TW201624909A - 高電壓抑制方法及裝置 - Google Patents

Abstract

一種高電壓抑制裝置，與一發電機之一組三相線圈電性連接，該裝置包括：三個上臂半導體開關，分別具有一第一端以及一第二端，該等上臂半導體開關之第一端互相電性連接，且其第二端係分別與該三相線圈之各相線圈電性連接；三個下臂半導體開關，分別具有一第一端以及一第二端，該等下臂半導體開關之第一端分別地與該等上臂半導體開關之第二端電性連接，且該等下臂半導體開關之第二端互相電性連接；一控制電路用以輸出PWM訊號予該等下臂半導體開關，以控制該等下臂半導體開關依序導通與截止，以分攤與吸收突湧電壓所產生的能量。

Description

高電壓抑制方法及裝置

本發明係與高電壓抑制裝置有關；特別是指一種適用於行動載具之發電機高電壓抑制方法及裝置。

近年來，行動載具之發電機輸出電流有越來越大的趨勢，傳統上的P-N接面二極體的整流器，已無法負荷如此的電流強度。

目前，由於金氧半場效電晶體(MOSFET)除了有可快速開/關的特性之外，更具有較低的順向偏壓，因此可大幅減少熱能的產生。舉例來說，當導通電阻Rds(on)為1mΩ的MOSFET流過100A的電流時，其壓降僅有0.1V，相較於傳統上的二極體會有1.0V的壓降來看，光是熱能的產生就降低了90%。因此，使用MOSFET整流器的發電機除了有熱消耗較低而有省能源的優點之外，更可縮減發電機內部的散熱元件之配置，使發電機的重量減輕，讓行動載具更加省油。

然而，當發電機應用於配備有啟停系統(Start-stop system)的微混(Mirco Hybrid)動力車時，通常會面臨負載突降(Load Dump)狀況而產生突湧電壓(Surge Voltage)，此時，如何將突湧電壓有效地吸收，防止電子裝置受突湧電壓的衝擊而損壞，為當前的一大課題。

傳統上以MOSFET整流器抑制突湧電壓的做法為，當突湧電壓發生時，立即停止發電，並導通多個MOSFET 以將突湧電壓的能量轉換為熱能的形式消耗。然而，由於突湧電壓的高電壓與高能量特性，將會於MOSFET流過極大的電流，即使欲透過導通多個MOSFET以使電流分流，但實際上，電流及熱量都將集中在某一相的單一MOSFET中，而無法有效地平均分攤並吸收突湧電壓的能量。因此，必須要採用大功率、大尺寸的晶片與熱容量大的材料與結構來製作散熱片來作為傳統上的解決方案。但此一方法不但效果不彰，在此設計下的MOSFET的成本也相對的較高而不符經濟效益。

有鑑於此，本發明之目的在於提供一種高電壓抑制方法及裝置，可有效地平均分攤並吸收突湧電壓所帶來的高熱能，而達到抑制高壓的目的。

緣以達成上述目的，本發明所提供之高電壓抑制裝置係與一發電機之一組三相線圈電性連接，該高電壓抑制裝置包括三個上臂半導體開關、三個下臂半導體開關以及一控制電路。該等上臂半導體開關分別具有一第一端以及一第二端，各該上臂半導體開關之第一端互相電性連接，且其第二端係分別與該三相線圈之各相線圈電性連接；該等下臂半導體開關，分別具有一第一端以及一第二端，各該下臂半導體開關之第一端分別地與該等上臂半導體開關之第二端電性連接，且各該下臂半導體開關之第二端互相電性連接；該控制電路與該等下臂半導體開關電性連接，該控制電路用以各別輸出一PWM(Pulse Width Modulation)訊號予該等下臂半導體開關，以控制該等下臂半導體開關依序導通與關閉。

