JP2015033143A - 電動モータ駆動装置 - Google Patents

Abstract

【課題】デカップリングコンデンサによって電源投入時に発生する突入電流を抑制する。
【解決手段】バッテリからインバータ回路へと電力を供給する電路（電源ライン）に、半導体リレーの一例としてのＮチャネルＦＥＴ１４２を配設すると共に、ＮチャネルＦＥＴ１４２のソースＳとゲートＧとの間に、動作安定用の抵抗Ｒ２と突入電流を抑制するためのコンデンサＣ２とを並列に接続する。また、ＮチャネルＦＥＴ１４２のゲートＧに、少なくとも駆動信号伝達用の抵抗Ｒ１を接続する。そして、マイコンから駆動信号が出力されたとき、抵抗Ｒ１及びコンデンサＣ２によるフィルタ作用によって、ＮチャネルＦＥＴ１４２のゲートＧの電圧が徐々に上昇するようにし、ＮチャネルＦＥＴ１４２がＯＮになる時間を遅くする。そして、ＮチャネルＦＥＴ１４２がＯＮになるまでの間に、デカップリングコンデンサを充電し、突入電流の発生を抑制する。
【選択図】図３

Description

本発明は、インバータ回路により電動モータを駆動する電動モータ駆動装置に関する。

インバータ回路により電動モータを駆動する電動モータ駆動装置においては、電源ラインにキャパシタンスやインダクタンスの成分が存在するため、これらの影響によって電圧変動が大きくなるおそれがある。このため、電源ラインにおけるインバータ回路の上流側と下流側とを、例えば、数千〜数万μＦのデカップリングコンデンサにより接続することで、電圧変動を抑制するようにしている。

電源ラインにデカップリングコンデンサを取り付けると、電源投入時にデカップリングコンデンサを充電する必要があることから、電源ラインに大電流である突入電流（インラッシュ電流）が流れる原因となってしまう。このため、特開２００２−４４９９０号公報（特許文献１）に記載されるように、電源からデカップリングコンデンサに突入電流が流れるのを抑制すべく、電源ラインに配設したプリチャージ回路によって、デカップリングコンデンサを充電する技術が提案されている。

特開２００２−４４９９０号公報

しかしながら、電源ラインにプリチャージ回路を配設すると、電源リレーとは別にプリチャージ用の半導体リレーが必要となり、コスト上昇だけではなく、プリチャージ回路の実装面積を確保するため基板サイズが大型化してしまう。

そこで、本発明は、プリチャージ回路がなくても、電源投入時に発生する突入電流を抑制可能な、電動モータ駆動装置を提供することを目的とする。

電動モータ駆動装置は、電動モータを駆動するインバータ回路と、電源からインバータ回路へと電力を供給する電路を開閉する半導体リレーと、半導体リレーとインバータ回路との間の電路に一端が接続されると共に、他端がグランドに接続された第１のコンデンサと、半導体リレーのキャリア側電圧と制御側電圧との電位差を徐々に変化させる制御手段と、を有する。

本発明によれば、プリチャージ回路がなくても、電源投入時に発生する突入電流を抑制することができる。

車両の電動パワーステアリングシステムの一例を示す概要図である。 電動モータ駆動装置の第１実施形態の一例を示す概要図である。 電動モータ駆動装置の第１実施形態におけるリレー回路の一例を示す概要図である。 半導体リレーとして置換可能なＮＰＮトランジスタの説明図である。 リレー回路の第１実施形態に短時間でＯＦＦする工夫を盛り込んだ一例を示す概要図である。 短時間でＯＦＦする工夫の変形例を示し、（Ａ）は第１変形例の説明図、（Ｂ）は第２変形例の説明図である。 電動モータ駆動装置の第２実施形態の一例を示す概要図である。 電動モータ駆動装置の第２実施形態におけるリレー回路の一例を示す概要図である。 半導体リレーとして置換可能なＰＮＰトランジスタの説明図である。 リレー回路の第２実施形態に短時間でＯＦＦする工夫を盛り込んだ一例を示す概要図である。

以下、添付された図面を参照し、本発明を実施するための実施形態について詳述する。
図１は、車両の電動パワーステアリングシステムの一例を示す。
電動パワーステアリングシステムＥＰＳが適用されるステアリング装置は、操作機構，ギヤ機構及びリンク機構を有している。

