专利名称：电动机静态开关及含有该开关的环境控制单元的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种环境控制单元的直流电动机一一尤其是无刷式直流电动 机——的静态开关，并涉及包括这种开关的环境控制单元。
背景技术：
在环境控制单元中用于换气的直流电动机驱动一般借助机电切换的直流装 置提供，其中线圈由与负载相同的开关电压供电。这些机电装置一般是昂贵的， 需要专门布线并受到机械磨损。此外，根据直流电动机的功率，需要设置适宜 的保护装置，例如磁热式机电开关。
发明内容
本发明的目的是通过提供一种环境控制单元的直流电动机的静态开关来消
除上述缺陷，该静态开关允许预充电和直流电动机的PWM驱动并同时保护以 免受任何过电流的不利影响。
以此为宗旨，本发明的目的是提供一种允许轻易地修正预充电电流的静态开关。
本发明的另一目的是提供一种能实现在单块电路板上的开关。 本发明的另一目的是提供可靠性高、使用寿命长、相对容易提供且成本低 廉的开关。
在下文中变得更为清楚的本宗旨及这些和其它目的由权利要求1的静态开 关达成。
本发明的其它特征和优点将从下面对本发明开关的较佳(但非排他)实施 例的详细说明清楚地得出，这些实施例以非限制性示例示出于附图
中，所述附 图示出开关的电路图。
4总体以附图标记1表示的本发明的开关包括信号侧2和功率侧3，它们分别 位于图示分界虚线的左右侧。信号侧2和功率侧3通过光隔离器0K1、 OK2、 OK3、 OK4相互分离，这将在后面予以说明。
相对接地点GND提供以电压信号3V3 (例如3.3V和30mA)的信号侧2 在输入端接收用来导通/切断电动机的至少一路信号ON/OFF以及脉宽调制信 号PWM，以在功率侧3提供电动机速度信号SPDSGN的振幅调制，所述电动 机速度信号SPDSGN馈送至电动机输入端的逆变器的适宜输入端(图中未示 出)。
较佳地，信号侧2还包括内部信号PWRGD，它适于指示对电动机的正确 供电并如下文所描述的那样激活PWM信号。作为选择，可提供伺服信号 PWRPST以指示在至少某一个电压下(例如15V)对电动机供电。
除了电动机速度信号SPDSGN的引脚，功率侧3还包括功率侧的正电源极 PGND (例如0V)、连接于负电源的极(例如等于一48V)以及连接于直流电 动机的相应正极和负极的两个输出引脚MOT+和MOT-。较佳地，引脚^40丁+ 直接连接于正电源极PGND，而引脚MOT-藉由n沟道MOS型电源开关M2 连接于负电源极。
由于逆变器出现在电动机的输入端，在电动机电源极MOT+和MOT-之间 存在大输入电容器Cw， 一般为大约几百微法。该电容器必须在藉由PWM信 号驱动直流电动机前被预充电。
为了对电容器QN预充电，本发明包括较佳为MOS功率晶体管的预充电装 置M1，它具有连接于上电光隔离器OKl的控制端子4和连接于电动机电源极 的预充电电流提供端子5。
在图示例子中，预充电装置Ml是n-MOS型器件，与漏极分路对应的端子 5连接于电动机的负电源引脚MOT-。此外，预充电装置的控制端子4——在 示例中包含晶体管M1的栅极——藉由保护级连接于上电光隔离器OKl，所述 保护级由两个BJT晶体管Q6和Q8以及连接在这两个BJT中的一个的基极和 发射极之间的电阻器R8构成。
预充电电流由BJT (Q10)确定，其集电极连接于控制端子4，其基极经由分压器连接于预充电装置M1的源极端子。因此，预充电电流大致等于BJTQ10 的基极-发射极电压和装置Ml源极节点与功率侧3的负电源之间的电阻R22 值之比。
预充电装置Ml的控制端4进一步连接于充电结束指示组件，该组件包括 第二光隔离器0K4。光隔离器OK4包括内部信号PWGRD的输出端子，该输 出端子连接于第三光隔离器OK2的输入端子，以当内部信号PWGRD为高时， 使信号PWM能通过推挽式Q5-Q9的输出级流向极SPDSGN。
开关1还包括至少一个电动机上电晶体管M2，该晶体管被设计成在预充电 周期结束时实现直流电动机的实际上电，使得驱动该负载所必需的初级电流流 动。晶体管M2还充当电流保护装置。
