JP2014239590A - フルブリッジ回路の駆動装置及びパワーモジュール - Google Patents

Abstract

【課題】高い信頼性を有するフルブリッジ回路の駆動装置及びフルブリッジ回路を有するパワーモジュールを提供する。【解決手段】フルブリッジ回路の駆動装置は、第２のパワートランジスタと第４のパワートランジスタとをオンさせ第２のパワートランジスタと第４のパワートランジスタとからなる経路に電流を流す第１のモードと、第４のパワートランジスタをオンさせ第１のパワートランジスタと第４のパワートランジスタと負荷とからなる経路に電流を流す第３のモードと、第２のトランジスタをオンさせ第２のパワートランジスタと第３のパワートランジスタと負荷とからなる経路に電流を流す第４のモードと、に従って前記フルブリッジ回路を駆動する。【選択図】図１

Description

本発明は、フルブリッジ回路を駆動するための駆動装置、及び、フルブリッジ回路を含むパワーモジュールに関する。

フルブリッジ回路は、４つのパワートランジスタがＨ型に結線されてなることから、Ｈブリッジ回路とも呼ばれ、電力変換装置或いはモータ駆動装置に利用されている。例えば東芝TB6562ANG/AFGは、現在販売されているモータ駆動装置の１つであり、２組のフルブリッジ回路とそれらの制御回路が単一の樹脂封止体に封止されてなるパワーモジュールである。また、このようなモータ駆動装置における定電流駆動に関する技術が特許文献１に記載される。

図６は、特許文献１に記載されるフルブリッジ回路の動作説明図であり、矢印は各期間における電流の流れを示す。第１乃至第４のパワートランジスタＭ１，Ｍ２，Ｍ３，Ｍ４がＨ型に結線され、第１及び第２のパワートランジスタＭ１及びＭ２の接続点と第３及び第４のパワートランジスタＭ３及びＭ４の接続点との間に第１のコイルＬ１が接続される。まず図６（ａ）のように、第２及び第４のパワートランジスタＭ２，Ｍ４がオンし、電流がＭ２，Ｍ４，Ｌ１からなる経路に流れる（第１のモード）。次に図６（ｂ）のように、第２及び第４のパワートランジスタＭ２，Ｍ４がオフし、電流がＭ１，Ｍ３，Ｌ１からなる経路に流れる（第２のモード）。次に図６（ｃ）のように、第４のパワートランジスタＭ４が再びオンし、電流がＭ１，Ｍ４，Ｌ１からなる経路に流れる（第３のモード）。従来のフルブリッジ回路は、以上のような動作の繰り返しによりコイルＬ１に流れる電流を略一定に制御することができる。

特開２００２−２０４１５０号公報

ところで、フルブリッジ回路の駆動装置、及び、フルブリッジ回路を含むパワーモジュールは、部品点数が多く複雑な構成を有するため、その信頼性を向上させることが要求される。

本発明は、高い信頼性を有するフルブリッジ回路の駆動装置及びパワーモジュールを提供するものである。

本発明の一態様によれば、第１のパワートランジスタと第２のパワートランジスタと第３のパワートランジスタと第４のパワートランジスタとからなるフルブリッジ回路を駆動するためのフルブリッジ回路の駆動装置であって、前記第２のパワートランジスタと前記第４のパワートランジスタとをオンさせ前記第２のパワートランジスタと前記第４のパワートランジスタと前記負荷とからなる経路に電流を流す第１のモードと、前記第４のパワートランジスタをオンさせ前記第１のパワートランジスタと前記第４のパワートランジスタと前記負荷とからなる経路に電流を流す第３のモードと、前記第２のトランジスタをオンさせ前記第２のパワートランジスタと前記第３のパワートランジスタと前記負荷とからなる経路に電流を流す第４のモードと、に従って前記フルブリッジ回路を駆動することを特徴とする。

