TWI552505B - Variable structure motor and its driving circuit - Google Patents

Description

變結構電機及其驅動電路

本發明係與電路設計有關；特別是指一種變結構電機及其驅動電路。

隨著電子科技的蓬勃發展，電子開關已逐漸取代傳統開關。一般來說，電子開關係由功率晶體構成，並透過一驅動電路供應對應之電能予該電子開關以達到導通或阻斷該功率晶體之功能。

請參閱圖1，習用之驅動電路為避免干擾，通常會利用一光隔離元件(如光電耦合器)51與該功率晶體P連接，再利用一轉換電路52接收外部直流電源53之電能轉換(直流轉直流)供應予該光隔離元件51，並利用一控制器54控制該光隔離元件51來驅動該光隔離元件51致使該功率晶體P導通或阻斷。

然而，由於上述驅動電路之電路結構中所用之轉換電路52(直流轉直流)成本昂貴，且其尺寸較大再加上光隔離元件51所佔之空間，而使得習用驅動電路之設計及裝設該驅動電路的電器產品無法有效地降低成本與縮小體積，進而無法滿足現行電氣產品低成本與小型化的設計趨勢。

有鑑於此，本發明之目的用於提供一種變結構 電機及其驅動電路，不僅成本較低廉且可有效提供較佳的隔離效果並具有可小型化設計之優點。

緣以達成上述目的，本發明所提供變結構電機包含一三相繞組、一第一切換開關組以及一驅動電路，其中，該第一切換開關組具有複數功率晶體與該三相繞組電性連接。該驅動電路用以導通或阻斷該第一切換開關組之該等功率晶體；該驅動電路包含有一脈衝寬度調變(Pulse Width Modulation，PWM)電路、複數個自振盪電路、複數個脈衝變壓器以及複數個整流電路；其中，該脈衝寬度調變電路用以產生複數個脈衝寬度調變訊號；該等自振盪電路與該脈衝寬度調變電路電性連接，用以各別接收各該脈衝寬度調變訊號，並依據該脈衝寬度調變訊號產生對應之一交變(alternating)訊號；該等脈衝變壓器分別與該等自振盪電路電性連接，用以各別接收該交變訊號並改變其電壓後輸出；該等整流電路分別與該等脈衝變壓器以及該等功率晶體電性連接，用以各別接收各該脈衝電壓器改變電壓後輸出之該交變訊號，並轉換成對應之直流後輸出予對應之該功率晶體，以驅動對應之該功率晶體導通或斷開。

藉此，當該第一切換開關組之該等功率晶體導通時，該三相繞組係呈一第一接法；當該第一切換開關組之該等功率晶體斷開時，該三相繞組係呈一第二接法，且該第二接法不等於該第一接法。

依據上述構思，本發明更提供有一種驅動電路用以驅動至少一功率晶體導通或斷開，且包含有一脈衝寬度調變電路、至少一自振盪電路、至少一脈衝變壓器以及至少一脈衝變壓器。其中，該脈衝寬度調變電路用以產生一脈衝寬度調變訊號；該自振盪電路與該脈衝寬度調變電路電性連接，用以接收該脈衝寬度調變訊號，並依據該脈衝寬度調變 訊號產生對應之一交變(alternating)訊號；該脈衝變壓器與該自振盪電路電性連接，用以接收該交變訊號並改變其電壓後輸出；該整流電路，與該脈衝變壓器以及該功率晶體電性連接，用以接收該脈衝電壓器改變電壓後輸出之交變訊號，並轉換成對應之直流後輸出予該功率晶體，以驅動該功率晶體導通或斷開。

