JPH06104000B2

JPH06104000B2 - 充電式工具用ブラシレスモータ駆動回路

Info

Publication number: JPH06104000B2
Application number: JP1208322A
Authority: JP
Inventors: 耕児宗進; 博昭小新; 真一岡本; 敏治大橋
Original assignee: Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 1989-08-12
Filing date: 1989-08-12
Publication date: 1994-12-14
Anticipated expiration: 2009-12-14
Also published as: US5083067A; JPH0374194A; DE4025470C2; DE4025470A1

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野］本発明は、ブラシレスモータを用い長寿命を実現する充
電式工具用ブラシレスモータ駆動回路に関するものであ
る。

［従来の技術］従来、充電式の工具においては、ブラシ付きの直流電動
機が多く用いられており、その寿命は直流電動機のブラ
シの寿命によるところが大きく、ブラシそのものの交換
が可能な工具も多くみられる。

近年、モータの長寿命化については、一般にブラシレス
モータを採用すれば摩耗部分が軸受けだけとなり、非常
に長寿命が可能でメンテナンスフリーをうたったロボッ
ト、工具等が多く発表されている。

従来技術を第８図、第９図及び第10図に基づいて説明す
る。充電式工具用ブラシレスモータにおいて、ホール素
子H_u，H_v，H_wは、第８図に示すように機械角60°で配置
されており、空隙を介して対向した各永久磁石回転子１
の磁極あるいは位置検知用磁石の磁束密度に応じた信号
を出力する。その信号は第９図（ａ）〜（ｃ）に示すよ
うに、各々の位相が２π/3ずつずれた正弦波状の電圧波
形となり、この信号から３相バイポーラ駆動回路駆動回
路に必要な信号列を作成する分配回路２を通じ、各コイ
ルL_u，L_v，L_wに接続した６個のパワーMOSFETTr₁₆〜Tr₂₁
を駆動するための第９図（ｄ）〜（ｉ）に示すような６
個の信号列を出力する。第９図（ｄ）〜（ｉ）に示す６
個の信号列出力のうち、第９図（ｅ），（ｇ），（ｉ）
に示す出力は、電流制御用PWM信号を合成するゲート回
路3₁〜3₃及び、PNP,NPN型のトランジスタからなるトラ
ンジスタブリッジ5₄〜5₆により１組のハーフブリッジの
下側のパワーMOSFETTr₁₉〜Tr₂₁のゲートを第９図（ｋ）
（ｍ）（ｏ）に示すように駆動する。

ここで、分配回路２の出力（第９図（ｅ）（ｇ）
（ｉ））がＨレベルの時、ゲート回路3₁〜3₃の出力はＬ
レベルで、トランジスタブリッジ5₄〜5₆の出力はＬレベ
ルとなり、パワーMOSFETTr₁₉〜Tr₂₁はオフとなる。ま
た、分配回路２の出力（第９図（ｅ）（ｇ）（ｉ））が
Ｌレベルの時、上記とは逆となり、パワーMOSFETTr₁₆〜
Tr₁₈はオンすることになる。もう一方の信号列の出力
（第９図（ｄ）（ｆ）（ｈ））も同様にトランジスタTr
₁₃〜Tr₁₅と、フローティング電源4₁〜4₃、トランジスタ
ブリッジ5₁〜5₃によりハーフブリッジの上側のパワーMO
SFETTr₁₆〜Tr₁₈のゲートを第９図（ｊ）（ｌ）（ｎ））
に示すように駆動する。しかし、上側のパワーMOSFETTr
₁₆〜Tr₁₈のソースは、下側のパワーMOSFETTr₁₉〜Tr₂₁の
ドレインに接続されているため、グランドからみた電位
は下側のパワーMOSFETTr₁₉〜Tr₂₁のオン，オフの状態で
異なったものとなる。

