專利名稱：半導(dǎo)體器件控制裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種半導(dǎo)體器件控制裝置及方法，其可以用于例如驅(qū)動風(fēng)扇的風(fēng)扇電動機(jī)。
背景技術(shù)：
常規(guī)的半導(dǎo)體器件控制裝置用于控制各種電動機(jī)。一個例子是如圖5所示的電動機(jī)驅(qū)動控制裝置1。在該控制裝置1中，輸入信號處理電路3從電子控制單元(electronic control unit，ECU)2接收脈寬調(diào)制(pulse-width-modulated，PWM)信號形式的轉(zhuǎn)速命令信號，并將其轉(zhuǎn)換為對應(yīng)于該P(yáng)WM信號的占空比的電壓信號。該電壓信號被施加到PWM控制電路4。校正命令信號也從電源電壓校正電路5施加。ECU 2接收例如冷卻劑溫度傳感器(圖中未示)的輸出信號，該冷卻劑溫度傳感器檢測散熱器中的冷卻劑溫度，并根據(jù)檢測到的冷卻劑溫度輸出轉(zhuǎn)速命令信號。
PWM信號產(chǎn)生電路6基于電壓信號和校正命令信號產(chǎn)生PWM控制命令信號。三角信號產(chǎn)生電路7產(chǎn)生固定頻率(例如19kHz)的三角形形式的三角信號(載波)。電路6利用它的比較器(圖中未示)將PWM控制命令信號與三角信號進(jìn)行比較，以產(chǎn)生最后的PWM信號。驅(qū)動器電路8接收該P(yáng)WM信號，并根據(jù)該P(yáng)WM信號將驅(qū)動信號施加到N溝道MOSFET(金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管)9的柵極。
FET 9和電動機(jī)11的串聯(lián)電路與安裝在車輛上的電池10并聯(lián)。PET 9位于接地端，因此裝置1構(gòu)造為低端驅(qū)動系統(tǒng)。電動機(jī)11用于驅(qū)動散熱器(圖中未示)的風(fēng)扇11a。電動機(jī)11連接在1a和1b端之間。噪聲濾波器12構(gòu)造為包括線圈12a和電容器12b和12c的∏型濾波器。校正電路5連接到1b端，即，F(xiàn)ET 9的漏極，以響應(yīng)電動機(jī)11的端電壓。這樣，校正電路5產(chǎn)生校正命令信號，該校正命令信號隨著電池10的電壓的變化而變化。
二極管13連接在FET 9的漏極和噪聲濾波器12的輸入端之間。二極管13提供了通道以允許當(dāng)FET 9關(guān)閉時(shí)延遲電流能夠流過電池端。當(dāng)FET 9響應(yīng)19kHz的PWM信號反復(fù)開關(guān)時(shí)，F(xiàn)ET 9產(chǎn)生噪聲信號。噪聲濾波器12限制那些噪聲信號以免施加到電池端。
PWM信號的載波頻率設(shè)定為19kHz，該頻率接近可聽頻率范圍的上限，因此電動機(jī)11由PWM控制時(shí)產(chǎn)生的聲音令人耳難以忍受。為此，噪聲濾波器12對于克服切換噪聲是很必要的。由于線圈12a以及電容器12b、12c的尺寸較大，噪聲濾波器12占用了相當(dāng)大的安裝空間。進(jìn)一步地，由于FET 9的切換頻率較高，切換損耗較大，并且FET 9生熱較多，需要大的散熱片。這樣，最終裝置1的尺寸變得很大。
為了克服這個缺點(diǎn)，JP P2002-142494A建議將用于驅(qū)動風(fēng)扇電動機(jī)11的PWM信號的載波頻率設(shè)定到非常低的頻率，可以低于幾十(Hz)。在這種建議的非常低的頻率下，當(dāng)風(fēng)扇11a旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的咝音降低。相反地，由于風(fēng)扇11a的轉(zhuǎn)速非常低，振動聲顯著增大，變得令人耳難以忍受。
