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TW202203586A - 用於可變轉矩發電機／馬達齒輪切換的級聯ｍｏｓｆｅｔ設計 - Google Patents

用於可變轉矩發電機／馬達齒輪切換的級聯ｍｏｓｆｅｔ設計 Download PDF

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TW202203586A
TW202203586A TW110107388A TW110107388A TW202203586A TW 202203586 A TW202203586 A TW 202203586A TW 110107388 A TW110107388 A TW 110107388A TW 110107388 A TW110107388 A TW 110107388A TW 202203586 A TW202203586 A TW 202203586A
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TW
Taiwan
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switch
microprocessor
cascade
electrical load
circuits
Prior art date
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TW110107388A
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TWI900535B (zh
Inventor
哈利 C 麥當勞
詹姆士 L 貝力
馬修 C 麥當勞
Original Assignee
美商飛爾康動力公司
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 美商飛爾康動力公司 filed Critical 美商飛爾康動力公司
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Abstract

本發明系統可提供一種用於在齒輪之間使用脈衝波調變(PWM)進行可變齒輪切換以達成一平穩轉變之級聯MosFet電路設計。在一實施例中，在該系統中，可存在可在一所選級內自動選擇之自非常低電流量至數百安培之兩個或兩個以上開關之三個分離級。該自動切換可經程式化為對功率(例如，安培)敏感或可對功率及電子齒輪兩者敏感以便級聯成用於不同齒輪設定之正確MosFet組合且仍針對變化功率位準選擇更大值。此一平穩轉變可容許使用此級聯MosFet電路設計之發電機或馬達更高效及/或更安靜地操作。

Description

用於可變轉矩發電機/馬達齒輪切換的級聯MOSFET設計
本申請案係關於用於可變轉矩發電機/馬達齒輪切換之級聯MOSFET設計。
電機係使用電磁力來將電能轉換為機械能或將機械能轉換為電能之裝置。常見電機包含發電機及電馬達。
發電機將機械能轉換成電能以用於一外部電路(諸如一電力網、一車輛中之一電系統等等)中。大多數發電機採用呈諸如一軸件之旋轉之一旋轉力(轉矩)之形式之一原動力源。該旋轉力透過在由發電機內之磁鐵產生之磁場與一或多個導線繞組之間的相互作用而在該等導線繞組中產生電流。常見原動力源包含蒸汽渦輪機、燃氣渦輪機、水力發電渦輪機、內燃機及類似者，其等具有一恆定轉矩及以每分鐘轉數(RPM)表示之連續旋轉速度。
電馬達在機械上與發電機相同，但反向操作。電馬達透過由馬達內之磁鐵產生之磁場與穿過一或多個導線繞組之電流之間的相互作用而將電能轉換成機械能以產生呈馬達之軸件之旋轉之形式之一原動力(即，一旋轉力或轉矩)。此旋轉力(轉矩)接著用於推動某些外部機構。電馬達通常經設計以提供連續旋轉及恆定轉矩。在某些應用中，諸如在採用牽引馬達進行再生制動之車輛中，電馬達可反向用作發電機以回收原本可能作為熱及摩擦而損耗之能量。
愈來愈多地，可再生能源技術中所採用之發電機必須以廣泛變化之旋轉速度(RPM)及轉矩操作，此係因為所使用之動力源係可變的、不適時的且通常不可預測的。類似地，環保或綠色技術所採用之電馬達必須能夠產生一系列旋轉速度(RPM)或轉矩。然而，雖然習知發電機及馬達在接近其等額定旋轉速度(RPM)及轉矩操作時通常表現自百分之九十至百分之九十八(90%至98%)之範圍內之效率，但此等相同發電機及馬達之效率在其等於其等額定旋轉速度(RPM)及/或轉矩之外操作時，急劇下降，通常低至百分之三十至百分之六十(30%至60%)。
