JP2017153223A - インバータ、モータ制御装置及びパワーステアリング装置 - Google Patents

Abstract

【課題】従来とは異なる構成により、インバータへの直流電源の逆接続時の対策を施す。
【解決手段】インバータ乖離は、正極端子ＰＴ及び負極端子ＮＴと、上アームスイッチング素子Ｔ１，Ｔ３，Ｔ６及び下アームスイッチング素子Ｔ２，Ｔ４，Ｔ６と、正極端子ＰＴと負極端子ＮＴとの間の電圧の分圧を、下アームスイッチング素子Ｔ２のゲート及びドレインにそれぞれ供給する分圧回路４２を備える。下アームスイッチング素子Ｔ２は、ＨＥＭＴで構成される。分圧回路４２では、直流電源５１の正極と負極が正極端子ＰＴ及び負極端子ＮＴに逆接続された場合に、下アームスイッチング素子Ｔ２がオフになるように、分圧が設定される。
【選択図】図２

Description

本発明は、インバータ、モータ制御装置及びそれを用いたパワーステアリング装置に関する。

パワーステアリング装置では、モータの回転を、ステアリングシャフトに伝達することで、操舵補助がなされる。このようなモータの制御には、インバータが用いられる。インバータは、直流電源の正負極間に直列に接続された上アーム及び下アームの組を、複数組、並列に接続したブリッジ回路を含む。インバータの上アームと下アームの中点はモータの各相コイルに接続される。上アームと下アームは、それぞれスイッチング素子で構成される。これらのスイッチング素子のオン／オフは、制御信号に従って制御される。スイッチング素子のオン／オフ動作により、モータの各相コイルに相電圧が供給され、モータが回転する。

インバータの直流電源は、例えば、交換可能なバッテリが用いられる。ユーザが、バッテリを交換する際に、誤って正極と負極を逆に接続する可能性がある。そのため、バッテリの正極と負極が逆に接続された場合に、インバータに電流が流れないようにするための措置が採られる。

そのような逆流防止の措置として、例えば、インバータと直流電源との間にメカニカルリレーを挿入する方法がある。この場合、直流電源が逆接続された場合は、メカニカルリレーにより配線がオープン状態となる。また、インバータと直流電源との間にダイオード又はＦＥＴを挿入して、逆接続時の電流が流れないようにする方法もある。

一例として、特開２０１０−１１４９５７（下記特許文献１）では、直流電源の正電極とインバータとの間に、不使用時遮断用ＭＯＳＦＥＴを直列接続する構成が開示されている。直流電源の正負の電極が逆接続された時には、逆接続された直流電源の出力により、不使用時遮断用ＭＯＳＦＥＴがオフに維持される。これにより、直流電源が逆接続された場合に、直流電源の両端末間の短絡を防止することができる。

特開２０１０−１１４９５７号公報

上記従来技術のように、メカニカルリレーを挿入すると、装置の大型化の懸念が生じる。また、ダイオード又はＦＥＴを挿入した場合、電流経路の抵抗成分（例えば、ダイオードの場合は、電圧ドロップ）が増える。これにより、装置の損失が増加する。

そこで、本願は、従来とは異なる構成により、直流電源の逆接続時の対策を施すことができるインバータ、モータ制御装置及びパワーステアリング装置を開示する。

本開示に係るインバータは、直流電源の正極と負極がそれぞれ接続される正極端子及び負極端子と、前記正極端子及び前記負極端子の間に直列に接続された上アームスイッチング素子及び下アームスイッチング素子と、前記正極端子と前記負極端子との間に接続され、前記正極端子と前記負極端子との間の電圧の分圧を、前記下アームスイッチング素子のゲート及びドレインにそれぞれ供給する分圧回路を備える。前記下アームスイッチング素子は、高電子移動度トランジスタで構成される。前記分圧回路では、前記直流電源の正極が前記負極端子に、前記直流電源の負極が前記正極端子に、逆接続された場合に、前記下アームスイッチング素子がオフになるように、前記分圧が設定される。

本開示によれば、従来とは異なる構成により、直流電源の逆接続時の対策を施すことができる。

図１は、パワーステアリング装置の構成例を示すブロック図である。 図２は、モータ制御装置の構成例を示すブロック図である。 図３は、ＨＥＭＴの構成例を示す断面図である。 図４は、直流電源正常接続時のインバータの動作例を示す図である。 図５は、直流電源正常接続時のインバータの他の動作例を示す図である。 図６は、直流電源逆接続時のインバータの動作例を示す図である。 図７は、図２に示す分圧回路にダイオードを挿入した場合の構成例を示す図である。 図８は、分圧回路の他の変形例を示す図である。

