JP2005051926A - ブラシレスモータ制御回路 - Google Patents

Abstract

【課題】ブラシレスモータ駆動回路における制御素子の放熱性を向上させる。
【解決手段】ブラシレスモータ１の電源Ｖs側にＮチャンネル形ＭＯＳＦＥＴ７Ｕを配置し、接地ＧＮＤ側にはＰチャンネル形ＭＯＳＦＥＴ８Ｕを配置する。ＦＥＴ７Ｕのゲートには、電源Ｖsよりも高い電位を形成する昇圧回路としてブートストラップ回路１１を接続する。ＦＥＴ８Ｕのゲートには、接地ＧＮＤよりも低い電位を形成するマイナス電位生成回路としてブートストラップ回路１２を接続する。ブートストラップ回路１１,１２の前段には、ブートストラップコンデンサ１５,１６を充電する初期充電回路１７を配置する。ＦＥＴは、電源側，接地側共にドレイン端子が共通化され１個のヒートスプレッタに載置される。
【選択図】図２

Description

本発明は、ブラシレスモータの制御回路に関し、特に、放熱性に優れたブラシレスモータ制御回路に関する。

従来より、例えば３相全波駆動のブラシレスモータでは、上段（電源側）のパワー素子（制御素子）と下段（接地側）のパワー素子がそれぞれ順次ＯＮ／ＯＦＦを繰り返すことにより、３相巻線を順次励磁し回転磁界を形成している。パワー素子としてはＭＯＳＦＥＴが一般に使用され、３相モータの場合、それらが上下段に３個ずつ配される。図３は、従来のブラシレスモータ駆動回路におけるＭＯＳＦＥＴ（以下、ＦＥＴと略記する）の配置を示す説明図である。

従来のブラシレスモータ駆動回路では、図３に示すように、上段側のＦＥＴ５１Ｕ,５１Ｖ,５１Ｗ、下段側のＦＥＴ５２Ｕ,５２Ｖ,５２Ｗとしては共にＮチャンネル形の素子が使用されている。上段側のＦＥＴ５１Ｕ,５１Ｖ,５１Ｗは各ドレイン端子が電源と共通接続され、各ソース端子がブラシレスモータ５３の各相巻線に個別に接続されている。これに対し下段側のＦＥＴ５２Ｕ,５２Ｖ,５２Ｗは、各ドレイン端子が個別にブラシレスモータ５３の各相巻線に接続されると共に、各ソース端子が個別に接地側と接続されている。

図４は図３の回路におけるＦＥＴの設置状態を示す説明図であり、（ａ）は上段側、（ｂ）は下段側を示している。ＦＥＴは通常、ドレイン端子が素子のケースと共通となっている。そこで、上段側のＦＥＴ５１Ｕ,５１Ｖ,５１Ｗは、図４（ａ）に示すように、各素子を共通のヒートスプレッタ５４上に載置し、ドレイン端子を共通化して電源と接続することができる。ヒートスプレッタ５４は、銅やアルミニウム，グラファイト等の熱伝導性の高い導電素材にて形成される。ヒートスプレッタ５４の下面には、熱伝導性絶縁体からなる放熱シート５５が配される。ヒートスプレッタ５４は、放熱シート５５を介して図示しない放熱ケースに取り付けられ、放熱性と絶縁性が確保される。

一方、下段側のＦＥＴ５２Ｕ,５２Ｖ,５２Ｗは、図４（ｂ）に示すように、各素子毎に個別にヒートスプレッタ５４上に載置される。すなわち、下段側のＦＥＴ５２Ｕ等は、各ドレイン端子が個別にモータ巻線に接続されているため、共通のヒートスプレッタ５４上には載置されず個別に配置される。

しかしながら、ＦＥＴ等のデバイスの開発が進み、素子のパッケージサイズが小さくなると、機器の小型化の要請からヒートスプレッタ５４も小さくせざるを得ず、放熱性が低下するという問題があった。図４（ｂ）の構成では、素子よりも大きなヒートスプレッタ５４を使用しており、放熱シート５５の熱抵抗の低減が図られているものの、図４（ａ）に比べると両者の接触面積は小さい。このため、放熱シート５５の熱抵抗が増大し、放熱性が低下するという問題が生じる。

