直流马达模块及其功率驱动装置制造方法
【专利摘要】一种功率驱动装置，包含有六个半导体开关以及三个具有反向崩溃效应的二极管，该些半导体开关分别具有一第一端及一第二端，且该些半导体开关区分有三个上臂半导体开关、及三个下臂半导体开关；其中，该些上臂半导体开关的第一端互相电连接，且其第二端分别与一三相线圈的各个相线圈电连接；该些下臂半导体开关的第二端相互电连接，且其第一端分别与各该上臂半导体的第二端电连接；该些二极管分别具有一正极及一负极；该些二极管的正极分别与各该上臂半导体开关的第二端电连接，而其负极则分别与各该上臂半导体开关的第一端电连接。
【专利说明】直流马达模块及其功率驱动装置
【技术领域】
[0001]本发明与马达有关，更详细地是指一种直流马达模块及其功率驱动装置。
【背景技术】
[0002]按，一般直流无刷马达通常具备有一组三相线圈，一组功率驱动装置、以及一组控制电路。其中，该功率驱动装置是由六个金属氧化物半导体场效晶体管(MOSFET)做为电子开关，并通过该控制电路来操控该些电子开关的导通或断开来决定该三相线圈中的哪一个相线圈导通，进而控制每一相的时序，而可有效率地驱动直流马达运转。
[0003]然而，上述的功率驱动装置的主要作用是用来导通或断开通过各个相线圈的电流，而在同样功率下，马达低压运转时，每一相的线圈将会通过较大的电流，而使得各个电子开关则必须耐高电流才能防止烧毁。另外，电子开关于高速导通或断开时，各线圈将会因反电动势而产生高于工作电压数倍的高压突波，尤其在重载的情况下，对应产生的高压突波亦会越高。是以，电子开关则除必须耐大电流外，亦须选用耐压大于高压突波的金属氧化物半导体场效晶体管才不致被高压突波击穿。
[0004]以功率小于500瓦的直流无刷马达为例，于供电20伏特的系统上，其功率驱动装置基于安全考虑，大多采用耐压高于70伏特，且更要可承受30安培左右的大电流长时间流过。而此种须耐高压及大电流的金属氧化物半导体场效晶体管，不仅成本较高，且包装体积较大。另外，此种金属氧化物半导体场效晶体管于承受高电流时，会产生许多废热，而使其外部必须增加散热片才可避免因高热而烧毁。
[0005]如此一来，若马达要小型化设计的话，则必须将功率驱动装置设置于其外壳之外，但此种设计不仅会造成接线杂乱，且分开设置的方式亦容易因马达震动而导致接线松脱。因此，由上述说明可得知，公知的直流马达以及功率驱动装置的设计仍未臻完善，且尚有待改进之处。
【发明内容】
[0006]本发明的目的在于提供一种直流马达模块及其功率驱动装置，使具有体积小、散热佳以及低成本的优点。
[0007]为实现上述目的，本发明提供的功率驱动装置，用以与一三相线圈电性连接；该功率驱动装置包含有:
[0008]六个半导体开关，分别具有一第一端以及一第二端，且该些半导体开关区分有三个上臂半导体开关、以及三个下臂半导体开关；其中，该些上臂半导体开关的第一端互相电性连接，且其第二端分别与该三相线圈的各个相线圈电性连接；该些下臂半导体开关的第二端相互电性连接，且其第一端分别与各该上臂半导体的第二端电性连接；以及
[0009]三个具有反向崩溃(reverse breakdown)效应的二极管,分别具有一正极以及一负极；该些二极管的正极分别与各该上臂半导体开关的第二端电性连接，而其负极则分别与各该上臂半导体开关的第一端电性连接。[0010]所述的功率驱动装置,其中，包含有另外三个具有反向崩溃(reversebreakdown)效应的二极管，且分别具有一正极以及一负极，而其正极分别与各该下臂半导体开关的第二端电性连接，其负极则分别与各该下臂半导体开关的第一端电性连接。
[0011]所述的功率驱动装置,其中，该具有反向崩溃(reverse breakdown)效应的二极管是一雪崩二极管(avalanche diode)。