替代性地，感應馬達可改變轉子之磁場；然而，此以額外電力、重量及低效率為代價。此外，一些電馬達可使用「可變頻率驅動組」在其等之額定RPM之上及之下操作，但此等系統以低得多的效能及效率操作。
在運輸行業中，將貨物及人員自一個點移動至另一點需要大量啟動、停止及速度變動。線性馬達最常用於將貨物及/或人員自一個點移動至另一點。永久磁鐵對線性馬達而言有吸引力，因為僅需要向線性馬達之固定或定子側供應外部電力，從而簡化構造且大大增大速度及拉力之效率範圍。但永久磁鐵線性馬達在其等之效率範圍上仍受到限制。歸因於永久磁鐵連續地經過定子之鐵芯，其等當在滑行(coast)模式中時亦具有反電動勢(EMF)及極端曳力之一問題。
根據本發明之一些實施例，本發明係關於一種級聯開關，其包括：一微處理器；及複數個開關電路，其等與該微處理器可操作地耦合，每一各自開關電路包括一金屬氧化物半導體場效電晶體(MosFet)及一橋式整流器，該複數個開關中之至少一開關定義經組態以適應高於其他開關電路之至少一者之一功率位準之一較大負載開關。
相關申請案之交叉參考 本申請案根據35 U.S.C. §119(e)規定主張於2020年3月2日申請且標題為「Variable Torque Generation Electric Machine Employing Tunable Halbach Magnet Array」之美國臨時申請案第62/984,270號之優先權。此外，本申請案根據35 U.S.C. §119(e)規定主張於2020年9月11日申請且標題為「Cascade Mosfet Design for Variable Torque Generator/Motor Gear Switching」之美國臨時申請案第62/077,243號之優先權。
現將在下文參考隨附圖式更充分描述本發明之態樣，該等隨附圖式形成本發明之一部分且以繪示之方式展示實例性特徵。然而，該等特徵可依許多不同形式體現且不應被解釋為限於本文中闡述之組合；實情係，提供此等組合使得本發明將為透徹的且完整的，且將充分傳達範疇。
如本文中所使用，「系統」與「總成」可互換使用。應注意，除非內容另有明確規定，否則如在本說明書中使用之冠詞「一」、「一個」及「該」包含複數個參照物。額外特徵及功能係在下文繪示及論述。概述
永久磁鐵電馬達及發電機中之最新技術係轉子之磁場係不可調整的，而取而代之係固定的。因此，大多數馬達及發電機係針對一特定速度及轉矩而設計，具有一非常窄的最佳效率範圍。一馬達或發電機中之高轉矩要求需要更強有力的永久磁鐵，該等永久磁鐵繼而產生一大反EMF，該大反EMF繼而克服高電壓及電流量。當馬達速度及轉矩係恆定時，馬達或發電機可經設計用於依其設計速度及轉矩之最佳效率。通常，此效率係高於90%。因此，在此等馬達之製造中，定子鐵芯、鐵芯繞組及永久磁鐵全部經選擇以依可以一最佳或臨限效率產生選定設計轉矩、rpm及伏安比之最有效方式一起作用。一旦選擇此等關鍵組件且將其等放置於馬達、發電機及/或傳動系(在下文中亦被稱為一「MGT」)中，在當前最新技術下就無法改變其等。僅可改變一發電機中之驅動力之功率及速度及進入馬達之電力之伏特及電流量。但當此相同馬達或發電機投入使用(其中速度及轉矩廣泛變化，諸如在陸上車輛及/或風力或水力發電機中發現)時，在速度及轉矩要求小於經設計之最大值時，仍必須克服固定磁鐵之反EMF，且在速度及轉矩大於經設計之最大值時，定子佈線經充分且適當地定大小。當其等並非如此時，對於例如捷運車輛、汽車或風力/水力發電機及類似者，馬達或發電機之整體效率在許多情況中可急劇下降低至20%。
