TWI537474B - 直流風扇與直流風扇驅動系統 - Google Patents

直流風扇與直流風扇驅動系統 Download PDF

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TWI537474B TW100111456A TW100111456A TWI537474B TW I537474 B TWI537474 B TW I537474B TW 100111456 A TW100111456 A TW 100111456A TW 100111456 A TW100111456 A TW 100111456A TW I537474 B TWI537474 B TW I537474B
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Description

直流風扇與直流風扇驅動系統
本發明為一種直流風扇,特別是一種可直接以高電壓驅動的直流風扇。
一般直流風扇所能接收到直流電壓都不高,大部可接收的直流電壓為5V、12V、24V或48V。而一般市電的電壓大多是110V到220V的交流電壓,因此需要透過電源供應器將市電降壓後再給直流風扇使用。請參考第1圖。第1圖為傳統的直流風扇與電源供應器的示意圖。電源供應器11接收交流電壓Vac後,會輸出一第二直流電壓VdcL以驅動直流風扇12。電源供應器11包括了一電源濾波器(Electromagnetic Interference Filters,EMI filter)13、一功率校正級(power factor correction stage,PFC stage)14以及一DC/DC轉換器15。電源濾波器13,過濾交流電壓的雜訊。功率校正級14將過濾後的交流電壓轉換為一第一直流電壓VdcH。接著,透過DC/DC轉換器15將第一直流電壓VdcH轉換為第二直流電壓VdcL,其中第二直流電壓VdcL小於第一直流電壓VdcH
但是這樣的容易造成直流風扇操作在低電壓高電流的情況,造成傳導損失。而且電源供應器也會在處理電壓轉換與降壓的時後造成功率損失。不管是因為低電壓高電流的操作造成的傳導損失或是電流轉換的效率問題,都是造成能源上的浪費。
本發明的目的為降低直流風扇所造成的不必要的功率損失。
為達上述之一或部份或全部目的或是其他目的,本發明的一實施例提供一種可直接接收一第一直流電壓的一風扇。該風扇包括一馬達、一葉片、一電壓轉換裝置以及一馬達控制器。該馬達,直接被該第一直流電壓所驅動。該葉片,連接該馬達,該葉片受馬達驅動而轉動。該電壓轉換裝置,接收該第一直流電壓並轉換為一第二直流電壓。該馬達控制器,接收該第二直流電壓,控制該馬達。本實施例中的變壓器僅提供該第二直流電壓給該風扇內除了該馬達以外的其他電子元件。
本發明的另一實施例提供一種風扇驅動系統,包括一第一變壓器與一風扇。該風扇驅動系統接收一第一直流電壓且該第一直流電壓的大小介於300伏特與1000伏特之間。該風扇包括一馬達、一葉片、一第二變壓器以及一馬達控制器。該馬達,直接被該第一直流電壓所驅動。該葉片,連接該馬達,該葉片受馬達驅動而轉動。該第一變壓器,接收該第一直流電壓並轉換為一第二直流電壓。該馬達控制器,接收該第二直流電壓,控制該馬達。本實施例中的變壓器僅提供該第二直流電壓給該風扇內除了該馬達以外的其他電子元件。
有關本發明之前述及其他技術內容、特點與功效,在 以下配合參考圖式之一較佳實施例的詳細說明中,將可清楚的呈現。