しかるに、通常のパワーMOSFETは、ゲート・ドレイン間
に所定の電圧を印加しないと動作しないため、上側のパ
ワーMOSFETTr₁₆〜Tr₁₈は、下側のパワーMOSFETTr₁₉〜Tr
₂₁と異なった電源が必要となり、そのため、逆流防止ダ
イオードD₁〜D₃、電荷蓄積用コンデンサC₁〜C₃と、充電
用抵抗R₁₂〜R₁₄で構成されたフローティング電源4₁〜4₃
を用い、グランドと抵抗R₁₂〜R₁₄で分離されたコンデン
サC₁〜C₃に蓄積された電荷で、上側のパワーMOSFETTr₁₆
〜Tr₁₈のゲートを駆動する。

［発明が解決しようとする課題］上述の従来例にあっては、急速停止に必要なコイル短絡
方式のブレーキを実現するには、６個のパワーMOSFETの
うち上側３個（Tr₁₆〜Tr₁₈、あるいは下側３個（Tr₁₉〜
Tr₂₁）のいずれかの組み合わせを、片方の全パワーMOSF
ETがオン、一方の全パワーMOSFETをオフとしてやること
で可能となる。例えば、上側パワーMOSFETTr₁₆〜Tr₁₈が
全オンなら、下側パワーMOSFETTr₁₉〜Tr₂₁が全オフとす
る。そのためには、第10図に示す分配回路２の中に前述
のような機能を付加するか、あるいはパワーMOSFETのゲ
ート駆動信号に外部よりブレーキ時のモードを作成する
ような回路を付加してやればよい。

しかしながら、部品点数が増えたり、分配回路２にブレ
ーキモードのあるICを採用する必要があり、コスト，サ
イズ、選択の範囲などで問題がある。

また、ロジックによりブレーキモードを作ると必ず制御
回路に対し電源が必要で、バッテリーが消耗するという
問題もある。

また、第10図に示す回路においては、他の問題を有して
いる。すなわち、制御電源（制御電圧）をオフすると、
トランジスタTr₁₃〜Tr₁₅がオフし、フローティング電源
4₁〜4₃のコンデンサC₁〜C₃に蓄積された電荷のため、上
側のパワーMOSFETTr₁₆〜Tr₁₈はすべてオンになり、回生
ブレーキの状態でモータは停止するが、下側のパワーMO
SFETTr₁₉〜Tr₂₁のゲートは前段の電圧がなくなるためオ
ープンになり、フローティング状態になる。しかるに、
上下のパワーMOSFETTr₁₆〜Tr₂₁には常に駆動電圧がかか
っているため、フローティング状態にある下側パワーMO
SFETTr₁₉〜Tr₂₁は、外部ノイズ，サージ等でオンする可
能性がある。仮に、下側パワーMOSFETTr₁₉〜Tr₂₁の少な
くとも１個以上がオンすると、上下のパワーMOSFETは通
電状態となり、バッテリーを短絡することになるため、
バッテリーの炎上あるいは、パワーMOSFETTr₁₆〜Tr₂₁の
熱破壊を引き起こす恐れがある。

更に、第10図に示す回路におけるフローティング電源4₁
〜4₃においては、以下に示すような問題を有している。
すなわち、コンデンサC₁〜C₃と抵抗R₁₂〜R₁₄で構成され
たフローティング電源4₁〜4₃において、通常、下側のパ
ワーMOSFETTr₁₉〜Tr₂₁がオフの状態であれば、コンデン
サC₁〜C₃の充電は各々抵抗R₁₂〜R₁₄を介して行われるた
め、充電電流のピークは抵抗R₁₂〜R₁₄で規定される。し
かしながら、モータ回転中には下側パワーMOSFETTr₁₉〜
Tr₂₁のいずれかはオン状態であり、オンしているパワー
MOSFETは数十ｍΩの抵抗値しかなく、このとき、フロー
ティング電源4₁〜4₃中のコンデンサC₁〜C₃は、ほとん
ど、直接グランドに接地された状態での充電ということ
になる。従って、その際には、コンデンサC₁〜C₃の充電
電流は相当大きな値となり、コンデンサC₁〜C₃を破壊す
る恐れがある。

