JP2007215331A - 昇圧回路 - Google Patents

Abstract

【課題】煩雑な調整を必要とすることなくＭＯＳの適確な駆動タイミングが得られる昇圧回路を提供する。
【解決手段】電源１０に接続された昇圧回路１は、コイル２と、該コイルへの通電を制御する第１ＭＯＳ３と、前記コイルからモータ駆動回路２０側への通電を制御する第２ＭＯＳ４と、該第２ＭＯＳの通電により電荷を蓄えるコンデンサ５と、から構成されている。この昇圧回路における第２ＭＯＳの駆動タイミングの制御を、第２ＭＯＳの上流側と下流側のそれぞれの電位Ｖａ，Ｖｂを第１、第２電位検出線７，８によって検出した後、電位調整装置１１によって下流側の電位をαだけオフセットさせ、このオフセット後の電位Ｖｘと前記電位Ｖａとを電圧比較器１２によって単純に比較することにより、ＶａがＶｘより大きくかつその電位差がαとなったときに、第２ＭＯＳをオン・オフさせるようにした。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えば車両の電動パワーステアリング装置などに用いられ、電源の電圧を昇圧させて、電動モータなどの負荷に印加すべき電圧を生成する昇圧回路の改良に関し、とりわけ、ＭＯＳＦＥＴなどのスイッチング素子におけるスイッチング動作時のエネルギ損失を抑制し得る昇圧回路に関するものである。

従来の昇圧回路としては、例えば車両の電動パワーステアリング装置に適用した以下の特許文献１に記載されたものが提案されている。

この昇圧回路は、所定のインダクタンスを有するコイルと、該コイルに電流を流したり遮断したりするためのＬＯ−ＭＯＳと、前記コイルからモータ駆動回路へ電流を流すためのＨＩ−ＭＯＳと、平滑コンデンサと、によって構成されている。そして、前記コイルの一端はバッテリに接続され、他端は、ＬＯ−ＭＯＳを介して接地されると共に、ＨＩ−ＭＯＳを介してモータ駆動回路に接続されている。また、ＨＩ−ＭＯＳのドレイン端子は、前記コンデンサを介して接地されている。

これにより、ＬＯ−ＭＯＳのゲート端子にＨレベルのパルス幅変調信号が与えられると、所定のＨレベルの時間だけＬＯ−ＭＯＳがＯＮとなり、バッテリから前記コイルへと電流が流れる。その後、Ｌレベルのパルス幅変調信号が与えられると、前記ＬＯ−ＭＯＳはＯＦＦとなり、前記コイルを流れる電流が遮断されると共に、前記ＬＯ−ＭＯＳと相反的に駆動されるＨＩ−ＭＯＳが所定のＬレベルの時間だけＯＮとなる。そうすると、電流の遮断による磁束の変化を妨げるように、ＯＮとなっているＨＩ−ＭＯＳのドレイン端子側に高電圧が発生する。このような動作を繰り返すことによって発生する高電圧は、前記コンデンサによって平滑され、前記モータ駆動回路へと供給される。
特開２００３−１５３５８４号公報

従来の昇圧回路にあっては、マイコンによって目標電流値と電流検出器から出力される電流検出値との偏差値を算出し、この偏差値に基づいて比例積分制御演算を行うことにより、信号生成回路に与える指令値を生成する。続いて、この指令値に基づいて前記信号生成回路に与えられる算出デューティ比が算出され、前記マイコンがこの算出デューティ比が１００％またはそれに近い所定の閾値を超えたか否かを判断することによって、この判断に基づくパルス幅変調信号が前記ＬＯ−ＭＯＳに与えられる構造となっている。そして、前記パルス幅変調信号は、ＮＯＴ演算を行うインバータによって論理レベルが反転され、前記ＬＯ−ＭＯＳ及びＨＩ−ＭＯＳにそれぞれ与えられる各信号の論理レベルが相反的な関係となっていることから、前記ＬＯ−ＭＯＳとＨＩ−ＭＯＳとが相反的に駆動するようになっている。

