专利名称：改进的电动机控制电路及电路外壳的制作方法
该申请是美国专利申请系列号NO.08/186,971(1994年1月27日为申请日，现在为美国专利US5,414,792,1995年5月9日公告)的继续。
本发明总地涉及电动机控制电路，电路构架及电路外壳。本发明尤其涉及DC电动机的控制，该电动机的速度由节流器的工作确定，其中需要小于直流电源通过电动机全部放电并对其预计有大电流及高温度的环境。更经常地，本发明将适用于与电池供电的动车有关的DC电动机控制。
为了摆脱依赖矿物燃料的努力导致了电驱动引擎及电动机使用的增加，尤其是它们可用于有人或无人驾驶的动车。与广泛使用这种电动车相关的最重要问题之一是必须维持足够的直流电功率源以便长时间地使用电动车。新的电池技术已经使直流功率储存装置的尺寸和重量减少，但并未一起解决电池频繁充电的问题。因此在这类动车中储存功率的有效使用是至关重要的。
电驱动电动机的有效使用主要是直流电源输出功率的调节问题，其方式是仅使用对选择速度被引擎或电动机所需用的功率。过去，电动机控制电路被设计成基于最大可能需要的预期电动机速度对最大电流调节直流电源，并当电动机不需要这样大幅值的电流时使任何超出的电流输出到某些另外的负载上。大多数情况下，这种超出的不需要的电流或电压电位的输出导致了这种功率的浪费及电源使用效率下降的后果。
早期类型的电动机控制器典型地使用一组电阻负载提供改变从电源输出的电流。这种电阻负载可以与电动机串联或并联并根据电动机所需电流切掉或投入。但是，众知，这种电阻负载从电池吸取大电流并以热的形式消耗电能。因而这就使电动机效率变低或使它驱动的动车的效率变低。
过去已对从直流电源流到电动机的电流的调节作出努力，其方式不是简单地使电流分到其它的负载中，这种努力集中在使用固态开关器件使电流脉动地通过电动机，方式为在电源及主要负载(电动机)之间有效地以特定频率打开及关闭电路。脉冲的持续时间或脉冲宽度直接地与所需电动机速度有关。速度愈大，其中流过电动机的电流是全导通状态的电流脉冲宽度愈长。所需速度愈低，其中流过电流是关断状态的电流脉冲愈长。通过电动机的电流总是或全导通或全关断状态，由其通宽度与关断宽度的比确定电动机速度。使用诸如可控硅整流器(SCRs)及金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFETs)这类固态开关器件在这些应用方面表现有很大前途。
但是，使用SCR及MOSFET器件的电路其效率仅取决它们将所需电动机速度的某些节流指标转换成适当的电位的能力及处理控制电动机使用的脉冲频率的能力。该效率包括注入电路可靠性及整体电动机及动车的安全并获得较长的充电周期的能力。该效率也包括这种电路及开关器件持续地在高温环境中工作的能力。过去对使用如SCRs及MOSFETs这些固态电路器件的尝试不仅遇到可靠性及耐久性的问题，而且也遭遇到希望受电路控制的电动机及装置未及的复杂性及价昂的问题。换句话说，过去为实现对流过DC电动机的电流调节控制的尝试是成功的，但这是以非常的复杂性，差的热性能及相关导致的缺乏可靠性及通用性为代价的。
这里涉及的应用中的固态电流开关器件典型地地被具有可变脉宽的方波信号控制。该控制方波信号是典型地由脉宽调制器产生的，它将给定电压(或电阻或电流)电平转换成相关的方波信号中的脉冲宽度。电压电平本身及由此方波脉冲宽度被设计来代表节流或电动机或电动机驱动的动车的控制位置。
虽然如上简述的基本脉宽调制技术是DC电动机控制领域中所公知的，但很少有人将该技术与电路设计，电路构架及电路外壳一起应用，以提供被使用DC电动机的工业应用所需的效率，特性，功能，恢复时间及热性能。这些电路及电路外壳的许多这样的所需特性及功能已被工业界所识别，并在某些程度上被讨论，但仅是与另外类型的引擎及推进系统相关的。因为内燃引擎及电动机的基本区别，很少与前者有关的控制系统能被在后者上实施。
因此电动控制电路、电路构架及电路外壳应有的优点不仅是提供DC电动机的有效工作，而且要提供可靠及耐光的装置。
本发明将提供具有改进效率及可靠性的特性的固态功率控制器。一方面，多个功率晶体管并联布置，以使至少一种引线(源极、栅极及漏极)被电连接到载流条上。优选实施例为二种或所有三种引线均电连接到各载流条上。尤其是最佳实施例为一种或多种源极、栅极及漏极引线直接地连接到各个载流条上。另一方面，晶体管包括MOSFET，它被至少在19,600Hz频率下产生脉冲的导通比调制器驱动。尤其考虑该功率控制器可在电动车上实施，用于功率控制器的主要电源为电池。又一方面，电路构架结构可包括电池电压母线条，用于将电池电压直接与DC电动机电路相连接，及续流整流器组件，它通过DC电动机连接在电池电压母线条及装置的源极母线条之间。一组储能/滤波电容器可通过电池连接在电池电压母线条及装置的漏极母线条之间。
因此，本发明的一个目的是提供具有可靠的、有效的及热稳定的调节DC电源通过负载放电的装置的实施例，电源如为电池，而负载如为电动机。本发明另一有关目的是提供可靠的，有效的，及热稳定的DC电动机速度/转矩及/或该电动机驱动的动车的速度/加速度的调节装置。
本发明的又一目的是提供具有使直流电源与电路中或动车中的所有重要的供电点在电动机和/或动车处于“关断”状态下相隔离的电路的实施例。
本发明的另一目的是提供具有能与不同类型的节流位置电路一起工作的电动机控制电路的实施例，它对多种车辆要求及DC电动机结构是通用的。
本发明的又一目的是提供具有能与节流位置电路一起工作的电动机控制电路的实施例，它很不受电压、温度及另外故障的影响，并极不受电路及电路外壳内部及外部状态的影响。
本发明的另一目的是提供具有电动机控制电路构架及外壳结构的实施例，它使对温度敏感的电流路径减至最小，减少了电路内的阻热源及还通过使用有效的热质量消除剩余的热。
