JP2004274911A - モータ駆動装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】モータの回転速度に影響を及ぼすことなく半導体スイッチング素子の過熱を防止しあるいは過熱状態から復帰させる。
【解決手段】温度センサ３３は、ＭＯＳトランジスタ７の温度を検出し、電流検出回路３５は、ＭＯＳトランジスタ７に流れる電流を検出する。検出温度に応じた電圧Ｖａまたは検出電流に応じた電圧Ｖｃがしきい値以上に上昇すると、過熱状態検出信号Ｓｂさらには切替信号Ｓｄ、ＳｅがＨレベルになる。その結果、駆動回路１５においてスイッチ回路２６がオンしてゲート抵抗値が抵抗２４と２５の並列値となり、ＰＷＭ制御回路１４においてＰＷＭ周波数が下げられる。これにより、モータ２を回転駆動した状態で、ＭＯＳトランジスタ７のスイッチング損失を低減できる。
【選択図】 図１
【解決手段】温度センサ３３は、ＭＯＳトランジスタ７の温度を検出し、電流検出回路３５は、ＭＯＳトランジスタ７に流れる電流を検出する。検出温度に応じた電圧Ｖａまたは検出電流に応じた電圧Ｖｃがしきい値以上に上昇すると、過熱状態検出信号Ｓｂさらには切替信号Ｓｄ、ＳｅがＨレベルになる。その結果、駆動回路１５においてスイッチ回路２６がオンしてゲート抵抗値が抵抗２４と２５の並列値となり、ＰＷＭ制御回路１４においてＰＷＭ周波数が下げられる。これにより、モータ２を回転駆動した状態で、ＭＯＳトランジスタ７のスイッチング損失を低減できる。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体スイッチング素子をＰＷＭ駆動することによりモータ印加電圧を制御するモータ駆動装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
特許文献１には、スイッチングロスを低減するために、平滑した直流電源電圧の値、交流電動機の回転速度や一次電気角周波数もしくは供給する出力電圧の大きさや出力電圧または出力電流の周波数の値に応じてスイッチング周波数を可変する交流電動機の制御方法が記載されている。特許文献２には、過電流時にスイッチング周波数を下げるように制御するＤＣ−ＤＣコンバータが記載されている。特許文献３には、電力損失が最小になるように、負荷状態が軽くなるに従ってＰＷＭ制御手段の発振周波数を連続的に低下させるスイッチング電源装置が記載されている。
【０００３】
【特許文献１】
特開平８−３７７８９号公報
【０００４】
【特許文献２】
特開平１０−２２９６７４号公報
【０００５】
【特許文献３】
特開２００１−１６１０６５号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
例えば、半導体スイッチング素子をＰＷＭ駆動することにより車両に搭載されたファンモータに所望の電圧を供給するファンモータ駆動装置において、当該駆動装置の雰囲気温度が異常に高くなったり、ファンモータの負荷トルクが異常に増大すると、半導体スイッチング素子が過熱する。半導体スイッチング素子をこの過熱状態から保護するため、従来は、温度検出センサや電流検出センサからの信号に基づいてスイッチング素子をオフしたり、ＰＷＭのデューティ比を低減するなどの手段が採られてきた。
【０００７】
しかしながら、スイッチング素子をオフすると、ファンモータが完全に停止して冷却風がゼロになってしまう。また、ＰＷＭのデューティ比を低減しても、ファンモータの回転速度が低下して十分な冷却風が得られない。その結果、冷却対象物が過熱したり、乗員の不快感を招くなどの二次的な被害が発生する。すなわち、ファンモータは、指令された通りの出力で運転を継続することが強く要請されるものである。
【０００８】
本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、その目的は、モータの回転速度に影響を及ぼすことなく半導体スイッチング素子の過熱を防止できあるいは過熱状態から復帰できるモータ駆動装置を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載した手段によれば、駆動回路が、ＰＷＭ制御手段で生成されたＰＷＭ信号に従って半導体スイッチング素子をＰＷＭ駆動すると、そのＰＷＭデューティに応じた電圧がモータに印加されてモータが回転駆動する。この場合、過熱状態検出手段は、半導体スイッチング素子の温度が所定のしきい値を超えて過熱状態となった場合または当該過熱状態となる蓋然性が高い状態となった場合に過熱状態検出信号を出力する。
【００１０】
駆動回路は、半導体スイッチング素子を複数の駆動状態でスイッチング動作させることができるようになっており、駆動制御手段は、過熱状態検出信号が出力された場合、半導体スイッチング素子の立ち上がり時間および立ち下がり時間が短くなるように駆動回路の駆動状態を制御する。これにより、過熱状態検出信号が出力されている期間、スイッチングノイズが増えることはあるものの半導体スイッチング素子のスイッチング損失を低減でき、半導体スイッチング素子を過熱状態から非過熱状態に復帰させること、あるいは過熱状態となることを未然に防止することができる。本手段によれば、モータの回転速度を極力指令値通りに維持した状態で半導体スイッチング素子の損失を低減することができるので、回転速度の低下に伴う二次的な問題が発生しにくいという利点がある。
【００１１】
請求項２に記載した手段によれば、駆動制御手段は、過熱状態検出信号が出力されるとＰＷＭ周波数を下げるようにＰＷＭ制御手段を制御するので、半導体スイッチング素子のスイッチング損失を一層低減できる。また、例えば車両に搭載されたモータを駆動する場合、ＰＷＭ周波数を下げることによりラジオ周波数への妨害が低減するので、半導体スイッチング素子の立ち上がり時間および立ち下がり時間を短くしたことにより増加するノイズを抑制する効果を期待できる。
【００１２】
請求項３に記載した手段によれば、駆動回路は、半導体スイッチング素子のゲートに繋がるゲート抵抗の抵抗値又はベースに繋がるベース抵抗の抵抗値を変化させることにより、半導体スイッチング素子の立ち上がり時間および立ち下がり時間を変えることができる。
【００１３】
請求項４に記載した手段によれば、温度検出手段により半導体スイッチング素子の温度を検出し、その検出温度がしきい値を超えている期間、過熱状態検出信号が出力される。
【００１４】
請求項５に記載した手段によれば、過熱状態検出手段は、電流検出手段を用いて半導体スイッチング素子に流れる電流を検出し、その検出電流がしきい値を超えている期間、過熱状態検出信号を出力する。その結果、半導体スイッチング素子が過熱状態に移行する蓋然性の高い過熱前段階において半導体スイッチング素子の損失を低減でき、過熱状態への移行を未然に防止することができる。
【００１５】
請求項６に記載した手段によれば、過熱状態検出手段は、電源電圧検出手段を用いてモータに印加するための電源電圧を検出し、その検出電源電圧がしきい値を超えている期間、過熱状態検出信号を出力する。一般に、電源電圧が高いほど半導体スイッチング素子の損失が増大する傾向がある。上記手段により、半導体スイッチング素子が過熱状態に移行する蓋然性の高い過熱前段階において半導体スイッチング素子の損失を低減でき、過熱状態への移行を未然に防止することができる。
【００１６】
請求項７に記載した手段によれば、過熱状態検出手段は、ＰＷＭ駆動のデューティ比がしきい値を超えている期間、過熱状態検出信号を出力する。デューティ比が大きいほどモータ印加電圧、モータ電流が増えて、半導体スイッチング素子の損失が増大する。本手段により、半導体スイッチング素子が過熱状態に移行する蓋然性の高い過熱前段階において半導体スイッチング素子の損失を低減でき、過熱状態への移行を未然に防止することができる。