藉此，透過上述之設計，便可使驅動電路具有成本較低廉且可使該變結構電機有效地達到小型化設計之優點。

1‧‧‧變結構電機

U‧‧‧第一相線圈

V‧‧‧第二相線圈

W‧‧‧第三相線圈

S1‧‧‧第一開關

S2‧‧‧第二開關

S3‧‧‧第三開關

S4‧‧‧第四開關

S5‧‧‧第五開關

S6‧‧‧第六開關

SW‧‧‧功率晶體

2‧‧‧變結構電機

U1‧‧‧第一相線圈

U2‧‧‧第二相線圈

V1‧‧‧第三相線圈

V2‧‧‧第四相線圈

W1‧‧‧第五相線圈

W6‧‧‧第六相線圈

S7‧‧‧第七開關

S8‧‧‧第八開關

S9‧‧‧第九開關

10‧‧‧驅動電路

11‧‧‧脈衝寬度調變電路

12‧‧‧自振盪電路

13‧‧‧外部直流電源

14‧‧‧脈衝變壓器

15‧‧‧整流電路

P‧‧‧功率晶體

51‧‧‧光隔離元件

52‧‧‧轉換電路

53‧‧‧外部直流電源

54‧‧‧控制器

圖1係習用之驅動電路之電路方塊圖。

圖2係本發明第一較佳實施例變結構電機之結構圖。

圖3係本發明較佳實施例驅動電路之電路方塊圖。

圖4係導通第一切換開關組使圖2之結構呈Y接。

圖5係導通第二切換開關組使圖2之結構呈△接。

圖6係本發明第二較佳實施例變結構電機之結構圖。

圖7係導通第一切換開關組使圖6之結構呈短Y接。

圖8係阻斷第一切換開關組使圖6之結構呈長Y接。

為能更清楚地說明本發明，茲舉較佳實施例並配合圖示詳細說明如後。請參圖2及圖3所示，為本發明一較佳實施例之變結構電機1包含有一三相繞組、一第一切換開關組、一第二切換開關組以及一驅動電路10。其中：該三相繞組包含有一第一相線圈U、一第二相 線圈V以及一第三相線圈W，該等相線圈U、V、W分別具有一負端以及一正端。

該第一開關組包含有一第一開關S1、一第二開關S2以及一第三開關S3，且各該開關S1~S3分別具有一第一端以及一第二端。另外，各開關S1~S3係由兩個反向串聯連接之功率晶體SW組成，且該二反向串聯連接之功率晶體SW係用以導通或阻斷電訊號，且其導通或阻斷之電訊號係與另外一者之流向相反。當然，在實際實施上，並不以串聯連接之構成方式為限，亦可透過並聯連接或是其他連接方式來達到導通或阻斷電訊號之效果。

該第二開關組包含有一第四開關S4、一第五開關S5以及一第六開關S6，且各該開關S4~S6同樣分別具有一第一端以及一第二端，而各開關S4~S6同樣係由兩個反向串聯連接之功率晶體SW組成。

該第一相線圈U之負端與第一開關S1之第一端以及第六開關S6之第一端電性連接；該第一相線圈U之正端與該第四開關S4之第二端電性連接。該第二相線圈V之負端與第二開關S2之第一端以及第四開關S4之第一端電性連接；該第二相線圈V之正端與第五開關S5之第二端電性連接。該第三相線圈W之負端與第三開關S3之第一端以及第五開關S5之第一端電性連接；該第三相線圈W之正端該第六開關S6之第二端電性連接。

另外，該第一開關S1、第二開關S2以及第三開關S3之第二端相互電性連接。

該驅動電路10用以導通該第一切換開關組與該第二切換開關組其中之一者之該等功率晶體SW，並阻斷另外一者之該等功率晶體SW。復參閱圖3，於本實施例中，該驅動電路10包含有一脈衝寬度調變(Pulse Width Modulation，PWM)電路11、複數個自振盪電路12、一外部直流電源13、複數個脈衝變壓器14以及複數個整流電路15。

該脈衝寬度調變電路11於本實施例中為一微處理器(MCU)，係用以產生複數個脈衝寬度調變訊號。當然，在實際實施上，該脈衝寬度調變電路亦可是其他可產生脈衝寬度調變訊號之電路元件或是電路設計。

該等自振盪電路12與該脈衝寬度調變電路11電性連接，各別用以接收各該脈衝寬度調變訊號，並依據該脈衝寬度調變訊號產生對應之一交變(alternating)訊號。於本實施例中，各該自振盪電路12係透過閘晶片(Gate IC)之內部電路設計來達到上述之效果，但實際實施上並不以此為限，除使用晶片設計外，亦可利用獨立之電子元件之組合來達到相同之效果。