为了完成这些及另外的目的，一个特别优选的实施例提供了一种固态电动机控制电路，它可与各种节流装置一起工作，该控制电路包括车辆操作禁止电路，脉宽调制电路，反相MOSFET驱动电路，多个功率MOSFET器件，电压调节电路及外部DC电动机相联的电流输出电路。这些电路元件相组合，以将机械节流位置转换成电压、电流或电阻值信号，它们可被脉宽调制电路转换成脉冲波形的信号，它适于驱动一组MOSFET固态开关，用于控制流过DC电动机的电流。该电路使用多个并联MOSFET器件，它们的控制极受脉宽调制信号的调节，及共享外部DC电动机的负载。该电路将DC电源与电路中功率吸取元件相隔离。该电路包括提高整体电路可靠性的内部元件并同时仍提供应用的通用性。虽然本发明的电路涉及电压调节元件，它也涉及欠压与过压保护和重要的信号滤波电平。该电路构架提供了有效的散热器/热质量结构，以处理器高速开关器件及电流通路结构产生的热，并使电路的大电流部分减至最少。该电路结构减少了电流节点的数目及消除了该控制电路中的常规可熔断连接。在电路中使用开关驱动器以防止大电流开关的无意触发。在特定的高电流高温环境中，本发明的构架及外壳提供了有效的强迫风冷结构以进一步增加器件的可靠性及效率。
在阅读以下参照附图的详细说明后，对于本领域的熟练技术人员将会弄清本发明相对现有技术的优点及另外的目的。
图1是本发明第一实施例的电动机控制电路，电路构架，及电路外壳的结构构型透视图；图2A是图1所示的本发明实施例的电动机控制电路的部分组装透视图，表示载流母线条的布置及结构；图2B是图1中所示本发明的电动机控制电路的侧视图；图2C是图1中所示本发明的电动机控制电路的侧视图；图3A是图1中所示电路的源极母线条的透视图；图3B是图1中所示电路的接地母线条的透视图；图3C是图1中所示电路的B+母线条的透视图；图4是本发明第一优选实施例外壳及顶板组件的分解透视图；图5是图1的组装后的电动机控制器的透视图；图6是表示本发明第一优选实施例的电动机控制器的电路概图；图7是本发明通用电机控制器主要结构及功能元件的电路框图；图8是本发明电机控制器第二优选实施例的解体透视图；图9是本发明第二优选实施例的散热器-MOSFET安装结构的详细透视图；图10是本发明优选第二实施例的散热器-MOSFET安装结构的详细顶视图；图11是本发明第二优选实施例的强迫风冷导管结构的解体透视图；图12A及12B是本发明第二优选实施例的电机控制器电路的电子线路概图。
首先参照图1，2A，2B及2C对本发明的电动机控制电路的第一优选实施例的电子部件的结构布置作总的描述。图1是表示外壳及顶板移去后的、组装好的电动机控制器电路的透视图。图1至6所示的装置适用于低电压(364)的应用，虽然该装置的基本结构及功能特征均适于更高电压的应用。
本发明的电动机控制电路组件(10)被构成在基板(12)上。本发明的大多数分立电子部件被安装在电路控制板(14)上，总地如图1中所示。电路板(14)连接到三个母线条(16)，(18)及(20)上，以下将更详细描述。母线条(16)以下被称为“源”或“S1”母线条(16)，它提供适于对DC串激电动机供电的一侧DC电压。母线条(18)，以下被称为“地”母线条(18)，它经过本发明的控制电路提供电动机及电池电路之间的主要接地连接。母线条(20)以下被称为“B+”母线条(20)，它提供涉及本发明的串激电动机的DC电池电压。
在与本发明有关的大型电子器件中，在本发明的该优选实施例中电容器(22a)及(22b)为10,000微法的电容器(Cornell Dubilier部件号139R732M055AC213)。电容器(22a)连接在B+母线臂(36)上的B+母线条(20)及地母线条(18)之间。类似地，电容器(22b)连接在B+母线臂(34)上的B+母线条(20)及地母线条(18)之间。B+母线条(20)通过二极管(24)(国际整流器部件号1R403NQ100)被保持在S1母线条(16)分开的位置上，如参照图2B及2C更详细地被看到的。此外，B+母线条(20)通过母线条绝缘体(28)与基板(12)隔开及电绝缘。
二极管(24)，B+母线条(20)及母线条绝缘件(28)在二极管(24)的腿(26)处通过孔(30)被安装在基板(12)上。在二极管(24)的另一对立端上设置了类似的安装结构，但它在图1所示的透视图上被挡着。
S1母线条(16)通过图1中未示出的孔及借助螺杆(32)安装在上述组件上。接地母线条(18)借助一组接地连接接触螺丝(44)(图1中部分地被电容器(22b)挡着)固定在该组件上，以下将更详细描述，并且接地母线条也连接到电容器(22a)及(22b)。在上述电容器(22a)及(22b)的连接点上跨接了浪涌抑制器(38a)及(38b)(General Instruments部件号SKP40A)。对这些浪涌抑制器(38a)及(38b)的功能将在下面结合图更详细地描述。浪涌抑制器(38a)及(38b)与电容器(22a)及(22b)的连接是借助于端柱(40)及连接片(41)来实现的。
S1母线条(16)通过S1母线条腿(42)延伸到电路板(14)下面的区域上，并借助一组源接触端子(44)通过MOSFET器件(在图1中被挡着)连接在电路板上，以下将详细描述)。吸收组件(47)与接地母线条(18)及S1母线条(18)及S1母线条(16)相连接，该吸收组件由电阻48(10Ω，5％)及电容器(50)(0.1微法)组成。该吸收组件对电路的连接是借助S1母线条(16)上的端子点(46)及未示出的接地母线条(18)上的附加端子点来实现的。
现在参照图2A来详细说明本发明的母线条组件及改善涉及本发明电动机控制器的功率电流传导的基础。本发明的一个目的是对涉及本发明驱动电动机的主电动机电流提供经过开关器件的显著降低了电阻值的电流通路。换句话说，该目的是缩短提供电流源的电池及提供电流负载的电动机之间的电流通路。本发明的该目的在于以最大效率及尽可能功率守衡的形式控制流过一排MOSFET器件的电流。为了达到该目的，本发明利用了一组最佳构型的母线条，它通过在热效率结构及壳体中最佳定位的MOSFET器件使电池电源与电动机电流负载相连接。
因而，如图2A所示的母线条的布置用于以高效率方式安排本发明的每个大规模的电路电子元件，并同时以最少数目的连接点在电池电源及负载连接点之间、尤其是在系统的大电流元件之间提供最短的电流通路。
