(57)【要約】直流モータ用の完全に保護されたHブリッジは、第1のパッケージ内の第1の導電性ヒートシンク上にすべてある2個の高電位側MOSFETおよび制御論理ICと、2個の個別低電位側MOSFETとから成る。ブリッジ全体は、ICで制御される。シュートスルー保護が脚部ごとに設けられ、PMWソフト始動シーケンスが、外部の充電可能RC回路でプログラムされる低電位側MOSFETの制御によって実現される。高電位側MOSFETへの入力信号は、動作モードを選択する。短絡電流および過電流条件に対して、保護回路が設けられる。休眠モードおよび制動/非制動制御も実現される。
2005519576.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第1および第2の高電位側MOSFETおよび第1および第2の低電位側MOSFETであって、前記MOSFETの各々がそれぞれのドレイン電極、ソース電極および制御電極を有し、前記高電位側MOSFETの前記ドレイン電極および前記低電位側MOSFETの前記ソース電極が電力入力端子に接続され、前記第1および第2の高電位側MOSFETの前記ソース電極が第1および第2のノードで前記第1および第2の低電位側電極の前記ドレイン電極にそれぞれ接続され、前記第1および第2のノードが出力ブリッジ端子を確定するものである第1および第2の高電位側MOSFETおよび第1および第2の低電位側MOSFETと、前記高電位側MOSFETおよび低電位側MOSFETの動作を制御する制御ICであって、外部ブリッジ制御回路から入力制御信号を受け取るように接続可能な入力端子を有し、かつ前記高電位側MOSFETの前記制御電極に接続された出力端子を有する制御ICと、前記第1および第2の高電位側MOSFETおよび前記ICを支持する支持物と、前記第1および第2の高電位側MOSFETおよび前記ICを囲む共通絶縁ハウジングと、前記ハウジングから延びる接続ピンとを備える、電気負荷を駆動するHブリッジ駆動装置であって、前記第1および第2の高電位側MOSFETは、知能電力スイッチを備え、かつスイッチ電流およびMOSFETダイ温度に関係した信号を有する出力端子を有し、前記出力端子は、電流かダイ温度かのどちらかが特定の値を超えたとき、前記Hブリッジを遮断するための出力信号を前記マイクロコントローラに対して生成する前記ICに結合されているHブリッジ駆動装置。
【請求項２】
第1および第2の高電位側MOSFETおよび第1および第2の低電位側MOSFETであって、前記MOSFETの各々がそれぞれのドレイン電極、ソース電極および制御電極を有し、前記高電位側MOSFETの前記ドレイン電極および前記低電位側MOSFETの前記ソース電極が電力入力端子に接続され、前記第1および第2の高電位側MOSFETの前記ソース電極が第1および第2のノードで前記第1および第2の低電位側電極の前記ドレイン電極にそれぞれ接続され、前記第1および第2のノードが出力ブリッジ端子を確定するものである第1および第2の高電位側MOSFETおよび第1および第2の低電位側MOSFETと、前記高電位側MOSFETおよび低電位側MOSFETの動作を制御する制御ICであって、外部ブリッジ制御回路から入力制御信号を受け取るように接続可能な入力端子を有し、かつ前記高電位側MOSFETの前記制御電極に接続された出力端子を有する制御ICと、前記第1および第2の高電位側MOSFETおよび前記ICを支持する支持物と、前記第1および第2の高電位側MOSFETおよび前記ICを囲む共通絶縁ハウジングと、前記ハウジングから延びる接続ピンとを備える、電気負荷を駆動するHブリッジ駆動装置であって、前記接続ピンが、前記第1および第2の高電位側MOSFETの前記それぞれの制御電極に結合されたIN1およびIN2ピン、前記電力入力端子に接続されたVccピンおよびGNDピン、および前記第1および第2のノードにそれぞれ接続されたM1およびM2ピンを含むHブリッジ駆動装置。
【請求項３】
第1および第2の高電位側MOSFETおよび第1および第2の低電位側MOSFETであって、前記MOSFETの各々がそれぞれのドレイン電極、ソース電極および制御電極を有し、前記高電位側MOSFETの前記ドレイン電極および前記低電位側MOSFETの前記ソース電極が電力入力端子に接続され、前記第1および第2の高電位側MOSFETの前記ソース電極が第1および第2のノードで前記第1および第2の低電位側電極の前記ドレイン電極にそれぞれ接続され、前記第1および第2のノードが出力ブリッジ端子を確定するものである第1および第2の高電位側MOSFETおよび第1および第2の低電位側MOSFETと、前記高電位側MOSFETおよび低電位側MOSFETの動作を制御する制御ICであって、外部ブリッジ制御回路から入力制御信号を受け取るように接続可能な入力端子を有し、かつ前記高電位側MOSFETの前記制御電極に接続された出力端子を有する制御ICと、前記第1および第2の高電位側MOSFETおよび前記ICを支持する支持物と、前記第1および第2の高電位側MOSFETおよび前記ICを囲む共通絶縁ハウジングと、前記ハウジングから延びる接続ピンとを備える、電気負荷を駆動するHブリッジ駆動装置であって、前記低電位側MOSFETが両方とも常時オンであるHブリッジ駆動装置。
【請求項４】
さらに、前記第1または第2の高電位側MOSFETそれぞれのターンオフに応答して、かつ前記第1または第2の高電位側MOSFET出力がそれの全出力電圧に比べて特定の低電圧値に達したとき、前記第1または第2の低電位側デバイスをオンにするために、前記IC中にシュートスルー保護回路を含む、請求項3に記載の装置。