【００１７】
請求項８に記載した手段によれば、過熱状態検出手段は、ヒステリシス特性を持った過熱状態検出信号を出力するので、駆動回路において半導体スイッチング素子の駆動状態が頻繁に切り替えられることがなくなり、より安定した駆動が可能になる。
【００１８】
請求項９に記載した手段によれば、モータ電圧検出手段によりモータ電圧が検出され、ＰＷＭ制御手段は、その検出されたモータ電圧が指令されたモータ電圧と一致するようにフィードバック制御を行う。これにより、電源電圧が変動しても、モータに対し指令通りの電圧を印加できる。
【００１９】
請求項１０に記載した手段によれば、ファンの送風能力を維持した状態で半導体スイッチング素子の損失を低減することができるので、自動車用冷却システムにおける熱交換器の冷却効果低下による二次的な問題が発生しにくいという利点がある。
【００２０】
【発明の実施の形態】
（第１の実施形態）
以下、本発明の第１の実施形態について図１ないし図３を参照しながら説明する。
図１は、モータ駆動装置の電気的構成を示している。このモータ駆動装置１は、自動車用冷却システムにおける熱交換器の送風用ファンモータ２（以下、モータ２と称す）を駆動するもので、バッテリ３から端子１ａ、１ｂに与えられるバッテリ電圧を電源電圧ＶＢとして動作するようになっている。また、端子１ｃには、エンジンＥＣＵ４（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ） から指令信号Ｓａが与えられるようになっている。この指令信号Ｓａは、モータ２に印加すべき電圧に応じたディジタルデータまたはアナログ電圧の信号である。
【００２１】
上記ＥＣＵ４は、燃料噴射制御、点火時期制御、アイドル回転速度制御などエンジンに関する複数の制御を集中的に制御するものである。図示しないが、ＥＣＵ４は、エンジン冷却水の温度信号、エンジン動力をエアコンのコンプレッサに伝達するマグネットクラッチのオンオフ信号、エアコンの冷媒の圧力上昇を示す冷媒高圧信号などを入力しており、これらの信号を用いてエンジン制御およびモータ２の回転制御を行うようになっている。
【００２２】
モータ駆動装置１の内部にはセラミック基板と平滑回路５とが収容されており、そのセラミック基板にはＩＣ６、Ｎチャネル型ＭＯＳトランジスタ７（半導体スイッチング素子に相当）、還流用のダイオード８およびスナバ用のコンデンサ９が搭載されている。セラミック基板を用いるのは、ＩＣ６とＭＯＳトランジスタ７との熱結合を密な状態とするためである。
【００２３】
端子１ｄと１ｅはモータ接続端子であり、このうち端子１ｄはモータ駆動装置１の内部において端子１ａと接続されている。また、端子１ｆはパワー系のグランド端子であって、端子１ｅ、１ｆにはそれぞれＭＯＳトランジスタ７のドレイン、ソースが接続されている。ＭＯＳトランジスタ７には、図示極性を持つ寄生ダイオード７ａが並列に接続されている。
【００２４】
モータ駆動装置１の内部において、端子１ｅと１ｄとの間には、図示極性のダイオード８と平滑回路５とが直列に接続されている。ダイオード８にはコンデンサ９が並列接続されている。平滑回路５は、リアクトル１０と電解コンデンサ１１、１２とからなるπ型フィルタの構成を備えている。これら平滑回路５とコンデンサ９は、ＭＯＳトランジスタ７のスイッチング時に生じるノイズを吸収する機能を有している。
【００２５】
ＩＣ６は、指令信号Ｓａを処理する入力信号処理回路１３、ＰＷＭ信号Ｓｃを生成するＰＷＭ制御回路１４、ＭＯＳトランジスタ７を駆動する駆動回路１５、ＭＯＳトランジスタ７の過熱状態などを検出する過熱検出回路１６、およびＰＷＭ周波数と駆動回路１５の駆動状態を制御する駆動制御回路１７を有している。各回路の構成は以下のようになっている。
【００２６】
入力信号処理回路１３は、ＥＣＵ４からシリアル通信により送信されてくるディジタルデータ（指令信号Ｓａ）を受信して、指令モータ電圧Ｖｒを生成するようになっている。また、指令信号Ｓａがアナログ電圧により送られてくる場合には、レベル変換等により指令モータ電圧Ｖｒを生成するようになっている。
【００２７】
ＰＷＭ制御回路１４（ＰＷＭ制御手段に相当）は、モータ２に印加されるモータ電圧Ｖｍが指令モータ電圧Ｖｒと一致するようにＰＷＭ信号ＳｃのＰＷＭデューティを制御するフィードバック制御回路である。すなわち、モータ電圧検出回路１８（モータ電圧検出手段に相当）は、端子１ｄ（端子１ａ）と端子１ｅとの間の電圧に基づいてモータ電圧Ｖｍを検出し、減算器１９は、指令モータ電圧Ｖｒとモータ電圧Ｖｍとの減算電圧である電圧偏差を出力するようになっている。この電圧偏差は積分器２０を通してコンパレータ２２の一方の入力端子に入力され、そのコンパレータ２２の他方の入力端子には三角波発生回路２１から出力される三角波信号が入力されるようになっている。
【００２８】
その三角波発生回路２１は、内部に設けられたＣＲ充放電回路における抵抗値（または容量値）に応じた周波数を持つ三角波信号を生成するものである。そして、駆動制御回路１７から与えられる切替信号ＳｄがＬレベルの場合には１９ｋＨｚの周波数を持つ三角波信号を出力し、切替信号ＳｄがＨレベルの場合には５ｋＨｚの周波数を持つ三角波信号を出力するようになっている。
【００２９】
駆動回路１５は、ＰＷＭ信号Ｓｃを入力としてＭＯＳトランジスタ７にゲート電圧Ｖｇを出力する回路であり、プッシュプル回路２３、ゲート抵抗２４、２５およびスイッチ回路２６から構成されている。このうちプッシュプル回路２３は、トランジスタ２７、２８、抵抗２９、３０およびダイオード３１、３２から構成されており、トランジスタ２７と２８の共通接続されたエミッタを出力ノードＮｐとしている。
【００３０】
この出力ノードＮｐとＭＯＳトランジスタ７のゲートに繋がるＩＣ６の端子との間には、抵抗２４が接続されている。また、この抵抗２４と並列に、抵抗２５とスイッチ回路２６との直列回路が接続されている。スイッチ回路２６は、例えばトランジスタから構成されており、駆動制御回路１７から与えられる切替信号ＳｅがＬレベルの場合にはオフし、切替信号ＳｅがＨレベルの場合にはオンするようになっている。
【００３１】
過熱検出回路１６（過熱状態検出手段に相当）は、ＭＯＳトランジスタ７の温度が実際にしきい値を超えて過熱状態となっている場合、またはＭＯＳトランジスタ７に過大な電流が流れており現在は過熱状態でなくても近い将来において過熱状態となる蓋然性が高い場合に、過熱状態検出信号ＳｂをＬレベル（正常状態）からＨレベル（過熱状態）にするものである。
【００３２】
すなわち、ＩＣ６の内部には、検出温度Ｔに応じた電圧Ｖａを出力する温度センサ３３（温度検出手段に相当）が設けられており、その温度センサ３３は、直接的には当該ＩＣ６の温度Ｔを検出するようになっている。しかし、上述したようにＩＣ６とＭＯＳトランジスタ７とはセラミック基板を介して密に熱結合されており、温度センサ３３は、実質的にはＭＯＳトランジスタ７の温度Ｔを検出することができるようになっている。なお、温度センサは、ＩＣ６の外部であってＭＯＳトランジスタ７に近接して設けてもよい。また、ＭＯＳトランジスタ７に内蔵されていてもよい。
【００３３】
コンパレータ３４の非反転入力端子には上記電圧Ｖａが入力され、反転入力端子にはしきい値電圧Ｖａ１またはＶａ２が入力されている。しきい値電圧Ｖａ１、Ｖａ２は、それぞれ温度Ｔ１、Ｔ２（ただしＴ１＞Ｔ２）に相当する電圧である。コンパレータ３４は、その出力がＬレベル（過熱非検出状態）の場合には電圧Ｖａとしきい値電圧Ｖａ１とを比較し、出力がＨレベル（過熱検出状態）の場合には電圧Ｖａとしきい値電圧Ｖａ２とを比較するようになっている。これにより、ヒステリシスコンパレータが実現されている。