本發明係關於能夠在寬伏特及電流量操作範圍及極端可變轉矩及RPM條件下以高效率操作之一發電機及/或馬達傳動系統。此一發電機或馬達可被視為一可變轉矩發電機/馬達(在下文中亦被稱為一「VTG」)。本發明可利用可再生資源之可變性(諸如不一致風速、不適時的海浪運動或一混合動力車輛中之制動能量)且更高效地增大習知發電機無法做到之發電潛力。在馬達方面，本發明可產生一可變範圍之轉矩/RPM可能性以更高效地滿足混合動力車輛之要求。系統可動態地改變馬達/發電機之輸出「大小」，例如，憑藉藉由在全串聯連接、全並聯連接或其等之組合之間切換定子中之多條非絞合式平行線圈導線來改變定子中所感應之磁場，及經由調諧一海爾貝克陣列及隨著功率需求增大或減小而模組化地接合及脫離轉子/定子組來相應地改變、調整或聚焦作用於定子上之永久磁鐵之磁場。隨著轉矩/RPM或電流量/電壓要求改變，系統可啟動轉子/定子組內之一個定子或另一定子(在連接至一共同電腦處理器之多個MGT單元中)且透過2個、4個、6個或更多並聯、三相、非絞合式線圈繞組之集合自並聯繞組改變為串聯繞組或與之相反以產生滿足轉矩/RPM或電流量/電壓要求之多個齒輪級以改良(例如，最佳化或接近最佳化)效率。此外，由於轉子/定子組之間的機電加熱，可採用一冷卻系統來調節溫度。該冷卻系統容許使用串聯及並聯切換來漸進式地地減小定子線圈之電阻以增大線圈中之電流量，而不會造成重大損失。冷卻導線將容許導線攜載多達其額定容量五倍之更多電流量。相較於每相位具有一單個導體之一習知馬達或發電機，一經冷卻習知馬達/發電機可透過冷卻使其功率增大多達五倍，而VTG馬達或發電機可使其功率增大多達30倍。若控制電機系統之溫度，則可將溫度用作用於控制一導線切換系統之一變數。
在大多數馬達中，在試圖改變速度或轉矩時，當以除最佳以外之速度操作時，一現成或標準控制器可具有一顯著效率損失。一標準控制器通常無法高效地處置功率及速度之廣變動。有鑑於此，一正常MosFet (即，一金屬氧化物半導體場效電晶體之縮寫符號)或Triac開關無法高效地處置電流量之寬變動。例如，一50安培或100安培Mosfet在2安培下無法很好地工作。一般而言，一MosFet係一開關模式電力供應器(SMPS)電晶體之一流行版本。從歷史上講，低電壓(例如，小於250 V)、低電流及/或高切換頻率(例如，大於200 kHz)對於MosFet使用可係有利的。
本發明可提供用於在齒輪之間使用脈衝波調變(PWM)進行VTG齒輪切換以達成一平穩轉變之一級聯MosFet電路設計。在一實施例中，在該系統中，可存在可在一所選級內自動選擇之自非常低電流量至數百安培之兩個或兩個以上開關之三個分離級。該自動切換可經程式化為對安培敏感或可對安培及電子齒輪兩者敏感以便級聯成用於不同齒輪設定之正確MosFet組合且仍針對變化電流量選擇更大值。此一平穩轉變可容許使用此級聯MosFet電路設計之發電機或馬達更高效及/或更安靜地操作。
本發明系統可促進在寬功率(例如，電流量)範圍內之操作。可監測功率且將電流引導至適當大小之開關或一並聯開關組合以處置負載，且隨著負載增大(例如，超過一給定臨限值)，可將電流依次引導通過各經設計以更高效地處置適用負載之更大開關。接著，由於電子開關可吸收能量且甚至最佳經歷一定效率損失，故開關操作之最後級可為無損耗之一機電開關，諸如一碳開關、一中繼器開關或一步進器馬達開關。此電路配置可為有益的，因為當在齒輪之間切換時，可存在功率差的大跳動，在結合永久磁鐵之磁聚焦改變齒輪時，可使用脈衝寬度調變以有效地及高效地自一個齒輪改變至另一齒輪。實例性實施例
圖1示意性地繪示根據本發明之一級聯MosFet開關100 (在下文中亦被稱為一「級聯開關100」)，且圖2示意性地繪示級聯開關100之一更詳細變體。級聯開關100可包含一微處理器102、複數個開關電路(例如，所繪示實施例中之A至C)、一感測器110、一輸入線路112及一輸出線路114。各開關電路A至C可分別包含一光隔離器(104A、104B、104C)、一MosFet開關(106A、106B、106C)及一整流器(108A、108B、108C)，其等以該一般順序通信地連接。例如，微處理器102可為一Arduino Pro Mini或一Arduino Beetle微控制器，且可經程式化及組態以在開關電路A至C (例如，其中開關電路A及B為10安培電路；且開關電路C為一100安培電路)之間自動切換或級聯。與Aruduino Beetle版本相比，Arduino Pro Mini微處理器102可提供用於溫度及/或通信功能之更多接針，從而相較於Beetle選項提供一更穩健及/或更通用選項。
在一實施例中，開關電路A至C之至少一者(例如，開關電路C)可適應高於其他開關電路A至C之至少一者之一功率位準。因而，級聯電路100可經配置使得微處理器102可隨著功率要求增大(例如，啟動一齒輪級及/或增大一馬達/發電機速度)而將功率流引導至一開關電路C。可藉由微處理器102監測功率，且將電流引導至適當大小之開關A至C或一並聯開關組合(例如，A、B)以處置負載。特別地，隨著負載增大(例如，超過一給定臨限值)，可將電力/電流依次引導通過各經設計以更高效地處置適用負載之更大開關(例如，一100安培開關而非一或多個10安培開關)。在一實施例中，微處理器102經組態以當在複數個開關電路A至C之間轉變電負載時使用脈衝波調變。在一實施例中，級聯電路100經組態以將負載引導至一MGT (例如，其之一選定齒輪)之操作。