ここで、放熱シート５５は、熱伝導性とは言うものの、ヒートスプレッタ５４に比べると熱抵抗はかなり大きい。このため、ヒートスプレッタ５４からの熱は即座には拡散せず、図４（ｂ）の場合、熱抵抗に関わる表面積は実質的には小さくなる。物質の熱抵抗は表面積に反比例するため、放熱シート５５自体の面積は同じでも、放熱シート５５の実質的な熱抵抗は図４（ａ）の場合の約３倍となり、放熱性が低下する。その一方、放熱性を確保すべくヒートスプレッタ５４を大型化すると、素子が小型化されているにもかかわらず、機器の小型化を図ることができず、放熱性と小型化を両立し得る対策が求められていた。

本発明の目的は、ブラシレスモータ駆動回路における制御素子の放熱性を向上させることにある。

本発明のブラシレスモータ制御回路は、ブラシレスモータの電源側と接地側にそれぞれ複数個の制御素子を配してなるブラシレスモータの制御回路であって、前記複数の電源側制御素子が共通の放熱部材上に載置されると共に、前記複数の接地側制御素子もまた共通の放熱部材上に載置されることを特徴とする。

本発明にあっては、電源側のみならず、接地側の制御素子も共通の放熱部材上に載置したので、従来の駆動回路に比して放熱性が向上し、機器の熱抵抗を低減させることが可能となる。

前記ブラシレスモータ制御回路において、前記電源側の制御素子にＮチャンネル形のＭＯＳＦＥＴ、前記接地側の制御素子にＰチャンネル形のＭＯＳＦＥＴを使用しても良い。また、前記制御素子の各ドレイン端子を前記放熱部材によって互いに接続するようにしても良い。

本発明の他のブラシレスモータ制御回路は、ブラシレスモータの電源側に配置された複数個のＮチャンネル形ＭＯＳＦＥＴと、前記ブラシレスモータの接地側に配置された複数個のＰチャンネル形ＭＯＳＦＥＴと、前記電源側のＭＯＳＦＥＴのゲートと接続され、前記電源よりも高い電位を形成する昇圧回路と、前記接地側のＭＯＳＦＥＴのゲートと接続され、前記接地よりも低い電位を形成するマイナス電位生成回路とを有することを特徴とする。

本発明にあっては、接地側にＰチャンネル形ＭＯＳＦＥＴを配すると共に、それをマイナス電位生成回路によって駆動させることができる。このため、接地側のＭＯＳＦＥＴをドレイン端子を共通化して共通の放熱部材上に載置することが可能となる。従って、接地側ＭＯＳＦＥＴの放熱性が向上し、機器の熱抵抗を低減させることが可能となる。

前記ブラシレスモータ制御回路において、前記昇圧回路をダイオードとコンデンサを備えたブートストラップ回路を用いて形成しても良い。また、前記マイナス電位生成回路をダイオードとコンデンサを備えたブートストラップ回路を用いて形成しても良い。さらに、前記ブートストラップ回路の前段に、前記ブートストラップ回路中の前記コンデンサを充電可能な充電回路を設けても良い。

一方、前記昇圧回路をコンデンサを備えたチャージポンプ回路を用いて形成しても良い。また、前記マイナス電位生成回路をコンデンサを備えたチャージポンプ回路を用いて形成しても良い。

本発明のブラシレスモータ制御回路によれば、ブラシレスモータの電源側と接地側にそれぞれ複数個の制御素子を配してなるブラシレスモータの制御回路にて、複数の電源側制御素子を共通の放熱部材上に載置すると共に、複数の接地側制御素子をもまた共通の放熱部材上に載置するようにしたので、電源側制御素子のみが共通の放熱部材上に載置され、接地側の制御素子は個別に放熱部材上に載置されていた従来の駆動回路に比して放熱性が向上し、機器の熱抵抗を低減させることが可能となる。

本発明の他のブラシレスモータ制御回路によれば、ブラシレスモータの電源側にＮチャンネル形ＭＯＳＦＥＴ、接地側にＰチャンネル形ＭＯＳＦＥＴをそれぞれ配すると共に、電源側ＭＯＳＦＥＴのゲートに電源よりも高い電位を形成する昇圧回路を接続し、接地側ＭＯＳＦＥＴのゲートに接地よりも低い電位を形成するマイナス電位生成回路を接続したので、接地側にＰチャンネル形ＭＯＳＦＥＴを使用し、そのドレイン端子を共通化して共通の放熱部材上に載置することが可能となる。従って、接地側ＭＯＳＦＥＴの放熱性が向上し、機器の熱抵抗を低減させることが可能となる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。図１は本発明の一実施の形態であるブラシレスモータ駆動回路の構成を示す説明図である。モータ１は、例えば自動車の電動パワーステアリングの駆動源として使用される３相のブラシレスモータであり、図１に示すような制御駆動回路２によって駆動される。制御駆動回路２は、制御回路３、ゲート駆動回路４及びＦＥＴブリッジ５によって構成され、ＯＮ／ＯＦＦや負荷変動等の外部指令に基づいて作動する。ブラシレスモータ１には、ロータの位置を検出する位置検出センサ６が設けられおり、その出力信号は制御回路３に入力され、この信号に基づいてゲート駆動回路４が制御される。