また、前記各ＭＯＳは相反駆動することから、前記ＨＩ−ＭＯＳの上流側の電位が下流側の電位よりも低い状態で前記ＬＯ−ＭＯＳがＯＦＦとならないうちにＨＩ−ＭＯＳをＯＮにしてしまうと、前記コンデンサに蓄積した電荷が放電されてしまうため、ＨＩ−ＭＯＳの上流側の電位が下流側の電位よりも明らかに高い状態でのみＨＩ−ＭＯＳを駆動させるように調整する必要がある。

しかしながら、前記各ＭＯＳの駆動タイミングは、前記マイコンによる目標電流値と電流検出値との偏差値に基づく比例積分制御演算によって決まることから、前記昇圧回路の駆動状態によっては各ＭＯＳの駆動タイミングにばらつきを生じるおそれがある。

このため、前記各ＭＯＳの駆動タイミングの調整の際に少なからず両ＭＯＳがＯＦＦするようなマージンを持たせなければならず、該両ＭＯＳが共にＯＦＦの際には、前記ＨＩ−ＭＯＳの上流側の電位と下流側の電位との差が該ＨＩ−ＭＯＳの順方向電圧よりも大きい場合、該ＨＩ−ＭＯＳのダイオードに電流が流れてしまい、その分のエネルギ損失が発生してしまうという問題があった。

この結果、前記エネルギ損失を極力低減するために、前記マイコンの設定を調整して前記各ＭＯＳの駆動タイミングを矯正する必要があり、この調整作業が非常に煩雑になってしまう。

本発明は、このような技術的課題に着目して案出されたものであって、煩雑な調整を必要とすることなくＭＯＳの適確な駆動タイミングが得られる昇圧回路を提供するものである。

請求項１に記載の発明は、電源から分岐して設けられ、負荷の駆動及び停止を制御する第１スイッチング素子と、該第１スイッチング素子の下流側に設けられ、該第１スイッチング素子と連動して負荷に供給する電圧の昇圧の有無を制御する第２スイッチング素子と、前記第１スイッチング素子に所望の駆動信号を与える信号供給手段と、前記第２スイッチング素子の上流側と下流側のそれぞれの電圧を検出する電圧検出手段と、該電圧検出手段の上流側または下流側のいずれか一方に設けられ、該電圧検出手段により検出した電圧を増減する電圧増減手段と、該電圧増減手段によって増減させた前記第２スイッチング素子の上流側または下流側の電位と他方の電位とを比較する電圧比較器と、を備え、前記電圧比較器の比較結果に基づいて前記第２スイッチング素子に対するオン・オフ信号を生成するようにしたことを特徴としている。

この発明によれば、前記電圧比較器によって前記第２スイッチング素子の上流側と下流側の電位を単純に比較し、この比較結果に基づいて所定の電位差を閾値として前記第２スイッチング素子のスイッチング動作が行われるようにしたため、マイコンなどによる特別な演算を伴わないことから、前記スイッチング動作にタイミングのずれが生じることがない。

これにより、前記両スイッチング素子が共にオフ状態となって前記第２スイッチング素子に電流が通電してしまうことがないために、該第２スイッチング素子の通電によるエネルギ損失を抑制することができる。

また、前記電圧増減手段によって前記第２スイッチング素子の上流側または下流側の電位を予め所定の値だけオフセットさせたことにより、前記第２スイッチング素子の上流側の電位が下流側の電位よりも確実に高い状態で、前記第２スイッチング素子のスイッチング動作を行うことが可能となっている。

これにより、前記第２スイッチング素子における電流の逆流による誤放電を防止することができると共に、該逆流防止のための回路部品を別途設ける必要がないことから、製造コストの低廉化にも貢献することができる。

以下、本発明に係る昇圧回路の実施の形態を図面に基づいて詳述する。

この昇圧回路１は、図１及び図２に示すように、電源１０と三相のブラシレスモータである電動モータ２１を駆動制御するモータ駆動回路２０との間に接続され、所定のインダクタンスを有するコイル２と、該コイル２に電流を通流又は遮断する第１ＭＯＳ３と、前記コイル２から前記モータ駆動回路２０へ通電する第２ＭＯＳ４と、該第２ＭＯＳ４を介して昇圧させるための電荷を蓄積するコンデンサ５と、を備えている。