藉由實例，藉由設定於10安培來操作第一開關電路A，可選擇自0安培至6安培或0安培至10安培(例如，高達7安培至9安培)之另一範圍之所有操作且接著選擇第二10安培開關電路B以與第一開關電路A並聯以一經組合20安培最大值操作。例如，在超過18安培之後，微處理器100可經組態以選擇僅使用100安培開關電路C且關閉兩個10安培電路開關A、B以便不使其等過載，從而具有100安培之一最大電流量。應理解，兩個開關電路A、B之間的20或更小之另一組合電流量可經選擇作為使用100安培開關電路C之一觸發點，且在本發明之範疇內。使用兩個較低電流量開關A、B可允許級聯開關100在較低電流量範圍(例如，0至20)內更具回應性，從而允許在較低齒輪/轉矩範圍內之更平穩齒輪轉變。
為保護微處理器102且停止切換電路中之任何電力供應回饋，可採用將切換信號發送至高功率MosFet開關(106A、106B、106C)以安全地操作之光隔離器(104A、104B、104C)。一光隔離器(104A、104B、104C)亦可被稱為一光耦合器、光電耦合器或光學隔離器且係經組態以藉由使用光在兩個隔離電路之間傳送電信號之一電子組件。光隔離器可防止高電壓影響接收信號之系統。一對應接地隔離之DC至DC轉換器(在圖2中展示但未標記)可供充電泵電力電路A至C用於使閘極(例如，在MosFet開關(106A、106B、106C)處)完全切換。在一項實例中，一給定開關電路A至C可以五(5)伏特操作，且高功率開關可以九(9)伏特操作且可使用與微處理器102分離之一接地系統以避免回饋短路。
在一實施例中，開關電路或單元(即，級聯開關100)可每一各自開關電路A至C利用一單個MosFet (106A、106B、106C)及一單個對應橋式整流器(108A、108B、108C)以實現高達600伏特且可自0安培至100安培選擇之AC電壓及DC電壓兩者之切換。在一實施例中，一橋式整流器(108A、108B、108C)可包含呈一橋式電路組態之四個或更多個二極體(未個別地繪示)之一配置，該配置促進交流電(AC)與直流電(DC)之間的轉換。經由開關電路A至C，此開關單元100亦可處置此馬達/發電機可產生之廣泛可變之頻率，包含對DC電力系統及AC電力系統兩者進行脈衝波調變(PWM)之能力。
在一實施例中，可使用雙MosFet或絕緣閘極雙極電晶體(IGBT)來代替耦合至一橋式整流器(108A、108B、108C)之一單個MosFet或IGBT以達成一最佳低切換電阻及一最低電壓降。一IGBT係主要用作通常組合高效率與快速切換之一電子開關之一三端子功率半導體裝置。在一實施例中，可能可移除一橋式整流器且用被尋求來提供跨電路之低電阻與最低電壓降之最佳組合之組件仍能夠自控制器切換AC輸入及DC輸入兩者。在一實施例中，微處理器102可與手動開關117通信，例如，手動開關117可包括一或多個使用者操作之開關(在圖2中所展示，但未標記)以基於該一或多個使用者操作之開關之一選擇實現自動系統100之更動控制且藉此允許使用者手動地切換用於測試或其他操作之MosFet組態A至C。輸入線路112及輸出線路114經組態以促進級聯開關100與一開關控制器1000 (圖3及圖4)且最終與一MGT (未展示)之電/電子耦合。按照所繪示之實施例，輸入線路112可耦合至微處理器102，且輸出線路114可耦合至整流器108A至108C。
一感測器110可進一步電子耦合於微處理器102與輸入線路112之間。在一實施例中，感測器110可為一溫度感測器(例如，一熱電偶、一熱敏電阻、一電阻溫度偵測器(RTD)或基於半導體之感測器)。溫度感測器110可測試一給定級聯開關100之操作溫度以判定其是否變得太熱(例如，達到熱消散極限)且因此是否需要採用一更大開關組(例如，能夠處置更高電流量)。因而，一給定級聯開關100內之經量測溫度及/或經量測電流量可用於判定何時採用給定級聯開關100內之開關電路A至C之一不同組合及/或是否採用另一級聯開關/開關組合(單獨地或結合當前採用之一者)。