再次指出，本发明的母线条如图所示，被定位在基板(12)上。在图2A中将所有与电路有关的另外元件移走，以便看得清楚及更好地描述这些母线条的布置及功能。
尤其是，如图所示，S1母线条(16)包括大致彼此直角地定位的腿(13)及腿(15)。腿(13)用于固定安装母线条上方二极管(24)，这在图2A中未示出。腿(15)用于对MOSFET器件(33)的必要连接，这在图2 A中也未示出。腿(15)的连接是借助于被缺口(54)分隔开的连接片(52)来实现的。在该优选实施例中，具有三个这样的适于安装MOSFET器件(33)的连接片(52)，下面再详述。
接地母线条(18)通过直角区段(23)保持一个单腿(17)。与母线条(16)的腿(15)相似，母线条(18)的腿(17)持有多个被缺口(58)隔开的连接片(56)。对于MOSFET器件(33)的漏极端子与接地母线条(18)借助于连接片(56)的连接将在下面更详细的描述。此外，如上所述，电容器及浪涌抑制器连接在接地母线条(18)的竖立部分的端子点上。
B+母线条(20)由一个主腿(19)组成，如上所述，它通过绝缘件(28)直接地被安装在基板(12)上。主腿(19)上持有两个辅助竖条，参照图1在该优选实施例中称为竖条(34)及(36)。竖条(34)及(36)具有端子点(40)，如上所述，它们为电容器及浪涌抑制器提供安装点。
现在参照图2B及2C来进一步观察本发明该优选实施例的整个内部组件。
图2B是图1中所示组件的一个端部视图，它更清楚地示出母线条(16)，(18)及(20)的布置及它们的端于与电容器(22a)及(22b)的连接。电路板(14)在图2B中被挡着大部分。
并且，如上所述，图中B+母线(20)被表为放置在基板(12)上方并借助二极管(24)的腿(26)安装在基板上。在图2B中母线条(20)的竖条部分(34)及(36)被表示的侧面。二极管(24)以隔开距离放置在母线条(20)上方的母线条(16)上。螺杆(32)通过二极管(24)及通过母线条(20)将母线条(16)固定到基板(12)上。使用合适的套管来绝缘螺杆(32)。图中浪涌抑制器(38a)及(38b)被表示为它们借助连接片(41)连接在端子点(40)上，由此使电容器(22a)及(22b)跨接在B+母线条(20)及接地母线条(18)之间。图中接地母线条(18)被表示为在S1母线条(16)的上方有一直角部分(18a)，它未与S1母线条或螺杆(32)形成接触，后者将S1母线条(16)连接到二极管(24)及将B+母线条(20)连接到基板(12)。
现在参照图2C，它是图1中所示组件的侧视图，可以更好表示电路板(14)、MOSFET器件(33)及有关的母线条与其连接的位置。S1母线条(16)被表示为其主腿(15)从它向外伸出，二极管(24)的腿(26)被表示出其一个端部。并且，浪涌抑制器(38b)被表示为通过连接片(41)安装在端子点(40)上。电容器(22b)被表示出连接在同一端子(40)上的位置。在图2C中仅能部分地看到接地母线条(18)，在这里它绕S1母线条(16)转过一角度到达与S1母线条(16)平行的位置，如图2A中所示。
由图2C中侧向所示的电路板(14)具有连接端子(44)，它们中的三个与接地母线条(18)相连接及另三个与MOSFET的栅极相连接。
现在参照图3A，3B及3C来更详细的说明与本发明的电路相连接的母线条的具体结构构型。图3A表示S1母线条(16)，它表示该母线条的三个主腿。如上所述，支承腿(13)主要用于通过孔(51)使母条线(16)机械地附着在基板(12)上。借助主腿(15)，如上所述它包括被缺口(54)隔开的三个连接片(52)，形成从MOSFET源极端子到S1母条(16)的电连接。在该优选实施例中，在母线条(16)中在主腿(15)与结构支承腿(13)和竖立连接条(16a)的组合之间形成稍微的升高。该结构面的稍微变化提供了该母线条连同二极管(24)及B+母线条(20)的定位。
图3B更详细地表示接地母线条(18)的结构及功能。母线条(18)由两个主要部分、即竖立部分(18a)和主腿部分(17)组成。竖立部分(18a)及主腿(17)通过双弯角部分(23)相连接，它设计用于适当地定位竖立部分(18a)以接收电容器(22a)及(22b)并提供端子点(27)用于外部接地连接，及端子点(29)和(31)用于浪涌抑制器(38a)和(38b)，如上所述。类似S1母线条(16)，接地母线条(18)在其主腿(17)上包括三个被缺口(58)隔开的连接片(56)，它设置用来安装未示出的MOSFET器件上的漏极端子。图3A中的连接点(55)及图3B中的连接点(59)提供吸收组件(47)的连接。
现在参照图3C来详细描述本发明的B+母线条(20)。B+母线条具有三个电连接部分，一个位于B+母线条(20)端上的外部连接孔(25)及位于臂(34)和(36)端上的两个附加连接点(60a)和(60b)。臂(34)及(36)从B+母线条(20)的腿(19)竖立地向上延伸。在腿(19)的每端具有安装孔(30a)及(30b)。
现在参照图4来简要描述本发明该第一优选实施例的外壳结构。图4表示一个模压外壳(80)，它以封闭本发明除上面外全部电路的方式包围及安装在基板(12) (未示出)上。外壳(80)构成散热片结构(84)，以利于从基板(12)及含电路带走热量。外壳(80)也包含四个连接螺丝孔(86)，每个位于外壳(80)的四角的每角上，其方式为允许外壳(80)连接在基板12(上)。
连接在外壳(80)顶部的是顶板(82)，它具有类似构型的孔(90)，用于接收安装到外壳(80)及穿过外壳连接到基板(12)上的螺丝。在该优选实施例中顶板(82)还具有四个附加孔(92，94，96及98)，三个孔(92，94及96)适用于对外部端子连接器的接收，及第四孔(98)用于接收快速连接插座，以便连接到与本发明一起使用的节流电路/机构。
现在参照图5，它是本发明组装好的装置的透视图。这里，外壳(80)被表示为通过四个螺丝(102)与顶板(82)及基板(12)相连接，每个螺丝在一个角上。穿过顶板(82)伸出来自B+母线条(20)、接地母线条(18)及S1母线条(16)的外部连接端。在这些连接端的每个上围绕着一个适当构型的密封圈(100)。并且从顶板(82)伸出一个快速连接插座(104)，用于接收与本发明一起使用的节流机械的电缆。