また、第10図の回路においては、トランジスタブリッジ
5₁〜5₃のPNP型のトランジスタTr₂，Tr₄，Tr₆が破壊され
うるという問題を有している。すなわち、例えば、パワ
ーMOSFETTr₁₉がオフ時には、上側のパワーMOSFETTr₁₆の
ソースと、トランジスタTr₂のコレクタと、コンデンサC
₁の一端がつながる仮グランドの電位は、グランドから
みて約＋V/2に持ち上げられている。何故なら、コイルL
_vとL_wの中点より、コイルL_uを介して電圧が現れるから
であり、更に、回転子１の回転によるコイルL_uの逆起電
圧等も重畳するからである。

この時、第９図のt₁に示す上側のパワーMOSFETTr₁₆もオ
フである期間においては、そのゲートをオフさせるた
め、前段のNPNトランジスタTr₁はオフ、PNPトランジス
タTr₂はオンである。そのために、トランジスタTr₁₃は
オンし、トランジスタTr₁〜Tr₂のベースを接地させてい
る。従って、PNPのトランジスタTr₂のベースの電位はグ
ランド、コレクタは上述のようにコイルL_uを介して電位
があらわれるため、トランジスタTr₂はコレクタの電位
が高く、ベースの電位が低くなる。PNPトランジスタは
コレクタからベースにはダイオード特性になり、電流が
流れるわけであるが、一般にトランジスタはコレクタか
らベース方向の安全については保証されていないため、
PNPトランジスタTr₂が破壊される恐れがあり、これを阻
止する必要がある。また、他のパワーMOSFETのペアにつ
いても同様となる。

また、第10図の回路においては、更に以下に示すような
問題を有している。すなわち、パワーMOSFETTr₁₆〜Tr₂₁
のオフ時には、トランジスタブリッジ5₁〜5₆のPNPトラ
ンジスタTr₂，Tr₄，Tr₆，Tr₈，Tr₁₀，Tr₁₂がパワーMOSF
ETTr₁₆…のゲートをダイレクトに接地することになり、
ゲートに蓄積された電荷の放電電流が、トランジスタTr
₂，Tr₄，Tr₆，Tr₈，Tr₁₀，Tr₁₂に流れ、ゲート容量の大
きさによっては、その放電電流がトランジスタTr₂，T
r₄，Tr₆，Tr₈，Tr₁₀，Tr₁₂の定格を超え、破壊する恐れ
がある。

本発明は、上述の点に鑑みて提供したものであって、ス
イッチ１個という簡単な構成でブレーキ停止を行うよう
にした充電式工具用ブラシレスモータ駆動回路を提供す
ることを目的としたものである。

また、第２の目的としては、制御電源がオフの時でも、
パワーMOSFETのゲートが不安定な状態にならないように
することである。

更に、第３の目的としては、フローティング電源に流れ
る充電電流によりコンデンサが破壊されるのを防止する
ことである。

また、第４の目的としては、トランジスタブリッジのPN
Pトランジスタの破壊を防止することにある。

さらに、第５の目的として、パワーMOSFETのオフ時に流
れるゲート蓄積電荷の放電電流によりトランジスタブリ
ッジのPNPトランジスタが破壊されるのを防止すること
にある。

［課題を解決するための手段］本発明は、分配回路、トランジスタブリッジ、フローテ
ィング電源等からなる制御回路への電源供給を１つのス
イッチにより電池電源より行うようにしたものである。

また請求項２では、パワーMOSFETのゲート・ソース間に
オープン保護抵抗を接続したものである。

請求項３では、フローティング電源のコンデンサに流れ
る充電電流を制限する制限抵抗を該コンデンサと直列に
設けたものである。

更に、請求項４において、第２のトランジスタブリッジ
はNPN型のトランジスタとPNP型のトランジスタとで構成
され、PNP型のトランジスタのコレクタに逆流防止用の
整流素子を設けたものである。

また、請求項５では、両トランジスタブリッジはNPN型
のトランジスタとPNP型のトランジスタとで構成され、P
NP型のトランジスタのエミッタとパワーMOSFETのゲート
との間に該パワーMOSFETのオフ時に流れる放電電流を制
限する制限抵抗を設けたものである。

［作用］請求項１においては、１つのスイッチを遮断することに
より、ハーフブリッジの下側のパワーMOSFETをオフと
し、上側のパワーMOSFETはフローティング電源にてオン
として、３つのコイルを短絡してブレーキ停止するよう
にしている。