在一實施例中，感測器110可為一電流感測器。該電流感測器可經組態以量測一電流(例如，高達100安培)且將呈一電壓輸出之形式之實際電流之一信號發送至微處理器102。實際電流之該信號可根據所使用或消耗之電流量來實現操作限制之設定及需要使用之開關電路A至C或開關電路A至C組之控制。在一實施例中，可使用複數個感測器110 (例如，一電流感測器及一溫度感測器)。
圖3及圖4繪示根據本發明之一開關控制器1000。例如，開關控制器1000可包含一第一組或陣列之級聯開關100A(1)至100A(N)、一第二組或陣列之級聯開關100B(1)至100B(N)、一第三組或陣列之級聯開關100C(1)至100C(N)、一主機板200、一控制開關板300、一步進器控制件400、一顯示及通信控制單元500、一主控電腦處理單元(CPU) 600及一散熱器700。在一實施例中，該第一組之級聯開關100A可用於操作一MGT之一第一齒輪(未展示)，第二組100B用於操作一第二齒輪(未展示)且第三組100C用於操作一第三齒輪(未展示)。應理解，可視需要添加進一步組之級聯開關以適應額外齒輪。
開關控制器1000可具有充當多組級聯開關100A至100C之一基板之一共同散熱器700。共同散熱器700可儘可能均等地共用該多組級聯開關100A至100C之熱消散。散熱器700可由一導熱材料(諸如銅或鋁)製成，且可包含與其基板側相對以增大其表面積且因此改良來自其之熱消散之特徵(諸如冷卻鰭片)。使用與級聯開關組100A至100C相關聯之溫度感測器110，可感測各級聯開關100之熱/溫度。接著，使用PWM，可經由控制開關板300及/或主控CPU 600控制級聯開關100之間的負載以便在以更多電流量操作時對具有更少開關之一給定MGT調節冷卻時間。此系統控制可有助於將開關效率保持於一最大值且將組件成本保持於一最小值。此系統可因此使用100安培組件組，該等100安培組件一起能夠處置數千安培，使用電流量測值及溫度量測值兩者來調整級聯開關100A至100C組，將該等級聯開關之間的PWM用作一負載共用機制。
在一實施例中，藉由提供串聯及/或並聯連接之多個級聯開關組(例如，100A至100C)作為開關控制器1000之部分以與一或多個MGT一起使用，開關控制器1000可用於對齒輪之間的切換進行脈衝波調變(PWM)。例如，藉由本配置，可將電力自一個齒輪緩慢地移動至另一齒輪(例如，將第二齒輪通電且將第一齒輪斷電)。此逐漸移動與在使用其他電力控制配置在齒輪之間切換時另外可能發生之一另外極大安培及/或每分鐘轉數(RPM)跳躍形成對比。
藉由實例，可以一低電流量起始VTG且斜升以加速且接著在串聯/並聯系統中自第一齒輪切換至第二齒輪同時具有一平穩轉變。在此實例性實施例中，首先，對一給定級聯開關100施加一安培之電力，從而接通第一MosFet開關106A。隨著電流量增大至八安培，微處理器102感測此轉變且將第二並聯MosFet開關106B設定為變得可操作。可至少部分安全地進行此轉變，共用之散熱器107有助於防止MosFet開關106A、106B變得過熱。組合之第一及第二MosFet開關106A、106B可採用高達20安培之一最大電流量。在電流量達到16安培且加速時，用於級聯開關100之微處理器102可啟動100安培MosFet開關106C，且在一短時間內使另兩個開關106A、106B各保持於10安培直至完全接合100安培MosFet開關106C。在完全接合100安培MosFet開關106C時，撤銷啟動前兩個開關106A、106B (例如，在電流量超過18安培時)。接著，在達到需要自MGT/VTG上之第一齒輪切換至其第二齒輪之時間點時，系統1000可將第一齒輪開關組100A之開關組變換為具有100%之操作且將VTG之第二齒輪組100B變換為處於0%。在仍加速時，可在一短時間內將第一組100A變換為90%且將第二組100B變換為10%，接著將第一組100A變換為80%且將第二組100B變換為20%等等，且以此類推，直至進行完全轉變，從而以100%完全在第二齒輪中操作。此逐漸變換可實現VTG中之齒輪間的一平穩轉變，同時仍具有級聯成給定電流量或齒輪組所需之MosFet組且藉此保持系統平穩地且高效地操作之能力。
在一實施例中，主機板200可關於各開關板之ID實體地設定各種開關組100A至100C之電阻器值，可對開關控制器1000之電子組件提供電力且可提供至與一給定MGT相關聯之所有定子繞組(未展示)之連接。在一實施例(諸如圖4中所展示之實施例)中，各開關組100A至100C可包含15個級聯開關100，總共45個級聯開關100。然而，應理解，可採用另一數目個開關100及/或開關組100A至100N且仍在本發明之範疇內。