[0012]所述的功率驱动装置,其中，该具有反向崩溃(reverse breakdown)效应的二极管是一瞬态电压抑制器(transient voltage suppresse, TVS)。
[0013]本发明提供的直流马达模块，包含有；
[0014]一壳体；
[0015]一组三相线圈，设于该壳体中；
[0016]一功率驱动装置，设于该壳体中，且包含有:
[0017]六个半导体开关，分别具有一第一端以及一第二端，且该些半导体开关区分有三个上臂半导体开关、以及三个下臂半导体开关；其中，该些上臂半导体开关的第一端互相电性连接，且其第二端分别与该三相线圈的各个相线圈电性连接；该些下臂半导体开关的第二端相互电性连接，且其第一端分别与各该上臂半导体的第二端电性连接；以及
[0018]三个具有反向崩溃(reverse breakdown)效应的二极管,分别具有一正极以及一负极；该些二极管的正极分别与各该上臂半导体开关的第二端电性连接，而其负极则分别与各该上臂半导体开关的第一端电性连接；
[0019]一控制装置，设于该壳体中，且于该些半导体开关电性连接，用以控制该些半导体开关导通或断开。
[0020]所述的直流马达模块，其中，该功率驱动装置包含有另外三个具有反向崩溃(reverse breakdown)效应的二极管,且分别具有一正极以及一负极,而其正极分别与各该下臂半导体开关的第二端电性连接，其负极则分别与各该下臂半导体开关的第一端电性连接。
[0021]所述的直流马达模块，其中，包含有一轴，设于该壳体内，且至少一端伸出至该壳体外；而该功率驱动装置包含有一第一电路基板，且该第一电路基板上具有一孔供该轴穿过；该些半导体开关与该些二极管设置于该第一电路基板上。
[0022]所述的直流马达模块，其中，该控制装置包含有一第二电路基板以及一控制电路，与该第一电路基板电性连接，且该第二电路基板上具有一孔供该轴穿过；该控制电路设于该第二电路基板上，且用以控制该些半导体开关导通或断开。
[0023]所述的直流马达模块，其中，包含有一电源线路以及一接地线路，其中，该电源线路电性连接该些上臂半导体开关的第一端，且伸出至该壳体外；该接地线路电性连接该些下臂半导体开关的第二端，且伸出至该壳体外。
[0024]所述的直流马达模块，其中，包含有一控制线路，电性连接该控制装置且伸出至该壳体外。
[0025]通过上述使用具有反向崩溃(reverse breakdown)效应的二极管的电压保护设计，便可使该直流马达模块使用成本低廉、耐压较低、且材积较小的半导体开关。如此一来，便可使该直流马达模块达到体积小、散热佳、效率好以及低成本的目的。【专利附图】
【附图说明】
[0026]图1为本发明较佳实施例的立体图；
[0027]图2为图1的局部剖视图；
[0028]图3为本发明较佳实施例的电路方块图；
[0029]图4为本发明功率驱动装置的电路图。
[0030]附图中主要组件符号说明:
[0031]10壳体；15轴；20三相线圈；U第一相线圈；V第二相线圈；W第三相线圈；30功率驱动装置；32第一电路基板；321孔；34a、34b半导体开关；36 二极管；40控制装置；42第二电路基板；421孔；44控制电路；100电源线路；110接地线路；120控制线路。
【具体实施方式】