該外部直流電源13電性連接該等自振盪電路12，用以供應該自振盪電路12作動所需之直流電能。

該等脈衝變壓器14分別與該等自振盪電路12電性連接，用以各別接收該交變訊號並改變其電壓後輸出。

該等整流電路15分別與該等脈衝變壓器14以及該等功率晶體SW電性連接，用以各別接收各該脈衝電壓器14改變電壓後輸出之交變訊號，並轉換成對應之直流後輸出予對應之該功率晶體SW，以驅動對應之該功率晶體SW導通或斷開。於本實施例中，該整流電路15之電路架構為全橋式整流架構，但在實際實施上，亦可依需求改為半橋式、中間抽頭式或其他具有整流效果之電路架構。

藉此，當該第一開關S1、第二開關S2以及第三開關S3之功率晶體SW導通，且該第四開關S4、第五開關S5以及第六開關S6之功率晶體SW斷開時，該變結構電機1呈Y接結構(如圖4)。當該第一開關S1、第二開關S2 以及第三開關S3之功率晶體SW斷開，且該第四開關S4、第五開關S5以及第六開關S6之功率晶體SW導通時，該變結構電機1呈△接結構(如圖5)。

另外，本案之驅動電路10除適用於上述具有雙切換開關組而可於Y接與△接結構互換之變結構電機1外，亦可適用於如圖6所示之僅具有一組第一切換開關組而可由短Y接與長Y接結構互換之變結構電機2，意即，該第一切換開關組包含有一第七開關S7、一第八開關S8以及一第九開關S9，且各該開關S7~S9同樣係由兩個反向串聯連接之功率晶體SW組成。更詳而言之，該變結構電機2之三相繞組包含有一第一相線圈U1、一第二相線圈U2、一第三相線圈V1、一第四相線圈V2、一第五相線圈W1以及一第六相線圈W2，該等相線圈U1、U2、V1、V2、W1、W2分別具有一負端以及一正端，且該第一相線圈U1、該第三相線圈V1以及該第五相線圈W1之負極相接，而該第一相線圈U1之正極連接該第二相線圈U2之負極、該第三相線圈V1之正極連接該第四相線圈V2之負極、且該第五相線圈W1之正極連接該第六相線圈W2之負極。而該等開關S7~S9之兩端則分別跨接於該第二相線圈U2、該第四相線圈V2與該第六相線圈W2之正極與負極。

請參閱圖7，當該驅動電路10導通該第一切換開關組之該第七開關S7、第八開關S8以及第九開關S9之該等功率晶體SW時，該變結構電機呈現短Y接。並請再參閱圖8，當該驅動電路10阻斷該第一切換開關組之該第七開關S7、第八開關S8以及第九開關S9之該等功率晶體SW時，該變結構電機呈現長Y接，而達到變結構之目的。

如此一來，本發明透過上述之該驅動電路10的整體設計，就元件成本而言，該自振盪電路12、脈衝變 壓器14、整流電路15三者加起來之成本大概與習用單組轉換電路52的成本相同，而使得本發明所耗費之成本與習用結構比較之下，則可省去習用光隔離元件51的成本支出，進而達到降低製作成本之效果。此外，隨著積體電路及電子技術的進步，該驅動電路10之整體設計更易於達成小型化，而使得本發明之該驅動電路10之各該元件之尺寸均不致太大，進而可縮小該變結構電機1、2之體積。換言之，透過本發明之設計，將可有效地使變結構電機1、2有效地滿足現行電氣產品低成本與小型化的趨勢。

以上所述僅為本發明較佳可行實施例而已，並不以Y-△互換、以及長Y-短Y互換之變結構電機為限，當然在其它實施態樣中，亦可是其他種連接方式的變結構馬達。除此之外，本發明之驅動電路除可應用於功率晶體或相關之電子開關的設計外，亦可應用於發光二極體、低負載電源供應電路或是其他被驅動電子構件的設計上，且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。