本發明再提供一種高電壓抑制裝置，係與一發電機之一組三相線圈電性連接，該高電壓抑制裝置包括三個 上臂半導體開關、三個下臂半導體開關以及至少三個反向崩潰(reverse breakdown)效應之二極體。該等上臂半導體開關分別具有一第一端以及一第二端，該等上臂半導體開關之第一端互相電性連接，且其第二端係分別與該三相線圈之各相線圈電性連接；該等下臂半導體開關分別具有一第一端以及一第二端，該等下臂半導體開關之第一端分別地與該等上臂半導體開關之第二端電性連接，且該等下臂半導體開關之第二端互相電性連接；該等二極體分別地與該等上臂半導體開關並聯、或是分別地與該等下臂半導體開關並聯；其中，該等上臂半導體開關以及該等下臂半導體開關係各別地由金氧半場效電晶體(MOSFET)所構成。

本發明另提供一種適用於上述高電壓抑制裝置的高電壓抑制方法，其步驟包含有：A、偵測該三相線圈所輸出之電壓或該負載所接收之電壓是否超過該預設值，若是，則執行下述之步驟；若否，則重新執行步驟A；B、關閉該發電機的激磁電流，以停止發電；C、該控制電路輸出該PWM訊號予各該下臂半導體開關，以控制該等下臂半導體開關依序導通。

本發明之效果在於利用PWM訊號控制各個半導體開關的時序，以有效地分攤與吸收突湧電壓所產生的能量。

10‧‧‧三相線圈

20‧‧‧整流電路

22a~22c‧‧‧上臂半導體開關

24a~24c‧‧‧下臂半導體開關

26‧‧‧二極體

28‧‧‧二極體

30‧‧‧控制電路

40‧‧‧偵測電路

50‧‧‧整流電路

52a~52c‧‧‧上臂半導體開關

54a~54c‧‧‧下臂半導體開關

S24a~S24c‧‧‧PWM訊號

S54a~S54c‧‧‧PWM訊號

Ton‧‧‧高電位時間區段

Toff‧‧‧低電位時間區段

U,V,W‧‧‧相線圈

Z‧‧‧負載

圖1係本發明一較佳實施例高電壓抑制裝置的電路結構圖。

圖2係本發明上述較佳實施例，揭示其中兩相線圈導通時的電流路徑。

圖3係本發明上述較佳實施例，揭示其中兩相線圈導通時的電流路徑。

圖4係本發明上述較佳實施例之PWM訊號的波形時序圖。

圖5係本發明上述較佳實施例額外增加三個二極體分別與上臂半導體開關並聯。

圖6係本發明另一較佳實施例，揭露整流電路僅使用上臂與下臂半導體開關。

圖7係本發明上述較佳實施例之PWM訊號的波形時序圖。

為能更清楚地說明本發明，茲舉較佳實施例並配合圖式詳細說明如後，請參圖1所示，本發明一較佳實施例之高電壓抑制裝置，電性連接於發電機之一組三相線圈10以及一負載Z之間，其中於本實施例中，該負載Z為電池，特別是指行動載具所裝置的電瓶。該高電壓抑制裝置包括有一整流電路20、一控制電路30以及一偵測電路40。

該三相線圈10可為Y型接法或是Δ型接法的三相線圈，用以產生交流電能，例如：輸出一弦波電壓。而於本實施例中係以Y型接法的三相線圈10為例。

該整流電路20包含有三個上臂半導體開關22a~22c、三個下臂半導體開關24a~24c以及三個具有反向崩潰效應之二極體26。其中，該等上臂半導體開關22a~22c與該等下臂半導體開關24a~24c於本實施例中係各別地由金氧半場效電晶體(MOSFET)所構成；該等二極體26係選用雪崩二極體(Avalanche Diode)為例。

該等上臂半導體開關22a~22c分別具有一第一 端以及一第二端，該等上臂半導體開關22a~22c之第一端(汲極)互相電性連接，而其第二端(源極)係分別與該三相線圈10之各相線圈U,V,W電性連接。

該等下臂半導體開關24a~24c，分別具有一第一端以及一第二端，該等下臂半導體開關24a~24c之第一端(汲極)分別與各該上臂半導體開關之第二端電性連接，且該等下臂半導體開關之第二端(源極)互相電性連接。