実施の形態に係るインバータは、直流電源の正極と負極がそれぞれ接続される正極端子及び負極端子と、前記正極端子及び前記負極端子の間に直列に接続された上アームスイッチング素子及び下アームスイッチング素子と、前記正極端子と前記負極端子との間に接続され、前記正極端子と前記負極端子との間の電圧の分圧を、前記下アームスイッチング素子のゲート及びドレインにそれぞれ供給する分圧回路を備える。前記下アームスイッチング素子は、高電子移動度トランジスタ（High Electron Mobility Transistor （ＨＥＭＴ））で構成される。前記分圧回路では、前記直流電源の正極が前記負極端子に、前記直流電源の負極が前記正極端子に、逆接続（以下、単に逆接続と称する）された場合に、前記下アームスイッチング素子がオフになるように、前記分圧が設定される（第１の構成）。

第１の構成によれば、下アームスイッチング素子をＨＥＭＴで構成するため、下アームスイッチング素子に寄生ダイオード（内蔵ダイオード又はボディダイオードと称することもある）がない。そのため、直流電源が逆接続された場合に、寄生ダイオードによって電流が流れることがない。すなわち、直流電源が逆接続された場合に、下アームスイッチング素子がオフであれば電流は流れない。また、分圧回路は、下アームスイッチング素子のゲート及びドレインへ正負極端子間電圧の分圧を供給する。分圧回路の分圧は、直流電源が逆接続された場合に、直流電源の電圧により、下アームスイッチング素子がオフになるように設定される。この分圧回路とＨＥＭＴの特性により、直流電源が逆接続された場合に、インバータに電流が流れないようにすることができる。そのため、直流電源の逆接続時の電流防止のためのメカニカルリレー、ダイオード又はＦＥＴ等を挿入しなくても、直流電源の逆接続の対策を施すことが可能になる。

上記第１の構成において、前記分圧回路は、前記直流電源の正極が前記負極端子に、前記直流電源の負極が前記正極端子に逆接続された場合に、前記下アームスイッチング素子のゲート−ドレイン間の電圧及びゲート−ソース間の電圧が、前記下アームスイッチング素子の閾値電圧以下になるよう、前記下アームスイッチング素子のゲート及びドレインにそれぞれ異なる分圧を供給するよう構成することができる（第２の構成）。これにより、直流電源が逆接続された場合に、下アームスイッチング素子をオフにすることができる。

前記分圧回路は、前記下アームスイッチング素子のゲートに第１の分圧を供給する第１分圧回路と、前記下アームスイッチング素子のドレインに第２の分圧を供給する第２分圧回路とを含む構成とすることができる（第３の構成）。これにより、ゲートへ供給する分圧と、ドレインへ供給する分圧との調整がしやすくなる。例えば、直流電源の逆接続時に第１の電圧が第２の電圧より低くなるよう、第１分圧回路と、第２分圧回路の回路定数を設定することができる。

上記第１〜３の構成のいずれかにおいて、前記分圧回路は、前記負極端子と前記下アームスイッチング素子のゲートとの間、又は、前記負極端子と前記下アームスイッチング素子のドレインとの間に接続された、ツェナーダイオードを含んでもよい。この場合、前記正極端子から前記負極端子へ向かう方向を、前記ツェナーダイオードの順方向とすることができる（第４の構成）。ツェナーダイオードにより、直流電源が逆接続された場合に、負極端子から一定量だけ低い電圧を分圧として、下アームスイッチング素子のゲート又はドレインに供給することができる。そのため、分圧回路の設計が簡単になる。

上記第１〜４の構成のいずれかにおいて、前記分圧回路は、前記負極端子から前記正極端子へ向かう方向を順方向とするダイオードを含んでもよい（第５の構成）。これにより、直流電源が正常に接続されている場合のインバータの通常動作に対する分圧回路の影響を少なくすることができる。

上記第１〜５の構成のいずれかのインバータを含むモータ制御装置（第６の構成）も、本発明の実施形態に含まれる。第６の構成のモータ制御装置において、前記上アームスイッチング素子及び前記下アームスイッチング素子との間は、モータに接続される。

車両のステアリング機構に操舵補助力を与えるパワーステアリング装置（第７の構成）も、本発明の実施形態に含まれる。第７の構成のパワーステアリング装置は、上記第６の構成のモータ制御装置と、前記モータ制御装置により制御され、前記ステアリング機構に前記操舵補助力を与える前記モータとを備える。

＜実施形態＞
以下、実施形態について図面を参照しつつ説明する。図中同一及び相当する構成については同一の符号を付し、同じ説明を繰り返さない。説明の便宜上、各図において、構成を簡略化又は模式化して示したり、一部の構成を省略して示したりする場合がある。

（パワーステアリング装置の構成例）
図１は、パワーステアリング装置の構成例を示すブロック図である。図１に示すパワーステアリング装置は、運転者のステアリングホイール１０の操作に基づき転舵輪３を転舵させる操舵機構１、及び運転者のステアリング操作を補助するアシスト機構２を備えている。