本発明によれば、高い信頼性を有するフルブリッジ回路の駆動装置及びパワーモジュールを提供できる。

本発明の第１の実施形態に係るフルブリッジ回路を有するパワーモジュールの構成を示す回路図である。 本発明の第１の実施形態に係るフルブリッジ回路を有するパワーモジュールの構成を示す構成図である。 本発明の第１の実施形態に係るフルブリッジ回路を有するパワーモジュールの動作説明図である。 本発明の第１の実施形態に係るフルブリッジ回路の駆動装置の動作を示すフローチャートである。 本発明の第２の実施形態に係るフルブリッジ回路の駆動装置の動作を示すフローチャートである。 特許文献１に記載されるフルブリッジ回路の動作説明図である。

次に、図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なものであることに留意すべきである。又、以下に示す実施形態は、この発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、この発明の実施形態は、構成部品の構造、配置等を下記のものに特定するものでない。この発明の実施形態は、特許請求の範囲において、種々の変更を加えることができる。

（第１の実施形態）
図１及び２は、本発明の第１の実施形態に係るフルブリッジ回路を有するパワーモジュールの構成を示す構成図である。本実施形態に係るフルブリッジ回路を有するパワーモジュール１００は、第１のパワートランジスタＭ１と第２のパワートランジスタＭ２と第３のパワートランジスタＭ３と第４のパワートランジスタＭ４とからなる第１のフルブリッジ回路１０と、第５のパワートランジスタＭ５と第６のパワートランジスタＭ６と第７のパワートランジスタＭ７と第８のパワートランジスタＭ８とからなる第２のフルブリッジ回路２０と、第１及び第２のフルブリッジ回路１０，２０を駆動するための駆動装置ＭＩＣと、を備える。なお、パワーモジュール１００は、第１及び第２のフルブリッジ回路１０，２０のうち少なくともいずれか１組のフルブリッジ回路からなる。

第１乃至第８のパワートランジスタＭ１，Ｍ２，Ｍ３，Ｍ４，Ｍ５，Ｍ６，Ｍ７，Ｍ８のそれぞれは、ドレイン端子（高圧側端子）とソース端子（低圧側端子）とゲート端子（制御端子）を有し、それぞれのソース端子からドレイン端子に向かって電流を流すことができる寄生ダイオードを有するパワーＭＯＳＦＥＴからなる。

第１のフルブリッジ回路１０において、第２及び第３のパワートランジスタＭ２，Ｍ３のドレイン端子はモータ電源に接続される。第２のパワートランジスタＭ２のソース端子は第１のパワートランジスタＭ１のドレイン端子に接続され、第３のパワートランジスタＭ３のソース端子は第４のパワートランジスタＭ４のドレイン端子に接続される。第１及び第４のパワートランジスタＭ１，Ｍ４のソース端子は第１の検出抵抗Ｒｓ１を介して接地される。第１及び第２のパワートランジスタＭ１，Ｍ２の接続点は、パワーモジュール１００の第１の出力端子であり、負荷である第１のコイルＬ１の一端に接続される。第３及び第４のパワートランジスタＭ３，Ｍ４の接続点は、パワーモジュール１００の第２の出力端子であり、負荷である第１のコイルＬ１の他端に接続される。すなわち、第１乃至第４のパワートランジスタＭ１，Ｍ２，Ｍ３，Ｍ４は、Ｈ型に結線され、第１のフルブリッジ回路１０を構成する。

第２のフルブリッジ回路２０において、第６及び第７のパワートランジスタＭ６，Ｍ７のドレイン端子はモータ電源に接続される。第６のパワートランジスタＭ６のソース端子は第５のパワートランジスタＭ５のドレイン端子に接続され、第７のパワートランジスタＭ７のソース端子は第８のパワートランジスタＭ８のドレイン端子に接続される。第５及び第８のパワートランジスタＭ５，Ｍ８のソース端子は第２の検出抵抗Ｒｓ２を介して接地される。第５及び第６のパワートランジスタＭ５，Ｍ６の接続点は、パワーモジュール１００の第３の出力端子であり、負荷である第２のコイルＬ２の一端に接続される。第７及び第８のパワートランジスタＭ７，Ｍ８の接続点は、パワーモジュール１００の第４の出力端子であり、負荷である第２のコイルＬ２の他端に接続される。すなわち、第５乃至第８のパワートランジスタＭ５，Ｍ６，Ｍ７，Ｍ８は、Ｈ型に結線され、第２のフルブリッジ回路２０を構成する。