【００３４】
一方、電流検出回路３５（電流検出手段に相当）は、ＰＷＭ信号Ｓｃに基づいてＭＯＳトランジスタ７がオンしている時のドレイン・ソース間電圧ＶＤＳを検出することにより、ＭＯＳトランジスタ７に流れる電流に応じた電圧Ｖｃを出力するようになっている。
【００３５】
コンパレータ３６の非反転入力端子には上記電圧Ｖｃが入力され、反転入力端子にはしきい値電圧Ｖｃ１、Ｖｃ２が入力されている。しきい値電圧Ｖｃ１、Ｖｃ２は、それぞれ電流Ｉ１、Ｉ２（ただしＩ１＞Ｉ２）に相当する電圧である。コンパレータ３６は、その出力がＬレベル（過電流非検出状態）の場合には電圧Ｖｃとしきい値電圧Ｖｃ１とを比較し、出力がＨレベル（過電流検出状態）の場合には電圧Ｖｃとしきい値電圧Ｖｃ２とを比較するようになっている。これにより、ヒステリシスコンパレータが実現されている。
【００３６】
これらコンパレータ３４と３６の各出力信号はＯＲゲート３７に入力されており、このＯＲゲート３７の出力信号が過熱状態検出信号Ｓｂとなる。駆動制御回路１７（駆動制御手段に相当）は、過熱状態検出信号ＳｂがＬレベル（正常状態）の場合に切替信号Ｓｄ、ＳｅをＬレベルとし、過熱状態検出信号ＳｂがＨレベル（過熱状態）の場合に切替信号Ｓｄ、ＳｅをＨレベルに制御するようになっている。
【００３７】
次に、本実施形態の作用について図２および図３も参照しながら説明する。 モータ駆動装置１は、バッテリ３から電源電圧ＶＢの供給を受けると、ＰＷＭ制御回路１４により、ＥＣＵ４から与えられた指令モータ電圧Ｖｒと検出したモータ電圧Ｖｍとが一致するようにＰＷＭ信号Ｓｃのデューティ比を制御する。そして、駆動回路１５は、ＭＯＳトランジスタ７に対して、このＰＷＭ信号Ｓｃに応じたゲート電圧Ｖｇを出力する。
【００３８】
ＭＯＳトランジスタ７にはゲート容量Ｃｇｄ、Ｃｇｓが存在するため、プッシュプル回路２３の電流駆動能力またはゲート抵抗（抵抗２４、２５）の抵抗値によってその駆動状態が異なる。一般に、ゲート抵抗の抵抗値が小さいほどゲート容量Ｃｇｄ、Ｃｇｓの充放電時間が短くなるため、スイッチング時におけるＭＯＳトランジスタ７の立ち上がり時間ｔｒおよび立ち下がり時間ｔｆは短くなる。従って、ＰＷＭ周波数が同じ場合には、ゲート抵抗の抵抗値が小さい方が、すなわちスイッチ回路２６がオンしてゲート抵抗値が抵抗２４と２５の並列値となる場合の方がスイッチング損失が低減し、ＭＯＳトランジスタ７の温度上昇を抑えることができる。
【００３９】
図３は、ＭＯＳトランジスタ７の立ち上がり時間ｔｒ（＝立ち下がり時間ｔｆ）と当該ＭＯＳトランジスタ７の上昇温度との関係を測定した特性図である。図に３本描かれている特性線は、上から順にＰＷＭ周波数が１９ｋＨｚ、１５ｋＨｚ、１０ｋＨｚの場合である。測定は、電源電圧ＶＢが１５．１Ｖ、モータ２の定格容量が１２０Ｗ、モータ電圧Ｖｍが９．６Ｖ、モータ電流が８Ａの条件の下で行った。
【００４０】
この図３から明らかなように、ゲート抵抗の抵抗値を小さく設定して立ち上がり時間ｔｒおよび立ち下がり時間ｔｆを短くすることにより、ＭＯＳトランジスタ７の温度上昇を低く抑えられることが分かる。また、この図３から、ＰＷＭ周波数が低いほどスイッチング損失が低減し、ＭＯＳトランジスタ７の温度上昇を低く抑えられることが分かる。図示していないが、ＰＷＭ周波数が５ｋＨｚの場合には、温度上昇はさらに抑制される。
【００４１】
ＰＷＭ周波数は、以下の４点に基づいて選定される。
（下限）
▲１▼ モータ２のブラシ磨耗、モータ２の発熱、モータ２に流れる電流のリプル分に基づいて、モータ２のインダクタンス値と抵抗値とから決まる時定数（数ｋＨｚ）以上にすることが好ましい。
▲２▼モータ２のインダクタンス成分による磁気音が聞こえないように、人の可聴周波数よりも高くすることが好ましい。
【００４２】
（上限）
▲３▼ラジオノイズの観点からできるだけ低くするのが好ましい。
▲４▼ＭＯＳトランジスタ７の発熱面からできるだけ低くするのが好ましい。
【００４３】
図２は、ＭＯＳトランジスタ７の温度Ｔの変化と電流Ｉの変化に対する各信号の変化を示している。（ａ）は、モータ電流Ｉが比較的大きく、周囲温度の上昇などにより温度Ｔがしきい値Ｔ１を超えて過熱状態となった場合を示しており、（ｂ）は、モータ２が一時的に過負荷状態となり、電流Ｉがしきい値Ｉ１を超えて過電流状態となった場合を示している。
【００４４】
まず図２（ａ）において、検出温度Ｔがしきい値Ｔ１よりも低い期間（時刻ｔ１以前）では、コンパレータ３４、３６の出力信号はともにＬレベルであって、過熱状態検出信号Ｓｂ、切替信号Ｓｄ、ＳｅはＬレベルとなっている。このため、ＰＷＭ周波数は１９ｋＨｚに設定され、駆動回路１５におけるゲート抵抗は抵抗２４のみとなる。その後、検出温度Ｔがしきい値Ｔ１に達すると（時刻ｔ１）、過熱状態検出信号Ｓｂ、切替信号Ｓｄ、ＳｅはＨレベルとなり、ＰＷＭ周波数は５ｋＨｚに下げられ、駆動回路１５におけるゲート抵抗は抵抗２４と２５の並列抵抗となる。
【００４５】
その結果、立ち上がり時間ｔｒおよび立ち下がり時間ｔｆが短くなり、ＰＷＭ周波数の低下と相俟って、スイッチング損失が減少し、ＭＯＳトランジスタ７の温度上昇が抑えられる。すなわち、モータ駆動装置１は、過熱状態になっても直ちにモータ２を停止させたり回転速度を低下させることはせず、モータ電圧Ｖｍを極力指令モータ電圧Ｖｒに等しく制御して回転速度を維持したまま、ＭＯＳトランジスタ７を過熱状態から復帰させるように制御する。ただし、ＭＯＳトランジスタ７の温度Ｔがさらに上昇し続けるような場合にあっては、モータ２を停止させたり回転速度を低下させるように構成してもよい。その後、温度Ｔがしきい値Ｔ２以下にまで低下すると、ＰＷＭ周波数は再び１９ｋＨｚに設定され、駆動回路１５におけるゲート抵抗は抵抗２４のみとなる（時刻ｔ２）。
【００４６】
一方、図２（ｂ）において、モータ電流Ｉがしきい値Ｉ１に達すると、温度Ｔがしきい値Ｔ１に達していない場合であっても、過熱状態検出信号ＳｂがＨレベルとなり、ＰＷＭ周波数は５ｋＨｚに下げられ、駆動回路１５におけるゲート抵抗は抵抗２４と２５の並列抵抗となる（時刻ｔ３）。これは、電流Ｉがしきい値Ｉ１以上となる状況では、現在は過熱状態でなくても今後過熱状態となる蓋然性が高いからである。すなわち、過熱状態を予測していることに等しい。その結果、スイッチング損失が減少し、ＭＯＳトランジスタ７の温度上昇が抑えられる。その後、電流Ｉがしきい値Ｉ２以下にまで低下すると、ＰＷＭ周波数は再び１９ｋＨｚに設定され、駆動回路１５におけるゲート抵抗は抵抗２４のみとなる（時刻ｔ４）。
【００４７】
以上説明したように、本実施形態のモータ駆動装置１は、ＭＯＳトランジスタ７の過熱状態を検出する過熱検出回路１６を備え、ＭＯＳトランジスタ７が実際に過熱状態となった場合、またはＭＯＳトランジスタ７が過電流状態となった場合に、駆動回路１５のゲート抵抗を減少させてスイッチング時の立ち上がり時間ｔｒおよび立ち下がり時間ｔｆを短くし、さらにＰＷＭ周波数を低下させるように制御する。
【００４８】
これにより、ＭＯＳトランジスタ７のスイッチング損失を低減でき、ＭＯＳトランジスタ７を過熱状態から非過熱状態に復帰させること、あるいは過熱状態となることを未然に防止することができる。そして、モータ２の印加電圧（回転速度）を極力指令値通りの電圧（指令回転速度）に維持できるので、モータ２の回転速度の低下に伴う二次的な問題例えば冷却システムの冷却能力低下が発生しにくいという利点がある。
【００４９】
また、立ち上がり時間ｔｒおよび立ち下がり時間ｔｆを短くすると、スイッチング時のリンギングが増加してスイッチングノイズ（ラジオノイズとなる）が増大することが懸念されるが、これと併せてＰＷＭ周波数を下げているので、そのノイズの周波数帯をラジオの周波数帯からずらすことができ、ラジオノイズを極力抑えることができる。