第2圖為根據本發明之一風扇的一實施例的示意圖。風扇20接收一第一直流電壓VDC,並受該第一直流電壓VDC所驅動。風扇20包括一保護裝置21、一變壓器22、一橋式電路23、一馬達24、一馬達控制電路25以及一位置偵測器26。馬達24更連接一葉片(圖上未繪出),該葉片受馬達24驅動而轉動。風扇20內的馬達24可直接被該第一直流電壓VDC所驅動,但風扇內的馬達控制電路25以及位置偵測器26就無法承受該第一直流電壓VDC。在本實施例中,第一直流電壓VDC的大小約在300V到1000V之間。因為第一直流電壓VDC無法直接提供給馬達控制電路25以及位置偵測器26使用,因此需透過變壓器22輸出一第二直流電壓,其中該第一直流電壓高於該第二直流電壓。因此風扇內更包括變壓器22,接收該第一直流電壓VDC並根據馬達控制電路25以及位置偵測器26的工作電壓輸出該第二直流電壓。變壓器22亦可根據風扇20內的不同的電路或元件(可能未在圖上繪出)提供不同直流電壓,而馬達24就只直接的接收外部輸入的第一直流電壓VDC而運作。在本實施例中,該第二直流電壓的大小小於48伏特。
在第1圖中的實施例,利用第一直流電壓直接驅動風扇,可降低習知以低直流電壓驅動風扇20與馬達24,以及電壓轉換時所損失的能量。另外再透過一變壓器提供風扇20內其他複數個電路或是複數個元件所需的工作電 壓,透過該等電路或元件控制風扇20與馬達24。
第一直流電壓VDC透過一正輸入端(圖上標示+)與一負輸入端(圖上標示-)輸入到風扇20。正輸入端耦接一保護裝置21,用以保護風扇20內的電路,避免過大的直流電壓燒毀風扇20內部的元件。在本實施例中,馬達24是被設計可承受1000V直流電壓,但實際上馬達24可能可以承受更高的直流電壓,如1200V。但為保護風扇20,因此在風扇20內設置一保護裝置21,當直流電壓VDC大於1000V時,保護裝置21就會斷開,停止直流電壓VDC輸入風扇20。保護裝置21更可配合馬達24的實際最大承受電壓值(1200V),被設定流經保護裝置21的電壓不大於1200V。換言之,保護裝置21可能在直流電壓VDC落在1000V到1200V之間時被斷開,而不限定一特定電壓。在本實施例中,該保護裝置21為一熔絲、TVS(Transient Voltage Suppresser,瞬態電壓抑制器)二極體或一熱敏電阻。
位置偵測器26用以偵測馬達24內的轉子的位置,並將轉子的位置轉換為一位置信號傳送給馬達控制器25。馬達控制器25根據該位置信號來控制橋式電路23,以控制馬達24的旋轉方向。在本實施例中,馬達24為一三相式無刷馬達。位置偵測器26包括了一霍爾元件(hall element),而橋式電路23為一全橋式電路。在其他實施方式中,位置偵測器26更可由一光編碼器所實現,或是一感測器,用以感測馬達內的至少一個轉子的一繞組電壓或一繞組電流。
第3圖為根據本發明之一變壓器的一實施例的示意圖。變壓器30為一降壓轉換器(BUCK converter)。電壓感測器32會將感應到的電壓值傳送給脈衝寬度調變(pulse width modulation,以下稱PWM)控制電路31,由PWM控制電路31控制開關SW1,使變壓器30輸出直流電壓Vdc
第4圖為根據本發明之一變壓器的另一實施例的示意圖。變壓器40為一返馳式轉換器(Flyback Converter),其具有低成本,低電路複雜度且可具有多組電壓輸出,因此可以應用在本案的風扇內。電壓感測器42會將感應到的電壓值傳送給PWM控制電路41,由PWM控制電路41控制開關SW2,使變壓器40輸出直流電壓Vdc。變壓器40中的變壓器元件做為輸入端與輸出端的能量轉移與調節功能,而整流器作為變壓器的能量釋放迴路。
第5圖為根據本發明之一變壓器的另一實施例的示意圖。變壓器50為一順向式轉換電路(Forward Converter)。由於輸入的直流電壓只通過變壓器,所以使用較小型之變壓器即可,適合應用於需要有低輸出電壓與大輸出電流之裝置,因此可以應用在本案的風扇內。電壓感測器52會將感應到的電壓值直接傳送給PWM控制電路51或是透過一隔離耦接器(isolation coupler)53傳送給PWM控制電路51,再藉由PWM控制電路51控制開關SW2,使變壓器50輸出直流電壓Vdc。變壓器50中的變壓器元件做為輸入端與輸出端的能量轉移與調節功能,而整流器作為變壓器的能量釋放迴路。