駆動装置ＭＩＣは、少なくとも、第１乃至第８のパワートランジスタＭ１，Ｍ２，Ｍ３，Ｍ４，Ｍ５，Ｍ６，Ｍ７，Ｍ８の各ゲート端子と、第１及び第２のフルブリッジ回路１０，２０に流れる電流を検出する第１及び第２の検出抵抗Ｒｓ１，Ｒｓ２と、に接続される。また、駆動装置ＭＩＣは、パワーモジュール１００の第１乃至第４の出力端子にも接続され、各フルブリッジ回路に流れる電流を所定値に制御するために各パワートランジスタをオンオフさせる。

本実施形態に係るパワーモジュール１００は、第１乃至第８のパワートランジスタＭ１，Ｍ２，Ｍ３，Ｍ４，Ｍ５，Ｍ６，Ｍ７，Ｍ８と、駆動装置ＭＩＣと、複数のインナーリードＩＬと、複数のアウターリードＯＬと、樹脂パッケージＭＲと、を備える。各パワートランジスタ、駆動装置ＭＩＣ及び複数のインナーリードＩＬは、樹脂パッケージＭＲにより封止され、複数のアウターリードＯＬを介して樹脂パッケージＭＲの外部へと導出される。

各パワートランジスタ及び駆動装置ＭＩＣは、複数のインナーリードＩＬ上に載置され、図示しない金属ワイヤによって相互に接続される。第１のパワートランジスタＭ１は第１のインナーリード上に載置され、第２及び第３のパワートランジスタＭ２，Ｍ３は第２のインナーリード上に載置され、第４のパワートランジスタＭ４は第３のインナーリード上に載置される。第５のパワートランジスタＭ５は第４のインナーリード上に載置され、第６及び第７のパワートランジスタＭ６，Ｍ７は第５のインナーリード上に載置され、第８のパワートランジスタＭ８は第６のインナーリード上に載置される。また、駆動装置ＭＩＣは第７のインナーリード上に載置される。第１及び第４のインナーリードは樹脂パッケージＭＲの第１の側面（図２における上側面）から導出され、第３及び第６のインナーリードは樹脂パッケージＭＲの第２の側面（図２における下側面）から導出され、第２、第５及び第７のインナーリードは樹脂パッケージＭＲの第１及び第２の側面から導出される。

図３は本発明の第１の実施形態に係るフルブリッジ回路を有するパワーモジュールの動作説明図であり、図中の矢印は電流の流れる経路を示す。また、図４は本発明の第１の実施形態に係るフルブリッジ回路の駆動装置の動作を示すフローチャートである。なお、第１のフルブリッジ回路１０の基本的な動作は第２のフルブリッジ回路２０のそれと同じであるため、ここでは第１のフルブリッジ回路１０についてのみ説明を行う。本実施形態に係る駆動装置ＭＩＣは、少なくとも第１乃至第４のモード（動作状態）に従って第１及び第２のフルブリッジ回路１０，２０を駆動する。

まず、図３（ａ）に示すように、駆動装置ＭＩＣは第１のモードに従って第１のフルブリッジ回路１０を駆動する。第２及び第４のパワートランジスタＭ２，Ｍ４がオンされ、第１及び第３のパワートランジスタＭ１，Ｍ３がオフされ、電流がＭ２，Ｍ４，Ｌ１からなる経路に流れる。第１のモードにおいて、第１のコイルＬ１に流れる電流は時間の経過とともに増加する。

次に、図３（ｂ）に示すように、駆動装置ＭＩＣは第２のモード（回生モード）に従って第１のフルブリッジ回路１０を駆動する。少なくとも第２及び第４のパワートランジスタＭ２，Ｍ４がオフされ、電流がＭ１，Ｍ３，Ｌ１からなる経路に流れる。第１及び第３のパワートランジスタＭ１，Ｍ３がオフされると、上記電流は第１及び第３のパワートランジスタＭ１，Ｍ３の寄生ダイオードを流れ、第１及び第３のパワートランジスタＭ１，Ｍ３がオンされると、上記電流は第１及び第３のパワートランジスタＭ１，Ｍ３のチャネルを流れる。第２のモードにおいて、第１のコイルＬ１に流れる電流は、時間の経過とともに減少する。