具体的には、前記コイル２の一端は電源１０に接続され、他端は、前記第１ＭＯＳ３を介して接地されると共に、前記第２ＭＯＳ４を介して前記モータ駆動回路２０に接続されている。また、前記第２ＭＯＳ４のドレイン端子は、前記コンデンサ５を介して接地されている。

前記第１ＭＯＳ３及び第２ＭＯＳ４は、いずれもＭＯＳ型のトランジスタ（ＭＯＳ−ＦＥＴ）であって、前記第１ＭＯＳ３は、前記コイル２から接地側へ導通する状態とダイオードによる電流の逆流防止状態とを、該第１ＭＯＳ３のゲート端子に入力されるマイコン６からのパルス信号であるＡ信号によって切り換える一方、前記第２ＭＯＳ４は、コイル２からモータ駆動回路２０側へ導通する状態とダイオードによる電流の逆流防止状態とを、後述する増幅器１３からのＢ信号によって切り換える。

すなわち、前記昇圧回路１は、前記第１ＭＯＳ３と第２ＭＯＳ４との相反するオン・オフの切り換え（スイッチング動作）によって前記コイル２に流れる電流をオン・オフすることにより、該コイル２の前記エネルギの蓄積と放出とを繰り返して第２ＭＯＳ４のドレイン端子側に高電圧を繰り返し発生させ、前記コンデンサ５によって昇圧電圧を生成する構成となっている。

前記モータ駆動回路２０は、図２に示すように、６個のＭＯＳ−ＦＥＴ２２〜２７によってブリッジ回路が構成されており、前記昇圧回路１からの電源ラインと接地ラインとの間に接続され、前記昇圧回路１を介して供給される必要に応じた電圧を前記電動モータ２１に印加する。

前記モータ２１は、図外の回転位置センサを備えていて、この回転位置センサによって検出された位置に応じて、前記マイコン６から前記各ＭＯＳ−ＦＥＴ２２〜２７に対して駆動信号が与えられる。

前記昇圧回路１は、図１に示すように、前記第２ＭＯＳ４の上流側と下流側のそれぞれの電位を検出する第１電位検出線７及び第２電位検出線８と、第２ＭＯＳ４の下流側の電位を調整する電位調整装置１１と、第２ＭＯＳ４の上流側と下流側の両電位を比較する電圧比較器１２と、該電圧比較器１２の比較結果に基づいて第２ＭＯＳ４に前記Ｂ信号を出力する増幅器１３と、を備えている。

前記第１電位検出線７は、前記コイル２と前記第２ＭＯＳ４との間に接続され、図１中の点ａの電位Ｖａを検出する一方、前記第２電位検出線８は、前記第２ＭＯＳ４とモータ駆動回路２０との間に接続され、図１中の点ｂの電位Ｖｂを検出するようになっている。

前記電位調整装置１１は、一般の可変電源であって、正端子は前記電圧比較器１２に接続される一方、負端子は前記第２電位検出線８に接続され、該第２電位検出線８によって検出された電位の値Ｖｂを所望の値αだけ増減（オフセット）させている。これにより、前記電位調整装置１１から電圧比較器１２に出力される出力値Ｖｘは、点ｂの電位の値Ｖｂに所定のオフセット値αを加えた値Ｖｂ＋αとなっている。

前記電圧比較器１２は、いわゆるコンパレータであって、正端子には前記第１電位検出線７が接続される一方、負端子には前記電位調整装置１１の正端子に接続され、前記第２ＭＯＳ４の上流側点ａの電位の値Ｖａと該第２ＭＯＳ４の下流側点ｂの電位のオフセット値Ｖｘとを比較するようになっている。

前記増幅器１３は、前記第２ＭＯＳ４と前記電圧比較器１２との間に接続され、電圧比較器１２の比較結果に応じた前記Ｂ信号を第２ＭＯＳ４のゲート端子に出力する。

このように、前記電圧比較器１２によって点ａの電位の値Ｖａと点ｂの電位のオフセット値Ｖｘとが比較され、点ａの電位の値Ｖａが点ｂの電位のオフセット値Ｖｘよりも大きい、すなわち、例えばＶａ−Ｖｘが正の値となるときのみ、前記第２ＭＯＳ４を導通状態に切り換えるＨｉレベルのＢ信号が前記増幅器１３を介して生成される。