晶体管M2的漏极和源极端子连接于电动机的电源极(MOT-)和功率侧电 源极(一48V)之间，因此连接于装置M1的漏极端子和间接地源极端子所连 接的同一极。作为选择，电阻器M2可并联于相同的晶体管M3以从负载抽取 两倍的电流并因此允许驱动高达四倍的功率水平。
作为选择，开关1包括第四信号光隔离器OK3，其LED连接在功率侧3的 电源PGND和电动机极MOT-之间，预充电装置M1的电源端子连接于电动机 极MOT-。如此，在光隔离器的信号侧的输出PWRPST上，可指示负载上电源 电压的存在(即开关激活)，由此给系统添加自动诊断的功能。
本发明的开关的操作如下。当电动机速度信号为OV，电动机处于待机状态 并吸收来自功率侧3的电源的低待机电流ISB。
一旦激活ON/OFF信号，光隔离器OKI的LED导通，以注入激活预充电 装置M1的电流，预充电装置M1开始吸收流过电动机的恒定电流。
当电动机上的电压一一即电动机输入端的逆变器的电容器On上的电 压——增加时，装置M1的漏极-源极电压逐渐下降。
在预充电周期结束时，装置M1的漏极和源极之间的电压大致等于O。这意 味着晶体管M2的漏极上的电压等于电阻器R22上的电压，也等于Q10的基极 和发射极之间的电压，即将近0.6V-0.7V。因此，当装置M2的漏极-源极电压 达到将近0.6V-0.7V的值时，适于驱动负载的电源晶体管M2接通，与第二光 隔离器OK4 —起确定预充电周期的结束。光隔离器OK4的LED中的电流流动产生内部高信号PWRGD，该信号又激 活第三光隔离器OK2，使信号PWM向推挽级前进，由此产生对应的信号 SPDSGN。
如果在该步骤中，负载两端的电压一一即MOT+极和MOT-极之间的电 压——增加到超过指示对电动机校正确供电的某一门限，则指示负载上存在电 压的光隔离器OK3被激活。
借助晶体管M2提供的保护功能，可避免电动机过多的电流供给。这样的 电流实际上在晶体管M2的源极和漏极端子之间产生电压降。如果该电压降超 过图示例子中可量化为将近0.6V-0.7V的保护门限，晶体管M2和第二光隔离 器OK4被切断，由此重新开始对电容CrN进行预充电的步骤。
要注意，预充电周期(Tpc)是功率侧3的电压VrN (图示例子中为48V)、 待机电流ISB、充电电容qn和预充电电流(IPC=VBEQ1。/R22)的函数，即
Tpc=Vim* CW (IpcrlsB) °
如果需要更高的预充电电流，则简单地将电阻器R22替换为具有较低值的 电阻器并有选择地将关联于预充电装置M1的散热器替换为具有更好耐热性的 散热器就足够了。
图示元件的列表
Rl:R26: 330nQ6: BC867-42
R2: 330nR27: 330QQ7: 8C817-40
R3: 15kQR28: 5.6kQQ8: 2N5401ALRAG
R4: 330QCl: l(iF, 16VQ9: BC807-40
R5:22kO，l/2WC2: 1pF, 16VQ10: BC017-40
R6: 2200C4: 100nF,2BVQll:BC887-40
R7: 100kaDl: 1N5401
R8:D2:BZX84C12
R9: 15kOD3:LL4146
R10: 5,6kQD4:LL4140
Rll: 15ldlD5:LL4148R12:221<A 1/2D6:B2X84C18
R13:15kDD7:LL4148
R14:15kQDK2: 4N25
R15:330QDK4: TLP372(F)
R16:22犯M1:IRF540ZP8F
R17:330QM2: IKF540ZP8F
R18:憩M3:IRF540ZP8F
RI9:OX3:TLP372(F)
R21:Ql:BC807-40
R22:4.7ka, 1/2WQ2:BC817-40
R23:5,6kQQ3:2N5401ALRAG
R24:5卿Q4:BC817-40
R25:Q5:BC817-40