操舵機構１は、ステアリングホイール１０の回転軸となるステアリングシャフト１１、及びその下端部にラックアンドピニオン機構１２を介して連結されたラックシャフト１３を備えている。ラックシャフト１３の両端には、タイロッド１４が連結される。タイロッド１４には、転舵輪３が連結される。操舵機構１では、運転者のステアリングホイール１０の操作に伴いステアリングシャフト１１が回転すると、その回転運動がラックアンドピニオン機構１２を介してラックシャフト１３の軸方向の往復直線運動に変換される。このラックシャフト１３の往復直線運動がその両端に連結されたタイロッド１４を介して転舵輪３に伝達される。これにより、転舵輪３の転舵角が変化し、車両の進行方向が変更される。

アシスト機構２は、ステアリングシャフト１１にアシストトルクを付与するモータ２０を備えている。モータ２０は、三相ブラシレスモータである。モータ２０の回転がギア機構２１を介してステアリングシャフト１１に伝達されることでステアリングシャフト１１にモータトルクが付与され、ステアリング操作が補助される。

このパワーステアリング装置には、ステアリングホイール１０の操作量や車両の状態量を検出する各種センサが設けられている。例えばステアリングシャフト１１には、運転者のステアリング操作に際してステアリングシャフト１１に付与されるトルク（操舵トルク）τを検出するトルクセンサ（トルク検出部）５が設けられている。モータ２０には、その回転角（電気角）θｍａを検出する回転角センサ６が設けられている。車両には、その車速（走行速度）Ｖを検出する車速センサ７が設けられている。これらセンサ５〜７の出力はモータ制御装置４に取り込まれている。モータ制御装置４は各センサ５〜７の出力に基づいてモータ２０の駆動を制御する。

（モータ制御装置の構成例）
図２は、モータ制御装置４の構成例を示すブロック図である。モータ制御装置４は、インバータ４０、及び制御部４１を備える。

［インバータ］
インバータ４０は、モータ２０に三相交流電圧を供給する駆動回路である。インバータ４０は、正極端子ＰＴ及び負極端子ＮＴに接続される。正極端子ＰＴには直流電源５１の正極が、負極端子ＮＴには直流電源の負極がそれぞれ接続される。なお、正極端子ＰＴは、直流電源５１の正極が接続されるべき部分であり、負極端子ＮＴは、直流電源５１の負極が接続されるべき部分である。本実施形態は、誤って正極端子ＰＴに直流電源５１の負極が、負極端子ＮＴに直流電源５１の正極が接続される、いわゆる逆接続が起こり得る形態である。このような形態は、例えば、直流電源５１が交換可能なバッテリである場合である。

インバータ４０は、正極端子ＰＴと負極端子ＮＴの間に接続される上アームスイッチング素子Ｔ１，Ｔ３，Ｔ５及び下アームスイッチング素子Ｔ２，Ｔ４，Ｔ６を含む。上アームスイッチング素子Ｔ１，Ｔ３，Ｔ５は、正極端子ＰＴ側に、下アームスイッチング素子Ｔ２，Ｔ４，Ｔ６は、負極端子ＮＴ側に接続される。図２に示す例では、負極端子ＮＴは、接地端子（グランド）に接続される。

上アームスイッチング素子Ｔ１，Ｔ３，Ｔ５及び下アームスイッチング素子Ｔ２，Ｔ４，Ｔ６は、Ｕ相、Ｖ相、及びＷ相それぞれに対応するブリッジ回路を構成する。上アームスイッチング素子Ｔ１，Ｔ３，Ｔ５は、ハイサイドトランジスタ、下アームスイッチング素子Ｔ２，Ｔ４，Ｔ６は、ローサイドトランジスタと称することができる。

上アームスイッチング素子Ｔ１，Ｔ３，Ｔ５の各々は、下アームスイッチング素子Ｔ２，Ｔ４，Ｔ６の各々と直列に接続される。すなわち、互いに直列に接続されるスイッチング素子対（上アームスイッチング素子と下アームスイッチング素子）が、正極端子ＰＴと負極端子ＮＴの間に、相数だけ並列に接続される。上アームスイッチング素子Ｔ１，Ｔ３，Ｔ５と下アームスイッチング素子Ｔ２，Ｔ４，Ｔ６との間のノード（中点又は接続点と称することもできる）Ｐｕ，Ｐｖ，Ｐｗは、それぞれ、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の出力端子として、モータ２０の各相コイル２０ｕ，２０ｖ，２０ｗに接続される。

一対のスイッチング素子Ｔ１及びＴ２において、上アームスイッチング素子Ｔ１のドレインは、正極端子ＰＴに接続され、ゲートは制御部４１の制御信号α１の入力端子に接続され、ソースは、下アームスイッチング素子Ｔ２のドレイン及びモータ２０のコイル２０ｕに接続される。下アームスイッチング素子Ｔ２のゲートは、制御部４１から制御信号α２の入力端子に接続され、ソースは、負極端子ＮＴ（グランド）に接続される。他のスイッチング素子対（Ｔ３とＴ４、Ｔ５とＴ６）も同様に接続される。

このように、本実施形態では、下アームスイッチング素子Ｔ２，Ｔ４，Ｔ６において、上アームスイッチング素子Ｔ１，Ｔ３，Ｔ５に接続される電極をドレインとし、負極端子ＮＴに接続される電極をソースとしている。