一方、点ａの電位の値Ｖａが点ｂの電位のオフセット値Ｖｘよりも小さい、すなわち、例えばＶａ−Ｖｘが負の値となるときには、前記第２ＭＯＳ４をトランジスタ状態に切り換えるＬｏレベルのＢ信号が前記増幅器１３を介して生成される。

これにより、前記第２ＭＯＳ４の上流側の電位が下流側の電位よりも低い状態で第２ＭＯＳ４を導通状態に切り換えて電流を逆流させてしまい、前記コンデンサ５に蓄積させた電荷が誤放電されることを防止している。

この第２ＭＯＳ４の逆流防止のための制御処理について図３に示すフローチャートに基づいて具体的に説明すると、まず、前記電圧比較器１２によって点ａの電位の値Ｖａと点ｂの電位のオフセット値Ｖｘ（Ｖｂ＋α）とを比較して、点ａの電位の値Ｖａが点ｂの電位のオフセット値Ｖｘより大きいか否かを判断する（ステップＳ１）。

点ａの電位の値Ｖａが点ｂの電位のオフセット値Ｖｘより大きければ、前記増幅器１３を介してＨｉレベルのＢ信号が前記第２ＭＯＳ４のゲート端子に出力され（ステップＳ２）、第２ＭＯＳ４がオンとなり前記コイル２と前記モータ駆動回路２０とが導通状態となる（ステップＳ３）。

一方、点ａの電位の値Ｖａが点ｂの電位のオフセット値Ｖｘより小さければ、前記増幅器１３を介してＬｏレベルのＢ信号が前記第２ＭＯＳ４のゲート端子に出力され（ステップＳ４）、第２ＭＯＳ４はオフとなり該第２ＭＯＳ４はトランジスタ状態となる（ステップＳ５）。

次に、前記昇圧回路１の動作及び作用効果について図４及び図５に基づいて説明すると、昇圧を実施する場合には、マイコン６によって前記第１ＭＯＳ３をオフにするＡ信号が該第１ＭＯＳ３のゲート端子に入力され、第１ＭＯＳ３がオフになると前記コイル２の慣性によって点ａの電位Ｖａが上昇する。そして、点ａの電位Ｖａと点ｂの電位Ｖｂとの電位差がオフセット値αに到達すると、前記増幅器１３を介してＨｉレベルのＢ信号が前記第２ＭＯＳ４のゲート端子に入力され、該第２ＭＯＳ４がオンになって導通状態となることから、点ａの電位Ｖａと点ｂの電位Ｖｂとの電位差が前記オフセット値αのまま保持される。

続いて、所定の時間だけ前記第２ＭＯＳ４の導通状態が保持されて前記コンデンサ５に電荷が蓄えられた後、再びマイコン６からのＡ信号によって前記第１ＭＯＳ３がオンにされ、点ａの電位Ｖａが低下する。そして、点ａの電位Ｖａと点ｂの電位Ｖｂとの電位差が前記オフセット値α以下になると、前記増幅器１３を介してＬｏレベルのＢ信号が前記第２ＭＯＳ４のゲート端子に入力され、該第２ＭＯＳ４がオフになってトランジスタ状態となるので、点ａの電位Ｖａが点ｂの電位Ｖｂより低くなっても電流が逆流することはない。

これにより、前記昇圧回路１は、前記第２ＭＯＳ４の上流側（点ａ）の電位Ｖａと下流側（点ｂ）の電位Ｖｂとを前記電圧比較器１２によって単純に比較して該第２ＭＯＳ４をオン・オフするタイミングを決定し、このタイミングの決定にマイコンなどの演算を伴わないことから、該第２ＭＯＳ４のスイッチング動作にタイミングのずれが生じることはない。すなわち、点ａの余分な電位上昇による第２ＭＯＳ４のエネルギ損失（電圧降下）が発生することはなく、該第２ＭＯＳ４におけるエネルギ損失は第２ＭＯＳ４自体の抵抗分の損失のみとなる。

