TW201429148A - 直流馬達模組及其功率驅動裝置 - Google Patents

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Abstract

一種功率驅動裝置包含有六個半導體開關以及三個具有反向崩潰(reverse breakdown)效應之二極體，該等半導體開關分別具有一第一端及一第二端，且該等半導體開關區分有三個上臂半導體開關、及三個下臂半導體開關；其中，該等上臂半導體開關之第一端互相電連接，且其第二端分別與一三相線圈之各個相線圈電連接；該等下臂半導體開關之第二端相互電連接，且其第一端分別與各該上臂半導體之第二端電連接；該等二極體分別具有一正極及一負極；該等二極體之正極分別與各該上臂半導體開關之第二端電連接，而其負極則分別與各該上臂半導體開關之第一端電連接。

Description

直流馬達模組及其功率驅動裝置
本發明係與馬達有關，更詳而言之是指一種直流馬達模組及其功率驅動裝置。
按，一般直流無刷馬達通常具備有一組三相線圈，一組功率驅動裝置、以及一組控制電路。其中，該功率驅動裝置是由六個金屬氧化物半導體場效電晶體(MOSFET)做為電子開關，並透過該控制電路來操控該等電子開關之導通或斷開來決定該三相線圈中的哪一個相線圈導通，進而控制每一相的時序，而可有效率地驅動直流馬達運轉。
然而，上述之功率驅動裝置的主要作用是用來導通或斷開通過各個相線圈之電流，而在同樣功率下，馬達低壓運轉時，每一相的線圈將會通過較大之電流，而使得各個電子開關則必須耐高電流才能防止燒毀。另外，電子開關於高速導通或斷開時，各線圈將會因反電動勢而產生高於工作電壓數倍的高壓突波，尤其在重載的情況下，對應產生之高壓突波亦會越高。是以，電子開關則除必須耐大電流外，亦須選用耐壓大於高壓突波的金屬氧化物半導體場效電晶體才不致被高壓突波擊穿。
以功率小於500瓦的直流無刷馬達為例，於供電20伏特的系統上，其功率驅動裝置基於安全考量，大多採用耐壓高於70伏特，且更要可承受30安培左右的大電流長時間流過。而 此種須耐高壓及大電流之金屬氧化物半導體場效電晶體，不僅成本較高，且包裝體積較大。另外，此種金屬氧化物半導體場效電晶體於承受高電流時，會產生許多廢熱，而使其外部必須增加散熱片才可避免因高熱而燒毀。
如此一來，若馬達要小型化設計的話，則必須將功率驅動裝置設置於其外殼之外，但此種設計不僅會造成接線雜亂，且分開設置的方式亦容易因馬達震動而導致接線鬆脫。是以，由上述說明可得知，習用之直流馬達以及功率驅動裝置之設計仍未臻完善，且尚有待改進之處。
有鑑於此，本發明之主要目的在於提供一種直流馬達模組及其功率驅動裝置具有體積小、散熱佳以及低成本之優點。
緣以達成上述目的，本發明提供有一種直流馬達模組包含有一殼體、一組三相線圈、一功率驅動裝置以及一控制裝置。其中，該三相線圈設於該殼體中；該功率驅動裝置設於該殼體中，且包含有六個半導體開關以及三個具有反向崩潰(reverse breakdown)效應之二極體，該等半導體開關分別具有一第一端以及一第二端，且該等半導體開關區分有三個上臂半導體開關、以及三個下臂半導體開關；其中，該等上臂半導體開關之第一端互相電性連接，且其第二端分別與該三相線圈之各個相線圈電性連接；該等下臂半導體開關之第二端相互電性連接， 且其第一端分別與各該上臂半導體之第二端電性連接；該等二極體分別具有一正極以及一負極；該等二極體之正極分別與各該上臂半導體開關之第二端電性連接，而其負極則分別與各該上臂半導體開關之第一端電性連接；該控制裝置設於該殼體中，且於該等半導體開關電性連接，用以控制該等半導體開關導通或斷開。
依上述構思，該功率驅動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下臂半導體開關之第二端電性連接，其負極則分別與各該下臂半導體開關之第一端電性連接。