制御部４１からの制御信号α１〜α６に応じた電圧が、インバータ４０のスイッチング素子Ｔ１〜Ｔ６のゲートに印加される。図２では図示しないが、制御信号α１〜α６に応じた電圧をスイッチング素子Ｔ１〜Ｔ６のゲートに印加するドライバが設けられてもよい。スイッチング素子Ｔ１〜Ｔ６のゲートに、例えば、第１電圧又は第２電圧が選択的に印加される。第２電圧は、第１電圧より高い。スイッチング素子Ｔ１〜Ｔ６のゲートの電圧が、第１電圧と第２電圧の間で切り替わると、スイッチング素子Ｔ１〜Ｔ６のオン／オフが切り替わる。この場合、制御信号に従って、スイッチング素子Ｔ１〜Ｔ６のゲートに、第１電圧を印加するか、第２電圧を印加するかを切り替えるドライバ（図示せず）が、スイッチング素子Ｔ１〜Ｔ６のそれぞれに対して設けられてもよい。

［スイッチング素子］
下アームスイッチング素子Ｔ２，Ｔ４，Ｔ６は、ＨＥＭＴで構成することができる。図３は、ＨＥＭＴの構成例を示す断面図である。図３に示すように、ＨＥＭＴは、基板８１上に順に積層された電子走行層（チャネル層）８２及び電子供給層（障壁層）８３、並びに、電子供給層８３の上に互いに離間して設けられたソース電極８４、ゲート電極８５及びドレイン電極８６を備える。電子走行層８２は、例えば、ＧａＮ、ＧａＡｓ等により形成される。電子供給層８３は、例えば、ｉ型のＡｌＧａＮ（ｕｎｄｏｐｅ）、又はｎ型のＡｌＧａＡｓ等により形成される。電子走行層８２の電子供給層８３との界面付近には、２次元電子ガス（2 dimensional electron gas(2DEG)）８７が形成される。２次元電子ガス８７層は、接合される半導体間の準位差によって形成される。ソース電極８４及びドレイン電極８６は、２次元電子ガスとオーミック接触するよう形成される。電子供給層８３上において、ソース電極８４とドレイン電極８６の間に、ゲート電極８５が配置される。図３に示す例では、ゲート電極８５を通り積層方向に延びる軸を中心として、ソース電極８４とその下の半導体層及びドレイン電極８６とその下の半導体層が略左右対称に配置される。また、図３に示すＨＥＭＴは、ｐｎ接合を有しないため、寄生ダイオードを有しない。

このように、ＨＥＭＴは、化合物半導体をヘテロ接合することにより形成される２次元電子ガス層を有する。すなわち、ＨＥＭＴは、化合物半導体のヘテロ接合により形成される２次元電子ガス層に電流を流す構造を有する。一般的に、ＨＥＭＴは、III族元素とＶ 族元素を含む半導体で構成される。ＨＥＭＴを構成する半導体には、例えば、ＧａＮ、ＧａＡｓ、ＩｎＰ又はＳｉＧｅ等が用いられる。

なお、ＨＥＭＴの構造は、図３に示す例に限られない。図３の構成に対して、必要に応じて他の層を追加することができる。例えば、基板８１と電子走行層８２との間にバッファ層を設けることができる。また、電子走行層８２と電子供給層８３の間にスペーサ層を設けることができる。また、電子供給層８３と、ソース電極８４、ゲート電極８５及びドレイン電極８６との間に、ギャップ層を設けることができる。また、ゲート電極８５と電子供給層８３との間に絶縁層を設けることができる。なお、本発明においては、上記のＨＥＭＴ構造と異なるトランジスタであっても、寄生ダイオードを有しない構造のトランジスタは、ＨＥＭＴと同等のものと見なすことができる。

上アームスイッチング素子Ｔ１，Ｔ３，Ｔ５も、下アームスイッチング素子Ｔ２，Ｔ４，Ｔ６と同様に、ＨＥＭＴで構成することができる。上アームスイッチング素子Ｔ１，Ｔ３，Ｔ５及び下アームスイッチング素子Ｔ２，Ｔ４，Ｔ６は、ノーマリオン型であっても、ノーマリオフ型であってもよい。

［分圧回路］
再び図２を参照し、インバータ４０は、正極端子ＰＴと負極端子ＮＴとの間に接続される分圧回路４２を備える。分圧回路４２は、正極端子ＰＴと負極端子ＮＴとの間の電圧の分圧を、下アームスイッチング素子Ｔ２のゲート及びドレインにそれぞれ供給する。すなわち、分圧回路４２は、正極端子ＰＴと負極端子ＮＴとの間の電圧が分圧された電圧を発生する。直流電源５１の逆接続時には、分圧回路４２から下アームスイッチング素子Ｔ２のゲート及びドレインに、分圧された互いに異なる電圧がそれぞれ印加される。分圧回路の分圧は、直流電源５１の逆接続時に下アームスイッチング素子Ｔ２がオフになるように設定される