請求項２では、オープン保護抵抗により制御電源のオフ
時に、パワーMOSFETのゲートは必ずグランドに接地され
るようにして、オープンにならいないようにしている。

請求項３では、制限抵抗によりフローティング電源のコ
ンデンサに流れる充電電流を制限するようにしている。

また、請求項４においては、整流素子によりパワーMOSF
ETのオフ時にPNP型のトランジスタのコレクタに電流が
流れ込まないようにして、PNP型のトランジスタが破壊
されないようにしている。

更に、請求項５では、PNP型のトランジスタのエミッタ
とパワーMOSFETのゲートとの間に設けた制限抵抗によ
り、パワーMOSFETのオフ時に流れるゲート蓄積電荷の放
電電流によりトランジスタブリッジのPNPトランジスタ
が破壊されるのを防止するようにしている。

［実施例１］以下、本発明の一実施例を図面を参照して説明する。第
１図に全体の回路構成を示し、制御回路全体に電源を供
給するラインにスイッチSW₁を設けたものである。その
他の構成は第10図と同じである。尚、トランジスタブリ
ッジ5₁〜5₃のPNPトランジスタのコレクタにダイオードD
₄〜D₆を接続しているが、この点については後述する。

制御回路は、分配回路２、トランジスタブリッジ5₁〜
5₆、フローティング電源4₁〜4₃から構成されており、こ
の制御回路に、電池電源としのバッテリーＢから１つの
スイッチSW₁を介して電源を供給するようにしている。

而して、制御回路全体に供給する電源をスイッチSW₁に
より遮断することにより、まず、下側のパワーMOSFETTr
₁₉〜Tr₂₁のゲートの端子電圧が無くなるため、下側のパ
ワーMOSFETTr₁₉〜Tr₂₁は全部オフとなり、次に上側パワ
ーMOSFETTr₁₆〜Tr₁₈を駆動するためのフローティング電
源4₁〜4₃側と、バッテリーＢの本電源につながった分配
回路２との間のレベル変換を行うトランジスタTr₁₃〜Tr
₁₅は、そのベース電流が無くなるため、オフ状態とな
り、上側パワーMOSFETTr₁₆〜Tr₁₈のゲート駆動用トーテ
ムポールトランジスタTr₁，Tr₂，Tr₃，Tr₄，Tr₅，Tr₆の
各々のベースは、各々フローティング電源4₁〜4₃につな
がった状態となる。

一方、３つのフローティング電源4₁〜4₃のコンデンサC₁
〜C₃は、バッテリーＢの制御電源が遮断されてもすぐに
は放電せず、電圧がかかった状態のため、抵抗R₁₆，
R₂₂，R₂₈を通して各トーテムポールトランジスタTr₁…
のベースにバイアスをかけることになり、トーテムポー
ルのトランジスタブリッジ5₁〜5₃のNPNトランジスタT
r₁，Tr₃，Tr₅はオン、PNPトランジスタTr₂，Tr₄，Tr₆は
オフする。

従って、上側のパワーMOSFETTr₁₆〜Tr₁₈のゲートにはフ
ローティング電源4₁〜4₃の電荷が印加されて、上側のパ
ワーMOSFETTr₁₆〜Tr₁₈は全部オンする。結局、下側のパ
ワーMOSFETTr₁₉〜Tr₂₁は全部オフ、上側のパワーMOSFET
Tr₁₆〜Tr₁₈は前部オンすることにより、３つのコイル
L_u，L_v，L_wは短絡されブレーキ停止することになり、同
時に１個のスイッチSW₁の電源遮断により、制御電源に
よるバッテリーＢの消耗も防止できる。

次に、トランジスタブリッジ5₁〜5₃のPNPトランジスタT
r₂，Tr₄，Tr₆のコレクタには夫々整流素子であるダイオ
ードD₄〜D₆を接続している。而して、上下のパワーMOSF
ETTr₁₆〜Tr₂₁のオフ時に、PNP型のトランジスタTr₂，Tr
₄，Tr₆に流れる電流は、ダイオードD₄〜D₆によりコレク
タには流れ込まず、そのため、トランジスタTr₂，Tr₄，
Tr₆を破壊することはない。