操作機構は、ステアリングホイールＳＷとステアリングシャフト（コラムシャフト）ＳＳとを有している。ステアリングシャフトＳＳは、第１シャフトＳ１と第２シャフトＳ２（中間シャフト）を含む。

ギヤ機構はラック＆ピニオン型であり、ラックＲとピニオンＰとを有している。ピニオンＰは、第２シャフトＳ２に連結されたピニオンシャフトＰＳの先端に設けられており、ラックＲと噛み合っている。

リンク機構は、ラックＲに連結されたタイロッドＴＲと、タイロッドＴＲに連結された転舵輪ＦＬ，ＦＲと、を有している。
電動パワーステアリングシステムＥＰＳは、電動モータＭＴＲがギヤを直接駆動して補助力を発生する電動直結式であり、ピニオンシャフトＰＳに取り付けられてピニオンシャフトＰＳの回転に対して補助動力を与えるピニオンアシスト式である。

電動パワーステアリングシステムＥＰＳは、直流電源としてのバッテリＢＡＴＴから供給される電力（電流）により駆動される電動モータＭＴＲと、電動モータＭＴＲの回転を減速する減速ギヤ機構ＧＥＲと、操舵トルクを検出するトルクセンサＴＳと、電動モータＭＴＲの回転（回転角又は回転位置）を検出する図示しないレゾルバと、これらセンサ類から信号の入力を受けて電動モータＭＴＲの駆動を制御する電子制御装置ＥＣＵと、を有している。これらの構成部品は、同一のハウジングＨＳＧの内部に収容されており、電動パワーステアリングシステムＥＰＳは機電一体型のユニットとして構成されている。

これはピニオン型の電動パワーステアリングシステムの一例で、他に、デュアルピニオン型，ラック型，コラム型の電動パワーステアリングシステムなどがある。
図２は、このような電子制御パワーステアリングシステムＥＰＳなどに使用される、電動モータ駆動装置の第１実施形態の一例を示す。

車両用アクチュエータである電動モータ１００は、直流電源であるバッテリ１１０から供給される電力を交流に変換するインバータ回路１２０によって駆動される。電動モータ１００としては、例えば、三相交流モータなどを使用することができる。インバータ回路１２０は、トランジスタ，ＦＥＴ（Field Effect Transistor），ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）などのパワー素子を内蔵し、このパワー素子によって外部から供給される直流を交流に変換して電動モータ１００を駆動する。

このため、インバータ回路１２０の入力端子１２２には、バッテリ１１０からインバータ回路１２０へと電力を供給する電路（電源ライン）１３０を開閉するリレー回路１４０を介在させて、バッテリ１１０の＋端子が接続されている。また、バッテリ１１０の−端子は、グランドＧＮＤに接続されている。なお、リレー回路１４０の詳細については後述する。

インバータ回路１２０の制御端子１２４には、マイコン１５０から出力されるＰＷＭ（Pulse Width Modulation）信号に基づいて、インバータ回路１２０のパワー素子を駆動するためのドライバを駆動するプリドライバ１６０の出力信号が入力される。また、インバータ回路１２０のグランド端子１２６は、インバータ回路１２０とバッテリ１１０の−端子側とを接続する電路１３２を介してグランドＧＮＤに接続されている。

マイコン１５０には、バッテリ１１０の＋端子とリレー回路１４０との間に位置する電路１３０から分岐した電路１３４を介して、バッテリ１１０から電力が供給される。電路１３４には、イグニッションスイッチ１７０、及び、バッテリ１１０から供給される電力を所定電圧（例えば、５Ｖ）に調整する定電圧回路１８０が夫々配設されている。

そして、マイコン１５０は、例えば、フラッシュＲＯＭ（Read Only Memory）などの不揮発性メモリに書き込まれた制御プログラムを実行することで、運転者による車両操作状態などに応じて、電動モータ１００を駆動するときにリレー回路１４０に駆動信号を出力すると共に、プリドライバ１６０へＰＷＭ信号を出力する。