次に、図３（ｃ）に示すように、駆動装置ＭＩＣは第３のモード（ローサイド減衰モード）に従って第１のフルブリッジ回路１０を駆動する。第４のパワートランジスタＭ４がオンされ、少なくとも第２及び第３のパワートランジスタＭ２，Ｍ３がオフされ、電流がＭ１，Ｍ４，Ｌ１からなる経路に流れる。第１のパワートランジスタＭ１がオフされると、上記電流は第１のパワートランジスタＭ１の寄生ダイオードを流れ、第１のパワートランジスタＭ１がオンされると、上記電流は第１のパワートランジスタＭ１のチャネルを流れる。第３のモードにおいて、第１のコイルＬ１に流れる電流は、時間の経過とともに、第２のモードに比べ緩やかに減少する。なお、駆動装置ＭＩＣは、第１のモードの後に第２のモードを経ず第３のモードに従って第１のフルブリッジ回路１０を駆動しても良く、第３のモードの次に第２のモードに従って第１のフルブリッジ回路１０を駆動しても良い。

次に、再び第１のモード及び第２のモードに従う駆動を経て、図３（ｄ）に示すように、駆動装置ＭＩＣは第４のモード（ハイサイド減衰モード）に従って第１のフルブリッジ回路１０を駆動する。第２のパワートランジスタＭ２がオンされ、少なくとも第１及び第４のパワートランジスタＭ１，Ｍ４がオフされ、電流がＭ２，Ｍ３，Ｌ１からなる経路に流れる。第３のパワートランジスタＭ３がオフされると、上記電流は第３のパワートランジスタＭ３の寄生ダイオードを流れ、第３のパワートランジスタＭ３がオンされると、上記電流は第３のパワートランジスタＭ３のチャネルを流れる。第４のモードにおいて、第１のコイルＬ１に流れる電流は、時間の経過とともに、第２のモードに比べ緩やかに減少する。なお、駆動装置ＭＩＣは、第１のモードの後に第２のモードを経ず第４のモードに従って第１のフルブリッジ回路１０を駆動しても良く、第４のモードの次に第２のモードに従って第１のフルブリッジ回路１０を駆動しても良い。

本実施形態に係る駆動装置ＭＩＣは、上記のように第１乃至第４のモードを繰り返し切り替えて第１のフルブリッジ回路１０を駆動することで、第１のコイルＬ１に流れる電流を所定の値に制御することができる。

また、本実施形態に係る駆動装置ＭＩＣは、上述のように第３のモードに従う減衰と第４のモードに従う減衰とを交互に実施することで、各パワートランジスタに電流が流れる時間の偏りを小さくすることができる。従って、本実施形態に係る駆動装置ＭＩＣは、通電時間の偏りに伴うパワートランジスタの発熱や破壊の発生を抑制でき、高い信頼性を有するフルブリッジ回路の駆動装置及びパワーモジュールを提供できる。

特に、モータを定電流制御する場合のように減衰モード（第３及び第４のモード）に従う駆動時間が長い場合、特定のパワートランジスタの通電時間が長くなってしまうため、本実施形態に係る駆動装置ＭＩＣによる効果が大きい。

また、第３のモードにおいて電流が流れる第１及び第４のパワートランジスタＭ１，Ｍ４が載置されるインナーリードが、それぞれ樹脂パッケージＭＲの異なる側面から導出され、第４のモードにおいて電流が流れる第２及び第３のパワートランジスタＭ２，Ｍ３が載置されるインナーリードが、それぞれ樹脂パッケージＭＲの異なる側面から導出される。そのため、本実施形態に係るパワーモジュール１００は、パワートランジスタの発熱を効率的に分散することができ、高い信頼性を有するフルブリッジ回路の駆動装置及びパワーモジュールを提供できる。