在安装到基板(12)上以后，如图5所示，保留了孔(106)，这些孔可以使基板(12)并由此可使整个组装件安装到本发明该装置要安装到的一个表面上。该表面的重要安装特征是进一步有助于本发明的散热目的。
现在参照图6，它表示与本发明装置相关的基本电子电路的电路图。图6中所示的电路基本上重复了以上引证的本申请人与此共同申请等审查的其名称为“电节流器及电动机控制电路的专利申请中的附图。上述部分中所述的连接件涉及用于电路的结构装配，该电路包括J1(与图5中的连接件(104)相连接)，E1-E6(与图1，2B及2C中的连接件(44)相连接)，以及在图6中多个位置中所示的接地端子。
现在参照图6来详细说明本发明的控制电路。为了与适当的节流器连接器(例如图5中连接器(104)相配合，图6中的输入连接器(J1)提供插销的的布置及分配，以适应电压及节流器位置信号对电路的连接。输出连接器(J1)包括电路电压输出(110)，它将约+12VDC(通过电阻(121)有很小压降)提供给辅助电路元件例如节流器电路。接地连接点(111)类似地连接各个车辆电路之间的公共接地点。控制电压输入连接点(112)接收来自节流器装置的可变电压、电流或电阻输出并将它们传送到图6中的适当电路。DC电源电压输入端(113)用于接收电池电压(此实施例为+36VDC)并将它传送给电压调节电路(116)。最后，禁止信号输入端(114)将用于禁止电路(170)的接地状态(如果存在时)传送到图6中所示电路的适当部分。应当指出在连接器(J1)打开或取走的情况下，输入端(114)将变为高电位并禁止该电路。
现在参照图6的电压调节电路(116)并详细描述它包括的元件。该电压调节电路(116)的核心是调节器集成电路(117)，它在该优选实施例中是LT317AT集成电路。输入到调节器IC的输入电压是通过抑制噪音电感器(118)(0.5微亨)及电阻(119)(10Ω，3瓦)提供的。电压调节器(117)的输出电压是+12DC，它供给本发明的多个电路。通过输出电阻(121)(47Ω)将电压通过连接器(J1)回馈给车辆的辅助电路元件。由电容(127)(0.22微法)提供输出电压的滤波。通过电阻(122)(232Ω)提供电压及由电阻(126)(2.0K)保持并提供适当电位调节器IC(117)的调节输入端，并通过短路保护二极管(128)(在该实施例中为IN914)使输出电路电压具有适当形状。这些输出电压被电容(124)(10微法)，(125)(15毫微法)，及(127)(0.22微法)适当地滤波。电压调节电路(116)的输出不仅如上所述回馈到一定的辅助元件，而且也供给图6中必要的电路元件，如如下将详细描述的。
图6中所示电路的主要元件是脉宽调制电路(132)。在该优选实施例中，该PWM电路类型为SG2524BDW的集成电路片。该集成电路的说明及它的各种应用是该领域中公知的并有关于该集成电路的出版物，这里结合作为参考。
涉及本发明申请的PWM电路(132)的内部电路元件信号放大器OPamp，比较器，振荡器，PWM锁存器，PWM输出电路，+5VDC电压参考，低压传感器，限流OPamp及禁止及关断开关电路。PWM电路(132)的信号放大器OP amp通过连接器(J1)上的连接点(112)从节流器/车辆传感电路接收可变电压信号。通过电阻(134及135)(在该实施例中总值为69.9K及它们可由单个电阻取代)，该信号电压被电阻(136)(100KΩ)偏置到地。PWM(132)中反相放大器的适当偏置也是通过电阻(137)(200KΩ)接地来提供的。对输入电压信号的滤波是通过电容器(140)(330微微法)提供的。内部放大器的输出被传送到内部比较器并通过被电阻(143(49.9K)偏置的电阻(141)(69.1K)回馈给放大器。反馈环由电容器(142)(0.1微法)滤波。由电阻(143)提供的偏置是由正偏电阻(144)(49.9K)辅助的，后者与参考电压+5VCD相连接。该参考电压被电容(145)对地(330微微法)滤波。内部比较器的另外输入从振荡器接收，后者提供专门频率的锯齿波以便实现由放大器输出的可变电压信号的脉宽调制。内部振荡器通过以下外部元件形成电阻(146)(19K)，电容(147)至地(3.3微微法)，及电容(148)(0.22微法)。电阻(146)及电容(147)的组合确定了振荡频率(在该实施例中的20KHz±2％)。电容器(148)提供对5VDC参考电压的噪音滤波。电阻(146)用于振荡频率的细调。
为了完善用于校正及控制P WMI C(132)所使用的外部元件，限流OP amp由限流电阻(150)(270K)，滤波电容(151)(10微法)至地，偏置电阻(152)(49.9K)，并将其输出可放大器并联成比较器。以下将详细描述本发明的限流器的工作特点。
IC(132)的工作电压通过+V电源电阻(160)(10Ω)由电压调节电路(116)提供。该电源电压通过滤波电容(161)到地(0.68微法)滤波。正偏电阻(162)(1K)接在P WMI C(132)输出的适当位置上。如图所示的P WMI C(132)检测涉及大电流及低电池充电状态的低电池/DC电源状态。在任一状态下，当电池电压降到低于28VDC时由P WMI C(132)逐渐地使γ输出限制到零。当电源供给该单元时电阻(150)及电容(151)的组合提供0.5秒的开通时间。
内部比较器将由振荡器器产生的锯齿滤与由放大器产生的可变电压相比较，并产生脉宽调制方法信号输到PWM锁存器，并由那里经过PWM输出电路输出。图6中输出电路表现为该优选实施例中所示IC标准内部元件的可证实的冗余使用。结合了并联输出来产生单脉宽调制信号以便使电路均衡。PWM锁存器简单地控制比较器的工作及输出，并防止输出信号未受控制的周期。该PWM锁存器的功能可用关断开关的禁止来修正，当需要时也可使用该优选实施例IC中的内部电路的该特点来中止P WMI C(132)的输出信号。