【００５０】
過熱検出回路１６は、ヒステリシス特性を持った過熱状態検出信号Ｓｂを出力するので、駆動回路１５のゲート抵抗およびＰＷＭ周波数が頻繁に切り替えられる現象（ハンチング現象）を抑制でき、安定した駆動が可能になる。
【００５１】
ＰＷＭ制御回路１４は、検出されたモータ電圧Ｖｍが指令されたモータ電圧Ｖｒと一致するようにフィードバック制御を行うので、電源電圧ＶＢが変動しても、モータ２に対し指令通りの電圧を印加できる。
【００５２】
（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態について、モータ駆動装置の電気的構成を示す図４を参照しながら説明する。図４において図１と同一構成部分には同一符号を付している。この図４に示すモータ駆動装置３８は、図１に示したモータ駆動装置１に対し、過熱検出回路３９の構成が異なっている。
【００５３】
過熱検出回路３９は、端子１ａに入力される電源電圧ＶＢを分圧して検出する電源電圧検出回路４０（電源電圧検出手段に相当）を備えている。コンパレータ３６の非反転入力端子には電源電圧ＶＢに応じた電圧Ｖｂが入力され、反転入力端子にはしきい値電圧Ｖｂ１、Ｖｂ２が入力されている。しきい値電圧Ｖｂ１、Ｖｂ２は、それぞれ電源電圧ＶＢ１、ＶＢ２（ただしＶＢ１＞ＶＢ２）に相当する電圧である。なお、過電流保護のため、モータ駆動装置３８に、ＭＯＳトランジスタ７に流れる電流を検出する電流検出回路を設けてもよい。
【００５４】
一般に、電源電圧ＶＢが高いほどＭＯＳトランジスタ７のスイッチング損失が増大する傾向がある。本実施形態のモータ駆動装置３８によれば、ＭＯＳトランジスタ７の過熱状態が検出された場合に加え、バッテリ３から供給される電源電圧ＶＢがしきい値ＶＢ１以上となった場合にも過熱状態検出信号ＳｂがＨレベルとなり、駆動回路１５のゲート抵抗を減少させてスイッチング時の立ち上がり時間ｔｒおよび立ち下がり時間ｔｆを短くし、さらにＰＷＭ周波数を低下させるように制御する。
【００５５】
このように、ＭＯＳトランジスタ７が過熱状態に移行する蓋然性の高い過熱前段階においてＭＯＳトランジスタ７の損失が低減するので、電源電圧ＶＢの上昇による過熱状態への移行を未然に防止することができる。その他、第１の実施形態と同様の作用、効果が得られる。
【００５６】
（第３の実施形態）
図５は、本発明の第３の実施形態に係るモータ駆動装置の電気的構成を示すもので、図１と同一構成部分には同一符号を付している。この図５に示すモータ駆動装置４１は、図１に示したモータ駆動装置１に対し過熱検出回路４２の構成が異なっている。すなわち、過熱検出回路４２は、ＰＷＭ信号Ｓｃのデューティ比を検出するデューティ比検出回路４３を備えている。コンパレータ３６の非反転入力端子にはデューティ比に応じた電圧Ｖｄが入力され、反転入力端子にはしきい値電圧Ｖｄ１、Ｖｄ２が入力されている。しきい値電圧Ｖｄ１、Ｖｄ２は、それぞれデューティ比Ｄ１、Ｄ２（ただしＤ１＞Ｄ２）に相当する電圧である。なお、過電流保護のため、モータ駆動装置４１に、ＭＯＳトランジスタ７に流れる電流を検出する電流検出回路を設けてもよい。
【００５７】
一般に、デューティ比が高いほど負荷が大きくＭＯＳトランジスタ７の損失が増大する傾向がある。このモータ駆動装置４１によれば、ＭＯＳトランジスタ７の過熱状態が検出された場合に加え、ＰＷＭ信号Ｓｃのデューティ比がしきい値Ｄ１以上となった場合にも過熱状態検出信号ＳｂがＨレベルとなり、駆動回路１５のゲート抵抗を減少させてスイッチング時の立ち上がり時間ｔｒおよび立ち下がり時間ｔｆを短くし、さらにＰＷＭ周波数を低下させるように制御する。
【００５８】
このように、ＭＯＳトランジスタ７が過熱状態に移行する蓋然性の高い過熱前段階においてＭＯＳトランジスタ７の損失が低減するので、電源電圧ＶＢの上昇による過熱状態への移行を未然に防止することができる。その他、第１の実施形態と同様の作用、効果が得られる。
【００５９】
（その他の実施形態）
なお、本発明は上記し且つ図面に示す各実施形態に限定されるものではなく、例えば以下のように変形または拡張が可能である。
立ち上がり時間ｔｒおよび立ち下がり時間ｔｆを制御するためにＭＯＳトランジスタ７の駆動状態を変化させる手段としては、ゲート抵抗を変化させることの他、プッシュプル回路２３の電流駆動能力を変化させたり、ゲート電圧を変化させるようにしてもよい。また、上記各実施形態では、駆動回路１５の駆動状態をゲート抵抗２４、２５の接続形態により２段階に変化させたが、３段階以上に変化させてもよい。また、各実施形態において、ＰＷＭ周波数を下げるための構成は必要に応じて付加すればよい。
【００６０】
第１の実施形態では温度センサ３３と電流検出回路３５の何れか一方、第２の実施形態では温度センサ３３と電源電圧検出回路４０の何れか一方、第３の実施形態では温度センサ３３とデューティ比検出回路４３の何れか一方を備えた構成としてもよい。
【００６１】
モータ電圧Ｖｍを指令モータ電圧Ｖｒと一致させるためのフィードバック制御は、例えば電源電圧ＶＢの変動が大きいなどの事情に応じて適宜行えばよい。 指令信号Ｓａは、モータ電圧ではなくＰＷＭ信号Ｓｃのデューティ比を直接指令してもよい。
第３の実施形態において、指令信号ＳａがＰＷＭ信号Ｓｃのデューティ比を直接指令している場合には、その指令信号Ｓａ（デューティ比に応じた電圧に変換した信号）を直接コンパレータ３６に入力すればよい。
半導体スイッチング素子は、ＭＯＳトランジスタに限らずバイポーラトランジスタなどであってもよい。
モータ２は、自動車用冷却システムにおける熱交換器の送風用ファンモータに限られない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態を示すモータ駆動装置の電気的構成図
【図２】ＭＯＳトランジスタの温度変化および電流変化に対する各信号の変化を示す図
【図３】ＭＯＳトランジスタの立ち上がり時間、立ち下がり時間と上昇温度との関係を示す特性図
【図４】本発明の第２の実施形態を示す図１相当図
【図５】本発明の第３の実施形態を示す図１相当図
【符号の説明】
１、３８、４１はモータ駆動装置、２は送風用ファンモータ、７はＭＯＳトランジスタ（半導体スイッチング素子）、１４はＰＷＭ制御回路（ＰＷＭ制御手段）、１５は駆動回路、１６、３９、４２は過熱検出回路（過熱状態検出手段）、１７は駆動制御回路（駆動制御手段）、１８はモータ電圧検出回路（モータ電圧検出手段）、２４、２５はゲート抵抗、３３は温度センサ（温度検出手段）、３５は電流検出回路（電流検出手段）、４０は電源電圧検出回路（電源電圧検出手段）である。
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体スイッチング素子をＰＷＭ駆動することによりモータ印加電圧を制御するモータ駆動装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
特許文献１には、スイッチングロスを低減するために、平滑した直流電源電圧の値、交流電動機の回転速度や一次電気角周波数もしくは供給する出力電圧の大きさや出力電圧または出力電流の周波数の値に応じてスイッチング周波数を可変する交流電動機の制御方法が記載されている。特許文献２には、過電流時にスイッチング周波数を下げるように制御するＤＣ−ＤＣコンバータが記載されている。特許文献３には、電力損失が最小になるように、負荷状態が軽くなるに従ってＰＷＭ制御手段の発振周波数を連続的に低下させるスイッチング電源装置が記載されている。
【０００３】
【特許文献１】
特開平８−３７７８９号公報