（第２の実施形態）
図５は、本発明の第２の実施形態に係るフルブリッジ回路の駆動装置の動作を示すフローチャートである。本実施形態に係る駆動装置ＭＩＣは、第１及び第４のパワートランジスタＭ１，Ｍ４の温度と第２及び第３のパワートランジスタＭ２，Ｍ３の温度とを比較し、比較結果に応じて第３のモードに従う減衰と第４のモードに従う減衰とを選択的に実施する。詳細には、第１のモードに従って第１のフルブリッジ回路１０が駆動された後、駆動装置ＭＩＣは、各パワートランジスタの温度又は各パワートランジスタが載置されるインナーリードＩＬの温度を比較し、パワーモジュール１００内の温度分布が均一になるように動作モードを選択する。なお、第３のモード及び第４のモードの前又は後に第２のモードに従って第１のフルブリッジ回路１０が駆動されても良い。

本実施形態に係る駆動装置ＭＩＣは、パワーモジュール１００内の温度バラツキを抑制するように第３のモードに従う減衰と第４のモードに従う減衰とを選択的に実施することで、パワートランジスタの発熱や破壊の発生を抑制でき、高い信頼性を有するフルブリッジ回路の駆動装置及びパワーモジュールを提供できる。

上記のように、本発明は実施形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。即ち、本発明はここでは記載していない様々な実施形態等を含むことは勿論である。したがって、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。例えば、パワートランジスタは、Ｐチャネル型ＭＯＳＦＥＴ、ＩＧＢＴ又はバイポーラトランジスタからなるディスクリート素子でも良く、駆動装置と同一チップ上に形成されるトランジスタ素子でも良い。また、第１乃至第４のモードは第１のコイルＬ１に同一方向の電流を流すモードであるが、駆動装置は、これと反対方向の電流を流す他のモードに従ってフルブリッジ回路を駆動しても良い。

１０ 第１のフルブリッジ回路
２０ 第２のフルブリッジ回路
１００ パワーモジュール
Ｍ１ 第１のパワートランジスタ
Ｍ２ 第２のパワートランジスタ
Ｍ３ 第３のパワートランジスタ
Ｍ４ 第４のパワートランジスタ
Ｍ５ 第５のパワートランジスタ
Ｍ６ 第６のパワートランジスタ
Ｍ７ 第７のパワートランジスタ
Ｍ８ 第８のパワートランジスタ
ＭＩＣ 駆動装置
Ｌ１ 第１のコイル
Ｌ２ 第２のコイル
Ｒｓ１ 第１の検出抵抗
Ｒｓ２ 第２の検出抵抗

Claims (5)

1. 第１のパワートランジスタと第２のパワートランジスタと第３のパワートランジスタと第４のパワートランジスタとからなるフルブリッジ回路を駆動するためのフルブリッジ回路の駆動装置であって、
   前記第２のパワートランジスタと前記第４のパワートランジスタとをオンさせ前記第２のパワートランジスタと前記第４のパワートランジスタと前記負荷とからなる経路に電流を流す第１のモードと、
   前記第４のパワートランジスタをオンさせ前記第１のパワートランジスタと前記第４のパワートランジスタと前記負荷とからなる経路に電流を流す第３のモードと、
   前記第２のトランジスタをオンさせ前記第２のパワートランジスタと前記第３のパワートランジスタと前記負荷とからなる経路に電流を流す第４のモードと、に従って前記フルブリッジ回路を駆動することを特徴とするフルブリッジ回路の駆動装置。
2. 前記第３のモード及び前記第４のモードを所定の条件に基づき切り替えることを特徴とする請求項１に記載されるフルブリッジ回路の駆動装置。
3. 前記第１のパワートランジスタと前記第３のパワートランジスタと前記負荷とからなる経路に電流を流す第２のモードを備えることを特徴とする請求項１又は２に記載されるフルブリッジ回路の駆動装置。
4. 前記負荷がモータコイルであることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載されるフルブリッジ回路の駆動装置。
5. 第１のパワートランジスタと第２のパワートランジスタと第３のパワートランジスタと第４のパワートランジスタとからなるフルブリッジ回路と、請求項１乃至４に記載されるフルブリッジ回路の駆動装置と、を備えることを特徴とするパワーモジュール。

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