また、イグニッションスイッチ１７０と定電圧回路１８０との間に位置する電路１３４から分岐した電路１３６を介して、バッテリ１１０のＶＢ電圧が、プリドライバ１６０及び昇圧回路１９０へと供給される。昇圧回路１９０は、例えば、ブースター回路、チャージポンプ回路などからなり、ＶＢ電圧を所定電圧（例えば、１０Ｖ）昇圧し、電路１３８を介して、昇圧した電圧をリレー回路１４０及びプリドライバ１６０へと供給する。従って、リレー回路１４０及びプリドライバ１６０は、昇圧された電圧で駆動することが可能となり、例えば、動作の安定化などを図ることができる。

インバータ回路１２０によって電動モータ１００を駆動する電動モータ駆動装置においては、前述したように、キャパシタンスやインダクタンスの影響によって電圧変動が大きくなるおそれがある。このため、リレー回路１４０とインバータ回路１２０との間に位置する電路１３０に一端が接続されると共に、他端が電路１３２を介してグランドＧＮＤに接続された、例えば、数千〜数万μＦのデカップリングコンデンサＣ１が取り付けられる。なお、デカップリングコンデンサＣ１が、第１のコンデンサの一例として挙げられる。

図３は、リレー回路１４０の一例を示す。
バッテリ１１０とインバータ回路１２０との間には、半導体リレーの一例として、ＮチャネルＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）１４２が配設されている。具体的には、ＮチャネルＭＯＳＦＥＴ（ＮチャネルＦＥＴ）１４２のドレインＤがバッテリ１１０に接続されると共に、ＮチャネルＦＥＴ１４２のソースＳがインバータ回路１２０に接続されている。

また、ＮチャネルＦＥＴ１４２のゲートＧは、ＮチャネルＦＥＴ１４２の駆動信号を伝達する抵抗Ｒ１，スイッチング作用を奏するＰＮＰトランジスタＴｒ１及びＰＮＰトランジスタＴｒ１を駆動するための駆動回路１４４を介在させて、マイコン１５０に接続されている。具体的には、ＰＮＰトランジスタＴｒ１は、ベースＢが駆動回路１４４に接続され、コレクタＣが抵抗Ｒ１に接続され、エミッタＥが昇圧回路１９０に接続されている。従って、昇圧回路１９０により昇圧されたＶＢ電圧がＮチャンネルＦＥＴ１４２のゲートＧに印加されるようになり、そのソースＳの電圧よりゲートＧの電圧が高くなって、ＮチャネルＦＥＴ１４２を安定して動作させることができる。

さらに、ＮチャネルＦＥＴ１４２のソースＳとゲートＧとの間には、ＮチャネルＦＥＴ１４２の動作を安定させる抵抗Ｒ２と、デカップリングコンデンサＣ１により発生する突入電流を抑制するためのコンデンサＣ２と、が並列に接続されている。ここで、コンデンサＣ２は、第２のコンデンサの一例として挙げられ、ＮチャネルＦＥＴ１４２がＯＮするときに発生するスイッチングノイズを除去する容量よりも大きな容量、例えば、数μＦを有している。なお、ＮチャネルＦＥＴ１４２の場合には、ソースＳがキャリア（電子）を供給する「キャリア供給側」、ゲートＧが「制御側」に該当する。

イグニッションスイッチ１７０のＯＮに伴って、マイコン１５０からリレー回路１４０へと駆動信号（ＬＯＷ）が出力されると、駆動回路１４４によりＰＮＰトランジスタＴｒ１がＯＮとなり、昇圧回路１９０から抵抗Ｒ１を介してＮチャネルＦＥＴ１４２のゲートＧへ昇圧された電圧が印加される。そして、ＮチャネルＦＥＴ１４２のゲートＧの電圧がソースＳの電圧より大きくなると、ＮチャネルＦＥＴ１４２がＯＮになってドレインＤからソースＳへと電流が流れ、インバータ回路１２０に電力が供給される。

このとき、ＮチャネルＦＥＴ１４２のゲートＧに印加される電圧は、抵抗Ｒ１及びコンデンサＣ２のフィルタ作用によって電圧上昇がゆっくりとなり、抵抗Ｒ１及びコンデンサＣ２によって定まる時定数でＮチャネルＦＥＴ１４２がＯＮとなる。このため、イグニッションスイッチ１７０をＯＮにしたとき、リレー回路１４０のＮチャネルＦＥＴ１４２がＯＮになるまでの間に、リレー回路１４０の下流に位置する電路１３０を介して、昇圧回路１９０からデカップリングコンデンサＣ１に電力が供給されて充電されるので、これを充電するための突入電流の発生を抑制することができる。従って、リレー回路１４０において、ＮチャネルＦＥＴ１４２のソースＳとゲートＧとの間を接続するコンデンサＣ２が、制御手段の一例として挙げられる。