【０００４】
【特許文献２】
特開平１０−２２９６７４号公報
【０００５】
【特許文献３】
特開２００１−１６１０６５号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
例えば、半導体スイッチング素子をＰＷＭ駆動することにより車両に搭載されたファンモータに所望の電圧を供給するファンモータ駆動装置において、当該駆動装置の雰囲気温度が異常に高くなったり、ファンモータの負荷トルクが異常に増大すると、半導体スイッチング素子が過熱する。半導体スイッチング素子をこの過熱状態から保護するため、従来は、温度検出センサや電流検出センサからの信号に基づいてスイッチング素子をオフしたり、ＰＷＭのデューティ比を低減するなどの手段が採られてきた。
【０００７】
しかしながら、スイッチング素子をオフすると、ファンモータが完全に停止して冷却風がゼロになってしまう。また、ＰＷＭのデューティ比を低減しても、ファンモータの回転速度が低下して十分な冷却風が得られない。その結果、冷却対象物が過熱したり、乗員の不快感を招くなどの二次的な被害が発生する。すなわち、ファンモータは、指令された通りの出力で運転を継続することが強く要請されるものである。
【０００８】
本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、その目的は、モータの回転速度に影響を及ぼすことなく半導体スイッチング素子の過熱を防止できあるいは過熱状態から復帰できるモータ駆動装置を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載した手段によれば、駆動回路が、ＰＷＭ制御手段で生成されたＰＷＭ信号に従って半導体スイッチング素子をＰＷＭ駆動すると、そのＰＷＭデューティに応じた電圧がモータに印加されてモータが回転駆動する。この場合、過熱状態検出手段は、半導体スイッチング素子の温度が所定のしきい値を超えて過熱状態となった場合または当該過熱状態となる蓋然性が高い状態となった場合に過熱状態検出信号を出力する。
【００１０】
駆動回路は、半導体スイッチング素子を複数の駆動状態でスイッチング動作させることができるようになっており、駆動制御手段は、過熱状態検出信号が出力された場合、半導体スイッチング素子の立ち上がり時間および立ち下がり時間が短くなるように駆動回路の駆動状態を制御する。これにより、過熱状態検出信号が出力されている期間、スイッチングノイズが増えることはあるものの半導体スイッチング素子のスイッチング損失を低減でき、半導体スイッチング素子を過熱状態から非過熱状態に復帰させること、あるいは過熱状態となることを未然に防止することができる。本手段によれば、モータの回転速度を極力指令値通りに維持した状態で半導体スイッチング素子の損失を低減することができるので、回転速度の低下に伴う二次的な問題が発生しにくいという利点がある。
【００１１】
請求項２に記載した手段によれば、駆動制御手段は、過熱状態検出信号が出力されるとＰＷＭ周波数を下げるようにＰＷＭ制御手段を制御するので、半導体スイッチング素子のスイッチング損失を一層低減できる。また、例えば車両に搭載されたモータを駆動する場合、ＰＷＭ周波数を下げることによりラジオ周波数への妨害が低減するので、半導体スイッチング素子の立ち上がり時間および立ち下がり時間を短くしたことにより増加するノイズを抑制する効果を期待できる。
【００１２】
請求項３に記載した手段によれば、駆動回路は、半導体スイッチング素子のゲートに繋がるゲート抵抗の抵抗値又はベースに繋がるベース抵抗の抵抗値を変化させることにより、半導体スイッチング素子の立ち上がり時間および立ち下がり時間を変えることができる。
【００１３】
請求項４に記載した手段によれば、温度検出手段により半導体スイッチング素子の温度を検出し、その検出温度がしきい値を超えている期間、過熱状態検出信号が出力される。
【００１４】
請求項５に記載した手段によれば、過熱状態検出手段は、電流検出手段を用いて半導体スイッチング素子に流れる電流を検出し、その検出電流がしきい値を超えている期間、過熱状態検出信号を出力する。その結果、半導体スイッチング素子が過熱状態に移行する蓋然性の高い過熱前段階において半導体スイッチング素子の損失を低減でき、過熱状態への移行を未然に防止することができる。
【００１５】
請求項６に記載した手段によれば、過熱状態検出手段は、電源電圧検出手段を用いてモータに印加するための電源電圧を検出し、その検出電源電圧がしきい値を超えている期間、過熱状態検出信号を出力する。一般に、電源電圧が高いほど半導体スイッチング素子の損失が増大する傾向がある。上記手段により、半導体スイッチング素子が過熱状態に移行する蓋然性の高い過熱前段階において半導体スイッチング素子の損失を低減でき、過熱状態への移行を未然に防止することができる。
【００１６】
請求項７に記載した手段によれば、過熱状態検出手段は、ＰＷＭ駆動のデューティ比がしきい値を超えている期間、過熱状態検出信号を出力する。デューティ比が大きいほどモータ印加電圧、モータ電流が増えて、半導体スイッチング素子の損失が増大する。本手段により、半導体スイッチング素子が過熱状態に移行する蓋然性の高い過熱前段階において半導体スイッチング素子の損失を低減でき、過熱状態への移行を未然に防止することができる。
【００１７】
請求項８に記載した手段によれば、過熱状態検出手段は、ヒステリシス特性を持った過熱状態検出信号を出力するので、駆動回路において半導体スイッチング素子の駆動状態が頻繁に切り替えられることがなくなり、より安定した駆動が可能になる。
【００１８】
請求項９に記載した手段によれば、モータ電圧検出手段によりモータ電圧が検出され、ＰＷＭ制御手段は、その検出されたモータ電圧が指令されたモータ電圧と一致するようにフィードバック制御を行う。これにより、電源電圧が変動しても、モータに対し指令通りの電圧を印加できる。
【００１９】
請求項１０に記載した手段によれば、ファンの送風能力を維持した状態で半導体スイッチング素子の損失を低減することができるので、自動車用冷却システムにおける熱交換器の冷却効果低下による二次的な問題が発生しにくいという利点がある。
【００２０】
【発明の実施の形態】
（第１の実施形態）
以下、本発明の第１の実施形態について図１ないし図３を参照しながら説明する。
図１は、モータ駆動装置の電気的構成を示している。このモータ駆動装置１は、自動車用冷却システムにおける熱交換器の送風用ファンモータ２（以下、モータ２と称す）を駆動するもので、バッテリ３から端子１ａ、１ｂに与えられるバッテリ電圧を電源電圧ＶＢとして動作するようになっている。また、端子１ｃには、エンジンＥＣＵ４（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ） から指令信号Ｓａが与えられるようになっている。この指令信号Ｓａは、モータ２に印加すべき電圧に応じたディジタルデータまたはアナログ電圧の信号である。
【００２１】
上記ＥＣＵ４は、燃料噴射制御、点火時期制御、アイドル回転速度制御などエンジンに関する複数の制御を集中的に制御するものである。図示しないが、ＥＣＵ４は、エンジン冷却水の温度信号、エンジン動力をエアコンのコンプレッサに伝達するマグネットクラッチのオンオフ信号、エアコンの冷媒の圧力上昇を示す冷媒高圧信号などを入力しており、これらの信号を用いてエンジン制御およびモータ２の回転制御を行うようになっている。
【００２２】
モータ駆動装置１の内部にはセラミック基板と平滑回路５とが収容されており、そのセラミック基板にはＩＣ６、Ｎチャネル型ＭＯＳトランジスタ７（半導体スイッチング素子に相当）、還流用のダイオード８およびスナバ用のコンデンサ９が搭載されている。セラミック基板を用いるのは、ＩＣ６とＭＯＳトランジスタ７との熱結合を密な状態とするためである。
