなっている。
ゲート−ソース間電圧のサプレッサは、高電位側ＦＥＴ１１５のゲート−ソース間電圧を仕様限界である１６Ｖ未満に抑制し、ＦＥＴを高電圧から保護する。

低損失低雑音自動車電動機制御システムには、マイクロプロセッサユニットＵ１によって生成される、ＰＷＭゲートドライバおよびチャージポンプのための以下のタイミング信号が必要である。図７は、これらのタイミング信号を示したものである。低損失低雑音電動機制御システムは、ＭＣＵ１４５からの少なくとも３つのタイミング信号、つまりＨＳＤ ＰＷＭ１５０、ＬＳＤ ＰＷＭ１５５およびＣＰ＿ＰＷＭ１６０の使用を含む。ＨＳＤ ＰＷＭ１５０は、高電位側ＦＥＴ Ｕ６のためのゲートドライバ１０５に印加される。ＬＳＤ ＰＷＭ１５５は、低電位側ＦＥＴ１２５のためのゲートドライバ１１０に印加される。ＣＰ＿ＰＷＭ１６０は、チャージポンプ回路１６５に印加される。ＨＳＤ ＰＷＭ１７０（反転ＨＳＤ ＰＷＭ）は任意選択であり、これを使用してゲートドライバを単純化し、かつ、電動機を逆回転させることができる。

上で説明した、言及されている主題を達成するための方法、構造および材料は、新しい技術の導入および開発に順応する範囲の一部を提供するために示したものである。説明されているシステムおよび方法は、照明システムに生じるリンギングを小さくするために前照灯減光装置に適用することも可能である。主題および方法を達成するための形態に対する、ここでは説明されていないあらゆる変形形態は、低損失雑音低減システムの実施形態の範囲内と見なされる。

Claims (5)

1. 制御された電力を自動車の電動機に提供するためのシステムであって、
   （ａ）第１のゲートドライバおよび第２のゲートドライバと、
   （ｂ）高電位側ＦＥＴと、
   （ｃ）低電位側ＦＥＴと、
   （ｄ）チャージポンプ回路であって、
   第１のＢＪＴの電流を制限するように構成された第１の抵抗器、
   前記第１のＢＪＴのエミッタ電流に比例する電圧の帰還信号を提供するように構成された第２の抵抗器、
   前記帰還信号を、前記第１のＢＪＴのベースに適した制御信号であって、前記第１のＢＪＴのベース電圧を調整し、かつ、第２のタイミング信号がハイレベルである間、前記第１のＢＪＴに一定の電流を供給させる制御信号に変換する電流帰還発生器であって、
   前記第１のＢＪＴが、第１の電池から提供される電流を前記第１のＢＪＴのコレクタを介して第１のダイオード、第１のコンデンサに提供し、
   前記第１のＢＪＴのエミッタが前記第２の抵抗器を介して接地され、前記第２のタイミング信号がハイになると前記第１のコンデンサを充電する前記電流帰還発生器、
   第１のタイミング信号がハイになると、第３のＢＪＴをオン状態にする電流を前記第３のＢＪＴのベースに提供する第２のＢＪＴ、
   前記第３のＢＪＴのベース電流および前記第２のＢＪＴのコレクタ電流を制限する第３の抵抗器、
   前記第２のＢＪＴを介した漏れ電流による前記第３のＢＪＴのオン状態への意図しない遷移を防止する第４の抵抗器、を含み、
   前記第３のＢＪＴが、前記第３のＢＪＴがオン状態になると、高電圧充電電流を第５の抵抗器、前記第１のコンデンサおよび第２のダイオードを介してＶＣＰノードに提供し、
   前記第５の抵抗器が、前記第３のＢＪＴがオン状態になると、前記第５の抵抗器、前記第１のコンデンサおよび前記第２のダイオードを介して前記ＶＣＰノードに供給される第１の電池源電流を制限し、
   前記第１のＢＪＴがオン状態である間、前記第１のコンデンサの電荷が増加し、前記第３のＢＪＴがオン状態である間、前記増加した電荷が前記ＶＣＰノードへ移動し、
   前記第３のＢＪＴがオン状態である間、第２のコンデンサが充電され、前記第３のＢＪＴがオフ状態になると、前記第２のコンデンサが、増加した電荷を前記ＶＣＰノードに提供し、
   前記第３のＢＪＴがオン状態である間、前記第１のダイオードが前記第１の電池に流入する電流を防止し、
   前記第１のＢＪＴがオン状態である間、第２のダイオードが前記第２のコンデンサから前記第１のコンデンサに流入する電流を防止し、
   前記ＶＣＰノードがオフ状態になると、第６の抵抗器が前記第２のコンデンサを放電させる電流を提供する、チャージポンプ回路と、
   （ｅ）インダクタコンデンサフィルタと、
   （ｆ）前記第２のタイミング信号および前記第１のタイミング信号を含む複数のタイミング信号と、
   を備えるシステム。
2. 前記複数のタイミング信号が高電位側タイミング信号および低電位側タイミング信号をさらに含み、前記高電位側タイミング信号が前記第１のゲートドライバに印加され、前記低電位側タイミング信号が前記低電位側ＦＥＴのための前記第２のゲートドライバに印加される、請求項１に記載のシステム。
3. 前記第１のゲートドライバが、第１のゲートドライバコンデンサ、第１および第２のゲートドライバ抵抗器、第１のゲートドライバ電流帰還発生器、第１のゲートドライバＢＪＴ、第２のゲートドライバＢＪＴ、第３のゲートドライバＢＪＴおよび第３のゲートドライバ抵抗器を含む、請求項１に記載のシステム。
4. 前記第２のゲートドライバが、第１のＰＮＰ型とＮＰＮ型との複合ＢＪＴ、ゲートドライバコンデンサ、ならびに第１および第２のゲートドライバ抵抗器を含む、請求項１に記載のシステム。
5. （ｇ）検出抵抗器と、
   （ｈ）ＭＣＵが能動および受動電動機電流を監視し、かつ、前記高電位側ＦＥＴおよび前記低電位側ＦＥＴを保護するための第１および第２の演算増幅器と、
   をさらに備える、請求項１に記載のシステム。

Images