【請求項５】
第1および第2の高電位側MOSFETおよび第1および第2の低電位側MOSFETであって、前記MOSFETの各々がそれぞれのドレイン電極、ソース電極および制御電極を有し、前記高電位側MOSFETの前記ドレイン電極および前記低電位側MOSFETの前記ソース電極が電力入力端子に接続され、前記第1および第2の高電位側MOSFETの前記ソース電極が第1および第2のノードで前記第1および第2の低電位側電極の前記ドレイン電極にそれぞれ接続され、前記第1および第2のノードが出力ブリッジ端子を確定するものである第1および第2の高電位側MOSFETおよび第1および第2の低電位側MOSFETと、前記高電位側MOSFETおよび低電位側MOSFETの動作を制御する制御ICであって、外部ブリッジ制御回路から入力制御信号を受け取るように接続可能な入力端子を有し、かつ前記高電位側MOSFETの前記制御電極に接続された出力端子を有する制御ICと、前記第1および第2の高電位側MOSFETおよび前記ICを支持する支持物と、前記第1および第2の高電位側MOSFETおよび前記ICを囲む共通絶縁ハウジングと、前記ハウジングから延びる接続ピンとを備える、電気負荷を駆動するHブリッジ駆動装置であって、前記ICが、ソフト始動PWM信号を前記低電位側MOSFETの前記制御電極に加えるPWM発生器を含むHブリッジ駆動装置。
【請求項６】
前記低電位側MOSFETが常時オンである、請求項5に記載の装置。
【請求項７】
さらに、前記第1または第2の高電位側MOSFET出力がそれの全出力電圧に比べて特定の低電圧値に達したとき、前記第1または第2の高電位側MOSFETそれぞれのターンオフに応答して、前記第1または第2の低電位側デバイスをオンにするために、前記IC中にシュートスルー保護回路を含む、請求項6に記載の装置。
【請求項８】
前記第1および第2の高電位側MOSFETが、知能電力スイッチであり、さらにスイッチ電流およびMOSFETダイ温度に関係した信号を有する出力端子を有し、前記出力端子が、電流かダイ温度かのどちらかが特定の値を超えたとき前記Hブリッジを遮断する出力信号を前記マイクロコントローラに生成する前記ICに結合されている、請求項7に記載のHブリッジ駆動装置。
【請求項９】
前記第1および第2の高電位側MOSFETが、知能電力スイッチであり、さらにスイッチ電流およびMOSFETダイ温度に関係した信号を有する出力端子を有し、前記出力端子が、電流かダイ温度かのどちらかが特定の値を超えたとき前記Hブリッジを遮断する出力信号を前記マイクロコントローラに生成する前記ICに結合され、前記接続ピンが、過度のダイ温度または電流に応答するICで生成された前記出力信号に接続されたDGピンを含む、請求項8に記載のHブリッジ駆動装置。
【請求項１０】
前記低電位側MOSFETが常時オンである、請求項2に記載の装置。
【請求項１１】
さらに、前記第1または第2の高電位側MOSFET出力がそれの全出力電圧に比べて特定の低電圧値に達したとき、前記第1または第2の高電位側MOSFETそれぞれのターンオフに応答して、前記第1または第2の低電位側をオンにするために、前記IC中にシュートスルー保護回路を含む、請求項10に記載の装置。
【請求項１２】
前記ICが、ソフト始動PWM信号を前記低電位側MOSFETの前記制御電極に加えるPWM発生器を含む請求項2に記載のHブリッジ駆動装置。
【請求項１３】
前記低電位側MOSFETが常時オンである、請求項5に記載の装置。
【請求項１４】
さらに、前記ソフト始動回路のデューティサイクルを制御するために前記ICに接続された外部RC回路を含む、請求項5に記載のHブリッジ駆動装置。
【請求項１５】
さらに、前記ソフト始動回路のデューティサイクルを制御するために前記ICに接続された外部RC回路を含む、請求項6に記載のHブリッジ駆動装置。
【請求項１６】
前記接続ピンが、前記RC回路の抵抗器の一端に接続されたVRCピン、前記RC回路の抵抗器とコンデンサの間のノードに接続されたSSピン、および前記RC回路のコンデンサの一端に接続されたGNDピンを含む、請求項14に記載のHブリッジ駆動装置。
【請求項１７】
前記接続ピンが、前記第1および第2の高電位側MOSFETの前記それぞれの制御電極に結合されたIN1およびIN2ピン、前記電力入力端子に接続されたVccピンおよびGNDピン、および前記第1および第2のノードそれぞれに接続されたM1およびM2ピンを含む、請求項14に記載のHブリッジ駆動装置。
【請求項１８】
前記接続ピンが、前記RC回路の抵抗器の一端に接続されたVRCピン、前記RC回路の抵抗器とコンデンサの間のノードに接続されたSSピン、および前記RC回路のコンデンサの一端に接続されたGNDピンを含む、請求項17に記載のHブリッジ駆動装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、直流モータ制御回路に関し、より具体的には、直流モータのような負荷を制御可能に駆動する新規なHブリッジ駆動装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
直流モータを駆動する制御回路はよく知られている。2個の高電位側MOSFETおよび2個の低電位側MOSFETが使用され、ここで各高電位側デバイスがそれぞれの低電位側デバイスと直列に接続されているHブリッジ回路は、一般的に使用されている。高電位側デバイスと低電位側デバイスの対の間のノードは、すなわち以下におけるM1およびM2それぞれは、モータ端子に接続されている。高電位側デバイスの各々のドレインは、電池のような直流電源に、すなわち以下におけるVccに接続され、また低電位側デバイスの各々のソースは接地(以下、GND)に接続されている。