如圖6所示，風(fēng)扇電動機(jī)11可以利用控制裝置14的模擬電壓代替PWM控制來進(jìn)行驅(qū)動。該裝置14包括模擬驅(qū)動器電路15，用于控制施加到風(fēng)扇電動機(jī)11的模擬電壓。模擬驅(qū)動器電路15通過將從輸入處理電路3施加的電壓信號調(diào)整到適合驅(qū)動FET 9的電平，來產(chǎn)生FET 9的柵極電壓。在控制裝置14中沒有提供噪聲濾波器或者二極管。由于FET 9被驅(qū)動在線性區(qū)域(不飽和區(qū)域)進(jìn)行操作，并且在電動機(jī)控制期間電流持續(xù)流過FET 9，因此FET 9生熱較大，從而需要很大的散熱片。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的一個目的是提供一種不需噪聲濾波器或者大的散熱片的半導(dǎo)體器件控制裝置和方法。
半導(dǎo)體器件控制裝置用于使風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)的電動機(jī)。在該裝置中，半導(dǎo)體器件串聯(lián)到電動機(jī)以驅(qū)動該電動機(jī)。模擬驅(qū)動器電路利用模擬電壓驅(qū)動半導(dǎo)體器件。PWM控制電路利用頻率低于幾十的PWM信號驅(qū)動半導(dǎo)體器件。當(dāng)電動機(jī)要以低于和高于預(yù)定速度旋轉(zhuǎn)時(shí)，切換控制電路分別選擇模擬驅(qū)動器電路和PWM控制電路。結(jié)果是，通過在低轉(zhuǎn)速下利用模擬電壓驅(qū)動電動機(jī)，抑止了電動機(jī)的振動聲。進(jìn)一步地，通過在高轉(zhuǎn)速下利用低頻PWM信號驅(qū)動電動機(jī)，電動機(jī)振動聲被風(fēng)扇咝音掩蓋。


通過下面的參照附圖的詳細(xì)描述，半導(dǎo)體器件控制裝置和方法的其它特性和優(yōu)點(diǎn)將會更加明顯。其中圖1的電子電路圖說明了作為半導(dǎo)體器件控制裝置的一個實(shí)施例的車輛風(fēng)扇電動機(jī)驅(qū)動控制裝置；圖2的圖形說明了與施加到風(fēng)扇電動機(jī)的電壓相比的風(fēng)扇電動機(jī)的噪聲電平；圖3的圖形說明了與施加到風(fēng)扇電動機(jī)的電壓相比的風(fēng)扇電動機(jī)的轉(zhuǎn)速；圖4的電子電路圖說明了作為半導(dǎo)體器件控制裝置的另一實(shí)施例的車輛風(fēng)扇電動機(jī)驅(qū)動控制裝置；圖5的電子電路圖說明了常規(guī)的車輛風(fēng)扇電動機(jī)驅(qū)動控制裝置；以及圖6的電子電路圖說明了另一種常規(guī)的車輛風(fēng)扇電動機(jī)驅(qū)動控制裝置。
具體實(shí)施例方式
首先參照圖1，車輛風(fēng)扇電動機(jī)驅(qū)動控制裝置21作為半導(dǎo)體器件控制裝置。該控制裝置21類似圖5和圖6中所示的控制裝置。因此，只相對于與圖5和圖6的差異來描述控制裝置21。
在控制裝置21中，PWM控制電路23除了PWM信號產(chǎn)生電路6和驅(qū)動器電路8之外，還具有三角信號產(chǎn)生電路22。三角信號產(chǎn)生電路22產(chǎn)生50Hz頻率的三角信號。開關(guān)24用于選擇PWM控制電路23產(chǎn)生的PWM信號或者模擬驅(qū)動器電路15產(chǎn)生的模擬控制信號，并將所選的信號施加到半導(dǎo)體器件FET 9的柵極。開關(guān)24的切換操作受切換控制電路25控制，該切換控制電路25響應(yīng)輸入信號處理電路3所產(chǎn)生的命令信號(命令電壓)的輸出電平(例如，0伏至5伏)。
切換控制電路25可以構(gòu)造有比較器(圖中未示)，該比較器將命令信號與閾值電平Vth相比較。該閾值電平Vth可以是6V。因此，當(dāng)輸入處理電路3的命令信號在相對于電池10的供應(yīng)電壓(12V)的0V至6V的低電壓范圍內(nèi)和高于6V的高電壓范圍內(nèi)時(shí)，切換控制電路25驅(qū)動開關(guān)24分別將FET 9連接到模擬驅(qū)動器電路15和PWM控制電路23。
