直流馬達模塊及其功率驅動裝置制造方法
【專利摘要】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效應的二極管，該些半導體開關分別具有一第一端及一第二端，且該些半導體開關區(qū)分有三個上臂半導體開關、及三個下臂半導體開關；其中，該些上臂半導體開關的第一端互相電連接，且其第二端分別與一三相線圈的各個相線圈電連接；該些下臂半導體開關的第二端相互電連接，且其第一端分別與各該上臂半導體的第二端電連接；該些二極管分別具有一正極及一負極；該些二極管的正極分別與各該上臂半導體開關的第二端電連接，而其負極則分別與各該上臂半導體開關的第一端電連接。
【專利說明】直流馬達模塊及其功率驅動裝置
【技術領域】
[0001]本發(fā)明與馬達有關，更詳細地是指一種直流馬達模塊及其功率驅動裝置。
【背景技術】
[0002]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晶體管(MOSFET)做為電子開關，并通過該控制電路來操控該些電子開關的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。
[0003]然而，上述的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的電流，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的電流，而使得各個電子開關則必須耐高電流才能防止燒毀。另外，電子開關于高速導通或斷開時，各線圈將會因反電動勢而產生高于工作電壓數倍的高壓突波，尤其在重載的情況下，對應產生的高壓突波亦會越高。是以，電子開關則除必須耐大電流外，亦須選用耐壓大于高壓突波的金屬氧化物半導體場效晶體管才不致被高壓突波擊穿。
[0004]以功率小于500瓦的直流無刷馬達為例，于供電20伏特的系統(tǒng)上，其功率驅動裝置基于安全考慮，大多采用耐壓高于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的金屬氧化物半導體場效晶體管，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晶體管于承受高電流時，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。
[0005]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于其外殼之外，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松脫。因此，由上述說明可得知，公知的直流馬達以及功率驅動裝置的設計仍未臻完善，且尚有待改進之處。

【發(fā)明內容】

[0006]本發(fā)明的目的在于提供一種直流馬達模塊及其功率驅動裝置，使具有體積小、散熱佳以及低成本的優(yōu)點。
[0007]為實現上述目的，本發(fā)明提供的功率驅動裝置，用以與一三相線圈電性連接；該功率驅動裝置包含有:
[0008]六個半導體開關，分別具有一第一端以及一第二端，且該些半導體開關區(qū)分有三個上臂半導體開關、以及三個下臂半導體開關；其中，該些上臂半導體開關的第一端互相電性連接，且其第二端分別與該三相線圈的各個相線圈電性連接；該些下臂半導體開關的第二端相互電性連接，且其第一端分別與各該上臂半導體的第二端電性連接；以及
[0009]三個具有反向崩潰(reverse breakdown)效應的二極管,分別具有一正極以及一負極；該些二極管的正極分別與各該上臂半導體開關的第二端電性連接，而其負極則分別與各該上臂半導體開關的第一端電性連接。[0010]所述的功率驅動裝置,其中，包含有另外三個具有反向崩潰(reversebreakdown)效應的二極管，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的第二端電性連接，其負極則分別與各該下臂半導體開關的第一端電性連接。
[0011]所述的功率驅動裝置,其中，該具有反向崩潰(reverse breakdown)效應的二極管是一雪崩二極管(avalanche diode)。
[0012]所述的功率驅動裝置,其中，該具有反向崩潰(reverse breakdown)效應的二極管是一瞬態(tài)電壓抑制器(transient voltage suppresse, TVS)。
[0013]本發(fā)明提供的直流馬達模塊，包含有；
[0014]一殼體；
[0015]一組三相線圈，設于該殼體中；
[0016]一功率驅動裝置，設于該殼體中，且包含有:
[0017]六個半導體開關，分別具有一第一端以及一第二端，且該些半導體開關區(qū)分有三個上臂半導體開關、以及三個下臂半導體開關；其中，該些上臂半導體開關的第一端互相電性連接，且其第二端分別與該三相線圈的各個相線圈電性連接；該些下臂半導體開關的第二端相互電性連接，且其第一端分別與各該上臂半導體的第二端電性連接；以及