如上所述，由PWM电路(132)的并联输出是将外部结合到IC上并提供给反相电路(164)。PWM电路(132)的输出实际上对于使所需电流流到DC电动机中所需的MOSFET栅极电压是反相的。因此，在被控制电动机电流从MOSFET电路使用前，该方法输出必须被反相。该方波变换是借助反相放大器(165)(在该优选实施例中为Teledyne的部件TS4429EOAIC)的反相电路(164)来提供的。IC(165)包括一个反相结构的OP amP(运算放大器)以提供输出给MOSFET电路。放大器IC(165)从电压调节电路(116)接收工作电压并通过电容器(166)及(167)(在该优选实施例中分别为0.68微法及2.2微法)。来自反相电路(164)的反相输出通过连接器(168)(见图1中连接器(44))并列地提供给多个MOSFET器件。这些功率MOSFET的栅极典型地通过栅极电阻(10Ω，未示出)由反相电路驱动。MOSFET器件的阻尼是由MOSFET电阻(10Ω，5瓦)及MOSFET电容(0.1微法)(见图中1吸收组件(47)控制的。该经DC电动机的反向感应电流被反馈二极管(或多个二极管)分流。反向感应能量通过上述电容(在该实施例中的10,000微法对地+36V)及电池储存，如上所述，供给电动机的正向电流通过MOSFET网络直接从DC电源(+36V电池)连接到DC电动机1260。
对上述图6中电路附设的元件是多个附加电路元件，它们将上述禁止信号传送到脉宽调制IC(132)中的相应地关断电路。禁止电路(170)包括禁止信号电阻(171)(3.9K)及偏置齐纳二极管(172)(5.0V)。禁止信号滤波电容(173)(1.0毫微法)及禁止信号正偏电阻(174)(6.8K)完善了该禁止电路(170)。当连接器(114)上的电压变成大于或等于+6VDC时P WMI C(132)变成被禁止。在连接器(114)上的开路状态致使产生该关断状态。
最后，电路元件(180)及(183)通过选择闭合搭接点(181)或(183)提供了修正电路的方便措施，以便接收任何的电压、电流或电阻信号如节流器位置输入变量。
现在参照图7来描述本发明的通用装置的主要结构及功能部件。虽然对本发明在这里要描述多个专门实施例，它们用于结合低电流/电压及高电流/电压的两种应用，但将描述能使它们有效及可靠工作的共同结构及功能特征。图7表示这些专门的共同结构及功能元件。
本发明装置的中心是MOSFET阵列(200)的布置及它们结构的方式及与DC电动机电路和DC电源连接的方式。MOSFET阵列(220)在结构上安装到散热片(202)并与其热接触。散热片(202)与强迫空气通道(204)热接触，以下面将详细说明的，该散热片是与标准强迫冷却风扇等一起工作的高压应用工作元件。
本发明的电路结构涉及用于传导电流及操作MOSFET阵列(200)的四个主要母线条。MOSFET阵列(200)经过栅极母线条(208)控制，它本身根据以下要详述的控制电路(218)来操作，控制电路又受到可变位置的节流装置(220)的操作。栅极母线条(208)根据由控制电路(218)产生的脉冲波形有效地使MOSFET阵列(200)进行开和关。
流过MOSFET阵列(200)的电流通过源极母线条(210)及漏极母线条(206)。漏极母线条(206)与电池(216)电连接，而源极母线条(210)电连接到DC电动机(214)。该电路通过图示的B+母线条(212)连接于电池(216)及直流电动机(214)之间而被完整地构成。
一组滤波/储能电容器(222)通过连接到漏极母线条(206)及B+母线条(212)被跨接到电池(216)上。类似地，续流整流器组件(224)通过连接到源极母线(210)及B+母线条(212)被跨接在DC电动机上。
图7尤其突出了MOSFET阵列(200)及母线条(210)和(206)之间直接连接的重要特征。在许多另外的将MOSFET或类似器件与DC电动机控制电路一起安装的场合，在固态器件及外部电池和电动机之间的中间电流导体是频繁产生涉及热击穿故障的原因。将MOSFET阵列(200)直接与源极及漏极母线条(210)和(206)接触以及MOSFET阵列(200)直接在散热片(202)上的结构安装的独特布置对开关器件的有效工作创造了必要的电和热的环境。
现在参照图8来详细说明本发明的适于与大电流、大电压应用一起使用的第二优选实施例。当上述第一实施例最为适用于中等电流应用(典型为36VDC)，例如高尔夫球车及另外这类电动车，而在图8中公开的实施例适用于和高压应用如144V电动汽车系统一起使用。图8中公开的本发明的电动机控制装置包括六个主要元件，它们以组装的情况被分层。该装置的基座由散热元件(250)及(252)组成。散热元件(250)及(252)的每个由单块铝坯机加工成带有散热升高块(256)，(258)，(260)及(262)的大致平面的基板。MOSFET器件被安装在这些散热升高块(256)，(258)，(260)及(262)上。
散热元件(250)及(252)被模块化，以致可增加附加元件用于大电流的需要。换种方式，对于低电流需要，可仅需要一个散热元件(250)或(252)。
如上所述，散热升高块(256)，(258)，(260)及(262)被设计来保持并列阵列(264)，(266)，(268)及(270)中的多个MOSFET器件。在图8所示的本发明的该优选实施例中，共有八个这样的MOSFET阵列，每个阵列包括多至8个单MOSFET器件并以适于接到母线条上的并列布置定位，以方式描述如下。将MOSFET器件安装到散热升高块上的方式也详述如下。
散热元件(250)和(252)的结构是这样的，即当它们彼此相邻地安装时在升高块(256，260)之间及(258，262)之间产生一个敞开区域。该敞开区域适于保持续流整流器组件(274)。在散热器(250)的一个平板表面上该敞开区域(254)的附近设有热开关(272)，当散热器系统的温度超出范围时它起到本发明电路的保护关断作用。