[0032]本发明提供有一种直流马达模块包含有一壳体、一组三相线圈、一功率驱动装置以及一控制装置。其中，该三相线圈设于该壳体中；该功率驱动装置设于该壳体中，且包含有六个半导体开关以及三个具有反向崩溃(reverse breakdown)效应的二极管,该些半导体开关分别具有一第一端以及一第二端，且该些半导体开关区分有三个上臂半导体开关、以及三个下臂半导体开关；其中，该些上臂半导体开关的第一端互相电性连接，且其第二端分别与该三相线圈的各个相线圈电性连接；该些下臂半导体开关的第二端相互电性连接，且其第一端分别与各该上臂半导体的第二端电性连接；该些二极管分别具有一正极以及一负极；该些二极管的正极分别与各该上臂半导体开关的第二端电性连接，而其负极则分别与各该上臂半导体开关的第一端电性连接；该控制装置设于该壳体中，且于该些半导体开关电性连接，用以控制该些半导体开关导通或断开。
[0033]依上述构思，该功率驱动装置还包含有另外三个具有反向崩溃(reversebreakdown)效应的二极管,且分别具有一正极以及一负极，而其正极分别与各该下臂半导体开关的第二端电性连接，其负极则分别与各该下臂半导体开关的第一端电性连接。
[0034]为能更清楚地说明本发明兹举较佳实施例并配合附图作详细说明如后。
[0035]请参阅图1至图4，本发明较佳实施例的直流马达模块是以直流无刷马达做为基础架构，其主要包含有一壳体10、以及设于该壳体10内的一轴15、一组三相线圈20、一功率驱动装置30与一控制装置40。另外，由于其他用以构成直流无刷马达的构件属公知技术，于此容不再赘述。其中:
[0036]该轴15的两端分别伸出至该壳体10外，且该三相线圈20分别为一第一相线圈U、一第二相线圈V以及一第三相线圈W，用以通过电磁作用而带动该轴15转动，而使该直流马达模块呈内转子的设计。当然，在实际实施上，除内转子的设计外，亦可依需求改设计为外转子的结构。
[0037]本发明的重点在于该功率驱动装置30的设计，该功率驱动装置30与该三相线圈20电性连接，且包含有一第一电路基板32、六个半导体开关34a、34b、六个具有反向崩溃(reverse breakdown)效应的二极管36。其中，该第一电路基板32布设有预定的电路布局(图未示)，且其中央位置处具有一孔321可供该轴15穿过，如此一来，通过该孔321的设计，便可使该第一电路基板32设于该壳体10中且亦不会影响到该轴15的转动。该些半导体开关34设置于该第一电路基板32上，且于本实施例中，各该半导体开关34a、34b是以单个金属氧化物半导体场效晶体管(Metal-Oxide-Semiconductor Field-EffectTransistor,M0SFET)电路所构成,用以导通或阻断电流通过，当然在实际实施上，亦可通过多个金属氧化物半导体场效晶体管并联的电路设计来达到相同的目的。该些半导体开关34a, 34b分别具有一第一端(即MOSFET的漏极)以及一第二端(即MOSFET的源极)，且该些半导体开关34a、34b区分有三个上臂半导体开关34a、以及三个下臂半导体开关34b。其中，该些上臂半导体开关34a的第一端互相电性连接，且电性连接至一伸出至该壳体10外的电源线路100，而其第二端则分别与该三相线圈20的各个相线圈U、V、W电性连接。该些下臂半导体开关34b的第二端相互电性连接，且连接至一伸出至该壳体10外的接地线路110，而其第一端则分别与各该上臂半导体34a的第二端电性连接。如此一来，当该电源线路100以及该接地线路110与一外部电源连接时，通过该些半导体开关34导通或断开，便可决定该三相线圈20中的哪一个相线圈U、V、W与该电源线路100以及该接地线路110连接而导通。该些具有反向崩溃效应的二极管36设置于该第一电路基板32上，且于本实施例中，各该二极管36为一雪崩二极管(avalanchediode),且分别具有一正极以及一负极。其中三个二极管36的正极分别与各该上臂半导体开关34a的第二端电性连接，而其负极则分别与各该上臂半导体开关34b的第一端电性连接。而另外三个二极管36的正极分别与各该下臂半导体开关34b的第二端电性连接，而其负极则分别与各该下臂半导体开关34b的第一端电性连接。