第6圖為根據本發明之一風扇的另一實施例的示意 圖。風扇60包括保護裝置61、控制器62、閘級控制器63、霍爾元件64、3相無刷馬達65、全橋式電路66以及電壓轉換裝置69。保護裝置61包括熔絲601與二極體D1,用以保護風扇60內的電路,避免過大的直流電壓或電流燒毀風扇60內部的元件。熔絲601可承受一預定直流電壓,當該直流電壓大於該預定直流電壓時,熔絲601被燒毀,使得直流電壓不會被傳送到風扇60中的全橋式電路66與電壓轉換裝置69。該預定直流電壓的大小是根據全橋式電路66與3相無刷馬達65的最大承受的直流電壓所決定。
電壓轉換裝置69接收直流電壓Va並輸出直流電壓V1給控制器62使用。比較器67會比較輸入變壓器68的電壓Vb與變壓器68輸出的電壓Vc,並根據比較結果控制開關S1的關閉或是導通。霍爾元件64用以偵測3相無刷馬達65內的轉子的位置,並將轉子的位置轉換為一位置信號傳送給控制器62。控制器62接著產生一控制信號並傳送閘及控制器63以控制全橋式電路66。全橋式電路66用以控制3相無刷馬達65的旋轉方向。在其他的實施例中,全橋式電路66亦可被半橋式電路所替換。
第7圖為根據本發明之一風扇的另一實施例的示意圖。風扇70接收一第一直流電壓VDC,並受該第一直流電壓VDC所驅動。風扇70包括一熔絲71、一交換式電流供應器72、一橋式電路73、一三相無刷馬達74、一微控制器75以及一霍爾元件76。風扇70內的三相無刷馬達74可直接被該第一直流電壓VDC所驅動,但風扇內的微控制器75以及霍爾元件76就無法承受第一直流電壓VDC。在 本實施例中,第一直流電壓VDC的大小約在300V到1000V之間,無法直接提供給微控制器75以及霍爾元件76使用。因此風扇內包括交換式電流供應器72,接收該第一直流電壓VDC並根據微控制器75以及霍爾元件76的工作電壓輸出一第二直流電壓。交換式電流供應器72亦可根據風扇70內的不同的電路或元件(可能未在圖上繪出)提供不同直流電壓,而三相無刷馬達74就只直接的接收外部輸入的第一直流電壓VDC而運作。霍爾元件76用以偵測三相無刷馬達74內的三個轉子的位置,並將三個轉子的位置轉換為一位置信號傳送給微控制器75。微控制器75根據該位置信號來控制橋式電路73,以控制三相無刷馬達74的旋轉方向。
第一直流電壓VDC透過一正輸入端(圖上標示+)與一負輸入端(圖上標示-)輸入到風扇70。正輸入端耦接一熔絲71,用以保護風扇70內的電路,避免過大的直流電壓燒毀風扇70內部的元件。在本實施例中,三相無刷馬達74是被設計可承受1000V直流電壓,但實際上三相無刷馬達74可能可以承受更高的直流電壓,如1200V。但為保護風扇70,因此在風扇70內設置一熔絲71,當第一直流電壓VDC大於1000V時,熔絲71就會斷開,使得第一直流電壓VDC無法繼續輸入到風扇70。熔絲71更可配合三相無刷馬達74的實際最大承受電壓值(1200V),被設定流經熔絲71的電壓不大於1200V。換言之,熔絲71可能在第一直流電壓VDC落在1000V到1200V之間時被斷開,而不限定一特定電壓。
第8圖為根據本發明之一風扇驅動系統的一實施例的示意圖。風扇驅動系統包括一第一變壓器87與風扇80,其中第一變壓器87提供一第一直流電壓VDC給風扇80。風扇80接收一第一直流電壓VDC,並受該第一直流電壓VDC所驅動。風扇80包括一保護裝置81、一第二變壓器82、一橋式電路83、一馬達84、一馬達控制電路85以及一位置偵測器86。風扇80內的馬達84可直接被該直流電壓VDC所驅動,但風扇內的馬達控制電路85以及位置偵測器86就無法承受第一直流電壓VDC。在本實施例中,第一直流電壓VDC的大小約在300V到1000V之間,無法直接提供給馬達控制電路85以及位置偵測器86使用。因此風扇內包括第二變壓器82,接收該第一直流電壓VDC並根據馬達控制電路85以及位置偵測器86的工作電壓輸出一第二直流電壓。第二變壓器82亦可根據風扇80內的不同的電路或元件(可能未在圖上繪出)提供不同直流電壓,而馬達84就只直接的接收外部輸入的第一直流電壓VDC而運作。