【０００３】
そして、制御回路は、高電位側デバイスおよび低電位側デバイスをオンオフして、時計方向または反時計方向にモータ回転子を回転させる方向にモータ巻線に電流を流させる。
【０００４】
そのような回路に使用されるMOSFETは、一般に、個別デバイスとして個々に取り付けられる。そして、それらの導通を制御する制御回路もまた、個別回路またはいくつかの集積回路と個別部品の組合せで形成されている。さらに、複雑なプログラム回路も回路制御のために必要である。このことすべては、複雑さおよびコストを高め、さらに制御の信頼性を低下させている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
そのような回路の部品数を低減し、動作を簡単化し、さらにプログラム制御機能の必要性を無くすることが望ましい。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明に従って、新規な完全に保護された双対高電位側スイッチICは、2個の追加の個別低電位側スイッチを備える。2個の高電位側スイッチおよびその動作を制御する制御ICは、直流電源、接地、モータ端子、および特定のモータの動作で一般的なマイクロコントローラに接続する適切な接続ピンを有する単一プラスチックパッケージ中で、共通ヒートシンク上に含めることができる。また、マイクロコントローラからの信号と無関係にソフト始動を制御するRC制御回路用のピンも設けられる。
【０００７】
単一の高電位側パッケージは、全Hブリッジ回路を駆動しかつ制御し、さらにいくつかの新規な特徴を含む。
【０００８】
後で説明する2個の高電位側FET駆動装置への入力信号IN1およびIN2は、説明の目的のために、2個の高電位側FETに加えられるように示され(図1)、モータ動作モードを選択しかつ各モードの範囲内で制御を実現するように機能する。第1に、新規な自己適応シュートスルー(shoot thru)保護回路(ターンオフ中)は、直列接続された(ハーフブリッジ)高電位側MOSFETと低電位側MOSFETの同時導通を防止するように設けられる。この特徴に従って、低電位側駆動回路は、高電位側デバイスと一緒に実装された集積制御回路内に含まれる。低電位側FETは両方とも、常に、常時導通して、回路がオフのときモータを動かないように固定する。オフにするために、高電位側MOSFETはIN1またはIN2によってオフにされる。このIN1またはIN2は、より遅い高電位側MOSFETが完全にオフになる前に、特に高電位側MOSFETの出力電圧が小さな電圧例えば2ボルトに達しこれを超えるときに、低電位側FETをオンにするようにそれぞれの低電位側FETの低電位側駆動回路をオンにする。より具体的には、高電位側MOSFETをオフにするために、高電位側FETがオフにされ、そして、低電位側駆動回路は高電位側MOSFETの出力が約2ボルトより小さくなるまで待つ。それから、オフである低電位側FETがオンになって、モータ負荷を動かないように固定する。このようにして、シュートスルー保護は、従来の不動作時間制御回路なしに適応的に実現される。
【０００９】
第2に、新規なソフト始動シーケンスは、モータが再始動する度に、IN1およびIN2信号で選択される通りに実現される。ソフト始動回路は、高電位側スイッチ(MOSFET)の1つによって電流が向けられる対応する1つの低電位側スイッチを循環させるPWMシーケンスを使用する。これによって、モータの突入電流が制限される。ソフト始動シーケンスは、簡単なRC回路によって動作し(プログラムされる)、始動後に自動的にリセットされる。
【００１０】
第3に、新規な回路は、高電位側MOSFETパッケージ内のICの制御の下で、過電流(短絡)および温度過昇(過負荷)保護を実現する。これら保護機能は、「IPS」スイッチである高電位側MOSFETの近くの電流センサおよび熱センサによって行われ、遮断を要求するためにマイクロコントローラへの状態帰還を実現する。そして、IN1およびIN2が両方ともロー(ゼロ)であるとき、保護回路はりセットされる。
【００１１】
第4に、信号IN1およびIN2の組合せで選択されるいくつかの他の機能、例えば、電圧不足ロックアウト、モータ制動、温度保護、および診断帰還が、単一の制御ICの中で行われる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
先ず図1を参照すると、本発明に従って作られたHブリッジ回路を示す。また、図1は、直流モータ30を駆動するように配列された本発明のブリッジ回路を示すが、この新規なブリッジは、例えば直線的なソレノイドおよび他の負荷を駆動する他の用途で使用することができる。
【００１３】
図1のブリッジは、Nチャネル縦伝導型(vertical conduction)MOSFETとして示す第1および第2の高電位側MOSゲート制御(MOSgated)デバイス31および32から成る。留意されたいことであるが、本発明は、IGBTのような他のMOSゲート制御デバイスで実現することができ、またPチャネルデバイスで実現されるかもしれない。MOSFET31および32は、それのドレイン電極が導電性の角切りフレームパッド(diced frame pad)のような共通ヒートシンク上に、またはPCBボードの導電性配線パターン上にあるようにして取り付けることができ、また点線のボックスとして示す単一パッケージ33中に含めることができる。パッケージ33は、後で説明する図4、5および6でより詳細に示す。