【００２３】
端子１ｄと１ｅはモータ接続端子であり、このうち端子１ｄはモータ駆動装置１の内部において端子１ａと接続されている。また、端子１ｆはパワー系のグランド端子であって、端子１ｅ、１ｆにはそれぞれＭＯＳトランジスタ７のドレイン、ソースが接続されている。ＭＯＳトランジスタ７には、図示極性を持つ寄生ダイオード７ａが並列に接続されている。
【００２４】
モータ駆動装置１の内部において、端子１ｅと１ｄとの間には、図示極性のダイオード８と平滑回路５とが直列に接続されている。ダイオード８にはコンデンサ９が並列接続されている。平滑回路５は、リアクトル１０と電解コンデンサ１１、１２とからなるπ型フィルタの構成を備えている。これら平滑回路５とコンデンサ９は、ＭＯＳトランジスタ７のスイッチング時に生じるノイズを吸収する機能を有している。
【００２５】
ＩＣ６は、指令信号Ｓａを処理する入力信号処理回路１３、ＰＷＭ信号Ｓｃを生成するＰＷＭ制御回路１４、ＭＯＳトランジスタ７を駆動する駆動回路１５、ＭＯＳトランジスタ７の過熱状態などを検出する過熱検出回路１６、およびＰＷＭ周波数と駆動回路１５の駆動状態を制御する駆動制御回路１７を有している。各回路の構成は以下のようになっている。
【００２６】
入力信号処理回路１３は、ＥＣＵ４からシリアル通信により送信されてくるディジタルデータ（指令信号Ｓａ）を受信して、指令モータ電圧Ｖｒを生成するようになっている。また、指令信号Ｓａがアナログ電圧により送られてくる場合には、レベル変換等により指令モータ電圧Ｖｒを生成するようになっている。
【００２７】
ＰＷＭ制御回路１４（ＰＷＭ制御手段に相当）は、モータ２に印加されるモータ電圧Ｖｍが指令モータ電圧Ｖｒと一致するようにＰＷＭ信号ＳｃのＰＷＭデューティを制御するフィードバック制御回路である。すなわち、モータ電圧検出回路１８（モータ電圧検出手段に相当）は、端子１ｄ（端子１ａ）と端子１ｅとの間の電圧に基づいてモータ電圧Ｖｍを検出し、減算器１９は、指令モータ電圧Ｖｒとモータ電圧Ｖｍとの減算電圧である電圧偏差を出力するようになっている。この電圧偏差は積分器２０を通してコンパレータ２２の一方の入力端子に入力され、そのコンパレータ２２の他方の入力端子には三角波発生回路２１から出力される三角波信号が入力されるようになっている。
【００２８】
その三角波発生回路２１は、内部に設けられたＣＲ充放電回路における抵抗値（または容量値）に応じた周波数を持つ三角波信号を生成するものである。そして、駆動制御回路１７から与えられる切替信号ＳｄがＬレベルの場合には１９ｋＨｚの周波数を持つ三角波信号を出力し、切替信号ＳｄがＨレベルの場合には５ｋＨｚの周波数を持つ三角波信号を出力するようになっている。
【００２９】
駆動回路１５は、ＰＷＭ信号Ｓｃを入力としてＭＯＳトランジスタ７にゲート電圧Ｖｇを出力する回路であり、プッシュプル回路２３、ゲート抵抗２４、２５およびスイッチ回路２６から構成されている。このうちプッシュプル回路２３は、トランジスタ２７、２８、抵抗２９、３０およびダイオード３１、３２から構成されており、トランジスタ２７と２８の共通接続されたエミッタを出力ノードＮｐとしている。
【００３０】
この出力ノードＮｐとＭＯＳトランジスタ７のゲートに繋がるＩＣ６の端子との間には、抵抗２４が接続されている。また、この抵抗２４と並列に、抵抗２５とスイッチ回路２６との直列回路が接続されている。スイッチ回路２６は、例えばトランジスタから構成されており、駆動制御回路１７から与えられる切替信号ＳｅがＬレベルの場合にはオフし、切替信号ＳｅがＨレベルの場合にはオンするようになっている。
【００３１】
過熱検出回路１６（過熱状態検出手段に相当）は、ＭＯＳトランジスタ７の温度が実際にしきい値を超えて過熱状態となっている場合、またはＭＯＳトランジスタ７に過大な電流が流れており現在は過熱状態でなくても近い将来において過熱状態となる蓋然性が高い場合に、過熱状態検出信号ＳｂをＬレベル（正常状態）からＨレベル（過熱状態）にするものである。
【００３２】
すなわち、ＩＣ６の内部には、検出温度Ｔに応じた電圧Ｖａを出力する温度センサ３３（温度検出手段に相当）が設けられており、その温度センサ３３は、直接的には当該ＩＣ６の温度Ｔを検出するようになっている。しかし、上述したようにＩＣ６とＭＯＳトランジスタ７とはセラミック基板を介して密に熱結合されており、温度センサ３３は、実質的にはＭＯＳトランジスタ７の温度Ｔを検出することができるようになっている。なお、温度センサは、ＩＣ６の外部であってＭＯＳトランジスタ７に近接して設けてもよい。また、ＭＯＳトランジスタ７に内蔵されていてもよい。
【００３３】
コンパレータ３４の非反転入力端子には上記電圧Ｖａが入力され、反転入力端子にはしきい値電圧Ｖａ１またはＶａ２が入力されている。しきい値電圧Ｖａ１、Ｖａ２は、それぞれ温度Ｔ１、Ｔ２（ただしＴ１＞Ｔ２）に相当する電圧である。コンパレータ３４は、その出力がＬレベル（過熱非検出状態）の場合には電圧Ｖａとしきい値電圧Ｖａ１とを比較し、出力がＨレベル（過熱検出状態）の場合には電圧Ｖａとしきい値電圧Ｖａ２とを比較するようになっている。これにより、ヒステリシスコンパレータが実現されている。
【００３４】
一方、電流検出回路３５（電流検出手段に相当）は、ＰＷＭ信号Ｓｃに基づいてＭＯＳトランジスタ７がオンしている時のドレイン・ソース間電圧ＶＤＳを検出することにより、ＭＯＳトランジスタ７に流れる電流に応じた電圧Ｖｃを出力するようになっている。
【００３５】
コンパレータ３６の非反転入力端子には上記電圧Ｖｃが入力され、反転入力端子にはしきい値電圧Ｖｃ１、Ｖｃ２が入力されている。しきい値電圧Ｖｃ１、Ｖｃ２は、それぞれ電流Ｉ１、Ｉ２（ただしＩ１＞Ｉ２）に相当する電圧である。コンパレータ３６は、その出力がＬレベル（過電流非検出状態）の場合には電圧Ｖｃとしきい値電圧Ｖｃ１とを比較し、出力がＨレベル（過電流検出状態）の場合には電圧Ｖｃとしきい値電圧Ｖｃ２とを比較するようになっている。これにより、ヒステリシスコンパレータが実現されている。
【００３６】
これらコンパレータ３４と３６の各出力信号はＯＲゲート３７に入力されており、このＯＲゲート３７の出力信号が過熱状態検出信号Ｓｂとなる。駆動制御回路１７（駆動制御手段に相当）は、過熱状態検出信号ＳｂがＬレベル（正常状態）の場合に切替信号Ｓｄ、ＳｅをＬレベルとし、過熱状態検出信号ＳｂがＨレベル（過熱状態）の場合に切替信号Ｓｄ、ＳｅをＨレベルに制御するようになっている。
【００３７】
次に、本実施形態の作用について図２および図３も参照しながら説明する。 モータ駆動装置１は、バッテリ３から電源電圧ＶＢの供給を受けると、ＰＷＭ制御回路１４により、ＥＣＵ４から与えられた指令モータ電圧Ｖｒと検出したモータ電圧Ｖｍとが一致するようにＰＷＭ信号Ｓｃのデューティ比を制御する。そして、駆動回路１５は、ＭＯＳトランジスタ７に対して、このＰＷＭ信号Ｓｃに応じたゲート電圧Ｖｇを出力する。
【００３８】
ＭＯＳトランジスタ７にはゲート容量Ｃｇｄ、Ｃｇｓが存在するため、プッシュプル回路２３の電流駆動能力またはゲート抵抗（抵抗２４、２５）の抵抗値によってその駆動状態が異なる。一般に、ゲート抵抗の抵抗値が小さいほどゲート容量Ｃｇｄ、Ｃｇｓの充放電時間が短くなるため、スイッチング時におけるＭＯＳトランジスタ７の立ち上がり時間ｔｒおよび立ち下がり時間ｔｆは短くなる。従って、ＰＷＭ周波数が同じ場合には、ゲート抵抗の抵抗値が小さい方が、すなわちスイッチ回路２６がオンしてゲート抵抗値が抵抗２４と２５の並列値となる場合の方がスイッチング損失が低減し、ＭＯＳトランジスタ７の温度上昇を抑えることができる。