該等二極體26分別具有一正極以及一負極，該等二極體26之正極分別與各該下臂半導體開關24a~24c之第二端電性連接；該等二極體26之負極則分別地與該等下臂半導體24a~24c之第一端電性連接。該控制電路30分別與該等上臂半導體開關22a~22c以及該等下臂半導體開關24a~24c的閘極電性連接，該控制電路30用以控制該等上臂半導體開關22a~22c保持關閉，並且各別輸出一脈衝寬度調變(Pulse Width Modulation,PWM)訊號予該等下臂半導體開關24a~24c，以控制各該下臂半導體開關依序導通或截止。

而當三相線圈10輸出一弦波電壓，請參圖2所示，當U相線圈輸出負電位而V相線圈輸出正電位時，將導通上臂二極體開關22b，以及導通下臂半導體開關24a，使得二極體26除了與下臂半導體開關24b並聯之外，更與上臂半導體開關22a串聯；反之，當U相線圈輸出正電位而V相線圈輸出負電位時，如圖3所示，導通下臂半導體開關24b，以及導通上臂半導體開關22a，藉以，由該整流電路20將三相線圈所輸出的弦波電壓進行全波整流，並將整流後之電能供應予該負載Z。另外，當由其他兩相線圈(U-W,V-W)組合輸出電能時，其原理與上述相同，因此，其輸出電能的路徑，於此不再贅述。

該偵測電路40一側與該三相線圈10之各相線 圈U,V,W電性連接，另一側與該控制電路30電性連接，該偵測電路40用以偵測該三相線圈10所輸出的弦波電壓值，當偵測到該發電機之三相線圈10的各相線圈U,V,W的其中一相或一相以上的弦波電壓超過一預設值時，即關閉該發電機的激磁電流，以停止發電，接著，該偵測電路40則輸出一訊號予該控制電路30，以控制該控制電路30輸出PWM訊號。

舉例來說，若該發電機的三相線圈10輸出電壓約為36V左右的發電機系統，而其偵測負載電壓之預設值設定為45V。當該發電機有突湧電壓(Surge Voltage)產生，而該偵測電路40偵測到該三相線圈的其中一相線圈的負載電壓超過45V時，即先關閉該發電機的激磁電流，以停止發電，並且控制該控制電路30輸出如圖4所示的PWM訊號，其中，PWM訊號S24a~S24c係分別對應輸入予各該下臂半導體開關24a~24c的閘極，以控制各該半導體開關24a~24c依序導通與截止，並藉由各個下臂半導體開關24a~24c將突湧電壓所產生的高能量吸收並消耗。值得一提的是，於一低電位時間區段Toff中，該些PWM訊號S24a~S24c輸出低電位訊號，而使得該等下臂半導體開關24a~24c同時處於截止區。此時，與該等下臂半導體開關24a~24c並聯之該等二極體26即導通，並由該等二極體26來吸收突湧電壓的能量。

而於控制電路30輸出PWM訊號控制整流電路20分攤與吸收突湧電壓的能量時，該偵測電路40將持續偵測該三相線圈10的負載電壓是否已低於該預設值而回到正常數值，若是，則重新啟動該發電機的激磁電流，以繼續發電，並重新持續監測該三相線圈10所輸出之電壓；若否，則持續控制該控制電路30輸出PWM訊號予整流電路20， 以進行突湧電壓抑制的動作。

值得一提的是，針對功率較大而會產生更大能量之突湧電壓的發電機系統，如輸出電壓約為48V或以上的發電機系統來說，請參照圖5所示，可於上述實施例之整流電路20的架構下，再於各上臂半導體開關22a~22c各別並聯二極體28，以使得在低電位時間區段Toff中，讓二極體28吸收突湧電壓的能量，以增加發電機系統的耐受度，提升高電壓抑制的效果。