よって、プリチャージ回路を使用しなくとも、安価なコンデンサＣ２により、リレー回路１４０のＮチャネルＦＥＴ１４２に突入電流が流れることを抑制できる。また、プリチャージ回路が不要となることから、コスト上昇を抑制しつつ、基板サイズを小さくすることもできる。

半導体リレーとしては、ＮチャネルＦＥＴ１４２に代えて、図４に示すように、ＮＰＮトランジスタＴｒ２としてもよい。この場合、ＮＰＮトランジスタＴｒ２のコレクタＣがバッテリ１１０に接続され、エミッタＥがインバータ回路１２０に接続され、ベースＢが抵抗Ｒ１及びＰＮＰトランジスタＴｒ１を介して駆動回路１４４に接続される。なお、半導体リレーがＮＰＮトランジスタＴｒ２である場合には、エミッタＥが「キャリア供給側」、ベースＢが「制御側」に該当する。

ところで、インバータ回路１２０やデカップリングコンデンサＣ１を含むリレー回路１４０の下流側に異常が発生した場合には、安全性を高める観点から、短時間でリレー回路１４０により電路１３０からの電圧供給（ＶＢ電圧の供給）を遮断することが望ましい。

このため、図５に示すように、ＮチャネルＦＥＴ１４２の駆動信号を伝達する抵抗Ｒ１を抵抗Ｒ１０及びＲ１１に分け（Ｒ１≒Ｒ１０＋Ｒ１１）、ＰＮＰトランジスタＴｒ１寄りの抵抗Ｒ１１とゲートＧとの間であって、抵抗Ｒ２及びコンデンサＣ２の接続箇所よりも抵抗Ｒ１１寄りに、抵抗Ｒ１０とダイオードＤ１とを並列に配設する。ここで、ダイオードＤ１は、ＮチャネルＦＥＴ１４２から抵抗Ｒ１１の方向に電流が流れる向きに配設される。また、ＰＮＰトランジスタＴｒ１と抵抗Ｒ１１とを接続する電路を分岐させてグランドＧＮＤに接続する電路に、スイッチング作用を奏するＮＰＮトランジスタＴｒ３を配設する。具体的には、ＮＰＮトランジスタＴｒ３は、コレクタＣがＰＮＰトランジスタＴｒ１と抵抗Ｒ１１との間に接続されると共に、エミッタＥがグランドＧＮＤに接続される。ＮＰＮトランジスタＴｒ３のベースＢには、マイコン１５０からの駆動信号が駆動回路１４６及び抵抗Ｒ４を介して入力される。さらに、ＮＰＮトランジスタＴｒ３のベースＢとエミッタＥとは、抵抗Ｒ５を介して接続される。ここで、抵抗Ｒ４及びＲ５は、ＮＰＮトランジスタＴｒ３の駆動信号を伝達させるためのものである。

かかる構成によれば、リレー回路１４０よりも下流側に異常が発生し、マイコン１５０からリレー回路１４０の駆動回路１４６に駆動信号（ＨＩＧＨ）が出力されると、ＮＰＮトランジスタＴｒ３のベースＢへ印加される電圧が上昇して、ＮＰＮトランジスタＴｒ３がＯＮとなる。そして、抵抗Ｒ１０と並列にダイオードＤ１が配設されているため、電流が抵抗Ｒ１０を通らずにダイオードＤ１を通ってグランドＧＮＤへと流れる。このため、ＮチャネルＦＥＴ１４２のゲートＧに印加されている電圧は、抵抗Ｒ１０及びＲ１１とコンデンサＣ２により定まる時定数よりも小さい、抵抗Ｒ１１とコンデンサＣ２とにより定まる時定数で低下し、短時間でＮチャネルＦＥＴ１４２をＯＮからＯＦＦへと変化させることができる。