ゲート駆動回路４には、ＭＯＳＦＥＴ（制御素子；以下、ＦＥＴと略記する）７Ｕ,７Ｖ,７Ｗ、８Ｕ,８Ｖ,８Ｗが接続されている。ＦＥＴ７Ｕ,７Ｖ,７Ｗは上段の電源Ｖｓ側、ＦＥＴ８Ｕ,８Ｖ,８Ｗは下段の接地ＧＮＤ側に配されている。ＦＥＴ７Ｕ,８Ｕはブラシレスモータ１のＵ相巻線、ＦＥＴ７Ｖ,８ＶはＶ相巻線、ＦＥＴ７Ｗ,８ＷはＷ相巻線にそれぞれ接続されている。ここでは、上段側のＦＥＴ７Ｕ等にはＮチャンネルの素子が、下段側のＦＥＴ８Ｕ等にはＰチャンネルの素子が使用されている。

上段側のＦＥＴ７Ｕ,７Ｖ,７Ｗは各ドレイン端子が電源Ｖｓと共通接続され、各ソース端子がモータ１の各相巻線に個別に接続されている。従って、上段側のＦＥＴ７Ｕ等は、従来の駆動回路と同様、図４（ａ）に示すようにドレイン端子が共通化され、１個のヒートスプレッタ（放熱部材）５４上に共に載置される。一方、本発明による駆動回路では、下段側のＦＥＴ８Ｕ,８Ｖ,８ＷがＰチャンネル形であることから、モータ１の各相巻線には各ソース端子が個別に接続され、接地側には各ドレイン端子が接続される。

ここで、ＦＥＴのドレイン端子は、前述のように素子のケースと共通化されている。従って、本発明の駆動回路では、下段側のＦＥＴ８Ｕ等もまた図４（ａ）のように１個のヒートスプレッタ５４上に共に載置することができる。すなわち、ＦＥＴ８Ｕ等は、各素子を共通のヒートスプレッタ５４上に配置し、ドレイン端子を共通化して接地側と接続することができる。このため、下段側のＦＥＴ８Ｕを図４（ｂ）のような小さな個別のヒートスプレッタではなく、図４（ａ）のような大きな１枚のヒートスプレッタ５４上に取り付けることができる。

ヒートスプレッタ５４の下面には放熱シート５５が配されており、ＦＥＴ７Ｕ,８Ｕ等で発生した熱は、ヒートスプレッタ５４から放熱シート５５を介して放熱ケースに伝わり、外気に放散される。一般に、物質の熱抵抗Ｒthは、熱伝導率をλとすると、面積Ｓ，厚さｄを用いて、Ｒth＝ｄ／（λ・Ｓ）で表すことができる。ＦＥＴから発生した熱は、熱伝導性の良いヒートスプレッタ５４内では全体的に拡散するため、放熱シート５５の熱抵抗Ｒthを求めるに際しては、ヒートスプレッタ５４の面積が前記Ｓとなる。図４（ａ）と（ｂ）を比較すると、ヒートスプレッタの面積Ｓは（ａ）が（ｂ）の約３倍となっており、従って、放熱シート５５の熱抵抗Ｒthは（ａ）の方が１／３となる。

また、ＦＥＴ７Ｕ,８Ｕ等は、各相の巻線を励磁するに当たり順次ＯＮ／ＯＦＦを繰り返しており、上段，下段の各１個（１組）が順次ＯＮされる。つまり、ヒートスプレッタ５４上で発熱するのは３個のＦＥＴのうち１個であり、しかもそれが順次入れ替わってゆく。従って、共通のヒートスプレッタ５４では、熱がさらに均等に拡散し、効率良く放熱シート５５に熱を伝達することができる。

このように、ゲート駆動回路４は従来の駆動回路に比して放熱性が良く、機器の熱抵抗を低減させることができる。また、従来の駆動回路では放熱性改善のため、下端側により大きな個別のヒートスプレッタを使用せざるを得なかったが、上段側と同様のヒートスプレッタ５４を使用でき、装置の小型化を図ることも可能となる。