藉此，透過上述使用具有反向崩潰(reverse breakdown)效應之二極體的電壓保護設計，便可使該直流馬達模組使用成本低廉、耐壓較低、且材積較小之半導體開關。如此一來，便可使該直流馬達模組達到體積小、散熱佳、效率好以及低成本之目的。
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。
請參閱圖1至圖4，本發明較佳實施例之直流馬達模組係以直流無刷馬達做為基礎架構，其主要包含有一殼體10、以 及設於該殼體10內之一軸15、一組三相線圈20、一功率驅動裝置30與一控制裝置40。另外，由於其他用以構成直流無刷馬達之構件屬習用技術，於此容不再贅述。其中：
該軸15之兩端分別伸出至該殼體10外，且該三相線圈20分別為一第一相線圈U、一第二相線圈V以及一第三相線圈W，用以透過電磁作用而帶動該軸15轉動，而使該直流馬達模組呈內轉子之設計。當然，在實際實施上，除內轉子之設計外，亦可依需求改設計為外轉子之結構。
本發明之重點在於該功率驅動裝置30之設計，該功率驅動裝置30與該三相線圈20電性連接，且包含有一第一電路基板32、六個半導體開關34a、34b、六個具有反向崩潰(reverse breakdown)效應之二極體36。其中，該第一電路基板32佈設有預定之電路佈局(圖未示)，且其中央位置處具有一孔321可供該軸15穿過，如此一來，透過該孔321之設計，便可使該第一電路基板32設於該殼體10中且亦不會影響到該軸15之轉動。該等半導體開關34設置於該第一電路基板32上，且於本實施例中，各該半導體開關34a、34b係以單個金屬氧化物半導體場效電晶體(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，MOSFET)電路所構成，用以導通或阻斷電流通過，當然在實際實施上，亦可透過多個金屬氧化物半導體場效電晶體並聯之電路設計來達到相同之目的。該等半導體開關34a、34b分別具有一第一端(即MOSFET之汲極)以及一第二端 (即MOSFET之源極)，且該等半導體開關34a、34b區分有三個上臂半導體開關34a、以及三個下臂半導體開關34b。其中，該等上臂半導體開關34a之第一端互相電性連接，且電性連接至一伸出至該殼體10外之電源線路100，而其第二端則分別與該三相線圈20之各個相線圈U、V、W電性連接。該等下臂半導體開關34b之第二端相互電性連接，且連接至一伸出至該殼體10外之接地線路110，而其第一端則分別與各該上臂半導體34a之第二端電性連接。如此一來，當該電源線路100以及該接地線路110與一外部電源連接時，透過該等半導體開關34導通或斷開，便可決定該三相線圈20中的哪一個相線圈U、V、W與該電源線路100以及該接地線路110連接而導通。該等具有反向崩潰效應之二極體36設置於該第一電路基板32上，且於本實施例中，各該二極體36為一雪崩二極體(avalanche diode)，且分別具有一正極以及一負極。其中三個二極體36之正極分別與各該上臂半導體開關34a之第二端電性連接，而其負極則分別與各該上臂半導體開關34b之第一端電性連接。而另外三個二極體36之正極分別與各該下臂半導體開關34b之第二端電性連接，而其負極則分別與各該下臂半導體開關34b之第一端電性連接。
如此一來，當三相線圈20因反電動勢而產生高壓突波時，將造成對應之該二極體36反向崩潰，而使其產生反向崩潰電壓(約24~28伏特)，且瞬間異常高壓產生之焦耳數將被該二極 體36吸收而轉為熱能散溢，使得該半導體開關34a、34b兩端之電壓將被控制在該二極體36之反向崩潰電壓內。是以，透過上述將半導體開關34a、34b與二極體36並聯之設計，便可選用耐壓較低(僅略高於工作電壓以及反向崩潰電壓)之金屬氧化物半導體場效電晶體，做為半導體開關34a、34b之元件。