圖2顯示了在三種控制方法，即50Hz PWM控制、19kHz PWM控制以及模擬電壓(線性且非PWM)控制下，電動機(jī)11和風(fēng)扇11a的旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的噪聲的聲壓[dB]相對于電動機(jī)電壓[V]的關(guān)系。本圖中，縱軸的聲壓用每個聲壓相對于參考情況下的聲壓的比率來表示，該參考情況是19kHz PWM控制下施加到電動機(jī)11的電壓為13V。每個聲壓在可聽頻率范圍內(nèi)，即20Hz至20kHz之內(nèi)，通過使用1/3倍頻程分析方法進(jìn)行測量。
圖3顯示了在上述三種控制方法下，電動機(jī)11和風(fēng)扇11a的轉(zhuǎn)速與施加到電動機(jī)11的電壓的關(guān)系。由圖3可知，電動機(jī)11的轉(zhuǎn)速基本上成比例地隨著施加到其上的電壓的改變而改變。進(jìn)一步地，在該三種不同的控制方法中，電動機(jī)11的轉(zhuǎn)速彼此沒有不同。
但是，由圖2可知，在電動機(jī)電壓的整個范圍內(nèi)，即約3V至13V的范圍內(nèi)，19kHz PWM控制和模擬電壓控制之間的噪聲電平并沒有非常不同。在電動機(jī)電壓小于某個電壓，例如對應(yīng)于大約1000轉(zhuǎn)每分(rpm)的6V，的范圍內(nèi)，50Hz PWM控制的情況下的振動聲開始大于其它兩種控制情況下的振動聲。這種差異隨著電動機(jī)電壓降低而增大。因此，用于切換開關(guān)24的切換控制電路25的閾值電平Vth最好設(shè)定為6V，在該電壓附近，低頻PWM控制下的電動機(jī)11的振動聲通常等于風(fēng)扇11a的咝音。也就是說，設(shè)定閾值電平Vth以滿足下列關(guān)系低頻PWM控制下的咝音≥電動機(jī)振動聲因此，依據(jù)本實(shí)施例，當(dāng)施加到電動機(jī)11的電壓在0V至6V的范圍內(nèi)時(shí)，控制裝置21通過模擬驅(qū)動器電路15的模擬電壓控制來驅(qū)動電動機(jī)11以降低振動聲。當(dāng)施加到電動機(jī)11的電壓是6V時(shí)，控制器件21通過PWM控制電路23的低頻PWM控制來驅(qū)動電動機(jī)11，以降低FET 9中的電流和生熱。電動機(jī)高轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)風(fēng)扇11a產(chǎn)生的咝音相對較高。結(jié)果是，電動機(jī)11的振動聲將被風(fēng)扇11a的咝音掩蓋，即使在低頻PWM控制下驅(qū)動電動機(jī)11。
如上所述，當(dāng)來自外部的電動機(jī)轉(zhuǎn)速命令低于和高于閾值電平Vth時(shí)，F(xiàn)ET 9分別由模擬驅(qū)動器電路15的模擬電壓控制和PWM控制電路23的低頻(例如50Hz)PWM控制進(jìn)行驅(qū)動。因此，克服了低轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的電動機(jī)振動聲問題，并且不需要噪聲濾波器或大的散熱片就能達(dá)到低頻PWM控制的優(yōu)點(diǎn)。
如圖4所示，上述實(shí)施例可以變形。在該變形的實(shí)施例中，提供了FET 9a和9b分別在低頻PWM控制方法和連續(xù)電壓控制方法下驅(qū)動電動機(jī)11。因此，切換控制電路25連接到PWM控制電路23用于驅(qū)動FET 9a，連接到模擬驅(qū)動器電路15用于驅(qū)動FET 9b。