[0038]如此一来，当三相线圈20因反电动势而产生高压突波时，将造成对应的该二极管36反向崩溃，而使其产生反向崩溃电压(约24?28伏特)，且瞬间异常高压产生的焦耳数将被该二极管36吸收而转为热能散溢，使得该半导体开关34a、34b两端的电压将被控制在该二极管36的反向崩溃电压内。通过上述将半导体开关34a、34b与二极管36并联的设计，便可选用耐压较低(仅略高于工作电压以及反向崩溃电压)的金属氧化物半导体场效晶体管，做为半导体开关34a、34b的组件。举例而言，当该直流马达模块应用于供电20伏特，小于300瓦的直流无刷马达系统上时，仅需选用市售的漏电源导通电阻(Rds-on)小于1.59奥姆，尺寸5 X 6cm2，且耐压约30伏特的金属氧化物半导体场效晶体管即可。而上述规格的金属氧化物半导体场效晶体管，可直接平贴设置于第一电路基板32上，且由于其漏电源导通电阻(Rds-on)较小，而使的于工作状态下的发热量亦为较低，而可直接通过该第一电路基板内布设的铜箔进行导热及散热，加上该直流无刷马达所内建的一风扇(图未示)即可有效地达到散热的效果，而无需再额外设置散热片。如此一来，该些半导体开关34a、34b即使与该些二极管36并联设置，相较公知技术所使用的耐压70伏特以上的金属氧化物半导体场效晶体管，公知技术不仅需使用成本较高的金属氧化物半导体场效晶体管，亦需再额外设置散热片，本发明所耗费的成本与设置的材积则相对低得多，而可有效地达到减少成本与小型化的目的。
[0039]另外，该控制装置40与功率驱动装置30电性连接，且包含有一第二电路基板42以及一控制电路44。该第二电路基板42布设有预定的电路布局(图未示)与该第一电路基板42的电路布局电性连接，且其中央位置处同样具有一孔421可供该轴15穿过，而可避免影响到该轴15的转动。该控制电路44设置于该第二电路基板42上，且与该些半导体开关34a、34b电性连接，用以利用设置于该第二电路基板42另一面上的霍尔组件(图未示)的侦测结果，控制该些半导体开关导通或断开，而可有效率地驱动直流马达运转。当然，在实际实施上，亦可通过一控制线路120电性连接该控制装置40且伸出至该壳体10外，藉由外部讯号操控该控制装置40来控制该些半导体开关36a、36b，进而控制每一相的运转时序。
[0040]由此，通过上述的设计，除可有效地保护半导体开关34a、34b不会烧毁外，还可通过材积较小的组件选用，将该功率驱动装置30与该控制装置40可装设于壳体内而呈一体化的设计，使该直流马达模块除可有效地达到小型化，且更可避免组件之间的接线杂乱及松脱。
[0041]必须说明的是，本发明除使用雪崩二极管外，亦可依需求改用同样具有反向崩溃(reverse breakdown)效应的齐纳二极管(zener diode)或是瞬态电压抑制器(TransientVoltage Suppressor, TVS)来达到高压保护的效果,且在其它可行的实施态样下,亦可仅通过三个具有反向崩溃(reverse breakdown)效应的二极管36分别与各该上臂半导体开关34a并联的方式，来达到本发明高压保护的效果。
[0042]再者，若本发明的直流马达模块应用于高电流(如必须长时间流过80安培)的其它实施态样下，本发明仍可额外设置散热片，但因本发明的结构具有反向崩溃(reversebreakdown)效应的二极管36的设计,通过其可抑制瞬间异常高压的特性,使与其并联的半导体开关34a、34b的发热量仍较公知技术低的多。而整体来说，本发明的直流马达模块的发热量、以及材积与制造耗费的成本仍较公知技术低的多。