【００１４】
次に、図1のブリッジは、2つの低電位側MOSゲート制御デバイス40および41を含む。各MOSゲート制御デバイス40および41は、また、NチャネルMOSFETであるように示され、それぞれ個別のパッケージ42および43に別個にパッケージされている(図2、3および6)。
【００１５】
このように、低電位側MOSFET42および43は、図2、3および6に示すように8リードSOICパッケージ中に実装することができ、また各々、例えば、本出願の譲受人であるElSegundo CalforniaのInternational Rectifier Corporationから市販されているデバイスの型IRF7484であってもよい。これは、6.8mΩ、40ボルトのデバイスである。定格は、必要に応じて変えることができる。図2、3および6は、ソース端子S、ドレイン端子Dおよびゲート端子Gから成るデバイス42および43(図6)のピン配列を示す。
【００１６】
高電位側MOSFET31および32を含むパッケージ33を、パッケージのピン配列を示す図4、5および6に示す。ピンまたはリードの定義は次の通りであり、これらの機能は後でより詳細に説明する。
【００１７】
【表１】
2005519576.tif 000003
【００１８】
デバイスのソース電極27および28は、好ましくは、共通導電性支持物、例えば、図1Dに示すように、導電性の銅または銅合金リードフレームの主パッドに取り付けられる。リードフレームが使用される場合、リードフレーム要素の分離を行う前には、上述のピンはリードフレームと一体化している。
【００１９】
図1Aは、リードフレームの代わりに、支持回路基板20上のMOSFET31および32の他の可能な支持配列を示す。基板20は銅被膜21および22を有し、MOSFET31および32のドレイン電極23および24は、それぞれ、導電層21に導電的に接続されている。図1Aおよび1Dそれぞれで、デバイス31および32のソース電極27および28は、絶縁ハウジング33の境界を越えて突き出る端子M1およびM2に接続されている。MOSFET31および32のソース電極27および28は、それぞれ、外部接地ピンGNDに接続されている。そして、MOSFETのゲート制御電極は、ワイヤボンディングよるようなやり方で、適切な制御ICに接続されている。このICは後で説明するが同じく基板20に支持されている。制御ICは、絶縁ダイ付着媒体で層21(または、図1Dの導電性リードフレーム)に取り付けることができる。
【００２０】
図1Bは、図1Aおよび1Dの変更を示し、低電位側MOSFET40および41はそれぞれMOSFET31および32の上に取り付けられ、MOSFET40および41のドレインはMOSFET31および32のソースに接着で電気的に接続されている。このようにして、駆動装置全体が図1Bの単一パッケージの中に含まれている。留意されたいことであるが、図1Bの配列は、図1Dのリードフレーム支持で使用することができる。
【００２１】
図1Cは、MOSFET31および32および制御ICの配列の他の好ましい実施例の上面図を示す。
【００２２】
図1および6の回路は、後で説明するように、全Hブリッジ制御を特徴とする完全に保護された双対高電位側スイッチである。保護回路は、2つの低電位側MOSFET40および41と共にパッケージ33の中に組み込むことができる。外部電力管理の必要なく、直流モータ負荷30の突入電流を制限することができ、また制動モードでモータ30を両方向に駆動することができる。後で説明するように、過負荷による電流保護(短絡)および温度応答遮断を実現することもできる。
【００２３】
高電位側スイッチ31および32は、方向機能およびHブリッジ保護を実現する。制御機能の一例として、図1の矢印50の方向のモータ回転について、MOSFET31、32、40および41のオン/オフ状態を示す。低電位側MOSFET40および41は、高周波切換え能力を示して、回路に自由度をもたらす。したがって、後で説明するように、滑らかで低ストレスの速度立上げによってモータの急始動を無くすることができる。
【００２４】
休眠モード(sleep mode)、シュートスルー保護(shoot-thru protection)、ソフト始動(soft start)、および熱保護(thermal protection)に対処する制御回路について説明する前に、MOSFET31、32、40および41のターンオンおよびターンオフシーケンスを理解することが有用である。
【００２５】
この動作は、モータ30の6つの異なる制御モードに関する次の「真理値表」から最適に理解される。
【００２６】
【表２】
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【００２７】
上の表において、「休眠モード」ではすべての保護回路はリセットされていること、および、MOSFET40は、逆回転(「正常動作」および「保護トリガ」)で「ON」と示されているが、低電位側部分が切り換わることを後で示す。
【００２８】
留意されたいことであるが、休眠モード(モータ制動がオンになっている)では、両方の低電位側デバイスがONでなければならないが、両低電位側デバイスをこの状態に保つために最小電流ドレインを使用する新規な制御回路が実現される。
【００２９】