図２に示す例では、分圧回路４２は、第１分圧回路４２ａと第２分圧回路４２ｂを有する。第１分圧回路４２ａは、正極端子ＰＴと負極端子ＮＴとを結ぶ線上のノードＰ１に第１の分圧を発生させる。第１の分圧が発生するノードＰ１（第１分圧ノード）は、ノードＰｕすなわち下アームスイッチング素子Ｔ２のドレインに接続される。これにより、第１の分圧は、下アームスイッチング素子Ｔ２のドレインに供給される。第１分圧回路４２ａは、正極端子ＰＴと負極端子ＮＴ間に直列に接続された複数の抵抗Ｒ１，Ｒ２を備える。複数の抵抗Ｒ１，Ｒ２の間のノードＰ１に第１の分圧が発生する。

第２分圧回路４２ｂは、正極端子ＰＴと負極端子ＮＴとを結ぶ線上のノードＰ２に第２の分圧を発生させる。第２の分圧が発生するノードＰ２（第２分圧ノード）は、下アームスイッチング素子Ｔ２のゲートに接続される。これにより、第２の分圧は、下アームスイッチング素子Ｔ２のゲートに供給される。第２分圧回路４２ｂは、正極端子ＰＴと負極端子ＮＴ間に直列に接続された抵抗Ｒ３とツェナーダイオードＺＤ１を備える。抵抗Ｒ３とツェナーダイオードＺＤ１の間のノードＰ２に第２の分圧が発生する。抵抗Ｒ３は、正極端子ＰＴとノードＰ２との間に接続される。ツェナーダイオードＺＤ１は、ノードＰ２と負極端子ＮＴの間に接続される。ツェナーダイオードＺＤ１は、正極端子ＰＴから負極端子ＮＴへ向かう方向が順方向になるよう接続される。

第１の分圧と第２の分圧は、直流電源５１が逆接続された場合に下アームスイッチング素子Ｔ２がオフになるよう設定される。第１の分圧は、主に、第１分圧回路４２ａの素子（抵抗Ｒ１，Ｒ２）の回路定数（抵抗値）によって決めることができる。第２の分圧は、主に、第２分圧回路４２ｂの素子（ツェナーダイオードＺＤ１）の回路定数（ツェナー電圧）によって決めることができる。図２に示す例では、直流電源５１の逆接続時に下アームスイッチング素子Ｔ２がオフになるように、抵抗Ｒ１，Ｒ２の抵抗値とツェナーダイオードＺＤ１のツェナー電圧が設定される。

例えば、直流電源５１の逆接続時に、下アームスイッチング素子Ｔ２のゲート−ドレイン間の電圧（Ｖｇ−Ｖｄ）及びゲート−ソース間の電圧（Ｖｇ―Ｖｓ）が、下アームスイッチング素子Ｔ２の閾値電圧Ｖｔｈ以下になるよう、第１の分圧及び第２の分圧を設定することができる。すなわち、直流電源５１の逆接続時に、下アームスイッチング素子Ｔ２のゲートの電圧が、ドレインの電圧及びソースの電圧のいずれよりも低くなるよう、第１の分圧及び第２の分圧を設定することができる。以下にその具体例を説明する。

直流電源５１の逆接続時において、下アームスイッチング素子Ｔ２のソースの電圧Ｖｓは、直流電源５１の電圧Ｖ＿Ｂとなる。直流電源５１の逆接続時における下アームスイッチング素子Ｔ２のゲートの電圧Ｖｇは、直流電源５１の電圧Ｖ＿ＢからツェナーダイオードＺＤ１のツェナー電圧Ｖｚｅｎｅｒを差し引いた電圧となるため、Ｖｇ＝Ｖ＿Ｂ−Ｖｚｅｎｅｒとなる。直流電源５１の逆接続時における下アームスイッチング素子Ｔ２のドレインの電圧Ｖｄは、抵抗Ｒ１と抵抗Ｒ２の分圧で与えられるため、Ｖｄ＝Ｖ＿Ｂ×ｒ１／（ｒ１＋ｒ２）となる。ここで、ｒ１は抵抗Ｒ１の抵抗値、ｒ２は抵抗Ｒ２の抵抗値とする。

下アームスイッチング素子Ｔ２は、ＨＥＭＴであるため、直流電源５１の逆接続時も、正常接続の時と同様にスイッチング素子として機能する。そのため、（Ｖｄ−Ｖｇ）＜Ｖｔｈかつ（Ｖｓ−Ｖｇ）＜Ｖｔｈの場合、オフとなる。直流電源５１の逆接続時に、（Ｖｄ−Ｖｇ）＜Ｖｔｈかつ（Ｖｓ−Ｖｇ）＜Ｖｔｈとなるように、抵抗Ｒ１，Ｒ２の抵抗値ｒ１，ｒ２及びツェナーダイオードＺＤ１のツェナー電圧Ｖｚｅｎｅｒが設定される。これにより、直流電源５１の逆接続時に、下アームスイッチング素子Ｔ２がオフとなる条件を作ることができる。その結果、直流電源５１の逆接続時に下アームスイッチング素子Ｔ２がオフになるため、逆接電流が流れない。