次に、このような構造を持ったＦＥＴ７Ｕ,８Ｕ等を駆動するゲート駆動回路４の構成について説明する。図２は、ゲート駆動回路４の構成をＵ相部分についてのみ抽出した説明図である。なお、Ｖ相、Ｗ相の部分についてもＵ相と同様の回路構成となっている。

当該モータ１は、車載用のモータを想定しており、バッテリ電圧は通常、ゲート耐圧以下となる。従って、上段側のＦＥＴ７Ｕ,７Ｖ,７Ｗについては、ゲート電圧を図２に破線で示したように、Ｖsよりも１０Ｖ程度高い＋Ｖgとする必要がある。そこで、ゲート駆動回路４では＋Ｖ形成のため、昇圧回路としてブートストラップ回路１１を使用し、ゲート電圧を確保している。

これに対し、下段側のＦＥＴ８Ｕ,８Ｖ,８Ｗについては、従来の駆動回路のようにＮチャンネルのＦＥＴを用いた場合には、バッテリ電圧をそのまま使用できる。ところが、当該回路では、上段側と同様の構成を下段側にも採用すべく下段側にＰチャンネルのＦＥＴを使用している。従って、下段側にも上段側の昇圧回路と同等のマイナス電位（−Ｖg）を生成する回路が必要となる。そこで、ここでは、図２に示すように下段側にもブートストラップ回路１２を配し、マイナス電位の生成を行っている。

ブートストラップ回路１１,１２にはそれぞれ、ブートストラップダイオード１３,１４とブートストラップコンデンサ１５,１６が設けられている。ブートストラップ回路１１,１２では、まずブートストラップコンデンサ１５,１６を充電する必要があるが、上下段共にブートストラップ回路１１,１２を設けているため、そのままでは最初にブートストラップコンデンサ１５,１６を充電することができない。そこで、当該ゲート駆動回路４では、ブートストラップ回路１１,１２の前段に、さらに初期充電回路１７が設けられている。

初期充電回路１７は、上段側にトランジスタ１８、下段側にトランジスタ１９,２１を配した構成となっている。ゲート駆動回路ロジック２２によってトランジスタ１８がＯＮされると、ブートストラップコンデンサ１５は電源Ｖccによって充電される。また、トランジスタ１９がＯＮされると、後段のトランジスタ２１がＯＮされ、ブートストラップコンデンサ１６が電源Ｖccによって充電される。

なお、下段側のトランジスタが２段となっているのは、Ｖcc（例えば１２Ｖ）とゲート駆動回路ロジック２２からの出力信号（例えば７Ｖ）との間に電位差があるため、トランジスタ１個ではその影響によりＯＦＦ動作が確実行われないおそれがあるからである。両者が同電位の場合にはトランジスタ１個でも良いが、電位差がある場合には、確実にトランジスタ２１をＯＦＦさせるためトランジスタを２段構成とする方が望ましい。

この初期充電回路１７を、初期状態でゲートＯＦＦ時に駆動すると、ブートストラップコンデンサ１５,１６に電荷が流し込まれ充電が行われる。コンデンサ充電後、例えば、上段側のＦＥＴ７Ｕ側をＯＮさせる信号がゲート駆動回路ロジック２２から出力されると、ＦＥＴ７Ｕのゲートには、Ｖccに加えてブートストラップコンデンサ１５の放電電圧が加わる。このため、ＦＥＴ７Ｕのゲート電位がＶsよりも大きくなり、ＦＥＴ７Ｕのスイッチング動作が行われる。

ゲート駆動回路４では、ブートストラップコンデンサ１５,１６の充電後、ＦＥＴ７Ｕ,ＦＥＴ８Ｖ→ＦＥＴ７Ｕ,ＦＥＴ８Ｗ→ＦＥＴ７Ｖ,ＦＥＴ８Ｗ等を順次ＯＮさせることにより、３相の巻線を順次励磁しモータ１を回転駆動させる。モータ１が駆動され、例えば図２で言えば下段側のＦＥＴ８ＵがＯＮされると、図中に一点鎖線にて示したように電流が流れ、そのときブートストラップコンデンサ１５が充電される。従って、一旦モータ１が作動すれば、初期充電回路１７を使用することなく連続的にブートストラップコンデンサ１５,１６は適宜充電される。

このように、当該駆動回路では、ブートストラップ回路１１,１２及び初期充電回路１７を用いることにより、下段側の制御素子としてＰチャンネル形のＦＥＴを使用することが可能となる。このため、下段側のＦＥＴのドレイン端子を共通化し、素子を１個のヒートスプレッタ上に載置することが可能となり、放熱性の向上が図られる。