図7は、パッケージ33中に含まれた制御回路を含んだ回路のブロック図である。このように、MOSFET31および32は、それぞれのシュートスルー保護回路61および62をそれぞれ備え、さらに過電流遮断回路63および64をそれぞれ備える。論理制御および状態帰還回路65は、過電流保護回路およびシュートスルー保護回路を制御するために設けられる。最後に、発振器70、ピンVRCから得られる基準REFに対して切り換わる比較器71、およびソフト始動リセットスイッチ72から成るソフト始動制御回路が設けられ、回路65の制御を受けている。これらの様々な部品は、パッケージ33内の1つまたは複数のICチップに組み込むことができる。
【００３０】
図7の回路のアーキテクチャは、いくつかの基本的な特徴を具現する。
【００３１】
第1に、Hブリッジの各脚部(図6の低電位側デバイス40、41を含んだ)は、互いにまったく独立している。各々は、それ自体の電流保護およびシュートスルー回路を特徴としている。したがって、4個のMOSFET間の「対角」命令は必要でない。
【００３２】
第2に、低電位側MOSFET40および41の正常静止状態はオンである。ブリッジの各脚部は独立であるので、入力信号IN(1)およびIN(2)は、それぞれ高電位側MOSFET31または32および低電位側MOSFET40および41を制御または駆動する。すなわち、低電位側デバイス40および41はそれぞれゲート駆動装置75および76によって駆動され、このゲート駆動装置75および76は、今度は、それぞれ高電位側FET31および32のシュートスルー保護回路61および62から駆動される。
【００３３】
シュートスルー保護に関して、前に述べたように、回路がオフであるとき、両方の低電位側MOSFETは常時オン(制動のために)である。したがって、適切な低電位側デバイスを、それと直列の高電位側デバイスがオフになる前にオンにするように注意しなければならない。本発明に従って、適切な低電位側MOSFETは、それの直列高電位側デバイスとのノードが特定のある値例えば2ボルトよりも大きいときに、オンにならなければならない。
【００３４】
第3に、発振器70および比較器71のソフト始動回路は、高電位側MOSFET31および32の電流の流れの方向を考慮しないで、徐々に増加するパルス幅変調信号を両方の低電位側MOSFET40および41にもたらす。したがって、パルス幅変調回路はほとんど独立であり、拡張された動作要求条件に、例えばモータ速度またはトルクの制御に大きな自由度を与える。
【００３５】
上述の特徴の各々は、安全なブリッジ動作を行うように、またはどのようなHブリッジ論理回路も必要としないでIC機能間の独立性を増すように選ばれる。しかし、電圧不足ロックアウト、温度保護、および診断帰還を含んだ、ICに関係した他の機能は、依然として実現することができる。これらの機能はすべて論理制御および状態IC65で収集できる。
【００３６】
図6および7の回路の最終制御は、マイクロコントローラから得られる。したがって、図8において、パッケージ33のDGピンに接続された診断帰還端子すなわちピン81を有するマイクロコントローラ80が設けられる。また、マイクロコントローラは、パッケージ33のIN(1)ピンおよびIN(2)ピンそれぞれに接続された時計方向制御信号出力ピン82および反時計方向回転ピン83を備える。これらの入力によって、モータ30をそれぞれ時計方向または反時計方向に回転させるのに必要なシーケンスで、MOSFET31、32、40および41がオンおよびオフされる。一般的な用途で、それぞれ停止スイッチ86または87に達して与えられた制限を越えてモータ動作が停止されるまで、モータ30は架85を左または右に動かすことができる。
【００３７】
また、図8は、回路33のRCピンおよびSS(soft start、ソフト始動)ピンに接続された抵抗器90およびコンデンサ91を示す。これらの部品は、後で説明するソフト始動シーケンスを制御し、またプログラムする。
【００３８】
図9は、図7のシュートスルー保護回路61および62に使用される新規な構造を示す。従来のシュートスルー制御回路は、直列の高電位側デバイスの導通と低電位側デバイスの導通の間に意図的な不動作時間を使用する。本発明は、新規な適応不動作時間を使用し、この不動作時間で、MOSFET31がオフになり始めるときにMOSFET40をオンにするために、ノードM(1)の電圧が2ボルトの基準89と比較される。特に、図9は、低電位側MOSFET40を有するシュートスルー保護回路61を示す。IC/パッケージ33のM1、G1およびGNDピンも示す。このシュートスルー回路は、R-Sフリップフロップ95および比較器96を備え、この比較器96はMOSFET40のVDS比較器である。
【００３９】
比較器96への2ボルトの入力によって、一定オン静止信号がピンG1に加わるようになる。「休眠モード」入力がトランジスタ97に接続されて、MOSFET40を静止オン状態に保持するように低電力消費回路が実現される。(留意されたいことであるが、低電位側MOSFET41に同じ回路が使用される)。さらに、PWM信号がトランジスタ98(同時に、両方の低電位側MOSFET40および41に)に加えられるが、非活動状態の高電位側だけが信号をG1ピンまたはG2ピンに送ることができる。
【００４０】