抵抗Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３の定数である抵抗値ｒ１，ｒ２，ｒ３は、通常時（直流電源５１の正常接続時）の動作に影響しない程度に十分に大きく設定することが好ましい。これにより、直流電源５１の正常接続時に分圧回路４２がインバータ４０の動作に与える影響を少なくすることができる。

このように、直流電源５１の逆接続時に直流電源５１の電圧を分圧し、下アームスイッチング素子Ｔ２へ供給することで、下アームスイッチング素子Ｔ２をオフにするものである。分圧回路４２は、正極端子ＰＴ及び負極端子ＮＴの間において、上アームスイッチング素子Ｔ１及び下アームスイッチング素子Ｔ２と並列に接続され、下アームスイッチング素子Ｔ２のゲート及びドレインに接続される。

なお、図２では図示を省略しているが、分圧回路４２は、上アームスイッチング素子Ｔ１及び下アームスイッチング素子Ｔ２のアーム対だけでなく、他のアーム対に対しても同様に設けられる。すなわち、各相のアーム対に対して、それぞれ、分圧回路４２が設けられる。具体的には、上アームスイッチング素子Ｔ３及び下アームスイッチング素子Ｔ４に対して、並びに、上アームスイッチング素子Ｔ５及び下アームスイッチング素子Ｔ６に対しても同様に、分圧回路が設けられる。より詳細には、ノードＰｖに第１分圧を供給する第１分圧回路と、下アームスイッチング素子Ｔ４のゲートに第２分圧を供給する第２分圧回路が設けられる。同様に、ノードＰｗに第１分圧を供給する第１分圧回路と、下アームスイッチング素子Ｔ６のゲートに第２分圧を供給する第２分圧回路が設けられる。

［制御部］
上記のスイッチング素子Ｔ１〜Ｔ６が、スイッチングされることにより、直流電源５１（電源電圧Ｖ＿Ｂ）から供給される直流電圧が三相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）の交流電圧に変換される。この変換された三相交流電圧が、ノードＰｕ，Ｐｖ，Ｐｗを介してモータ２０の各相コイル２０ｕ〜２０ｗに供給されることによりモータ２０が回転する。

具体的には、制御部４１が、制御信号として、ＰＷＭ駆動信号をスイッチング素子Ｔ１〜Ｔ６に出力することにより、インバータ４０をＰＷＭ（パルス幅変調）駆動する。Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相の各相に対応するスイッチング素子対（Ｔ１とＴ２，Ｔ３とＴ４，Ｔ５とＴ６）のそれぞれのオン／オフ（導通状態）が、各相に対応する一対のＰＷＭ駆動信号（α１とα２，α３とα４，α５とα６）によって制御される。各相における一対のＰＷＭ駆動信号は、互いに反転関係にある。これにより、各相のノードＰｕ，Ｐｖ，Ｐｗに得られる電圧が、それぞれ、Ｕ相電圧、Ｖ相電圧、及びＷ相電圧としてモータ２０に印加される。これにより、Ｕ相電流、Ｖ相電流、及びＷ相電流がモータ２０に供給される。

ノードＰｕ，Ｐｖ，Ｐｗとモータ２０との間の給電線には、各相電流値Ｉｕ〜Ｉｗを検出する電流センサ４８ｕ〜４８ｗがそれぞれ設けられている。電流センサ４８ｕ〜４８ｗの出力は制御部４１に取り込まれる。また、制御部４１は、トルクセンサ５からの操舵トルクτ、車速センサ７からの車速Ｖ、及び回転角センサ６からの回転角θｍａを、それぞれ取り込む。

制御部４１は、これらの、相電流値Ｉｕ〜Ｉｗ、操舵トルクτ、車速Ｖ、モータの回転角θｍａを受け取り、これらに基づいて、制御信号を生成する。例えば、制御部４１は、操舵トルクτ、車速Ｖ、回転角θｍａ、および相電流値Ｉｕ〜Ｉｗに基づき、モータ２０の各相の電圧指令値Ｖｕ＊，Ｖｖ＊，Ｖｗ＊を生成する。制御部４１は、電圧指令値Ｖｕ＊，Ｖｖ＊，Ｖｗ＊に基づき、制御信号として、ＰＷＭ駆動信号ａ１，ａ３，ａ６及びそれらの否定信号ａ２，ａ４，ａ６を生成する。

具体例として、制御部４１は、操舵トルクτ及び車速Ｖに基づき、モータ２０に流すべき電流の目標値Ｉｔを決定し、電流の目標値Ｉｔのｑ軸成分と、相電流値Ｉｕ〜Ｉｗから求められる電流検出値のｑ軸成分との差、及び、電流の目標値Ｉｔのｄ軸成分と、相電流値Ｉｕ〜Ｉｗから求められる電流検出値のｄ軸成分との差を計算する。制御部４１は、これらの差を打ち消すためにモータ２０に印加すべき電圧を上記電圧指令値Ｖｕ＊，Ｖｖ＊，Ｖｗ＊として計算する。これにより、制御部４１は、電流フィードバック制御によってモータ２０を駆動する。