[0018]三個具有反向崩潰(reverse breakdown)效應的二極管,分別具有一正極以及一負極；該些二極管的正極分別與各該上臂半導體開關的第二端電性連接，而其負極則分別與各該上臂半導體開關的第一端電性連接；
[0019]一控制裝置，設于該殼體中，且于該些半導體開關電性連接，用以控制該些半導體開關導通或斷開。
[0020]所述的直流馬達模塊，其中，該功率驅動裝置包含有另外三個具有反向崩潰(reverse breakdown)效應的二極管,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的第二端電性連接，其負極則分別與各該下臂半導體開關的第一端電性連接。
[0021]所述的直流馬達模塊，其中，包含有一軸，設于該殼體內，且至少一端伸出至該殼體外；而該功率驅動裝置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；該些半導體開關與該些二極管設置于該第一電路基板上。
[0022]所述的直流馬達模塊，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；該控制電路設于該第二電路基板上，且用以控制該些半導體開關導通或斷開。
[0023]所述的直流馬達模塊，其中，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些上臂半導體開關的第一端，且伸出至該殼體外；該接地線路電性連接該些下臂半導體開關的第二端，且伸出至該殼體外。
[0024]所述的直流馬達模塊，其中，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。
[0025]通過上述使用具有反向崩潰(reverse breakdown)效應的二極管的電壓保護設計，便可使該直流馬達模塊使用成本低廉、耐壓較低、且材積較小的半導體開關。如此一來，便可使該直流馬達模塊達到體積小、散熱佳、效率好以及低成本的目的?！緦＠綀D】

【附圖說明】
[0026]圖1為本發(fā)明較佳實施例的立體圖；
[0027]圖2為圖1的局部剖視圖；
[0028]圖3為本發(fā)明較佳實施例的電路方塊圖；
[0029]圖4為本發(fā)明功率驅動裝置的電路圖。
[0030]附圖中主要組件符號說明:
[0031]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 二極管；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。
【具體實施方式】
[0032]本發(fā)明提供有一種直流馬達模塊包含有一殼體、一組三相線圈、一功率驅動裝置以及一控制裝置。其中，該三相線圈設于該殼體中；該功率驅動裝置設于該殼體中，且包含有六個半導體開關以及三個具有反向崩潰(reverse breakdown)效應的二極管,該些半導體開關分別具有一第一端以及一第二端，且該些半導體開關區(qū)分有三個上臂半導體開關、以及三個下臂半導體開關；其中，該些上臂半導體開關的第一端互相電性連接，且其第二端分別與該三相線圈的各個相線圈電性連接；該些下臂半導體開關的第二端相互電性連接，且其第一端分別與各該上臂半導體的第二端電性連接；該些二極管分別具有一正極以及一負極；該些二極管的正極分別與各該上臂半導體開關的第二端電性連接，而其負極則分別與各該上臂半導體開關的第一端電性連接；該控制裝置設于該殼體中，且于該些半導體開關電性連接，用以控制該些半導體開關導通或斷開。
[0033]依上述構思，該功率驅動裝置還包含有另外三個具有反向崩潰(reversebreakdown)效應的二極管,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的第二端電性連接，其負極則分別與各該下臂半導體開關的第一端電性連接。
[0034]為能更清楚地說明本發(fā)明茲舉較佳實施例并配合附圖作詳細說明如后。
[0035]請參閱圖1至圖4，本發(fā)明較佳實施例的直流馬達模塊是以直流無刷馬達做為基礎架構，其主要包含有一殼體10、以及設于該殼體10內的一軸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，由于其他用以構成直流無刷馬達的構件屬公知技術，于此容不再贅述。其中:
[0036]該軸15的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，用以通過電磁作用而帶動該軸15轉動，而使該直流馬達模塊呈內轉子的設計。當然，在實際實施上，除內轉子的設計外，亦可依需求改設計為外轉子的結構。