第一直流電壓VDC透過一正輸入端(圖上標示+)與一負輸入端(圖上標示-)輸入到風扇80。正輸入端耦接一保護裝置81,用以保護風扇80內的電路,避免過大的直流電壓燒毀風扇80內部的元件。在本實施例中,馬達84是被設計可承受1000V直流電壓,但實際上馬達84可能可以承受更高的直流電壓,如1200V。但為保護風扇80,因此在風扇80內設置一保護裝置81,當第一直流電壓VDC大於1000V時,保護裝置81就會斷開,使得第一直流電 壓VDC無法輸入到風扇80。保護裝置81更可配合馬達84的實際最大承受電壓值(1200V),被設定流經保護裝置81的電壓不大於1200V。換言之,保護裝置81可能在第一直流電壓VDC落在1000V到1200V之間時被斷開,而不限定一特定電壓。
位置偵測器86用以偵測馬達84內的轉子的位置,並將轉子的位置轉換為一位置信號傳送給馬達控制器85。馬達控制器85根據該位置信號來控制橋式電路83,以控制馬達84的旋轉方向。在本實施例中,馬達84為一三相式無刷馬達,位置偵測器86包括了一霍爾元件(hall element),而橋式電路83為一全橋式電路。
惟以上所述者,僅為本發明之較佳實施例而已,當不能以此限定本發明實施之範圍,即大凡依本發明申請專利範圍及發明說明內容所作之簡單的等效變化與修飾,皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。另外本發明的任一實施例或申請專利範圍不須達成本發明所揭露之全部目的或優點或特點。此外,摘要部分和標題僅是用來輔助專利文件搜尋之用,並非用來限制本發明之權利範圍。
11‧‧‧電源供應器
12‧‧‧直流風扇
13‧‧‧電源濾波器
14‧‧‧功率校正級
15‧‧‧DC/DC轉換器
20、60、70、80‧‧‧風扇
21、61、81‧‧‧保護裝置
22、68、30、40、50‧‧‧變壓器
23、73、83‧‧‧橋式電路
24、84‧‧‧馬達
25、85‧‧‧馬達控制電路
26、86‧‧‧位置偵測器
31、41、51‧‧‧PWM控制電路
32、42、52‧‧‧電壓感測器
53‧‧‧隔離耦接器
62‧‧‧控制器
63‧‧‧閘級控制器
64‧‧‧霍爾元件
65‧‧‧3相無刷馬達
66‧‧‧全橋式電路
67‧‧‧比較器
69‧‧‧電壓轉換裝置
601、71‧‧‧熔絲
72‧‧‧交換式電流供應器
74‧‧‧三相無刷馬達
75‧‧‧微控制器
76‧‧‧霍爾元件
87‧‧‧第一變壓器
82‧‧‧第二變壓器
第1圖為傳統的直流風扇與電源供應器的示意圖。
第2圖為根據本發明之一風扇的一實施例的示意圖。
第3圖為根據本發明之一變壓器的一實施例的示意圖。
第4圖為根據本發明之一變壓器的另一實施例的示意圖。
第5圖為根據本發明之一變壓器的另一實施例的示意圖。
第6圖為根據本發明之一風扇的另一實施例的示意圖。
第7圖為根據本發明之一風扇的另一實施例的示意圖。
第8圖為根據本發明之一風扇驅動系統的一實施例的示意圖。
20‧‧‧風扇
21‧‧‧保護裝置
22‧‧‧變壓器
23‧‧‧橋式電路
24‧‧‧馬達
25‧‧‧馬達控制電路
26‧‧‧位置偵測器

Claims (20)

  1. 一種風扇,接收一固定之第一直流電壓,該風扇包括:一馬達,直接被該第一直流電壓所驅動;一葉片,連接該馬達,該葉片受馬達驅動而轉動;一電壓轉換裝置,接收該第一直流電壓並轉換為一第二直流電壓,其中該第一直流電壓高於該第二直流電壓;以及一馬達控制器,接收該第二直流電壓,控制該馬達的旋轉方向,其中該馬達控制器不被該第一直流電壓供電,且該第一直流電壓大於300伏特。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之風扇,其中該第一直流電壓由一直流電壓源提供。