在一實施例中，一級聯開關板100可具有非常少連接件，諸如圖5中所展示。級聯開關板100可具有一sda (串列資料)連接件116、一scl (串列時脈)連接件118、一ClkA連接件120、一ClkB連接件122、一(1)Aid連接件124、一(1)SWA連接件126、一電壓(例如，12 V)連接件及接地(GND)連接件132。Sda 116及Scl 118係一I2C全域通信協定/匯流排之部分。Sda 116及Scl 118容許此等開關組之各者知道何時接通，且其等亦將溫度資訊中繼至主電腦(例如，600)以進行處理。ClkA 120及ClkB 122係藉由主控電腦600產生之全域時脈且係用於自一個齒輪組至另一齒輪組進行PWM切換，如上文所提及。(1)Aid 124係至開關板100之各者之用以識別其等所處之位置且對主控電腦600設定用以知道誰來啟用及誰來停用之一唯一號碼的類比輸入。其係給予一獨特電壓之一系列電阻器(未明確展示)，Arduino Pro Mini在初始化期間查看該獨特電壓且設定ID號。(1)SWA 126及(1)SWB 128係至MGT之定子繞組(未展示)之實際開關連接件。亦提供電力130及接地132用於操作。未展示可連接至Arduino Pro Mini之單導線匯流排類型溫度感測器，且按照所提供之I2C匯流排中繼此資訊。
此級聯開關板100可為流動大量資訊之一便宜的並行處理系統且每處理器僅花費$2來控制。處理器板在其等初始化時即插即用，且關於其等切換之內容及如何用板進行通信之所需之僅五條導線控制其等之一唯一ID。微處理器102在呈Arduino Pro Mini之形式時，可降低大型匯流排及/或導線連接件之複雜性。
在一實施例中，控制開關板300 (圖6)可視需要包含用於手動控制速度、轉矩、方向、齒輪選擇、磁聚焦及/或選單選項之按鈕及/或開關(未展示)。可透過I2C匯流排(經由sda連接件302及scl連接件304)將所有輸入中繼至主控CPU 600。控制開關板300亦可包含一電力連接件306 (例如，12 V連接件)及一接地連接件308。
在一實施例中，步進器控制板400 (圖7)可併入有一Beetle Arduino處理器或可能另一Pro Mini處理器，該等處理器可使用來自主控CPU 600、手動控制開關板300或兩者之輸入以致動兩側上之磁聚焦以用於轉子接合及/或與一MGT之操作相關聯之永久磁鐵之電力輸出。步進器控制板400可保持追蹤接合之位置及百分比以及(若干)步進器馬達為到達下一位置可做出之實際步長。為促進其與其他系統組件(例如，經由一I2C匯流排)進行必要通信及/或為其供電，步進器控制板400可包含一sda連接件402、一scl連接件404、一電力連接件406 (例如，12 V連接件)及一接地連接件408。
在一實施例中，如圖8中所展示，顯示及通信控制單元500可包含用以允許其與其他系統組件(例如，經由一I2C匯流排)進行必要通信及/或為其供電之一sda連接件502、一scl連接件504、一電力連接件506 (例如，12 V連接件)及一接地連接件508。顯示及通信控制單元500可為可包含一圖形顯示器及/或一通信鏈路(皆未展示)之一板(未標記)。該圖形顯示器可給予使用者資訊及選單資訊。可在(例如)一彩色LCD螢幕上給出所有顯示功能。在一實施例中，顯示及通信控制板500可經由一無線Wio板及/或可與具有Wifi (即，無線網路協定)能力之一智慧型電話或電腦一起使用之一Wifi位置來定義一通信鏈路。在使用Wifi之情況下，此顯示及通信控制板500亦可自控制開關板300獲取手動控制項且亦完成及/或補充彼等任務。因此，在一實施例中，板300、500之功能性可組合成一個板(例如，板500)。
在一實施例中，主控CPU 600 (圖9)可自控制開關板300或顯示Wio板500接收輸入且可判定接合所需之齒輪及轉變齒輪。其可使用全域時脈進行所有轉變及齒輪變化且在判定一完全100%齒輪接合結束時，其可向最後選用控制板發送一信號，該最後選用控制板可接合對應於各級聯開關之一各自開關115 (例如，一硬碳電刷開關)以在此齒輪中持續運行期間獲得最佳效率。在一實施例中，全域時脈可回應於電負載在一段時間內恆定而向最後選用控制板發送一信號以接合各自開關115，其中該時間段超過一預定時間段。