なお、抵抗Ｒ１１は、ＮチャネルＦＥＴ１４２のゲートＧに過大な電流が流れないようにするものであるので、ＮチャネルＦＥＴ１４２（ゲートＧの酸化膜）を保護する。

抵抗Ｒ１０，Ｒ１１及びダイオードＤ１は、図６（Ａ）に示すように、抵抗Ｒ１０と並列にダイオードＤ１及び抵抗Ｒ１１を配設するようにしてもよい。また、ダイオードＤ１及び抵抗Ｒ１１に代えて、図６（Ｂ）に示すように、駆動回路により駆動される、スイッチング作用を奏するＮＰＮトランジスタＴｒ４を使用することもできる。

図７は、電動モータ駆動装置の第２実施形態の一例を示す。
第２実施形態に係る電動モータ駆動装置は、先の第１実施形態に係る電動モータ駆動装置から、昇圧回路１９０並びにここからリレー回路１４０及びプリドライバ１６０に昇圧されたＶＢ電圧を供給する電路１３８を削除したものであるから、その具体的な説明は省略する。必要があれば、先の第１実施形態に係る電動モータ駆動装置の説明を参照されたい。

図８は、リレー回路１４０の一例を示す。
バッテリ１１０とインバータ回路１２０との間には、半導体リレーの他の例として、ＰチャネルＭＯＳＦＥＴ（ＰチャネルＦＥＴ）１４８が配設されている。具体的には、ＰチャネルＦＥＴ１４８のソースＳがバッテリ１１０に接続されると共に、ＰチャネルＦＥＴ１４８のドレインＤがインバータ回路１２０に接続されている。また、ＰチャネルＦＥＴ１４８のゲートＧは、ＰチャネルＦＥＴ１４８の駆動信号を伝達する抵抗Ｒ１及び駆動回路１４４を介在させて、マイコン１５０に接続されている。

さらに、ＰチャネルＦＥＴ１４８のソースＳとゲートＧとの間には、ＰチャネルＦＥＴ１４８の動作を安定させる抵抗Ｒ２と、デカップリングコンデンサＣ１により発生する突入電流を抑制するためのコンデンサＣ２と、が並列に接続されている。なお、ＰチャネルＦＥＴ１４８の場合には、ソースＳがキャリア（正孔）を供給する「キャリア供給側」、ゲートＧが「制御側」に該当する。

イグニッションスイッチ１７０のＯＮに伴って、マイコン１５０からリレー回路１４０へと駆動信号（ＬＯＷ）が出力されると、ＰチャネルＦＥＴ１４８のゲートＧに印加されている電圧が下降する。そして、ＰチャネルＦＥＴ１４８のゲートＧの電圧がソースＳの電圧より低くなると、ＰチャネルＦＥＴ１４８がＯＮになってソースＳからドレインＤへと電流が流れ、インバータ回路１２０に電力が供給される。

このとき、ＰチャネルＦＥＴ１４８のゲートＧに印加される電圧は、抵抗Ｒ１及びコンデンサＣ２のフィルタ作用によって電圧下降がゆっくりとなり、抵抗Ｒ１及びコンデンサＣ２によって定まる時定数でＰチャネルＦＥＴ１４８がＯＮとなる。このため、イグニッションスイッチ１７０をＯＮにしたとき、リレー回路１４０のＰチャネルＦＥＴ１４８がＯＮになるまでの間に、リレー回路１４０の下流に位置する電路１３０を介して、バッテリ１１０からデカップリングコンデンサＣ１に電力が供給されて充電されるので、これを充電するための突入電流の発生を抑制することができる。従って、リレー回路１４０において、ＰチャネルＦＥＴ１４８のソースＳとゲートＧとの間を接続するコンデンサＣ２が、制御手段の一例として挙げられる。

よって、プリチャージ回路を使用しなくとも、安価なコンデンサＣ２により、リレー回路１４０のＰチャネルＦＥＴ１４８に突入電流が流れることを抑制できる。また、プリチャージ回路が不要となることから、コスト上昇を抑制しつつ、基板サイズを小さくすることもできる。