续流整流器组件(274)用于保护DC电动机，它被定位在该组件上，适于源极母线条及B+母线条之间的交叉连接(见图7)。续流整流器组件(274)由铜板散热器(276)构成，它被垫有THERMOSIL绝缘垫(278)，在上面安装一组续流整流元件(280)(在该实施例中为18个元件，每个50安培)。在整流元件上面放置整流母线条(282)及(284)，每个具有所述的散热连接。
当在散热元件(250)及(252)上的敞开空间(254)中放置续流整流器组件(274)时，该续流整流器组件具有低于升高块(256)，(258)，(260)及(262)的低截面。这允许随后能放置长向的母线条，如以下的详述。
沿升高块(256)，(258)，(260)及(262)的上表面安装有三个母线条部件。第一部件是漏极母条线(294)，它包括二个刚性铜条(296)及(298)，它们在升高块(256)及(260)以及升高块(258)及(262)的顶部并列地布置。铜条(298)伸过升高块(258)的界限，如图所示，以便提供端接点(302)。铜条(296)及(298)通过柔性的编织铜交叉件(300)。重要的的是该交叉件(300)是柔性的，因为散热元件(250)及(252)具有热胀冷缩性能。以下将描述的其余母线条有效地将放在漏极母线条(294)上，因此，不需要柔性的中间连接。
一种聚酯薄膜或高压薄膜(Kevlar)片的绝缘层(图8中未示出)被放置在漏极母线条(294)及源极母线条(304)之间。以下参照图9及图10来详细描述该布置的细节。源极母线条(304)是具有在两个平行铜条(306)及(308)之间的刚性铜交连件件的H型结构件。放置在四个源极母线条(304)的腿的每个上的是栅极母线条(310)，(312)，(314)及(316)。如同源极与漏极母线条(294)和(304)之间的绝缘隔离一样，栅极母线条(310)，(312)，(314)及(316)通过聚酯薄膜或高压薄膜片的薄层与源极母线条(304)形成电绝缘。
最后，将整流器连接片(318)集成或银焊在漏极母线条(294)上。连接片(318)与整流器母线条(282)相匹配，如图所示。
一组滤波/储能电容器(330)被放置在升高块(256)及(258)之间及升高决(260)及(262)之间，中间通过设在母线条组件中的间隙。该电容器组(330)安装在一对铜母线条(326)及(322)上，它们平行地放置在3/16英寸的镀铜PC板(328)上。B-母线条(326)是一个窄铜条及B+母线条(322)是一个类似结构的铜条。B+母线条在一端上被加宽以形成端子(324)。在该优选实施例中，绝缘片层可放置在电容器组(330)及安装在升高块(256)，(258)，(260)及(262)上的MOSFET之间。续流整流器导条(288)用于使B+母线条(322)上的连接端子点(322)与整流器母线条(284)上的端子点(286)相连接。将合适的螺杆穿过连接片(286)及端子(290)并使端子点(332)银焊到整流器导条(288)上的端子点(292)使形成了整流器组件(274)的电连接。
最后，将电路(334)安装及定位在整个组装件的顶上，其方式为用于作为形成对本发明的MOSFET栅极及另外的低电流元件的连接的适当装置。如图8所示的本发明组件的每一层或是通过合适的绝缘件或导电连接彼此相安装，和/或在需要绝缘的地方通过使用聚四氟乙烯螺丝及螺母，或在需要导电的地方通过使用金属杆螺丝和螺母。
现在参照图9来详细说明将本发明的MOSFET器件安装散热器结构上的方法。在图9中，散热元件(250)(作为例子)被表示为具有一个升高块(256)的端部的透视图。通过升高块(256)上的钻孔将MOSFET器件(340)，(342)，(344)等安装在升高块(256)上。安装螺丝(346)将MOSFET器件(340)，(342)及(344)定位并固定在升高块(256)上并保证良好的导热性。在升高块的顶部放置了漏极母线条(296)，绝缘聚酯薄膜或高压薄膜片(360)，源极母线条(306)，绝缘聚酯薄膜或高压薄膜片(362)及栅极母线条(316)。MOSFET源极引线(348)如图所示被适当的定位及银焊在源极母线条(306)上，它与漏极母线条(296)相绝缘。类似地，漏极引线(350)被定位及银焊在漏极母线条(296)上。栅极引线(352)被定位及银焊在与栅极母线条(316)的相连接的栅极电阻(354)上。阻塞二极管(356)如图示地被定位及连接在源极引线(348)及栅极引线(352)上。
现在参照图10来详细说明将MOSFET器件的端子引线连接到本发明的母线条的专门方法。如图10所示，升高块(256)的边缘是从顶部看到的。MOSFET器件(340)被放置及安装在升高块(256)的侧面。器件(340)这样定位，即它的三个端子引线(348)，(350)及(352)向上伸出并靠近与它们连接的备用线条。具体地，源极引线(348)向上定位并与源极母线条(306)相邻，漏极引线(350)靠着漏极母线条(296)定位，及栅极引线(352)适当地定位并连接到栅极电阻(354)上，并通过该电阻在焊点(378)处连接到栅极母线条(316)上。
牢固地及直接地将MOSFET引线(348)及(350)(大电流导体)安装到各个母线条上的机构如下。在每个母线条上适于接收MOSFET端子引线的边缘处被切入三个窄槽(372)，(374)及(376)。将MOSFET引线(348)或(350)放置在中心槽(374)内(以源极母线条(306)为例)，并使槽(372)及(376)的切口形成的薄片弯曲将引线卷夹在槽(374)中。一旦被卷夹到槽(374)中，端子引线(348)就被银焊以提供牢固的结构、电和热的可靠接触。直漏极引线(350)及漏极母线条(296)之间形成类似的连接。
现在参照图11来详细说明本发明选择的强迫风冷组件。在预定大电流及与大电流相关的温度的某些应用中，强迫风冷是却当的。以上依据图8公开的装置结构导致它本身使用与散热元件(250)及(252)直接相连接的强迫风冷导管。在元件(250)及(252)下面放置了多个强迫风冷导管(390)。在该优选实施例中，这些导管是由铝坯切削成用于多个散热元件的适当长度的标准矩形管。在图11所示的该实施例中，使用了两个这样的散热元件(250)及(252)，及导风管(390)延伸在两者的长度上。在图11所示实施例中需用一组八个这种方铝管结构。