本発明の(各脚部の)新規なシュートスルー保護回路は、低電位側MOSFET40および41と高電位側MOSFET31および32それぞれの間のスイッチング時間差を利用する。したがって、高電位側MOSFET31および32の各々は、Vccよりも高いゲート電圧を得るために従来の電荷ポンプを備える。この電荷ポンプによって、高電位側MOSFETは、低電位側MOSFETに比べてより遅いターンオン/ターンオフ時間を持つようになる。このことは、図9の回路に直接存在する。したがって、IN1[または、IN2]がハイに設定されたとき、電荷ポンプ回路で対応する高電位側MOSFET31がオンに切り換わる時間の十分前に、ピンG1に加えられた信号でMOSFET40が直接オフになる。したがって、MOSFET31と40の間には、シュートスルー経路は形成されない。同様に、IN1の信号がローに設定されるとき、高電位側スイッチ31はゆっくりオフになるが、低電位側MOSFET40は、比較器96で監視される電圧VDSが2ボルトに減少するまでオンに戻ることができず、それから静止オン状態に戻る。
【００４１】
結果として、図9の新規な回路は、回路の複雑さのない自己適応不動作時間回路を特徴づけている。基本的には、R-Sフリップフロップ95および比較器96は、高電位側MOSFET31のターンオンの間ずっとIN1(また、同様に[IN2])の要求を記憶する。比較器は、完全にオフになったとき[例えば、(M1-GND)<2V]、メモリをリセットする。
【００４２】
図10は、パッケージ33の中のICに含まれた新規なソフト始動回路を示す。
【００４３】
より具体的には、図10は、図8の抵抗器90およびコンデンサ91、および図7の発振器70および比較器71を示す。抵抗器90およびコンデンサ91は、アクセスできる位置にある回路基板に外部で取り付けられているので、異なる値のデバイスに置き換えて、望み通りにRC時定数を変えることができる。また、パッケージ33のピンVRC、SSおよびGNDも示す。
【００４４】
図10の回路は、回路を立ち上げるためのパルス幅変調(PWM)信号を生成する。発振器70は、約1ボルトと約4ボルトの間で発振する20kHz以上の鋸歯状出力を生成する。この鋸歯状出力はピンSSの電圧と比較され、その結果、ピンSSはデューティサイクルを0%(SSが1ボルトよりも小さい場合)から100%(SSが4ボルトよりも大きい場合)までに延ばすようになる。
【００４５】
そして、比較器71のパルス継続時間出力は、マイクロコントローラまたはプログラムによる制御を必要としないで、図示のように次第に長くなる。SSピンは、通常、RCピンで給電されるRC回路網90、91の中心点にある。最後に、放電回路101は、Hブリッジがオフである間に、SSピンをリセットしローに保持するように実現されている。
【００４６】
動作時に、IN1ピンがハイに設定されるとき、低電位側MOSFET40がオフになり、その後で、前に述べたように、高電位側MOSFET31がオンになり、そして放電回路101が開放される。ピンSSの電圧はゆっくり増加し、結果として、低電位側MOSFETの非活動状態の脚部のゲートに滑らかなデューティサイクル変化(PWM信号)が生じる。したがって、直流モータ30の見る切換え波形は、0%のデューティサイクルから100%のデューティサイクルになり、モータ軸の負荷に対してストレスのない立上りを与える。
【００４７】
ソフト始動シーケンスの合計切換継続時間は、RC回路90、91の時定数の1倍から4倍である。Hブリッジ導通が中断したとき、コンデンサ91は抵抗器105(50Ω)を通して放電される。コンデンサ91は、新しい始動の前に完全に放電しなければならない。さらに、モータ30の軸の負荷は、新しい始動シーケンスの要求前に、完全に停止していなければならない。ソフト始動継続時間は、直流モータ特性、負荷、摩擦および同様なものに依存して、異なる用途で変化し、その結果として、突入電流制限とソフト始動継続時間の間で妥協が行われる。RCの値は、ソフト始動継続時間が(全トルク始動のための)時定数Tauの10倍程度である非常に滑らかな始動から、低慣性低トルク始動のための時定数Tauの2倍程度まで変化することができる。
【００４８】
図11は、図7のIC論理制御回路65の一部を示し、さらにピンDG、IN1およびIN2を示す。
【００４９】
この回路は、Vccに接続されたヒシテリシス電圧不足ロックアウト回路120を含み、Vccが例えば4ボルト未満に減少したとき、ゲート121および122をオフにして、MOSFET31および32のターンオンを防止する。自動再始動が起こることができる5ボルトにVccが上昇するまで、ゲート121、122は抑止される。
【００５０】
また、図11に、ゲート123、ヒシテリシス要素124、125およびインバータ126、127を含んだ休眠モード回路を示す。この休眠モード回路は、IN1とIN2の両方がゼロのとき、全ICを低電力消費モード(例えば、50マイクロアンペアより少ない)に切り換える。留意されたいことであるが、両低電位側MOSFET40および41は、休眠モード中オンになったままである。
【００５１】
さらに、IN1およびIN2が両方ともハイであるとき、図11に示すように、非制動モードが加わる。
【００５２】
最後に、Hブリッジがオフのとき、制動であろうとなかろうと、ゲート128で充電/放電リセット信号(RCをリセットする)が生成される。ピンDGのオープンコレクタ出力は、内部の高電位側スイッチ状態のために活動状態である。
【００５３】
高電位側スイッチ31および32は、好ましくは、電流および熱感知能力を有するIPS(知能電力スイッチ)デバイスである。このデバイスは、ダイ温度を測定するように横方向にずれた温度監視要素を用いた電流感知を有する標準縦伝導型MOSFETを使用することができる。より具体的には、スイッチ31および32は、電荷ポンプ、過電流保護(遮断型)、状態帰還および能動クランプ機能を含んだ共通実装回路または集積回路を特徴とする。