また、前記第２ＭＯＳ４は、前記電位調整装置１１によって予め点ｂの電位が所定の値αだけオフセットされると共に、点ａの電位Ｖａが点ｂの電位のオフセット値Ｖｘよりも高く、その電位差が所定の前記オフセット値αを閾値としてスイッチング動作を行うようにしたため、該第２ＭＯＳ４の上流側（点ａ）の電位Ｖａが下流側（点ｂ）の電位Ｖｂよりも確実に高い状態でスイッチング動作を行うことが可能となっている。

したがって、この実施の形態によれば、前記昇圧回路１は、所望のタイミングで前記第２ＭＯＳ４をオン・オフすることが可能となるため、前記両ＭＯＳ３，４が共にオフとなって点ａの電位が必要以上に上昇し、トランジスタ状態の第２ＭＯＳ４を通電することによるエネルギ損失を抑制することができる。

この結果、前記各ＭＯＳ３，４の駆動タイミングを合わせるための複雑な回路を必要としないことから部品点数の増加に伴う製造コストの高騰を抑制することができると共に、回路の応答遅れなどの調整を必要とすることがないため、昇圧回路１の設定作業の作業性が向上し、製造コストの低廉化を図ることができる。

また、前記昇圧回路１は、前記第２ＭＯＳ４の上流側（点ａ）の電位Ｖａが下流側（点ｂ）の電位Ｖｂよりも確実に高い状態で該第２ＭＯＳ４のスイッチング動作が行われるため、第２ＭＯＳ４における電流の逆流による誤放電を防止することができると共に、該逆流防止のための回路部品を別途設ける必要がないことから、製造コストの低廉化にも貢献することができる。

本発明は、前記各実施の形態の構成に限定されるものではなく、例えば前記コイル２やコンデンサ５の数量及び電動モータ２１の種類を前記昇圧回路１の使用目的や使用状態に応じて自由に変更することができると共に、前記昇圧回路１の使用例として、車両用の電動パワーステアリング装置やブレーキシステムの電動モータの駆動制御に適用することができる。

また、前記電位調整装置１１は、可変電源のみに限定されるものではなく、例えば前記第２ＭＯＳ４のソース端子及びドレイン端子にそれぞれ抵抗器を用いて抵抗分圧させることによって該第２ＭＯＳ４の上流側（点ａ）の電位Ｖａと下流側（点ｂ）の電位Ｖｂとを調整することも可能であり、この場合にも、前記電位Ｖａが前記電位Ｖｂにオフセット値αを加えた電位の値Ｖｘよりも高くなるように設定することにより、前記実施の形態と同様の作用効果を奏することができる。

本発明に係る実施の形態を示し、本発明の主要部を説明する昇圧回路の回路図である。 本発明に係る実施の形態を示し、モータ駆動回路の回路図である。 本発明に係る実施の形態を示し、昇圧回路の動作を説明するフローチャートである。 本発明に係る実施の形態を示し、昇圧回路の動作を説明するタイムチャートである。 図４の要部拡大図である。

符号の説明

１…昇圧回路
３…第１ＭＯＳ（第１スイッチング素子）
４…第２ＭＯＳ（第２スイッチング素子）
６…マイコン（信号供給手段）
７…第１電位検出線（電圧検出手段）
８…第２電位検出線（電圧検出手段）
１０…電源
１１…電位調整装置（電圧増減手段）
１２…電圧比較器
１３…増幅器
２１…電動モータ（負荷）

Claims (1)

1. 電源から分岐して設けられ、負荷の駆動及び停止を制御する第１スイッチング素子と、
   該第１スイッチング素子の下流側に設けられ、該第１スイッチング素子と連動して負荷に供給する電圧の昇圧の有無を制御する第２スイッチング素子と、
   前記第１スイッチング素子に所望の駆動信号を与える信号供給手段と、
   前記第２スイッチング素子の上流側と下流側のそれぞれの電圧を検出する電圧検出手段と、
   該電圧検出手段の上流側または下流側のいずれか一方に設けられ、該電圧検出手段により検出した電圧を増減する電圧増減手段と、
   該電圧増減手段によって増減させた前記第２スイッチング素子の上流側または下流側の電位と他方の電位とを比較する電圧比較器と、
   を備え、
   前記電圧比較器の比較結果に基づいて前記第２スイッチング素子に対するオン・オフ信号を生成するようにしたことを特徴とする昇圧回路。
   

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