また、上記具体例に代えて、制御部４１は、目標値Ｉｔとモータ２０の回転角θｍａに基づき、モータの回路方程式に従って上記電圧指令値Ｖｕ＊，Ｖｖ＊，Ｖｗ＊を計算することができる。このとき、モータ回路方程式に用いられるパラメータが、電流検出値Ｉｍに基づき修正される。この場合、電流検出値Ｉｍは、例えば、図２に示すインバータ４０に設けられた電流検出用抵抗の両端の電圧に基づき検出することができる。この電流検出用抵抗は、下アームスイッチング素子Ｔ２，Ｔ４，Ｔ６とグランド（直流電源の負極）との間に挿入することができる。

また、制御部４１は、各相の電圧の検出値を用いて、モータ２０の回転角θｍを推定し、回転角θｍを用いて、上記電圧指令値Ｖｕ＊，Ｖｖ＊，Ｖｗ＊を計算することもできる。また、制御部４１は、各相の電圧の検出値から、インバータ４０又はスイッチング素子Ｔ１〜Ｔ６の異常検出をしてもよい。この場合、インバータ４０には、各相の電圧を検出する回路が設けられる。

（動作例）
次に、インバータ４０の動作例を説明する。図４〜図６は、図２の一部の構成を示す図である。図４〜図６には、各動作時のスイッチング素子Ｔ１，Ｔ２の導通状態とゲート電圧、ノードＰｕ，Ｐ１，Ｐ２の電圧、正極端子ＰＴ及び負極端子ＮＴの電圧が示される。これらの電圧の値は、接地電圧を０Ｖとした場合の値である。

図４〜図６に示す例は、次の条件下における動作例である。直流電源５１の電源電圧Ｖ＿Ｂを１２Ｖとし、第２分圧回路４２ｂのツェナーダイオードＺＤ１のツェナー電圧Ｖｚｅｎｅｒを−７Ｖとする。第１分圧回路４２ａの抵抗Ｒ１，Ｒ２の抵抗値の比ｒ１：ｒ２は４：１とする。上下アームスイッチング素子Ｔ１，Ｔ２は、ノーマリオン型トランジスタとする。下アームスイッチング素子Ｔ２の閾値電圧Ｖｔｈは、Ｖｔｈ＝−３Ｖとする。

図４は、直流電源５１の正極が正極端子ＰＴに、負極が負極端子ＮＴに接続（正常接続）された状態で、上アームスイッチング素子Ｔ１がオン、下アームスイッチング素子Ｔ２がオフの時の状態を示す。この場合、制御部４１は、上アームスイッチング素子Ｔ１に、オンを指示する制御信号α１、下アームスイッチング素子Ｔ２にオフを指示する制御信号α２を出力する。これにより、例えば、制御信号α１、α２に従って動作するドライバ（図示せず）によって、上アームスイッチング素子Ｔ１のゲートにはオン電圧（一例として１２Ｖ）が、下アームスイッチング素子Ｔ２のゲートにはオフ電圧（一例として−５Ｖ）が印加される。正極端子ＰＴ及びノードＰｕの電圧は、直流電源５１の電圧Ｖ＿Ｂ＝１２Ｖとなる。負極端子ＮＴの電圧は、０Ｖとなる。

図５は、直流電源５１が正常接続された状態で、上アームスイッチング素子Ｔ１がオフ、下アームスイッチング素子Ｔ２がオンの時の状態を示す。この場合、制御部４１は、上アームスイッチング素子Ｔ１に、オフを指示する制御信号α１、下アームスイッチング素子Ｔ２にオンを指示する制御信号α２を出力する。これにより、上アームスイッチング素子Ｔ１のゲートには、オフ電圧（一例として−５Ｖ）が、下アームスイッチング素子Ｔ２のゲートには、オン電圧（一例として１２Ｖ）が印加される。正極端子ＰＴは、直流電源５１の電圧Ｖ＿Ｂ＝１２Ｖとなる。ノードＰｕの電圧及び負極端子ＮＴの電圧は、０Ｖとなる。

図４及び図５に示す例では、抵抗Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３の抵抗値を十分大きくすることで、分圧回路４２ａ、４２ｂに流れる電流を少なくすることができる。これにより、直流電源５１の正常接続時には、分圧回路４２ａ、４２ｂのインバータ４０の動作への影響を無視できる程度に小さくすることができる。本例では、抵抗Ｒ１及びＲ２の抵抗値は、インバータ上段の電圧が印加されるノードからＧＮＤにかけて常時流れる電流の量を規定する。抵抗Ｒ３は、下アームスイッチング素子Ｔ２のゲートに接続されるので、抵抗Ｒ３の抵抗値は、正極端子ＰＴから下アームスイッチング素子Ｔ２のゲートに流れ込む電流の量を規定する。