除此之外，針對功率較小而突湧電壓能量較低的發電機系統，例如輸出電壓約為24V或以下的發電機系統，於另一實施例中，如圖6所示，可不須並聯二極體，而僅使用上臂半導體開關52a~52c以及下臂半導體開關54a~54c耦接而成的整流電路50，進行高電壓的抑制。而其PWM訊號的控制時序波形與前述實施例不同的地方在於，請配合圖7所示，PWM訊號S54a~S54c分別對應控制該下臂半導體開關54a~54c依序導通與關閉，其中，於各高電位時間區段Ton內，具有兩個以上的下臂半導體開關同時處於導通區，而可確保所產生之突湧電壓的能量，皆能有效地被抑制。

綜上所述，本發明之高電壓抑制方法及裝置，透過PWM訊號可有效地控制下臂半導體開關的導通以及關閉時序，而可有效地平均分攤突湧電壓所產生的能量，因此，可承受突湧電壓的高能量衝擊，並可降低發電機系統的熱消耗及節省能源。

以上所述僅為本發明較佳可行實施例而已，其中，控制電路可整合於電壓調整的線路或是發電機之馬達驅動電路中，而能節省電路成本；另外，上述之該偵測電路40除了耦接於三相線圈10與整流電路20之間用以偵測各 相線圈的相電壓之外，亦可改為分別與整流電路20、負載Z以及控制電路30電性連接，用以偵測該負載Z所接收之電壓是否超過預設值，同樣地可實現偵測是否產生突湧電壓的效果；此外，為因應大能量的突湧電壓，上臂半導體開關以及下臂半導體開關可各別地由兩個以上的金氧半場效電晶體所構成，而可分攤更多的突湧電壓能量，而不以上述實施例為限。

於上述的架構底下，於一更小功率之發電機系統中，亦可不需連接控制電路，不需輸出PWM訊號，而僅藉由至少三個反向崩潰二極體(如雪崩二極體)，分別與上臂半導體開關並聯，且分別地與下臂半導體開關串聯；或是藉由至少三個雪崩二極體分別與該等下臂半導體開關並聯，且分別地與上臂半導體開關串聯。是以，當系統產生突湧電壓時，其所產生的高壓能量則可經由所並聯的雪崩二極體吸收。如此一來，各上臂半導體開關以及各下臂半導體開關不需負責吸收能量，就可選用功率較小的MOSFET，因此，可降低設計的成本與整流電路的空間。而視系統所產生之突湧電壓的大小，亦可設置六個雪崩二極體分別地與上臂、下臂半導體開關並聯，同樣地可藉由所並聯的雪崩二極體來吸收突湧電壓產生的高壓能量。

舉凡應用本發明說明書及申請專利範圍所為之等效變化，理應包含在本發明之專利範圍內。

10‧‧‧三相線圈

20‧‧‧半導體開關

22a~22c‧‧‧上臂半導體開關

24a~24c‧‧‧下臂半導體開關

26‧‧‧二極體

30‧‧‧控制電路

40‧‧‧偵測電路

Z‧‧‧負載

Claims (16)