[0037]本發(fā)明的重點在于該功率驅動裝置30的設計，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)效應的二極管36。其中，該第一電路基板32布設有預定的電路布局(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，通過該孔321的設計，便可使該第一電路基板32設于該殼體10中且亦不會影響到該軸15的轉動。該些半導體開關34設置于該第一電路基板32上，且于本實施例中，各該半導體開關34a、34b是以單個金屬氧化物半導體場效晶體管(Metal-Oxide-Semiconductor Field-EffectTransistor,M0SFET)電路所構成,用以導通或阻斷電流通過，當然在實際實施上，亦可通過多個金屬氧化物半導體場效晶體管并聯的電路設計來達到相同的目的。該些半導體開關34a, 34b分別具有一第一端(即MOSFET的漏極)以及一第二端(即MOSFET的源極)，且該些半導體開關34a、34b區(qū)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，該些上臂半導體開關34a的第一端互相電性連接，且電性連接至一伸出至該殼體10外的電源線路100，而其第二端則分別與該三相線圈20的各個相線圈U、V、W電性連接。該些下臂半導體開關34b的第二端相互電性連接，且連接至一伸出至該殼體10外的接地線路110，而其第一端則分別與各該上臂半導體34a的第二端電性連接。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，通過該些半導體開關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。該些具有反向崩潰效應的二極管36設置于該第一電路基板32上，且于本實施例中，各該二極管36為一雪崩二極管(avalanchediode),且分別具有一正極以及一負極。其中三個二極管36的正極分別與各該上臂半導體開關34a的第二端電性連接，而其負極則分別與各該上臂半導體開關34b的第一端電性連接。而另外三個二極管36的正極分別與各該下臂半導體開關34b的第二端電性連接，而其負極則分別與各該下臂半導體開關34b的第一端電性連接。
[0038]如此一來，當三相線圈20因反電動勢而產生高壓突波時，將造成對應的該二極管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的焦耳數將被該二極管36吸收而轉為熱能散溢，使得該半導體開關34a、34b兩端的電壓將被控制在該二極管36的反向崩潰電壓內。通過上述將半導體開關34a、34b與二極管36并聯的設計，便可選用耐壓較低(僅略高于工作電壓以及反向崩潰電壓)的金屬氧化物半導體場效晶體管，做為半導體開關34a、34b的組件。舉例而言，當該直流馬達模塊應用于供電20伏特，小于300瓦的直流無刷馬達系統(tǒng)上時，僅需選用市售的漏電源導通電阻(Rds-on)小于1.59奧姆，尺寸5 X 6cm2，且耐壓約30伏特的金屬氧化物半導體場效晶體管即可。而上述規(guī)格的金屬氧化物半導體場效晶體管，可直接平貼設置于第一電路基板32上，且由于其漏電源導通電阻(Rds-on)較小，而使的于工作狀態(tài)下的發(fā)熱量亦為較低，而可直接通過該第一電路基板內布設的銅箔進行導熱及散熱，加上該直流無刷馬達所內建的一風扇(圖未示)即可有效地達到散熱的效果，而無需再額外設置散熱片。如此一來，該些半導體開關34a、34b即使與該些二極管36并聯設置，相較公知技術所使用的耐壓70伏特以上的金屬氧化物半導體場效晶體管，公知技術不僅需使用成本較高的金屬氧化物半導體場效晶體管，亦需再額外設置散熱片，本發(fā)明所耗費的成本與設置的材積則相對低得多，而可有效地達到減少成本與小型化的目的。
[0039]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布設有預定的電路布局(圖未示)與該第一電路基板42的電路布局電性連接，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的轉動。該控制電路44設置于該第二電路基板42上，且與該些半導體開關34a、34b電性連接，用以利用設置于該第二電路基板42另一面上的霍爾組件(圖未示)的偵測結果，控制該些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，亦可通過一控制線路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來控制該些半導體開關36a、36b，進而控制每一相的運轉時序。
[0040]由此，通過上述的設計，除可有效地保護半導體開關34a、34b不會燒毀外，還可通過材積較小的組件選用，將該功率驅動裝置30與該控制裝置40可裝設于殼體內而呈一體化的設計，使該直流馬達模塊除可有效地達到小型化，且更可避免組件之間的接線雜亂及松脫。
[0041]必須說明的是，本發(fā)明除使用雪崩二極管外，亦可依需求改用同樣具有反向崩潰(reverse breakdown)效應的齊納二極管(zener diode)或是瞬態(tài)電壓抑制器(TransientVoltage Suppressor, TVS)來達到高壓保護的效果,且在其它可行的實施態(tài)樣下,亦可僅通過三個具有反向崩潰(reverse breakdown)效應的二極管36分別與各該上臂半導體開關34a并聯的方式，來達到本發(fā)明高壓保護的效果。