【００３９】
図３は、ＭＯＳトランジスタ７の立ち上がり時間ｔｒ（＝立ち下がり時間ｔｆ）と当該ＭＯＳトランジスタ７の上昇温度との関係を測定した特性図である。図に３本描かれている特性線は、上から順にＰＷＭ周波数が１９ｋＨｚ、１５ｋＨｚ、１０ｋＨｚの場合である。測定は、電源電圧ＶＢが１５．１Ｖ、モータ２の定格容量が１２０Ｗ、モータ電圧Ｖｍが９．６Ｖ、モータ電流が８Ａの条件の下で行った。
【００４０】
この図３から明らかなように、ゲート抵抗の抵抗値を小さく設定して立ち上がり時間ｔｒおよび立ち下がり時間ｔｆを短くすることにより、ＭＯＳトランジスタ７の温度上昇を低く抑えられることが分かる。また、この図３から、ＰＷＭ周波数が低いほどスイッチング損失が低減し、ＭＯＳトランジスタ７の温度上昇を低く抑えられることが分かる。図示していないが、ＰＷＭ周波数が５ｋＨｚの場合には、温度上昇はさらに抑制される。
【００４１】
ＰＷＭ周波数は、以下の４点に基づいて選定される。
（下限）
▲１▼ モータ２のブラシ磨耗、モータ２の発熱、モータ２に流れる電流のリプル分に基づいて、モータ２のインダクタンス値と抵抗値とから決まる時定数（数ｋＨｚ）以上にすることが好ましい。
▲２▼モータ２のインダクタンス成分による磁気音が聞こえないように、人の可聴周波数よりも高くすることが好ましい。
【００４２】
（上限）
▲３▼ラジオノイズの観点からできるだけ低くするのが好ましい。
▲４▼ＭＯＳトランジスタ７の発熱面からできるだけ低くするのが好ましい。
【００４３】
図２は、ＭＯＳトランジスタ７の温度Ｔの変化と電流Ｉの変化に対する各信号の変化を示している。（ａ）は、モータ電流Ｉが比較的大きく、周囲温度の上昇などにより温度Ｔがしきい値Ｔ１を超えて過熱状態となった場合を示しており、（ｂ）は、モータ２が一時的に過負荷状態となり、電流Ｉがしきい値Ｉ１を超えて過電流状態となった場合を示している。
【００４４】
まず図２（ａ）において、検出温度Ｔがしきい値Ｔ１よりも低い期間（時刻ｔ１以前）では、コンパレータ３４、３６の出力信号はともにＬレベルであって、過熱状態検出信号Ｓｂ、切替信号Ｓｄ、ＳｅはＬレベルとなっている。このため、ＰＷＭ周波数は１９ｋＨｚに設定され、駆動回路１５におけるゲート抵抗は抵抗２４のみとなる。その後、検出温度Ｔがしきい値Ｔ１に達すると（時刻ｔ１）、過熱状態検出信号Ｓｂ、切替信号Ｓｄ、ＳｅはＨレベルとなり、ＰＷＭ周波数は５ｋＨｚに下げられ、駆動回路１５におけるゲート抵抗は抵抗２４と２５の並列抵抗となる。
【００４５】
その結果、立ち上がり時間ｔｒおよび立ち下がり時間ｔｆが短くなり、ＰＷＭ周波数の低下と相俟って、スイッチング損失が減少し、ＭＯＳトランジスタ７の温度上昇が抑えられる。すなわち、モータ駆動装置１は、過熱状態になっても直ちにモータ２を停止させたり回転速度を低下させることはせず、モータ電圧Ｖｍを極力指令モータ電圧Ｖｒに等しく制御して回転速度を維持したまま、ＭＯＳトランジスタ７を過熱状態から復帰させるように制御する。ただし、ＭＯＳトランジスタ７の温度Ｔがさらに上昇し続けるような場合にあっては、モータ２を停止させたり回転速度を低下させるように構成してもよい。その後、温度Ｔがしきい値Ｔ２以下にまで低下すると、ＰＷＭ周波数は再び１９ｋＨｚに設定され、駆動回路１５におけるゲート抵抗は抵抗２４のみとなる（時刻ｔ２）。
【００４６】
一方、図２（ｂ）において、モータ電流Ｉがしきい値Ｉ１に達すると、温度Ｔがしきい値Ｔ１に達していない場合であっても、過熱状態検出信号ＳｂがＨレベルとなり、ＰＷＭ周波数は５ｋＨｚに下げられ、駆動回路１５におけるゲート抵抗は抵抗２４と２５の並列抵抗となる（時刻ｔ３）。これは、電流Ｉがしきい値Ｉ１以上となる状況では、現在は過熱状態でなくても今後過熱状態となる蓋然性が高いからである。すなわち、過熱状態を予測していることに等しい。その結果、スイッチング損失が減少し、ＭＯＳトランジスタ７の温度上昇が抑えられる。その後、電流Ｉがしきい値Ｉ２以下にまで低下すると、ＰＷＭ周波数は再び１９ｋＨｚに設定され、駆動回路１５におけるゲート抵抗は抵抗２４のみとなる（時刻ｔ４）。
【００４７】
以上説明したように、本実施形態のモータ駆動装置１は、ＭＯＳトランジスタ７の過熱状態を検出する過熱検出回路１６を備え、ＭＯＳトランジスタ７が実際に過熱状態となった場合、またはＭＯＳトランジスタ７が過電流状態となった場合に、駆動回路１５のゲート抵抗を減少させてスイッチング時の立ち上がり時間ｔｒおよび立ち下がり時間ｔｆを短くし、さらにＰＷＭ周波数を低下させるように制御する。
【００４８】
これにより、ＭＯＳトランジスタ７のスイッチング損失を低減でき、ＭＯＳトランジスタ７を過熱状態から非過熱状態に復帰させること、あるいは過熱状態となることを未然に防止することができる。そして、モータ２の印加電圧（回転速度）を極力指令値通りの電圧（指令回転速度）に維持できるので、モータ２の回転速度の低下に伴う二次的な問題例えば冷却システムの冷却能力低下が発生しにくいという利点がある。
【００４９】
また、立ち上がり時間ｔｒおよび立ち下がり時間ｔｆを短くすると、スイッチング時のリンギングが増加してスイッチングノイズ（ラジオノイズとなる）が増大することが懸念されるが、これと併せてＰＷＭ周波数を下げているので、そのノイズの周波数帯をラジオの周波数帯からずらすことができ、ラジオノイズを極力抑えることができる。
【００５０】
過熱検出回路１６は、ヒステリシス特性を持った過熱状態検出信号Ｓｂを出力するので、駆動回路１５のゲート抵抗およびＰＷＭ周波数が頻繁に切り替えられる現象（ハンチング現象）を抑制でき、安定した駆動が可能になる。
【００５１】
ＰＷＭ制御回路１４は、検出されたモータ電圧Ｖｍが指令されたモータ電圧Ｖｒと一致するようにフィードバック制御を行うので、電源電圧ＶＢが変動しても、モータ２に対し指令通りの電圧を印加できる。
【００５２】
（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態について、モータ駆動装置の電気的構成を示す図４を参照しながら説明する。図４において図１と同一構成部分には同一符号を付している。この図４に示すモータ駆動装置３８は、図１に示したモータ駆動装置１に対し、過熱検出回路３９の構成が異なっている。
【００５３】
過熱検出回路３９は、端子１ａに入力される電源電圧ＶＢを分圧して検出する電源電圧検出回路４０（電源電圧検出手段に相当）を備えている。コンパレータ３６の非反転入力端子には電源電圧ＶＢに応じた電圧Ｖｂが入力され、反転入力端子にはしきい値電圧Ｖｂ１、Ｖｂ２が入力されている。しきい値電圧Ｖｂ１、Ｖｂ２は、それぞれ電源電圧ＶＢ１、ＶＢ２（ただしＶＢ１＞ＶＢ２）に相当する電圧である。なお、過電流保護のため、モータ駆動装置３８に、ＭＯＳトランジスタ７に流れる電流を検出する電流検出回路を設けてもよい。
【００５４】
一般に、電源電圧ＶＢが高いほどＭＯＳトランジスタ７のスイッチング損失が増大する傾向がある。本実施形態のモータ駆動装置３８によれば、ＭＯＳトランジスタ７の過熱状態が検出された場合に加え、バッテリ３から供給される電源電圧ＶＢがしきい値ＶＢ１以上となった場合にも過熱状態検出信号ＳｂがＨレベルとなり、駆動回路１５のゲート抵抗を減少させてスイッチング時の立ち上がり時間ｔｒおよび立ち下がり時間ｔｆを短くし、さらにＰＷＭ周波数を低下させるように制御する。
【００５５】
このように、ＭＯＳトランジスタ７が過熱状態に移行する蓋然性の高い過熱前段階においてＭＯＳトランジスタ７の損失が低減するので、電源電圧ＶＢの上昇による過熱状態への移行を未然に防止することができる。その他、第１の実施形態と同様の作用、効果が得られる。
【００５６】
（第３の実施形態）