1. 一種高電壓抑制裝置，係與一發電機之一組三相線圈電性連接，該高電壓抑制裝置包括：三個上臂半導體開關，分別具有一第一端以及一第二端，該等上臂半導體開關之第一端互相電性連接，且其第二端係分別與該三相線圈之各相線圈電性連接；三個下臂半導體開關，分別具有一第一端以及一第二端，該等下臂半導體開關之第一端分別與該等上臂半導體開關之第二端電性連接，且該等下臂半導體開關之第二端互相電性連接；一控制電路，與該等下臂半導體開關電性連接，該控制電路用以輸出脈衝寬度調變(Pulse Width Modulation,PWM)訊號予該等下臂半導體開關，以控制該等下臂半導體開關依序導通與截止。
2. 如請求項1所述之高電壓抑制裝置，其中於控制該等下臂半導體開關依序導通與截止時，於一高電位時間區段，具有兩個以上的下臂半導體開關同處於導通區。
3. 如請求項1所述之高電壓抑制裝置，其中該等上臂半導體開關以及該等下臂半導體開關係各別地由金氧半場效電晶體(MOSFET)所構成。
4. 如請求項1或3所述之高電壓抑制裝置，更包含有三個具有反向崩潰(reverse breakdown)效應之二極體，各具有一正極以及一負極；該等二極體之正極分別與該等下臂半導體 開關之第二端電性連接；該等二極體之負極則分別與各該下臂半導體之第一端電性連接。
5. 如請求項4所述之高電壓抑制裝置，更包含有另外三個具有反向崩潰(reverse breakdown)效應之二極體，且分別具有一正極以及一負極，而其正極分別與各該上臂半導體開關之第二端電性連接，其負極分別地與該等上臂半導體開關之第一端電性連接。
6. 如請求項4所述之高電壓抑制裝置，其中於一低電位時間區段，PWM訊號輸出低電位訊號，而使該等下臂半導體開關同時處於截止區，該等二極體導通。
7. 如請求項1所述之高電壓抑制裝置，用以接收該三相線圈所輸出之一交流電能，並將該交流電能轉換後供應予一負載；該高電壓抑制裝置更包含有一偵測電路，該偵測電路一側與該三相線圈連接或是與該負載連接，另一側則與該控制電路連接，當該偵測電路偵測到該三相線圈所輸出之電壓或該負載所接收的電壓超過一預設值時，該偵測電路輸出一訊號予該控制電路，以控制該控制電路輸出該PWM訊號予該等下臂半導體開關，以控制該等下臂半導體開關依序導通與關閉。
8. 一種高電壓抑制裝置，係與一發電機之一組三相線圈電性連接，該高電壓抑制裝置包括：三個上臂半導體開關，分別具有一第一端以及一第二端，該等上臂半導體開關之第一端互相電性連接，且其第二端係分別與該三相線圈之各相線圈電性連接； 三個下臂半導體開關，分別具有一第一端以及一第二端，該等下臂半導體開關之第一端分別地與該等上臂半導體開關之第二端電性連接，且該等下臂半導體開關之第二端互相電性連接；至少三個反向崩潰(reverse breakdown)效應之二極體，分別地與該等上臂半導體開關並聯、或是分別地與該等下臂半導體開關並聯；其中，該等上臂半導體開關以及該等下臂半導體開關係各別地由金氧半場效電晶體(MOSFET)所構成。
9. 如請求項8所述之高電壓抑制裝置，其中該等二極體係分別與該等上臂半導體開關並聯，且分別地與該等下臂半導體開關串聯。
10. 如請求項8所述之高電壓抑制裝置，其中該等二極體係分別與該等下臂半導體開關並聯，且分別地與該等上臂半導體開關串聯。
11. 如請求項8所述之高電壓抑制裝置，其中該至少三個反向崩潰效應之二極體的數量為六個，且分別地與該等上臂半導體開關以及該等下臂半導體開關並聯。
12. 一種適用於請求項7的高電壓抑制裝置之高電壓抑制方法，該高電壓抑制方法包含步驟如下：A、偵測該三相線圈所輸出之電壓或該負載所接收之電壓是否超過該預設值，若是，則執行下述之步驟；若否，則重新執行步驟A；B、關閉該發電機的激磁電流，以停止發電； C、該控制電路輸出該PWM訊號予各該下臂半導體開關，以控制該等下臂半導體開關依序導通與關閉。
13. 如請求項12所述之高電壓抑制方法，其中於步驟C中，該等下臂半導體開關依序導通與關閉時，於一高電位時間區段，具有兩個以上的下臂半導體開關同處於導通區。
14. 如請求項12所述之高電壓抑制方法，其中該等下臂半導體開關各別並聯具有反向崩潰效應之一二極體；當該控制電路輸出予PWM訊號各該下臂半導體開關時，於一低電位時間區段，該等下臂半導體開關同時處於截止區，且該等二極體導通。
15. 如請求項14所述之高電壓抑制方法，其中該等上臂半導體開關係各別並聯具有反向崩潰效應之另一二極體。
16. 如請求項12所述之高電壓抑制方法，於步驟C之後更包含有一步驟D，偵測該三相線圈之負載電壓是否低於該預設值，若是，則開啟該發電機之激磁電流以繼續發電；若否，則執行步驟C。