舉例而言，當該直流馬達模組應用於供電20伏特，小於300瓦的直流無刷馬達系統上時，僅需選用市售之漏電源導通電阻(Rds-on)小於1.59毫歐姆，尺寸5X6 mm2，且耐壓約30伏特之金屬氧化物半導體場效電晶體即可。而上述規格之金屬氧化物半導體場效電晶體，可直接平貼設置於第一電路基板32上，且由於其漏電源導通電阻(Rds-on)較小，而使之於工作狀態下之發熱量亦為較低，而可直接透過該第一電路基板內佈設之銅箔進行導熱及散熱，加上該直流無刷馬達所內建之一風扇(圖未示)即可有效地達到散熱之效果，而無需再額外設置散熱片。如此一來，該等半導體開關34a、34b即使與該等二極體36並聯設置，相較習知技術所使用之耐壓70伏特以上的金屬氧化物半導體場效電晶體，習知技術不僅需使用成本較高的金屬氧化物半導體場效電晶體，亦需再額外設置散熱片，本發明所耗費之成本與設置之材積則相對低得多，而可有效地達到減少成本與小型化之目的。
另外，該控制裝置40與功率驅動裝置30電性連接，且包含有一第二電路基板42以及一控制電路44。該第二電路基板 42佈設有預定之電路佈局(圖未示)與該第一電路基板42之電路佈局電性連接，且其中央位置處同樣具有一孔421可供該軸15穿過，而可避免影響到該軸15之轉動。該控制電路44設置於該第二電路基板42上，且與該等半導體開關34a、34b電性連接，用以利用設置於該第二電路基板42另一面上之霍爾元件(圖未示)之偵測結果，控制該等半導體開關導通或斷開，而可有效率地驅動直流馬達運轉。當然，在實際實施上，亦可透過一控制線路120電性連接該控制裝置40且伸出至該殼體10外，藉由外部訊號操控該控制裝置40來控制該等半導體開關36a、36b，進而控制每一相的運轉時序。
藉此，透過上述之設計，除可有效地保護半導體開關34a、34b不會燒毀外，更可透過材積較小之元件選用，將該功率驅動裝置30與該控制裝置40可裝設於殼體內而呈一體化之設計，使該直流馬達模組除可有效地達到小型化，且更可避免元件之間的接線雜亂及鬆脫。
必須說明的是，本發明除使用雪崩二極體外，亦可依需求改用同樣具有反向崩潰(reverse breakdown)效應之齊納二極體(zener diode)或是瞬態電壓抑制器(Transient Voltage Suppressor，TVS)來達到高壓保護之效果，且在其它可行之實施態樣下，亦可僅透過三個具有反向崩潰(reverse breakdown)效應之二極體36分別與各該上臂半導體開關34a並聯之方式，來達到本發明高壓保護之效果。
再者，若本發明之直流馬達模組應用於高電流(如必須長時間流過80安培)之其它實施態樣下，本發明仍可額外設置散熱片，但因本發明之結構具有反向崩潰(reverse breakdown)效應之二極體36的設計，透過其可抑制瞬間異常高壓的特性，使與其並聯之半導體開關34a、34b的發熱量仍較習用技術低的多。而整體來說，本發明之直流馬達模組之發熱量、以及材積與製造耗費之成本仍較習用技術低的多。
又，上述直流馬達系統之設計除使用於直流無刷馬達之架構外，亦適用於如啟動時具有直流馬達特性之皮帶傳動啟動/發電一體化電機(Belt-driven Starter/Generator，BSG)、或是其他具有直流馬達特性之電路結構上。另外，因上述之車用發電機係設置於引擎室內，空間有限，需有緊實之結構，本功率驅動裝置可與電機整合於一體，藉以達到減少出線、以及可有效地縮小體積之目的。再者，其他舉凡應用本發明說明書及申請專利範圍所為之等效結構變化，理應包含在本發明之專利範圍內。
10‧‧‧殼體
15‧‧‧軸
20‧‧‧三相線圈
U‧‧‧第一相線圈
V‧‧‧第二相線圈
W‧‧‧第三相線圈
30‧‧‧功率驅動裝置
32‧‧‧第一電路基板
321‧‧‧孔
34a、34b‧‧‧半導體開關
36‧‧‧二極體
40‧‧‧控制裝置
42‧‧‧第二電路基板
421‧‧‧孔
44‧‧‧控制電路
100‧‧‧電源線路
110‧‧‧接地線路
120‧‧‧控制線路