図５は、本発明の第３の実施形態に係るモータ駆動装置の電気的構成を示すもので、図１と同一構成部分には同一符号を付している。この図５に示すモータ駆動装置４１は、図１に示したモータ駆動装置１に対し過熱検出回路４２の構成が異なっている。すなわち、過熱検出回路４２は、ＰＷＭ信号Ｓｃのデューティ比を検出するデューティ比検出回路４３を備えている。コンパレータ３６の非反転入力端子にはデューティ比に応じた電圧Ｖｄが入力され、反転入力端子にはしきい値電圧Ｖｄ１、Ｖｄ２が入力されている。しきい値電圧Ｖｄ１、Ｖｄ２は、それぞれデューティ比Ｄ１、Ｄ２（ただしＤ１＞Ｄ２）に相当する電圧である。なお、過電流保護のため、モータ駆動装置４１に、ＭＯＳトランジスタ７に流れる電流を検出する電流検出回路を設けてもよい。
【００５７】
一般に、デューティ比が高いほど負荷が大きくＭＯＳトランジスタ７の損失が増大する傾向がある。このモータ駆動装置４１によれば、ＭＯＳトランジスタ７の過熱状態が検出された場合に加え、ＰＷＭ信号Ｓｃのデューティ比がしきい値Ｄ１以上となった場合にも過熱状態検出信号ＳｂがＨレベルとなり、駆動回路１５のゲート抵抗を減少させてスイッチング時の立ち上がり時間ｔｒおよび立ち下がり時間ｔｆを短くし、さらにＰＷＭ周波数を低下させるように制御する。
【００５８】
このように、ＭＯＳトランジスタ７が過熱状態に移行する蓋然性の高い過熱前段階においてＭＯＳトランジスタ７の損失が低減するので、電源電圧ＶＢの上昇による過熱状態への移行を未然に防止することができる。その他、第１の実施形態と同様の作用、効果が得られる。
【００５９】
（その他の実施形態）
なお、本発明は上記し且つ図面に示す各実施形態に限定されるものではなく、例えば以下のように変形または拡張が可能である。
立ち上がり時間ｔｒおよび立ち下がり時間ｔｆを制御するためにＭＯＳトランジスタ７の駆動状態を変化させる手段としては、ゲート抵抗を変化させることの他、プッシュプル回路２３の電流駆動能力を変化させたり、ゲート電圧を変化させるようにしてもよい。また、上記各実施形態では、駆動回路１５の駆動状態をゲート抵抗２４、２５の接続形態により２段階に変化させたが、３段階以上に変化させてもよい。また、各実施形態において、ＰＷＭ周波数を下げるための構成は必要に応じて付加すればよい。
【００６０】
第１の実施形態では温度センサ３３と電流検出回路３５の何れか一方、第２の実施形態では温度センサ３３と電源電圧検出回路４０の何れか一方、第３の実施形態では温度センサ３３とデューティ比検出回路４３の何れか一方を備えた構成としてもよい。
【００６１】
モータ電圧Ｖｍを指令モータ電圧Ｖｒと一致させるためのフィードバック制御は、例えば電源電圧ＶＢの変動が大きいなどの事情に応じて適宜行えばよい。 指令信号Ｓａは、モータ電圧ではなくＰＷＭ信号Ｓｃのデューティ比を直接指令してもよい。
第３の実施形態において、指令信号ＳａがＰＷＭ信号Ｓｃのデューティ比を直接指令している場合には、その指令信号Ｓａ（デューティ比に応じた電圧に変換した信号）を直接コンパレータ３６に入力すればよい。
半導体スイッチング素子は、ＭＯＳトランジスタに限らずバイポーラトランジスタなどであってもよい。
モータ２は、自動車用冷却システムにおける熱交換器の送風用ファンモータに限られない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態を示すモータ駆動装置の電気的構成図
【図２】ＭＯＳトランジスタの温度変化および電流変化に対する各信号の変化を示す図
【図３】ＭＯＳトランジスタの立ち上がり時間、立ち下がり時間と上昇温度との関係を示す特性図
【図４】本発明の第２の実施形態を示す図１相当図
【図５】本発明の第３の実施形態を示す図１相当図
【符号の説明】
１、３８、４１はモータ駆動装置、２は送風用ファンモータ、７はＭＯＳトランジスタ（半導体スイッチング素子）、１４はＰＷＭ制御回路（ＰＷＭ制御手段）、１５は駆動回路、１６、３９、４２は過熱検出回路（過熱状態検出手段）、１７は駆動制御回路（駆動制御手段）、１８はモータ電圧検出回路（モータ電圧検出手段）、２４、２５はゲート抵抗、３３は温度センサ（温度検出手段）、３５は電流検出回路（電流検出手段）、４０は電源電圧検出回路（電源電圧検出手段）である。
Claims (10)
- モータへの通電経路に介在する半導体スイッチング素子と、
所定のＰＷＭ周波数を持つＰＷＭ信号を生成するＰＷＭ制御手段と、
前記半導体スイッチング素子を複数の駆動状態でスイッチング動作させることができ、指令された駆動状態の下で前記ＰＷＭ信号に従って前記半導体スイッチング素子をＰＷＭ駆動する駆動回路と、
前記半導体スイッチング素子の温度が所定のしきい値を超えて過熱状態となったことまたは当該過熱状態となる蓋然性が高い状態となったことを条件として過熱状態検出信号を出力する過熱状態検出手段と、
前記過熱状態検出信号の出力期間における前記半導体スイッチング素子の立ち上がり時間および立ち下がり時間が、前記過熱状態検出信号の非出力期間における前記半導体スイッチング素子の立ち上がり時間および立ち下がり時間よりも短くなるように、前記駆動回路に対し前記半導体スイッチング素子の駆動状態を指令する駆動制御手段とを備えていることを特徴とするモータ駆動装置。 - 前記駆動制御手段は、前記過熱状態検出信号の出力期間におけるＰＷＭ周波数が、前記過熱状態検出信号の非出力期間におけるＰＷＭ周波数よりも低くなるように、前記ＰＷＭ制御手段を制御することを特徴とする請求項１記載のモータ駆動装置。
- 前記駆動回路は、前記駆動制御手段からの指令に基づいて、前記半導体スイッチング素子のゲートに繋がるゲート抵抗の抵抗値又はベースに繋がるベース抵抗の抵抗値を変化させるように構成されていることを特徴とする請求項１または２記載のモータ駆動装置。
- 前記過熱状態検出手段は、前記半導体スイッチング素子の温度を検出する温度検出手段を備え、その検出温度が前記しきい値を超えている期間、前記過熱状態検出信号を出力するように構成されていることを特徴とする請求項１ないし３の何れかに記載のモータ駆動装置。
- 前記過熱状態検出手段は、前記半導体スイッチング素子に流れる電流を検出する電流検出手段を備え、その検出電流が所定のしきい値を超えている期間、前記過熱状態検出信号を出力するように構成されていることを特徴とする請求項１ないし４の何れかに記載のモータ駆動装置。
- 前記過熱状態検出手段は、前記モータに印加するための電源電圧を検出する電源電圧検出手段を備え、その検出電源電圧が所定のしきい値を超えている期間、前記過熱状態検出信号を出力するように構成されていることを特徴とする請求項１ないし５の何れかに記載のモータ駆動装置。
- 前記過熱状態検出手段は、ＰＷＭ駆動のデューティ比が所定のしきい値を超えている期間、前記過熱状態検出信号を出力するように構成されていることを特徴とする請求項１ないし６の何れかに記載のモータ駆動装置。
- 前記過熱状態検出手段は、前記過熱状態検出信号の出力判定に用いる２つのしきい値を有し、ヒステリシス特性を持たせた過熱状態検出信号を出力するように構成されていることを特徴とする請求項１ないし７の何れかに記載のモータ駆動装置。
- 前記ＰＷＭ制御手段は、前記モータに印加される電圧を検出するモータ電圧検出手段を備え、指令されたモータ電圧と検出されたモータ電圧とに基づいて前記ＰＷＭ信号のデューティ比を決定するように構成されていることを特徴とする請求項１ないし８の何れかに記載のモータ駆動装置。
- 前記モータは、自動車用冷却システムにおける熱交換器の送風用ファンモータであることを特徴とする請求項１ないし９の何れかに記載のモータ駆動装置。
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