[0042]再者，若本發(fā)明的直流馬達模塊應用于高電流(如必須長時間流過80安培)的其它實施態(tài)樣下，本發(fā)明仍可額外設置散熱片，但因本發(fā)明的結構具有反向崩潰(reversebreakdown)效應的二極管36的設計,通過其可抑制瞬間異常高壓的特性,使與其并聯的半導體開關34a、34b的發(fā)熱量仍較公知技術低的多。而整體來說，本發(fā)明的直流馬達模塊的發(fā)熱量、以及材積與制造耗費的成本仍較公知技術低的多。
[0043]又，上述直流馬達系統(tǒng)的設計除使用于直流無刷馬達的架構外，亦適用于如啟動時具有直流馬達特性的皮帶傳動啟動/發(fā)電一體化電機(Belt-driven Starter/Generator,BSG)、或是其他具有直流馬達特性的電路結構上。另外，因上述的車用發(fā)電機系設置于引擎室內，空間有限，需有緊實的結構，本功率驅動裝置可與電機整合于一體，以達到減少出線、以及可有效地縮小體積的目的。再者，其他舉凡應用本發(fā)明說明書及申請專利范圍所為的等效結構變化，理應包含在本發(fā)明的專利范圍內。
【權利要求】
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，且該些半導體開關區(qū)分有三個上臂半導體開關、以及三個下臂半導體開關；其中，該些上臂半導體開關的第一端互相電性連接，且其第二端分別與該三相線圈的各個相線圈電性連接；該些下臂半導體開關的第二端相互電性連接，且其第一端分別與各該上臂半導體的第二端電性連接；以及 三個具有反向崩潰效應的二極管，分別具有一正極以及一負極；該些二極管的正極分別與各該上臂半導體開關的第二端電性連接，而其負極則分別與各該上臂半導體開關的第一端電性連接。
2.如權利要求1所述的功率驅動裝置，其中，包含有另外三個具有反向崩潰效應的二極管，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的第二端電性連接，其負極則分別與各該下臂半導體開關的第一端電性連接。
3.如權利要求1所述的功率驅動裝置，其中，該具有反向崩潰效應的二極管是一雪崩二極管。
4.如權利要求1所述的功率驅動裝置，其中，該具有反向崩潰效應的二極管是一瞬態(tài)電壓抑制器。
5.一種直流馬達模塊，包含有； 一殼體; 一組三相線圈，設于該殼體中； 一功率驅動裝置，設于該殼體中，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，且該些半導體開關區(qū)分有三個上臂半導體開關、以及三個下臂半導體開關；其中，該些上臂半導體開關的第一端互相電性連接，且其第二端分別與該三相線圈的各個相線圈電性連接；該些下臂半導體開關的第二端相互電性連接，且其第一端分別與各該上臂半導體的第二端電性連接；以及 三個具有反向崩潰效應的二極管，分別具有一正極以及一負極；該些二極管的正極分別與各該上臂半導體開關的第二端電性連接，而其負極則分別與各該上臂半導體開關的第一端電性連接； 一控制裝置，設于該殼體中，且于該些半導體開關電性連接，用以控制該些半導體開關導通或斷開。
6.如權利要求5所述的直流馬達模塊，其中，該功率驅動裝置包含有另外三個具有反向崩潰效應的二極管，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的第二端電性連接，其負極則分別與各該下臂半導體開關的第一端電性連接。
7.如權利要求5或6所述的直流馬達模塊,其中,包含有一軸，設于該殼體內，且至少一端伸出至該殼體外；而該功率驅動裝置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；該些半導體開關與該些二極管設置于該第一電路基板上。
8.如權利要求7所述的直流馬達模塊，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；該控制電路設于該第二電路基板上，且用以控制該些半導體開關導通或斷開。
9.如權利要求5所述的直流馬達模塊，其中，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些上臂半導體開關的第一端，且伸出至該殼體外；該接地線路電性連接該些下臂半導體開關的第二端，且伸出至該殼體外。
10.如權利要求5 所述的直流馬達模塊，其中，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。
【文檔編號】H02K29/00GK103904961SQ201210586787
【公開日】2014年7月2日 申請日期:2012年12月28日 優(yōu)先權日:2012年12月28日
【發(fā)明者】魏成榖 申請人:車王電子股份有限公司