上述實(shí)施例可以以下述方式變形。FET 9、9a、9b可以連接在電池10的高電勢端。半導(dǎo)體器件9、9a、9b可以是P溝道MOSFET、功率晶體管或者IGBT。低頻PWM控制可以使用其它低于幾十Hz的頻率來實(shí)現(xiàn)。閾值電平Vth可以根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)范如電動機(jī)11和風(fēng)扇11a的額定值而變化?？梢栽谀M電壓控制和低頻PWM控制之間的切換處提供滯后(hysteresis)。電動機(jī)11可以用于驅(qū)動除了散熱器風(fēng)扇11a之外的各種風(fēng)扇。
權(quán)利要求
1.一種用于電動機(jī)(11)的控制裝置，所述電動機(jī)使風(fēng)扇(11a)旋轉(zhuǎn)，所述裝置包括半導(dǎo)體器件(9、9a、9b)，串聯(lián)到所述電動機(jī)，以當(dāng)被接通時(shí)驅(qū)動所述電動機(jī)；模擬驅(qū)動器電路(15)，用于利用模擬電壓驅(qū)動所述半導(dǎo)體器件；PWM控制電路(23)，用于利用頻率低于幾十的PWM信號驅(qū)動所述半導(dǎo)體器件；以及切換控制電路(25)，用于當(dāng)所述電動機(jī)要以低于和高于預(yù)定速度的速度旋轉(zhuǎn)時(shí)，分別選擇所述模擬驅(qū)動器電路和所述PWM控制電路。
2.如權(quán)利要求1所述的控制裝置，其中，所述半導(dǎo)體器件(9、9a、9b)是單個開關(guān)晶體管。
3.如權(quán)利要求1所述的控制裝置，其中，所述半導(dǎo)體器件(9、9a、9b)包括兩個可通過所述切換控制電路選擇的開關(guān)晶體管(9a、9b)，所述開關(guān)晶體管的一個和另一個分別由所述模擬電壓和所述PWM信號驅(qū)動。
4.如權(quán)利要求1所述的控制裝置，其中，所述切換控制電路(25)執(zhí)行具有滯后的選擇的切換。
5.如權(quán)利要求1至4中任一項(xiàng)所述的控制裝置，其中，所述預(yù)定速度為每分鐘大約1000轉(zhuǎn)。
6.如權(quán)利要求5所述的控制裝置，其中，所述PWM信號的頻率為大約50Hz。
7.如權(quán)利要求1至4中任一項(xiàng)所述的控制裝置，其中，所述預(yù)定速度是所述風(fēng)扇的咝音和所述電動機(jī)的振動聲基本彼此相等時(shí)的速度。
8.一種用于電動機(jī)(11)的控制方法，所述電動機(jī)使風(fēng)扇(11a)旋轉(zhuǎn)，該方法包括將命令速度與預(yù)定速度進(jìn)行比較；當(dāng)所述命令速度低于所述預(yù)定速度時(shí)，利用模擬電壓驅(qū)動與所述電動機(jī)串聯(lián)的半導(dǎo)體器件(9、9a、9b)；以及當(dāng)所述命令速度高于所述預(yù)定速度時(shí)，利用頻率低于幾十的PWM信號驅(qū)動所述半導(dǎo)體器件。
9.如權(quán)利要求8所述的控制方法，其中，所述預(yù)定速度是所述風(fēng)扇的咝音和所述電動機(jī)的振動聲基本彼此相等時(shí)的速度。
10.如權(quán)利要求8或9所述的控制方法，其中，所述PWM信號的頻率為大約50Hz。
全文摘要
在用于使風(fēng)扇(11a)旋轉(zhuǎn)的電動機(jī)(11)的控制裝置中，半導(dǎo)體器件(9、9a、9b)與電動機(jī)串聯(lián)以驅(qū)動該電動機(jī)。模擬驅(qū)動器電路(15)利用模擬電壓驅(qū)動該半導(dǎo)體器件。PWM控制電路(23)利用頻率低于幾十的PWM信號驅(qū)動該半導(dǎo)體器件。當(dāng)電動機(jī)分別以低于和高于預(yù)定速度的速度旋轉(zhuǎn)時(shí)，切換控制電路(25)分別選擇模擬驅(qū)動器電路和PWM控制電路。
文檔編號H02P7/18GK1812249SQ20051009707
公開日2006年8月2日 申請日期2005年12月31日 優(yōu)先權(quán)日2005年1月24日
發(fā)明者金森淳, 吉村聰史 申請人:株式會社電裝