实践中已发现本发明的装置圆满地达成预期的目的，由于它允许对设有逆
变器的直流电动机的输入电容器预充电并一旦到达充电状态即以PWM模式驱 动DC电动机。同时，在驱动步骤中，电动机受到保护以免受任何过电流的不 利影响。
因此，本装置可构思出多种修正和变化形式，它们均落在所附权利要求书 的范围内；所有细节可进一步用其它技术上等效的部分代替。
实践中，所使用的材料以及尺寸可以是根据需要和技术水平的任何形式。
权利要求
1. 一种用于环境控制单元的直流电动机的静态开关，其特征在于，该开关包括通过光隔离器相互隔开的信号侧(2)和功率侧(3)，所述侧在输入端包括至少一个用于电动机导通/切断信号(ON/OFF)的端子以及用于脉宽调制信号PWM的端子，用来在所述功率侧(3)提供电动机速度信号(SPDSGN)的振幅调制，所述开关包括预充电装置(M1)，所述预充电装置(M1)具有连接于上电光隔离器(OK1)的控制端子(4)以及连接于电动机电源极(MOT-)的预充电电流提供端子(5)，所述开关还包括连接于所述装置(M1)的电源端子(5)的同一电动机电源极(MOT-)的至少一个电动机上电晶体管(M2)，以使施加于所述上电晶体管(M2)两端超过一定门限的电压切断所述电动机上电晶体管(M2)。
2. 如权利要求1所述的开关，其特征在于，所述预充电装置(Ml)是MOS 晶体管且所述预充电电流是由双极晶体管或BJT (Q10)确定的，其中集电极 连接于所述控制端子(4)而基极借助分压器连接于所述预充电装置(Ml)的 源极端子，以使所述预充电电流取决于所述分压器的电阻器(R22)值。
3. 如权利要求1或2所述的开关，其特征在于，所述预充电装置(Ml) 的所述控制端子(4)连接于充电结束指示组件，所述充电结束指示组件包括 第二光隔离器(OK4)，所述第二光隔离器(OK4)包括连接于第三光隔离器(OK2)的输入端子的用于内部信号(PWGRD)的输出端子，所述第三光隔 离器包括PWM信号的所述输入端子，以使所述内部信号(PWGRD)允许PWM 信号向所述开关的输出(SPDSGN)流动。
4. 如前述权利要求的一项或多项所述的开关，其特征在于，包括并联的两 个所述上电电流晶体管(M2)。
5. 如前述权利要求的一项或多项所述的开关，其特征在于，包括第四发信 光隔离器(OK3)，该第四发信光隔离器的输入连接在所述功率侧(3)的电 源(PGND)和所述电动机电源极(MOT-)之间，所述电动机电源极(MOT-) 连接于所述预充电装置(Ml)的电源端子(5)，以当所述电动机电源极(MOT-) 相对于所述功率侧的电源(PGND)的电压超过一定门限时，在所述第四光隔离器(OK3)的输出(PWRPST)上产生一信号。
6. —种包括设有输入逆变器的DC电动机的环境控制单元，其特征在于，包括如前述权利要求中的一项或多项所述的开关，所述开关通过至少一个所述 电动机电源极(MOT-)连接于所述逆变器以将所述电动机速度信号(SPDSGN)提供给所述逆变器。
全文摘要
一种用于环境控制单元的直流电动机的静态开关，包括通过光隔离器相互隔开的信号侧(2)和功率侧(3)，所述侧在输入端包括至少一个用于电动机导通/切断信号(ON/OFF)的端子以及用于脉宽调制信号PWM的端子，用来在所述功率侧(3)提供电动机速度信号(SPDSGN)的振幅调制，所述开关包括预充电装置(M1)，所述预充电装置(M1)具有连接于上电光隔离器(OK1)的控制端子(4)以及连接于电动机电源极(MOT-)的预充电电流提供端子(5)，所述开关还包括连接于所述装置(M1)的电源端子(5)的同一电动机电源极(MOT-)的至少一个上电晶体管(M2)，以使施加于所述上电晶体管(M2)两端超过一定门限的电压切断所述电动机上电晶体管(M2)。
文档编号H02P6/00GK101447754SQ20081018206
公开日2009年6月3日 申请日期2008年11月28日 优先权日2007年11月28日
发明者马那 G·达拉 申请人:艾默生网络动力有限公司