圖1為本發明較佳實施例之立體圖；圖2為圖1之局部剖視圖；圖3為本發明較佳實施例之電路方塊圖；圖4為本發明功率驅動裝置之電路圖。
20‧‧‧三相線圈
U‧‧‧第一相線圈
V‧‧‧第二相線圈
W‧‧‧第三相線圈
30‧‧‧功率驅動裝置
34a、34b‧‧‧半導體開關
36‧‧‧二極體
100‧‧‧電源線路
110‧‧‧接地線路

Claims (10)

  1. 一種功率驅動裝置，用以與一三相線圈電性連接；該功率驅動裝置包含有：六個半導體開關，分別具有一第一端以及一第二端，且該等半導體開關區分有三個上臂半導體開關、以及三個下臂半導體開關；其中，該等上臂半導體開關之第一端互相電性連接，且其第二端分別與該三相線圈之各個相線圈電性連接；該等下臂半導體開關之第二端相互電性連接，且其第一端分別與各該上臂半導體之第二端電性連接；以及三個具有反向崩潰(reverse breakdown)效應之二極體，分別具有一正極以及一負極；該等二極體之正極分別與各該上臂半導體開關之第二端電性連接，而其負極則分別與各該上臂半導體開關之第一端電性連接。
  2. 如請求項1所述之功率驅動裝置，其中，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下臂半導體開關之第二端電性連接，其負極則分別與各該下臂半導體開關之第一端電性連接。
  3. 如請求項1所述之功率驅動裝置，其中，該具有反向崩潰(reverse breakdown)效應之二極體係一雪崩二極體(avalanche diode)。
  4. 如請求項1所述之功率驅動裝置，其中，該具有反向崩潰 (reverse breakdown)效應之二極體係一瞬態電壓抑制器(transient voltage suppresse，TVS)。
  5. 一種直流馬達模組，包含有；一殼體；一組三相線圈，設於該殼體中；一功率驅動裝置，設於該殼體中，且包含有：六個半導體開關，分別具有一第一端以及一第二端，且該等半導體開關區分有三個上臂半導體開關、以及三個下臂半導體開關；其中，該等上臂半導體開關之第一端互相電性連接，且其第二端分別與該三相線圈之各個相線圈電性連接；該等下臂半導體開關之第二端相互電性連接，且其第一端分別與各該上臂半導體之第二端電性連接；以及三個具有反向崩潰(reverse breakdown)效應之二極體，分別具有一正極以及一負極；該等二極體之正極分別與各該上臂半導體開關之第二端電性連接，而其負極則分別與各該上臂半導體開關之第一端電性連接；一控制裝置，設於該殼體中，且於該等半導體開關電性連接，用以控制該等半導體開關導通或斷開。
  6. 如請求項5所述之直流馬達模組，其中，該功率驅動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下臂半導體開關之第二端電性連接，其負極則分別與各該下臂半導體開 關之第一端電性連接。
  7. 如請求項5或6所述之直流馬達模組，更包含有一軸，設於該殼體內，且至少一端伸出至該殼體外；而該功率驅動裝置更包含有一第一電路基板，且該第一電路基板上具有一孔供該軸穿過；該等半導體開關與該等二極體係設置於該第一電路基板上。
  8. 如請求項7所述之直流馬達模組，其中，該控制裝置包含有一第二電路基板以及一控制電路，與該第一電路基板電性連接，且該第二電路基板上具有一孔供該軸穿過；該控制電路設於該第二電路基板上，且用以控制該等半導體開關導通或斷開。
  9. 如請求項5所述之直流馬達模組，更包含有一電源線路以及一接地線路，其中，該電源線路電性連接該等上臂半導體開關之第一端，且伸出至該殼體外；該接地線路電性連接該等下臂半導體開關之第二端，且伸出至該殼體外。
  10. 如請求項5所述之直流馬達模組，更包含有一控制線路，電性連接該控制裝置且伸出至該殼體外。
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