[0043]又，上述直流马达系统的设计除使用于直流无刷马达的架构外，亦适用于如启动时具有直流马达特性的皮带传动启动/发电一体化电机(Belt-driven Starter/Generator,BSG)、或是其他具有直流马达特性的电路结构上。另外，因上述的车用发电机系设置于引擎室内，空间有限，需有紧实的结构，本功率驱动装置可与电机整合于一体，以达到减少出线、以及可有效地缩小体积的目的。再者，其他举凡应用本发明说明书及申请专利范围所为的等效结构变化，理应包含在本发明的专利范围内。
【权利要求】
1.一种功率驱动装置，用以与一三相线圈电性连接；该功率驱动装置包含有: 六个半导体开关，分别具有一第一端以及一第二端，且该些半导体开关区分有三个上臂半导体开关、以及三个下臂半导体开关；其中，该些上臂半导体开关的第一端互相电性连接，且其第二端分别与该三相线圈的各个相线圈电性连接；该些下臂半导体开关的第二端相互电性连接，且其第一端分别与各该上臂半导体的第二端电性连接；以及 三个具有反向崩溃效应的二极管，分别具有一正极以及一负极；该些二极管的正极分别与各该上臂半导体开关的第二端电性连接，而其负极则分别与各该上臂半导体开关的第一端电性连接。
2.如权利要求1所述的功率驱动装置，其中，包含有另外三个具有反向崩溃效应的二极管，且分别具有一正极以及一负极，而其正极分别与各该下臂半导体开关的第二端电性连接，其负极则分别与各该下臂半导体开关的第一端电性连接。
3.如权利要求1所述的功率驱动装置，其中，该具有反向崩溃效应的二极管是一雪崩二极管。
4.如权利要求1所述的功率驱动装置，其中，该具有反向崩溃效应的二极管是一瞬态电压抑制器。
5.一种直流马达模块，包含有； 一壳体; 一组三相线圈，设于该壳体中； 一功率驱动装置，设于该壳体中，且包含有: 六个半导体开关，分别具有一第一端以及一第二端，且该些半导体开关区分有三个上臂半导体开关、以及三个下臂半导体开关；其中，该些上臂半导体开关的第一端互相电性连接，且其第二端分别与该三相线圈的各个相线圈电性连接；该些下臂半导体开关的第二端相互电性连接，且其第一端分别与各该上臂半导体的第二端电性连接；以及 三个具有反向崩溃效应的二极管，分别具有一正极以及一负极；该些二极管的正极分别与各该上臂半导体开关的第二端电性连接，而其负极则分别与各该上臂半导体开关的第一端电性连接； 一控制装置，设于该壳体中，且于该些半导体开关电性连接，用以控制该些半导体开关导通或断开。
6.如权利要求5所述的直流马达模块，其中，该功率驱动装置包含有另外三个具有反向崩溃效应的二极管，且分别具有一正极以及一负极，而其正极分别与各该下臂半导体开关的第二端电性连接，其负极则分别与各该下臂半导体开关的第一端电性连接。
7.如权利要求5或6所述的直流马达模块,其中,包含有一轴，设于该壳体内，且至少一端伸出至该壳体外；而该功率驱动装置包含有一第一电路基板，且该第一电路基板上具有一孔供该轴穿过；该些半导体开关与该些二极管设置于该第一电路基板上。
8.如权利要求7所述的直流马达模块，其中，该控制装置包含有一第二电路基板以及一控制电路，与该第一电路基板电性连接，且该第二电路基板上具有一孔供该轴穿过；该控制电路设于该第二电路基板上，且用以控制该些半导体开关导通或断开。
9.如权利要求5所述的直流马达模块，其中，包含有一电源线路以及一接地线路，其中，该电源线路电性连接该些上臂半导体开关的第一端，且伸出至该壳体外；该接地线路电性连接该些下臂半导体开关的第二端，且伸出至该壳体外。
10.如权利要求5 所述的直流马达模块，其中，包含有一控制线路，电性连接该控制装置且伸出至该壳体外。
【文档编号】H02K29/00GK103904961SQ201210586787
【公开日】2014年7月2日 申请日期:2012年12月28日 优先权日:2012年12月28日
【发明者】魏成榖 申请人:车王电子股份有限公司