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之風扇,其中該第一直流電壓介於300伏特與1000伏特之間。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之風扇,其中該馬達為一三相無刷馬達。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之風扇,更包括一位置偵測器,偵測該馬達內複數個轉子的複數個位置,並傳送對應該等轉子的該等位置的一位置信號給馬達控制器。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之風扇,其中該位置偵測器包含一霍爾元件。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之風扇,更包括一橋式電路,受控於該馬達控制器,以控制該馬達的旋轉方向。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之風扇,其中該風扇具有一正輸入端與一負輸入端,接收該第一直流電壓,且更包 括一保護裝置,耦接在該正輸入端與該馬達之間,當該第一直流電壓大於一預定電壓時,該保護裝置斷開以保護該馬達。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之風扇,其中該保護裝置為一熔絲,一瞬態電壓抑制器或一熱敏電阻。
  10. 如申請專利範圍第1項所述之風扇,更包括:一位置偵測器,偵測該馬達內複數個轉子的複數個位置,並傳送對應該等轉子的該等位置的一位置信號給馬達控制器;一橋式電路,以控制該馬達的旋轉方向;以及一閘級電路,受控於該馬達控制器以控制該橋式電路,該馬達控制器根據該位置信號控制該閘級電路。
  11. 一種風扇驅動系統,包括:一第一變壓器,提供一固定之第一直流電壓;以及一風扇,包括:一馬達,直接由該第一直流電壓所驅動;一葉片,連接該馬達,該葉片受馬達驅動而轉動;一第二變壓器,接收該第一直流電壓並轉換為一第二直流電壓,其中該第一直流電壓高於該第二直流電壓;以及一馬達控制器,接收該第二直流電壓,控制該馬達的旋轉方向,其中該馬達控制器不被該第一直流電壓供電且該第一直流電壓大於300伏特。
  12. 如申請專利範圍第11項所述之風扇驅動系統,其中,其中該第一變壓器將接收到的一交流電壓轉換為該第 一直流電壓。
  13. 如申請專利範圍第11項所述之風扇驅動系統,其中該第一直流電壓介於300伏特與1000伏特之間。
  14. 如申請專利範圍第11項所述之風扇驅動系統,其中該馬達為一三相無刷馬達。
  15. 如申請專利範圍第11項所述之風扇驅動系統,該風扇更包括一位置偵測器,偵測該馬達內複數個轉子的複數個位置,並傳送對應該等轉子的該等位置的一位置信號給馬達控制器。
  16. 如申請專利範圍第15項所述之風扇驅動系統,其中該位置偵測器包含一霍爾元件。
  17. 如申請專利範圍第11項所述之風扇驅動系統,該風扇更包括一橋式電路,受控於該馬達控制器,以控制該馬達的旋轉方向。
  18. 如申請專利範圍第11項所述之風扇驅動系統,其中該風扇具有一正輸入端與一負輸入端,接收該第一直流電壓,且更包括一保護裝置,耦接在該正輸入端與該馬達之間,當該第一直流電壓大於一預定電壓時,該保護裝置斷開以保護該馬達。
  19. 如申請專利範圍第18項所述之風扇驅動系統,其中該保護裝置為一熔絲,一瞬態電壓抑制器或一熱敏電阻。
  20. 如申請專利範圍第11項所述之風扇驅動系統,該風扇更包括:一位置偵測器,偵測該馬達內複數個轉子的複數個位置,並傳送對應該等轉子的該等位置的一位置信號給馬達 控制器;一橋式電路,以控制該馬達的旋轉方向;以及一閘級電路,受控於該馬達控制器以控制該橋式電路,該馬達控制器根據該位置信號控制該閘級電路。
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