主控CPU 600亦可感測及/或接收用於一些或所有電子組件100至500以及馬達自身(例如，定子、轉子、開關板及冷卻劑系統之溫度)之溫度之感測器資料。主控CPU 600可感測電流並預期關於加速器被按下之速度及距離所需之電流之使用者控制項且針對所需之切換電流量中所需之轉變進行調整。接著，其可在運行時級聯至最有效MosFet開關組合。例如，當對應於一第二組開關之溫度值超過一臨限溫度時，CPU 600可將電負載引導至一第一組開關電路，其中對應於該第一組開關電路之溫度值小於該臨限溫度。
例如，視需要，可顯示在此CPU 600中收集之所有資訊，將其儲存於快閃隨身碟中，及/或傳送至試算表。CPU 600可與一選單驅動或基於網路之電腦及/或電話APP通信及/或透過其等加以控制。僅需要4條導線且因此四個連接件(例如，一sda (串列資料)連接件602、一scl (串列時脈)連接件604、一ClkA連接件606及一ClkB連接件608)將所有資訊傳送(例如)至開關、顯示器及控制件(包含無線控制件及顯示器)。
此系統1000可為模組化的且可作為冗餘的以便容許軍事、航空及/或其他用途，即使在漸進式故障之情況下且仍維持運行能力。在漸進式定子故障之情況下，此系統可識別一問題導線組且將其自使用中移除且使用工作單元補償至一定程度直至可進行維修為止。所有板係可熱抽拔的且可在馬達運行時被插入且初始化，從而容許在需要時使額外及/或替換板在線上。此包含額外主控CPU板之使用及功能。
儘管已用特定於結構特徵及/或方法動作之語言描述標的物，但應理解，隨附發明申請專利範圍中所定義之標的物並不一定限於上文所描述之特定特徵或動作。實情係，上文所描述之特定特徵及動作經揭示為實施發明申請專利範圍之實例性形式。
100:級聯金屬氧化物半導體場效電晶體(MosFet)開關/級聯開關/開關單元/自動系統/開關/級聯開關板/開關板 100A:第一組之級聯開關/級聯開關/級聯開關組 100A(1)至100A(N):第一組或陣列之級聯開關 100B(1)至100B(N):第二組或陣列之級聯開關 100B:級聯開關/級聯開關組 100C(1)至100C(N):第三組或陣列之級聯開關 100C:級聯開關/級聯開關組 102:微處理器 104A:光隔離器 104B:光隔離器 104C:光隔離器 106A:金屬氧化物半導體場效電晶體(MosFet)開關/金屬氧化物半導體場效電晶體(MosFet)/第一金屬氧化物半導體場效電晶體(MosFet)開關/開關 106B:金屬氧化物半導體場效電晶體(MosFet)開關/金屬氧化物半導體場效電晶體(MosFet)/第二金屬氧化物半導體場效電晶體(MosFet)開關/開關 106C:金屬氧化物半導體場效電晶體(MosFet)開關/金屬氧化物半導體場效電晶體(MosFet) 108A:整流器/橋式整流器 108B:整流器/橋式整流器 108C:整流器/橋式整流器 110:感測器/溫度感測器 112:輸入線路 114:輸出線路 115:開關 116:sda連接件/Sda 117:手動開關 118:scl (串列時脈)連接件/Scl 120:ClkA連接件/ClkA 122:ClkB連接件/ClkB 124:(1)Aid連接件/(1)Aid 126:(1)SWA連接件/(1)SWA 128:(1)SWB 130:電力 132:接地(GND)連接件/接地 200:主機板 300:控制開關板/板 302:sda連接件 304:scl連接件 306:電力連接件 308:接地連接件 400:步進器控制件 402:sda連接件 404:scl連接件 406:電力連接件 408:接地連接件 500:顯示及通信控制單元/板/顯示Wio板 502:sda連接件 504:scl連接件 506:電力連接件 508:接地連接件 600:主控電腦處理單元(CPU)/主控電腦/電腦處理單元(CPU) 602:sda (串列資料)連接件 604:scl (串列時脈)連接件 606:ClkA連接件 608:ClkB連接件 700:散熱器 1000:開關控制器/系統
參考附圖描述[實施方式]。在描述及圖中之不同例項中使用相同元件符號可指示類似或相同品項。此外，一般技術者將瞭解，本文中所揭示之概念可應用於各種各樣之電機，包含(但不限於)電馬達、發電機及/或機電傳動系統。因此，貫穿本發明及在以下發明申請專利範圍中，術語電機通常用於描述能夠採用本文中所描述之概念之任何機電裝置，且應瞭解，除非另有說明，否則術語電機可係指一電馬達、一發電機、一線性馬達及一機電傳動系統、其等之組合(例如，適用於採用再生制動之一混合動力車輛中之一馬達/發電機)等等。