每个强迫风冷导管(390)确定了一个空气流的横截面(394)，它根据器件的要求可大可小。导管(390)被放置及安装在散热元件(250)和(252)与基板(392)之间。在该优选实施例中，基板(392)为1/4英寸板材铝，适于使整个装置安装到车体或电机被被控制的装置上。基板(392)的尺寸足够完全支承强迫风冷导管(390)及多个强迫风扇装置(396)及(398)。在该优选实施例中，使用鼠笼型风扇装置(396)及(398)并定位在强迫风冷导管(390)的一敞开端上。罩(402)在与强迫风冷导管(390)相邻的地方有开口，以便使风扇(396)及(398)或吸出风或强迫空气流入导管(390)的端口。风扇396及398的电源是由标准方式的DC电源提供的。
如上面指出的，本发明的结构设计用来缩短器件端子间及经过MOSFET元件的大电流导电通路。由于取消了中间印刷电路板或大电流通路中的松散导线连接，就消除了易熔断的连线故障的多种可能性。类似地，本发明的结构设计成便于MOSFET组件在一、二、三或多个散热元件上的通用布置。所述母线条可以构型(取长度)成适合任何数目的散热元件以及相关数目的MOSFET器件。
现在参照图12A及12B来描述根据图6所述电路的某些变型，它们适于与本发明第二优选实施例的高电压/大电流装置一起使用。P WMI C(432)是类似于与上述第一实施例相关描述的1524型芯片。P WMI C(432)的输入偏置如以上所指出地被修正。电阻(446)(18K)，电容(447)(3.3微微法)，电容(442)(0.1微法)及电容(440)(0.1微法)适用于连接到P WMI C(432)。电容器(448)(0.1微法)适于对+5V参考电压提供，及电容器(461)(0.68微法)及电容器(463)(100微法)，以及电阻(460)(10Ω)的功能与图6中相同。
图12A中独特的部分包括输入电路，它包括感应线圈(460)(330微亨)，电阻(437)(21.6K)，电容(434)(0.1微法)。电容(435)(O.1微法)，与输入连接器相连接的可变电阻(484)(2-5K)，二极管(487)及搭接点(486)，其功能是提供适于和P WMI C(432)一起使用的可变节流器输入信号。电位器(490)用于对该输入信号细调。
电路部分(491)提供一个节流器打开传感器及关断电路并包括晶体管(492)(IN4403)，电阻(493)(6.8K)，电容(495)(0.1微法)及电阻(494)(4.7K)。节流器打开传感器及关断电路通过电阻(496)(390Ω)驱动被二极管(498)保护的舌簧接点开关(499)。舌簧开关在其常闭位置通过2.2K的电阻连接到P WMI C(432)的关断端子上。当舌簧开关(499)在其常开位置时由+5V参考电压驱动LED(501)。类似地，当舌簧开关(499)处于常开位置时，使+5V参考电压提供给连接点B，以下再详细描述图12B中的参考连接点B及其功能。
P WMI C(432)输出其功能与图6中所述方式十分相同，其输出连接到多个FET驱动组件(465)(Teledyne TCP4421)。在该优选实施例中，IC(456)是用于MOSFET器件的8个驱动组件中的一个。FET驱动电路(465)通过1Ω电阻在连接点A上提供输出，该连接点A连接到MOSFET器件，以下参照图12B描述。图12A中所示电路的功率是由144VDC至15VDC的变流器(417)提供的。该变流器如所述地关断电池电压。
现在参照图12B，它是涉及图12A所示控制电路的电路部分。MOSFET电路部分(600)主要包括MOSFET器件(601)，在该优选实施例中它为64个这种器件中的一个。MOSFET器件(601)与栅极电阻(602)(47Ω)及二极管(603)相连接。MOSFET器件(601)的栅极通过一个四极二双掷继电器开关及连接点A被图12A的电路控制，该继电器开关在断电状态下由常闭接点接地。这就防止了在断电状态时MOSFET器件的损坏。如所述的，舌簧开关(611)是四极二双掷继电器开关(610)中的四分之一。该继电器开关(610)的控制是通过由图12A电路的连接点B及通过达林顿晶体管(604)来实现的，在该优选实施例中后者为MPSU45型达林顿晶体管。电路(605)中的达林顿晶体管(604)的连接及偏置是本领域中公知的。
同时如图12B所示，电池(625)与B+母线(624)及B-母线(622)相连接地布置。图中电动机(620)与M-母线(626)相连接。在B-母线(626)及源极母线(629)之间接有快速恢复二极管(628)，在该优选实施例中它是十个中的一个。在B+母线(624)及M-母线(626)之间是快速恢复二极管(631)，在该优选实施例中它是8个中的一个。在源极母线(629)及B-母线(622)之间一个分路电阻(630)，用于电路的电流检测。低通滤波器(635)通过与图12A中的P WMI C(432)相连接的连接点C和D提供上侧及下侧电流检测。通用方式的保护二极管(640)为电流检测电路设置。当然，在这些及另外的实施例中，载流条可包括普通固体铜条，但也可变换使用另外的材料，包括铜或银的合金，并也可包括具有如考虑的载流条那样足够载流能力的编织线或另外的导线。
这样，我们已公开了用于电动车辆或另外装置的功率控制器，它包括多个晶体管，其中至少一种类型的引线(源、漏及栅极)被电连接到载流条上。在优选的情况下，所有三种类型的引线均被电连接到载流条上，在特别优选的情况下，一种或多种类型的引线被直接地连接到载流条上。
我们也公开了，在本发明主题的另一方面，这些晶体管可包括MOSFETs，但并非严格要求这样。例如，早期的控制器依赖一个振荡器，它将来自电池的恒定D.C.电流切割成脉冲，并有效地改变脉冲宽度(U.S.专利3,911,341)，而近期的装置包括晶体管以调制脉宽(U.S.专利4,217,526)。更近期的装置包括场效应晶体管(FETs)以满足类似功能(U.S.专利4,873,453)此外除这里所述控制DC功率输出的例子外，具有多种另外的MOSFET电路(US专利4,841,165)并考虑另外类型的晶体管及电路可利用本发明的构思被开发出来。