［実施例２］第２図は実施例２を示し、図示するように、各パワーMO
SFETTr₁₆〜Tr₂₁のゲート・ソース間にゲートオープン保
護抵抗Rx₁〜Rx₆を夫々接続したものである。他の構成は
第10図と同じである。

この構成により、制御電源のオフ時にパワーMOSFETTr₁₆
〜Tr₂₁のゲートは保護抵抗Rx₁〜Rx₆によってオープンに
はならず、必ずグランドに接地されているため、バッテ
リーの炎上を引き起こさず、また、パワーMOSFETTr₁₆〜
Tr₂₁の破壊を起こさないものである。更に、上側のパワ
ーMOSFETTr₁₆〜Tr₁₈のゲートにも保護抵抗Rx₁〜Rx₃を挿
入することで、フローティング電源4₁〜4₃のコンデンサ
C₁〜C₃が放電しきってトランジスタTr₁，Tr₃，Tr₅がオ
フした場合にも、同様に有効となる。

［実施例３］第３図に実施例３を示し、フローティング電源4₁〜4₃の
コンデンサC₁〜C₃と直列に夫々制限抵抗Rs₁〜Rs₃を接続
したものであり、この制御抵抗Rs₁〜Rs₃により、コンデ
ンサC₁〜C₃への充電電流を制限するようにしている。つ
まり、これら制限抵抗Rs₁〜Rs₃の値を適宜に設定するこ
とにより、コンデンサC₁〜C₃への充電電流を定格電流以
下に抑制し、コンデンサC₁〜C₃を破壊しないようにして
いる。第４図は制限抵抗がない場合の従来例を示し、第
５図は本発明を示している。夫々図中（ａ）は上側パワ
ーMOSFETTr₁₆〜Tr₁₈のゲート電圧を、図中（ｂ）はフロ
ーティング電源4₁〜4₃のコンデンサC₁〜C₃の充電電流を
示している。第５図（ｂ）において、制限抵抗Rs₁〜Rs₃
の抵抗値を100Ωと470Ωの場合を示し、充電電流を抑制
しているのが明らかに判る。

［実施例４］第６図は実施例４を示し、第10図の回路に制限抵抗Ra₁
〜Ra₆を設けたものである。すなわち、各トランジスタ
ブリッジ5₁〜5₆のトランジスタTr₂，Tr₄，Tr₆，Tr₈，Tr
₁₀，Tr₁₂のエミッタとパワーMOSFETTr₁₆〜Tr₂₁のゲート
との間に制限抵抗Ra₁〜Ra₆を夫々挿入接続したものであ
る。従って、パワーMOSFETTr₁₆〜Tr₂₁のオフ時に発生す
る放電電流は、制限抵抗Ra₁〜Ra₆により、直接接地にな
らず抑制され、PNP型のトランジスタTr₂，Tr₄，Tr₆，Tr
₈，Tr₁₀，Tr₁₂は破壊されないものである。

第７図はパワーMOSFETの従来例と本発明のゲート電圧及
びゲート電流を示し、曲線（イ）が従来例を示し、曲線
（ロ）が本発明を示している。第７図から明らかなよう
に、パワーMOSFETのオン時におけるゲート電流は大きく
抑制されている。

［発明の効果］本発明は上述のように、分配回路、トランジスタブリッ
ジ、フローティング電源等からなる制御回路への電源供
給を１つのスイッチにより電池電源より行うようにした
ものであるから、１つのスイッチを遮断することによ
り、ハーフブリッジの下側のパワーMOSFETをオフとし、
上側のパワーMOSFETはフローティング電源にてオンとし
て、３つのコイルを短絡してブレーキ停止することがで
きるものであり、非常に簡単な構成にも拘らずブレーキ
停止の実現が可能で、分配回路にブレーキ停止機能がな
い分配回路の使用もでき、コスト、部品点数、分配回路
選択の幅が広がる等の効果を奏し、また、ブレーキをロ
ジックで実現するとすれば、必ず制御回路に電圧を印加
しなければならず、電池が消耗することになるが、本発
明のように構成することで、１つのスイッチでブレーキ
機能を満足しながらブラシレスモータつまり工具の停止
時の電池の消耗を防ぐことができる効果を奏するもので
ある。