【００５４】
図12は、保護回路の付いたMOSFET31および32を示す。このように、任意の所望の型の温度感知デバイス130が、比較器130aに出力を供給する。温度が閾値θ番目を超えると、出力がORゲート131および132に加えられる。MOSFET31のカレントミラー回路133、134およびMOSFET32のカレントミラー回路135、136を含んだ電流監視回路が、比較器138および139それぞれに入力を供給し、これらの比較器が測定電流を閾値l番目と比較し、電流が基準値を超える場合、信号をORゲート131および132それぞれに加える。
【００５５】
ゲート138または139からの出力は、それぞれRSフリップフロップ140および141に接続され、これらのフリップフロップを動作させる。これらは出力st1またはst2を生成し、この出力は図11のDGピンに結合される。
【００５６】
図12は、さらに、MOSFET31および32それぞれの駆動回路および電荷ポンプ回路150および151を示す。これらの回路150および151は、また、フリップフロップ140および141の動作で、測定電流障害または温度障害によって動作不能にされて、ブリッジの電流遮断または熱遮断を引き起こす。しかし、留意されたいことであるが、低電位側MOSFET40および41は、リセット条件が加えられるまで、オンになったままである。
【００５７】
MOSFET31および32は同時にエネルギーを放散しなければならないかもしれないので(一方はONであり、他方はフリーホイーリング(free wheeling))、MOSFET31、32のどちらかの接合温度が例えば165℃を超えるやいなや、熱保護回路130、130aはオフをラッチし、上述のように障害条件はピンDGに送られる。IN1とIN2の両方が、最小時間例えば50ミリ秒の間ずっとローであるとき、保護回路はリセットされる。
【００５８】
上述の機能によって、図8に示すように、本発明のデバイスは直流アクチュエータ用途に特に適したものになる。このように、本発明は、直流モータ30を短絡する「休眠モード」(制動モードはIN1およびIN2を両方ともローにする)およびまったく追加回路なしに両方向の移動を行うソフト切換えの立上りを与える。万一のモータ線間またはモータ線と接地の間の短絡の場合には、電流遮断でその用途を保護する。さらに、低電位側MOSFET40および41の十分な冷却を想定すると、全Hブリッジは温度過昇に対して保護される。
【００５９】
また、本発明は、新規な配置および熱制御の考慮すべき事項を具体化する。このようにして、図12において、熱センサ130は、その接合温度が所定の値例えば165℃に達したとき、適切な高電位側スイッチ31および32をオフにラッチする。この保護配列では、MOSFET40および41の接合温度は高電位側MOSFETの接合温度よりも常に低いと想定している。
【００６０】
判明したことであるが、低電位側デバイス40、41で熱遮断が要求される前に高電位側デバイス31、32に応答した熱遮断を保証するのに十分な誤差範囲は、低電位側温度上昇ΔTが高電位側デバイスの温度上昇の半分でなければならないということである。
RDS(ON)LS・Rthjals<1/2[RDS(ON)HS・Rthjahs]
ここで、
RDS(ON)lsは、低電位側MOSFET40、41のオン抵抗であり、
RDS(ON)hsは、高電位側MOSFET31、32のオン抵抗であり、
Rthjalsは、低電位側MOSFET40、41の接合周囲間の熱抵抗であり、
Rthjahsは、高電位側MOSFET31、32の接合周囲間の熱抵抗である。
【００６１】
留意されたいことであるが、Rthjaは、パッケージングおよびこのMOSFETを支えるヒートシンクに依存する。銅リードフレームは、最良の熱および電気性能を示す。PCBが使用される場合、PCB支持物またはMOSFET用の他の支持物上に適切な銅板を使用することで、または熱スプレッダおよび適切に設計された接続ピンまたは他の手段による熱除去を用いて、Rthjaを減少させることができる。
【００６２】
本発明の完全に保護されたHブリッジ駆動装置の一例として、本回路は、直流モータを駆動するために使用され、次の特性を有する。
RDSON              -    12mΩ
Vcc               -    5.5から35V
ICONT＠85℃周囲    -    6.0アンペア
I遮断              -    30アンペア
動作周波数        -    20kHz
【００６３】
それを超えると駆動装置に損傷が起こるかもしれない適切な限界である絶対最大定格は次の通りである。ここで、電圧はGNDピンを基準とし、@25℃周囲であり、(2)の付いた記号はM2出力を意味する。
【００６４】
【表３】
2005519576.tif 000005
【００６５】
デバイス熱特性は次の通りである。
【００６６】
【表４】
2005519576.tif 000006
【００６７】
標準的な動作条件は次の通りである。
【００６８】
【表５】
2005519576.tif 000007
【００６９】
最後に、静的電気特性は、Tj=25℃およびVcc=14Vで、次の通りである。
【００７０】
【表６】
2005519576.tif 000008
【００７１】
図13は、前述のソフト始動シーケンスを説明するタイミング図である。図13の3本の線は、ピンIN1[または、IN2]、SSの電圧、および[M1-M2](M1+M2)の電圧を、共通時間ベースtで示す。留意されたいことであるが、ピンM1のデューティサイクル変調はピンSSの電圧の増加に従い、変調周期Tssは約1〜4RC(時定数)に設定される。