本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることは言うまでもない。
例えば、前述の実施の形態では、上段側の＋Ｖg，下段側の−Ｖgを得るために、共にブートストラップ回路１１,１２を用いる構成を示したが、それらの一方又は両方を、例えば２個のコンデンサを用いて形成したチャージポンプ回路にて得ることも可能である。また、ゲート駆動回路４では、初期充電回路１７によって上下段両方のブートストラップコンデンサ１５,１６を充電しているが、上下段何れか一方のみを充電するようにしても良い。

さらに、前述の実施の形態では、モータ１として車載モータを例にとって説明したが、家電製品やＩＴ機器等に使用されるモータにも本発明は適用可能である。

本発明の一実施の形態であるブラシレスモータ駆動回路の構成を示す説明図である。 ゲート駆動回路の構成をＵ相部分についてのみ抽出した説明図である。 従来のブラシレスモータ駆動回路におけるＭＯＳＦＥＴの配置を示す説明図である。 図３の回路におけるＦＥＴの設置状態を示す説明図であり、（ａ）は上段側、（ｂ）は下段側を示している。

符号の説明

１ ブラシレスモータ
２ 制御駆動回路
３ 制御回路
４ ゲート駆動回路
５ ＦＥＴブリッジ
６ 位置検出センサ
７Ｕ,７Ｖ,７Ｗ 上段側ＦＥＴ
８Ｕ,８Ｖ,８Ｗ 下段側ＦＥＴ
１１ 上段側ブートストラップ回路
１２ 下段側ブートストラップ回路
１３ ブートストラップダイオード
１４ ブートストラップダイオード
１５ ブートストラップコンデンサ
１６ ブートストラップコンデンサ
１７ 初期充電回路
１８ トランジスタ
１９ トランジスタ
２１ トランジスタ
２２ ゲート駆動回路ロジック
５１Ｕ,５１Ｖ,５１Ｗ ＦＥＴ
５２Ｕ,５２Ｖ,５２Ｗ ＦＥＴ
５３ ブラシレスモータ
５４ ヒートスプレッタ
５５ 放熱シート

Claims (9)

1. ブラシレスモータの電源側と接地側にそれぞれ複数個の制御素子を配してなるブラシレスモータの制御回路であって、
   前記複数の電源側制御素子が共通の放熱部材上に載置されると共に、前記複数の接地側制御素子もまた共通の放熱部材上に載置されることを特徴とするブラシレスモータ制御回路。
2. 請求項１記載のブラシレスモータ制御回路において、前記電源側の制御素子がＮチャンネル形のＭＯＳＦＥＴであり、前記接地側の制御素子がＰチャンネル形のＭＯＳＦＥＴであることを特徴とするブラシレスモータ制御回路。
3. 請求項２記載のブラシレスモータ制御回路において、前記制御素子は、各ドレイン端子が前記放熱部材によって互いに接続されることを特徴とするブラシレスモータ制御回路。
4. ブラシレスモータの電源側に配置された複数個のＮチャンネル形ＭＯＳＦＥＴと、
   前記ブラシレスモータの接地側に配置された複数個のＰチャンネル形ＭＯＳＦＥＴと、
   前記電源側のＭＯＳＦＥＴのゲートと接続され、前記電源よりも高い電位を形成する昇圧回路と、
   前記接地側のＭＯＳＦＥＴのゲートと接続され、前記接地よりも低い電位を形成するマイナス電位生成回路とを有することを特徴とするブラシレスモータ制御回路。
5. 請求項４記載のブラシレスモータ制御回路において、前記昇圧回路は、ダイオードとコンデンサを備えたブートストラップ回路を有することを特徴とするブラシレスモータ制御回路。
6. 請求項４記載のブラシレスモータ制御回路において、前記マイナス電位生成回路は、ダイオードとコンデンサを備えたブートストラップ回路を有することを特徴とするブラシレスモータ制御回路。
7. 請求項５又は６記載のブラシレスモータ制御回路において、前記ブートストラップ回路の前段に、前記ブートストラップ回路中の前記コンデンサを充電可能な充電回路を設けたことを特徴とするブラシレスモータ制御回路。
8. 請求項４記載のブラシレスモータ制御回路において、前記昇圧回路は、コンデンサを備えたチャージポンプ回路を有することを特徴とするブラシレスモータ制御回路。
9. 請求項４記載のブラシレスモータ制御回路において、前記マイナス電位生成回路は、コンデンサを備えたチャージポンプ回路を有することを特徴とするブラシレスモータ制御回路。
   

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