また、請求項２では、オープン保護抵抗により制御電源
のオフ時に、パワーMOSFETのゲートは必ずグランドに接
地されるようにして、オープンにならないようにするこ
とができ、そのため、制御電源のオフ時に、パワーMOSF
ET及びバッテリーが破壊されないという効果を奏するも
のである。

請求項３においては、制限抵抗によりフローティング電
源のコンデンサに流れる充電電流を制限するようにして
いることで、充電電流によりコンデンサが破壊されない
ものである。

更に、請求項４では、整流素子によりパワーMOSFETのオ
フ時にPNP型のトランジスタのコレクタに電流が流れ込
むのを防止して、PNP型のトランジスタが破壊されない
効果を奏するものである。

また、請求項５では、PNP型のトランジスタのエミッタ
とパワーMOSFETのゲートとの間に設けた制限抵抗によ
り、パワーMOSFETのオフ時に流れるゲート蓄積電荷の放
電電流によりトランジスタブリッジのPNPトランジスタ
が破壊されるのを防止することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例の具体回路図、第２図は同上の
実施例２の具体回路図、第３図は同上の実施例３の具体
回路図、第４図は従来例の動作波形図、第５図は本発明
の動作波形図、第６図は同上の実施例４の具体回路図、
第７図は同上の動作波形図、第８図は従来例の概略構成
を示す要部断面図、第９図は同上の動作波形図、第10図
は同上の具体回路図である。２は分配回路、3₁〜3₃はゲート回路、4₁〜4₃はフローテ
ィング電源、5₁〜5₆はトランジスタブリッジ、Tr₁₆〜Tr
₂₁はパワーMOSFET、SW₁はスイッチ、Rx₁〜Rx₆は保護抵
抗、Rs₁〜Rs₃は制限抵抗、D₄〜D₆はダイオード、Ra₁〜R
a₆は制限抵抗である。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ブラシレスモータの位置検出器から発生す
る電気的に２π/3の位相を持つ３相の位置信号を入力と
し、３相バイポーラ駆動回路に必要な所定の信号列を作
る分配回路と、この分配回路出力と電流制御用PWM信号
を合成するゲート回路と、このゲート回路出力により１
組のパワーMOSFETハーフブリッジの下側のゲートを駆動
する第１のトランジスタブリッジと、グランドを抵抗と
コンデンサとで分離したフローティング電源と、フロー
ティング電源を電源として分配回路出力にて上記パワー
MOSFETハーフブリッジの上側のゲートを駆動する第２の
トランジスタブリッジとを備えた充電式工具用ブラシレ
スモータ駆動回路において、上記分配回路、トランジス
タブリッジ、フローティング電源等からなる制御回路へ
の電源供給を１つのスイッチにより電池電源より行うよ
うにしたことを特徴とする充電式工具用ブラシレスモー
タ駆動回路。
【請求項２】上記パワーMOSFETのゲート・ソース間にオ
ープン保護抵抗を接続したことを特徴とする請求項１記
載の充電式工具用ブラシレスモータ駆動回路。
【請求項３】上記フローティング電源のコンデンサに流
れる充電電流を制限する制限抵抗を該コンデンサと直列
に設けたことを特徴とする請求項１記載の充電式工具用
ブラシレスモータ駆動回路。
【請求項４】上記第２のトランジスタブリッジはNPN型
のトランジスタとPNP型のトランジスタとで構成され、P
NP型のトランジスタのコレクタに逆流防止用の整流素子
を設けたことを特徴とする請求項１記載の充電式工具用
ブラシレスモータ駆動回路。
【請求項５】上記両トランジスタブリッジはNPN型のト
ランジスタとPNP型のトランジスタとで構成され、PNP型
のトランジスタのエミッタとパワーMOSFETのゲートとの
間に該パワーMOSFETのオフ時に流れる放電電流を制限す
る制限抵抗を設けたことを特徴とする請求項１記載の充
電式工具用ブラシレスモータ駆動回路。