半導体リレーとしては、ＰチャネルＦＥＴ１４８に代えて、図９に示すように、ＰＮＰトランジスタＴｒ５としてもよい。この場合、ＰＮＰトランジスタＴｒ５のエミッタＥがバッテリ１１０に接続され、コレクタＣがインバータ回路１２０に接続され、ベースＢが抵抗Ｒ１を介して駆動回路１４４に接続される。なお、半導体リレーがＰＮＰトランジスタＴｒ５である場合には、エミッタＥが「キャリア供給側」、ベースＢが「制御側」に該当する。

ところで、インバータ回路１２０やデカップリングコンデンサＣ１を含むリレー回路１４０の下流側に異常が発生した場合には、第１実施形態と同様に、安全性を高める観点から、短時間でリレー回路１４０により電路１３０からの電圧供給（ＶＢ電圧の供給）を遮断することが望ましい。

このため、図１０に示すように、ＰチャネルＦＥＴ１４８のソースＳとゲートＧとの間に、スイッチング作用を奏するＰＮＰトランジスタＴｒ６を配設する。具体的には、ＰＮＰトランジスタＴｒ６のエミッタＥがバッテリ１１０に接続され、ＰＮＰトランジスタＴｒ６のコレクタＣがＰチャネルＦＥＴ１４８のゲートＧ側に接続される。また、ＰＮＰトランジスタＴｒ６のベースＢには、マイコン１５０からの駆動信号が駆動回路１４６及び抵抗Ｒ３を介して入力される。さらに、ＰＮＰトランジスタＴｒ６のベースＢとエミッタＥとは、抵抗Ｒ４を介して接続される。ここで、抵抗Ｒ３及びＲ４は、ＰＮＰトランジスタＴｒ６の駆動信号を伝達するためのものである。

かかる構成によれば、リレー回路１４０の下流側に異常が発生し、マイコン１５０からリレー回路１４０の駆動回路１４６に駆動信号（ＬＯＷ）が出力されると、ＰＮＰトランジスタＴｒ６のベースＢへ印加される電圧が下降して、ＰＮＰトランジスタＴｒ６がＯＮとなる。そして、ＰチャネルＦＥＴ１４８のソースＳとゲートＧとがＰＮＰトランジスタＴｒ６により短絡し、ＰチャネルＦＥＴ１４８のソースＳの電圧とゲートＧの電圧とが短時間で等しくなる。このため、短時間でＰチャネルＦＥＴ１４８をＯＮからＯＦＦへと変化させることができる。

なお、以上説明した実施形態では、電動パワーステアリングシステムを前提とした電動モータ駆動装置について説明したが、車両の電動ブレーキシステムなどを前提とした電動モータ駆動装置であってもよい。要するに、インバータ回路により電動モータを駆動する電動システムであれば、本発明を適用することができる。

１００ 電動モータ
１１０ バッテリ（電源）
１２０ インバータ回路
１３０ 電路
１４０ リレー回路
１４２ ＮチャネルＦＥＴ（半導体リレー）
１４８ ＰチャネルＦＥＴ（半導体リレー）
ＧＮＤ グランド
Ｔｒ２ ＮＰＮトランジスタ（半導体リレー）
Ｔｒ３ ＮＰＮトランジスタ
Ｔｒ５ ＰＮＰトランジスタ
Ｒ１０ 抵抗
Ｃ１ デカップリングコンデンサ（第１のコンデンサ）
Ｃ２ コンデンサ（第２のコンデンサ）
Ｄ１ ダイオード

Claims (3)

1. 電動モータを駆動するインバータ回路と、
   電源から前記インバータ回路へと電力を供給する電路を開閉する半導体リレーと、
   前記半導体リレーと前記インバータ回路との間の電路に一端が接続されると共に、他端がグランドに接続された第１のコンデンサと、
   前記半導体リレーのキャリア供給側電圧と前記半導体リレーの制御側電圧との電位差を徐々に変化させる制御手段と、
   を有することを特徴とする電動モータ駆動装置。
2. 前記制御手段は、前記半導体リレーのキャリア供給側と前記半導体リレーの制御側とを接続する第２のコンデンサである、
   ことを特徴とする請求項１に記載の電動モータ駆動装置。
3. 前記半導体リレーの制御側をグランドに接続する電路に、抵抗及び前記グランド側に電流を流すダイオードが並列に配設されると共に、前記電路を開閉するトランジスタが配設された、
   ことを特徴とする請求項２に記載の電動モータ駆動装置。