【００７２】
図14は、ピンIN1または2およびM1または2における図12の能動クランプの能動クランプ電圧波形、およびピンM1または2の電流を、共通時間ベースで示す。
【００７３】
図15は、ピンIN1または2、DG、M1または2(電流波形)での新規な保護方式のタイミング図、および想定されるTjを、共通時間ベースで示す。IM1かTjかのどちらかが遮断値に達したとき、ブリッジはオフになる。
【００７４】
図16および17は、ピンIN1およびM1のターンオンおよびターンオフ条件を共通時間ベースで示し、以前に使用した様々な用語を定義する。
【００７５】
図18は、ピンIN1、IN2、SS、M1およびM2の電圧に対するモータ電流のタイミング図を示す。動作のソフト始動シーケンスはM1およびM2線に対して示し、制動モードはピンM1およびM2が接地された状態で示し、待機モードはピンM1およびM2が開いた(ハイ)状態で示す。
【００７６】
本発明は特定の実施例に関連して説明したが、多くの他の変化物および修正物、および他の用途が当業者には明らかになるであろう。したがって、本発明は本明細書の特定の開示によって制限されないことが好ましい。
【図面の簡単な説明】
【００７７】
【図１】本発明のHブリッジ回路を示す図であり、この回路によって直流モータが駆動される。
【図１Ａ】本発明の新規な高電位側駆動装置パッケージを示す断面図である。
【図１Ｂ】パッケージの他の実施例を示す断面図であり、4個のMOSFETすべてが単一パッケージ内にある。
【図１Ｃ】高電位側MOSFETおよび図1AのICを配列する好ましい位置関係を示す上面図である。
【図１Ｄ】図1Aと同様な断面図であり、導電性リードフレーム支持物が設けられている。
【図２】図1の低電位側パッケージの1つを示す透視図である。
【図３】図2の上面図である。
【図４】図1Aのパッケージを示す透視図である。
【図５】図4の上面図である。
【図６】図2、3、4および5のパッケージで実現される図1の回路を示す図である。
【図７】制御ICおよび他の制御回路を含んだ図2の高電位側パッケージの回路図を示す図である。
【図８】図6と同様な図であり、特定の負荷回路およびソフト始動回路用のRCタイミング回路を示す。
【図９】制御IC中のシュートスルー防止回路の部分を示す図である。
【図１０】ソフト始動回路の部分を示す図である。
【図１１】休眠モードおよびRCリセットの論理制御の部分を示す図である。
【図１２】IC制御のシャットダウン回路の部分を示す図である。
【図１３】図1から12までの回路の様々な動作特性を示す図である。
【図１４】図1から12までの回路の様々な動作特性を示す図である。
【図１５】図1から12までの回路の様々な動作特性を示す図である。
【図１６】図1から12までの回路の様々な動作特性を示す図である。
【図１７】図1から12までの回路の様々な動作特性を示す図である。
【図１８】図1から12までの回路の様々な動作特性を示す図である。
【符号の説明】
【００７８】
20  支持回路基板
27、28  ソース電極
23、24  ドレイン電極
30  電気負荷(直流モータ)
31、32  第1および第2の高電位側MOSゲート制御デバイス(知能電力スイッチ)
33  パッケージ(絶縁ハウジング)
40、41  低電位側MOSゲート制御デバイス
61、62  シュートスルー保護回路
63、64  過電流保護回路
70  発振器(ソフト始動回路)
71  比較器(ソフト始動回路)
80  マイクロコントローラ
90  抵抗器(RC回路)
91  コンデンサ(RC回路)
130  熱センサ(温度感知デバイス)
IN(1)、IN(2)  入力信号
M1、M2  第1および第2のノード
IC  制御IC
【図１】
2005519576.tif 000009
【図１Ａ】
2005519576.tif 000010
【図１Ｂ】
2005519576.tif 000011
【図１Ｃ】
2005519576.tif 000012
【図１Ｄ】
2005519576.tif 000013
【図２】
2005519576.tif 000014
【図３】
2005519576.tif 000015
【図４】
2005519576.tif 000016
【図５】
2005519576.tif 000017
【図６】
2005519576.tif 000018
【図７】
2005519576.tif 000019
【図８】
2005519576.tif 000020
【図９】
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【図１０】
2005519576.tif 000022
【図１１】
2005519576.tif 000023
【図１２】
2005519576.tif 000024
【図１３】
2005519576.tif 000025
【図１４】
2005519576.tif 000026
【図１５】
2005519576.tif 000027
【図１６】
2005519576.tif 000028
【図１７】
2005519576.tif 000029
【図１８】
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【国際調査報告】
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