SW‧‧‧功率晶體

10‧‧‧驅動電路

11‧‧‧脈衝寬度調變電路

12‧‧‧自振盪電路

13‧‧‧外部直流電源

14‧‧‧脈衝變壓器

15‧‧‧整流電路

Claims (10)

1. 一種變結構電機，包含有：一三相繞組；一第一切換開關組，具有複數功率晶體與該三相繞組電性連接；以及一驅動電路，用以導通或阻斷該第一切換開關組之該等功率晶體；該驅動電路包含有一脈衝寬度調變(Pulse Width Modulation，PWM)電路、複數個自振盪電路、複數個脈衝變壓器以及複數個整流電路；其中，該脈衝寬度調變電路用以產生複數個脈衝寬度調變訊號；該等自振盪電路與該脈衝寬度調變電路電性連接，用以各別接收各該脈衝寬度調變訊號，並依據該脈衝寬度調變訊號產生對應之一交變(alternating)訊號；該等脈衝變壓器分別與該等自振盪電路電性連接，用以各別接收該交變訊號並改變其電壓後輸出；該等整流電路分別與該等脈衝變壓器以及該等功率晶體電性連接，用以各別接收各該脈衝電壓器改變電壓後輸出之該交變訊號，並轉換成對應之直流後輸出予對應之該功率晶體，以驅動對應之該功率晶體導通或斷開；藉此，當該第一切換開關組之該等功率晶體導通時，該三相繞組係呈一第一接法；當該第一切換開關組之該等功率晶體斷開時，該三相繞組係呈一第二接法，且該第二接法不等於該第一接法。
2. 如請求項1所述變結構電機，其中，該第一接法為短Y接，而該第二接法為長Y接。
3. 如請求項1所述變結構電機，更包含有一第二切換開關組，且該第二切換開關組具有複數功率晶體與該三相繞組電性連接，而該驅動電路用以導通該第一切換開關組或該第二切換開關組其中一者之該等功率晶體，並同時斷開另外一者之該等功率晶體，而使該三相繞組係呈該第一接法或該第二接法。
4. 如請求項3所述變結構電機，其中，該第一接法為Y接，而該第二接法為△接。
5. 如請求項1或3所述變結構電機，其中該三相繞組包含有三個相隔離之相線圈，且該第一切換開關組係分別以兩個反向串聯連接之功率晶體與該等相線圈電性連接，且該二反向串聯連接之功率晶體係用以導通或阻斷與另外一者相反流向之電訊號。
6. 如請求項3所述變結構電機，其中該三相繞組包含有三個相隔離之相線圈，且該第二切換開關組係分別以兩個反向串聯連接之功率晶體與該等相線圈電性連接，且該二反向串聯連接之功率晶體係用以導通或阻斷與另外一者相反流向之電訊號。
7. 如請求項1所述變結構電機，其中該驅動電路更包含有一外部直流電源電性連接該等自振盪電路，用以供應該自振盪電路作動所需之直流電能。
8. 一種驅動電路，用以驅動至少一被驅動電子元件，且包含有： 一脈衝寬度調變(Pulse Width Modulation，PWM)電路，用以產生一脈衝寬度調變訊號；至少一自振盪電路，與該脈衝寬度調變電路電性連接，用以接收該脈衝寬度調變訊號，並依據該脈衝寬度調變訊號產生對應之一交變(alternating)訊號；至少一脈衝變壓器，與該自振盪電路電性連接，用以接收該交變訊號並改變其電壓後輸出；以及至少一整流電路，與該脈衝變壓器以及該被驅動電子元件電性連接，用以接收該脈衝電壓器改變電壓後輸出之該交變訊號，並轉換成對應之直流後輸出予該被驅動電子元件，以驅動該被驅動電子元件作動。
9. 如請求項8所述驅動電路，更包含有至少一外部電源，與該自振盪電路電性連接，用以供應該自振盪電路作動所需之直流電能。
10. 如請求項8所述驅動電路，其中該被驅動電子元件係功率晶體、發光二極體或低負載電源供應電路。