圖1係根據本發明之一實施例之一級聯MosFet開關之一示意圖。
圖2係根據本發明之一實施例之一級聯MosFet開關之一詳細示意圖。
圖3係根據本發明之一實施例之併入有諸如圖1及/或圖2中所展示之一或多個級聯開關之一馬達/發電機/傳動系(在下文中亦被稱為「MGT」)控制單元之一示意圖。
圖4係根據本發明之一實施例之併入有三個級聯開關陣列之一馬達/發電機/傳動系(在下文中亦被稱為「MGT」)控制單元之一示意圖。
圖5係根據本發明之一實施例之如圖4中所展示之一給定級聯開關及其電互連件之一示意圖。
圖6係根據本發明之一實施例之如圖4中所展示之一控制開關及其電互連件之一示意圖。
圖7係根據本發明之一實施例之如圖4中所展示之一步進器控制器及其電互連件之一示意圖。
圖8係根據本發明之一實施例之如圖4中所展示之一顯示器輸出及其電互連件之一示意圖。
圖9係根據本發明之一實施例之如圖4中所展示之一主控電腦處理器單元(CPU)及其電互連件之一示意圖。
雖然本申請案之實施例易具有各種修改及替代形式，但已在圖式中藉由實例展示且在本文中詳細描述其特定實施例。然而，應理解，本文中對特定實施例之描述並非旨在將應用限於所揭示之特定實施例，相反地，意圖係涵蓋落在如藉由隨附發明申請專利範圍定義之本申請案之程序之精神及範疇內之全部修改、等效物及替代物。
100:級聯金屬氧化物半導體場效電晶體(MosFet)開關/級聯開關/開關單元/自動系統/開關/級聯開關板/開關板/電子組件
102:微處理器
104A:光隔離器
104B:光隔離器
104C:光隔離器
106A:金屬氧化物半導體場效電晶體(MosFet)開關/金屬氧化物半導體場效電晶體(MosFet)/第一金屬氧化物半導體場效電晶體(MosFet)開關/開關
106B:金屬氧化物半導體場效電晶體(MosFet)開關/金屬氧化物半導體場效電晶體(MosFet)/第二金屬氧化物半導體場效電晶體(MosFet)開關/開關
106C:金屬氧化物半導體場效電晶體(MosFet)開關/金屬氧化物半導體場效電晶體(MosFet)
108A:整流器/橋式整流器
108B:整流器/橋式整流器
108C:整流器/橋式整流器
110:感測器/溫度感測器
112:輸入線路
114:輸出線路
115:開關
117:手動開關

Claims (11)

  1. 一種級聯開關，其包括： 一微處理器；及 複數個開關電路，其等與該微處理器可操作地耦合，每一各自開關電路包括一金屬氧化物半導體場效電晶體(MosFet)及一橋式整流器，該複數個開關中之至少一開關定義經組態以適應高於該等其他開關電路之至少一者之一功率位準之一較大負載開關。
  2. 如請求項1之級聯開關，其中各開關電路進一步包含通信地耦合於該各自開關與該微處理器之間的一各自光隔離器。
  3. 如請求項1之級聯開關，其中該微處理器經組態以監測一功率要求且基於該功率要求將一電負載引導至該等開關電路之一或多者。
  4. 如請求項3之級聯開關，其中該微處理器經組態以在該電負載超過一臨限位準時將該電負載引導至該較大負載開關電路。
  5. 如請求項3之級聯開關，其中該微處理器經組態以在於該複數個開關電路之間轉變該電負載時使用脈衝波調變。
  6. 如請求項1之級聯開關，其進一步包括與該微處理器可操作地耦合之一機電開關，其中該微處理器經組態以回應於完全齒輪接合將該電負載引導至該機電開關。
  7. 如請求項1之級聯開關，其進一步包括與該微處理器可操作地耦合之一機電開關，其中該微處理器經組態以回應於該電負載在一段時間內恆定而將該電負載引導至該機電開關，其中該時間段超過一預定時間段。
  8. 如請求項1之級聯開關，其中該微處理器經組態以監測對應於一或多個開關電路之一溫度值且基於該溫度值將一電負載引導至該等開關電路之一或多者。
  9. 如請求項8之級聯開關，其中該微處理器經組態以在對應於一第二組開關之該溫度值超過一臨限溫度且對應於一第一組開關電路之該溫度值小於該臨限溫度時將該電負載引導至該第一組開關電路。
  10. 如請求項1之級聯開關，其中該微處理器與一手動開關通信地耦合且該微處理器基於該手動開關之一選擇將一電負載引導至該等開關電路之一或多者。
  11. 如請求項1之級聯開關，其中該複數個開關電路中之一開關電路子組熱耦合至一散熱器。
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