在本发明主题的另一独立的可能性方面，晶体管不需要由脉宽调制电路P WM驱动，但可更广义地由导通比调节器来驱动。实现该任务有多种方式。在简单的情况下，来调制的脉冲列可由可被组成，其中脉宽约等于脉冲位移宽度。另一未调制列列可由具有三角度、锯齿波及另外波形的脉冲组成，脉冲列可能为其中脉冲宽大于或小于脉冲位移宽度。也可以具有由等间隔脉冲及位移组成的脉冲列，其中脉冲的幅度随时间变化。另一种可能性，即这里详细讨论的，是提供由具有可变宽度的脉冲组成的脉冲列。每个脉冲均参与，尽管脉宽下降到比针尖宽一些。另外的又一可能性是这样的脉冲列，其中脉冲间的位移(或称间隔)宽度改变。又一另外的可能性是提供的脉冲列具有恒定的基波频率，在其中可忽略个别的脉冲。例如脉冲列行中的一部分可忽略一个，四个或甚至十个或更多脉冲。也可使用另外脉冲数调制脉冲列，它可具有另外顺序脉冲及省略脉冲的组合，例如对每第三脉冲省略一个脉冲，对每第四脉冲省略一个脉冲，对每第三脉冲省略二个脉冲，以此类推。另外提供脉冲列的可能性是其中脉冲具有恒定的基准频率，但脉冲波形变化。例如，通过设有方波及三角波的某种组合来修改具有基本方波的脉冲列中的导通比。当然，另外的脉冲波形列可具有另外波形的组合。所有上述类型的脉冲调制达到基本相同的结果，即改变了提供给负载的整个功率(电流X电压)。
在本发明主题的另一方面，可考虑使用电池以外的电源。例如，供给功率控制器的功率可从氢电池，矿物燃料动力发电机或超级电容器。
本发明主题的另一方面涉及功率晶体管工作的频率。长久以来考虑到DC功率通过脉冲波形调制电路提供给负载的效率将作为频率的函数升高，但仅能高到某一点。尤其是最佳效率的转折点被考虑低于19,000Hz，在该点上转换效率为约85-90％。但是这里，本发明以实施例公开了通过在约19600Hz上操作功率调节器可得到附加的效率，在该点上转换效率被测出为95％以上。因此，与本发明公开的另外方面极无关地，本发明人发现了该功率控制器可工作在至少19600Hz的频率上并仍能提供大于90％的转换效率。
因而，虽然是对专门的实施例作出图解及说明，但显然，对本领域中的熟练技术人员来说，在不偏离这里本发明构思的情况下可作出许多改型。因此本发明除了附设权利要求书的精神外不受到其他限制。
权利要求
1.一种功率控制器，包括多个具有源极、漏极及栅极引线的晶体管，其中晶体管集体地选通流过电源及负载之间的电流，及至少源极、栅极及漏极引线中的一种引线与载流条电连接。
2.根据权利要求1所述的功率控制器，其特征在于源极引线被电连接到源极母线条，漏极引线被电连接到漏极母线条，及栅极引线被电连接到栅极母线条。
3.根据权利要求1所述的功率控制器，其特征在于至少源极、栅极及漏极引线中的一种引线直接地连接到载流条。
4.根据权利要求1所述的功率控制器，其特征在于晶体管包括MOSFET。
5.根据权利要求1所述的功率控制器，其特征在于还包括驱动晶体管的导通比调节器。
6.根据权利要求5所述的功率控制器，其特征在于导通比调节器以至少19,600Hz的频率产生脉冲，及总转换效率为至少90％。
7.根据权利要求5所述的功率控制器，其特征在于导通比调节器产生可变脉宽的脉冲。
8.根据权利要求1所述所功率控制器，其特征在于还包括与热质量直接热接触的强迫风冷导管及直接强迫空气通过强迫风冷导管的装置。
9.根据权利要求2的功率控制器，其特征在于还包括并联在电池电压母线条及漏极母线条之间的一组滤波/储能电容器。
10.根据权利要求1所述的功率控制器，其特征在于电源包括电池及负载包括DC电动机。
11.根据权利要求10所述的功率控制器，其特征在于还包括一组续流整流二极管，它们通过DC电动机电连接在电池电压母线条及源极母线条之间。
12.一种电动车，包括电源；DC电动机，它用于驱动电动车；控制系统，具有多个设有源极、漏极及栅极引线的晶体管，它们集体地选通流过电源及负载之间的电流；以及至少源极、栅极及漏极引线中的一种引线与载流条电连接。
13.根据权利要求12所述的电动车，其特征在于还包括霍耳效应节流器位置传感器。
14.根据权利要求12所述的电动车，其特征在于源极引线被电连接到源极母线条，漏极引线被电连接到漏极母线条，及栅极母线被电连接到栅极母线条。
15.根据权利要求12所述的电动车，其特征在于晶体管包括MOSFET，及还包括在至少19,600Hz频率下驱动MOSFET的导通比调节器，并获得总转换效率至少为90％。
16.一种功率控制器，包括多个晶体管，它们被工作在至少为19,600Hz频率及总转换效率至少为90％的导通比调节器驱动。
17.根据权利要求16所述的功率控制器，其特征在于晶体管是有源极、漏极及栅极引线，并集体地选通流过电源及负载之间的电流，并且至少源极、漏极及栅极引线中的二种引线被电连接到载流条上。
18.根据权利要求17所述的功率控制器，其特征在于源极引线被电连接到源极母线条，漏极引线被连接到漏极母线条，及栅极引线被电连接到栅极母线条。
19.根据权利要求18所述的功率控制器，其特征在于晶体管包括MOSFET。
全文摘要
多个功率晶体管并联布置使至少一种引线(源极、栅极及漏极)电连接到各载流条。晶体管包括MOSFET,它被在至少19600Hz频率下产生脉冲的导通比调节器驱动。功率控制器的主要电源为电池。电路构架结构包括电池母线条,将电池电压直接与DC电动机电路相连接,及续流整流管组件,通过DC电动机连接在电池电压母线条及装置的漏极母线条之间。一组储能/滤波电容器通过电池连接在电池电压母线条及装置的漏极母线条之间。
文档编号H05K7/20GK1192081SQ9711000
公开日1998年9月2日 申请日期1997年2月27日 优先权日1997年2月27日
发明者S·巴利奥, J·L·肖里, W·L·洛克特, J·谢勒, D·海恩, D·格雷罗 申请人:戴克斯工业有限公司