図６は、直流電源５１が逆接続された状態を示す。この場合、負極端子ＮＴの電圧は、直流電源５１の電圧Ｖ＿Ｂ＝１２Ｖとなり、正極端子ＰＴの電圧は、０Ｖとなる。下アームスイッチング素子Ｔ２のソースの電圧Ｖｓは、負極端子ＮＴと等しく、Ｖｓ＝１２Ｖとなり、ゲートの電圧Ｖｇは、負極端子ＮＴの電圧に対してツェナー電圧Ｖｚｅｎｅｒ＝−７Ｖだけ異なる電圧（第２の電圧）となり、Ｖｇ＝５Ｖとなる。下アームスイッチング素子Ｔ２のドレインの電圧Ｖｄは、抵抗Ｒ１，Ｒ２の間のノードＰ１の電圧（第１の電圧）となり、Ｖｄ＝Ｖ＿Ｂ×ｒ１／（ｒ１＋ｒ２）＝１２×４／５＝９．６Ｖとなる。

この場合、下アームスイッチング素子Ｔ２のゲートの電圧は、ドレイン及びソースのいずれに対しても低くなる。下アームスイッチング素子Ｔ２のゲート−ドレイン間の電圧（Ｖｇ−Ｖｄ）及び、ゲート−ソース間の電圧（Ｖｇ−Ｖｓ）は、いずれも、下アームスイッチング素子Ｔ２の閾値電圧Ｖｔｈより低くなる。すなわち、ゲート−ドレイン間の電圧は、Ｖｇ−Ｖｄ＝５−９．６＝―４．６＜Ｖｔｈ＝−３となり、ゲート−ソース間の電圧は、Ｖｇ−Ｖｓ＝５−１２＝−７＜Ｖｔｈ＝−３となる。これにより、下アームスイッチング素子Ｔ２は、オフ状態になる。そのため、インバータ４０に、逆接電流が流れない。

このように、本実施形態では、直流電源５１の正常接続時には、下アームスイッチング素子Ｔ２は、インバータ４０の下アームとして動作し、逆接続時には、逆接電流を防止するスイッチとして動作する。そのため、インバータ４０のアームとして動作するスイッチング素子に加えて、さらに逆接電流を防止するためのスイッチング素子やダイオード等を設ける必要がない。すなわち、直流電源の逆接続時の電流防止のためのメカニカルリレー、ダイオード又はＦＥＴ等を挿入しなくても、直流電源の逆接続の対策を施すことができる。また、本実施形態のインバータ４０は、逆接電流を防止するための素子の追加した場合の構成に比べて、電流経路の抵抗成分が減少する。これにより、装置の損失が低減し、効率が向上する。また、損失低減によるヒートシンク質量が低減する。また、素子の実装が不要になることにより、装置を小型化できる。

（分圧回路の変形例）
分圧回路４２の具体的な構成は、図２に示す例に限られない。例えば、図２に示す構成において、ツェナーダイオードＺＤ１を抵抗に置き換えてもよい。また、抵抗Ｒ２をツェナーダイオードに置き換えることもできる。

分圧回路４２において、正極端子ＰＴと負極端子ＮＴを結ぶ線路上の少なくとも１箇所に、負極端子ＮＴから正極端子ＰＴへ向かう方向を順方向とするダイオードを配置することができる。例えば、図２において、第１分圧回路４２ａの正極端子ＰＴとノードＰ１との間、及びノードＰ１と負極端子ＮＴとの間、並びに、第２分圧回路４２ｂの正極端子ＰＴとノードＰ２との間、及びノードＰ２と負極端子ＮＴとの間の４つの区間のうち、少なくとも１つの区間に、そのようなダイオードを挿入することができる。

図７は、分圧回路４２にダイオードを挿入した場合の構成例を示す図である。図７に示す例は、図２に示す構成において、上記４つの区間に、それぞれダイオードＤ１〜Ｄ４を挿入した場合の例である。ダイオードＤ１〜Ｄ４は、いずれも、正極端子ＰＴから負極端子ＮＴへ向かう方向が逆方向になるよう接続される。そのため、直流電源５１が正常接続された状態では、分圧回路４２に電流が流れない。これにより、分圧回路４２は、インバータ４０の正常時の動作に対してより影響を与えにくくなる。

また、図２に示す例では、分圧回路４２は、正極端子ＰＴ及び負極端子ＮＴの間において互いに並列に接続された第１分圧回路４２ａと第２分圧回路４２ｂを有する構成である。これに対して、正極端子ＰＴ及び負極端子ＮＴの間を結ぶ１本の線路に、第１の分圧のノードと第２の分圧のノードが設けることで分圧回路を構成することもできる。

図８は、分圧回路の他の変形例を示す図である。図８に示す例では、分圧回路４２ｃは、正極端子ＰＴ及び負極端子ＮＴの間に、直列に接続された３つの抵抗Ｒｃ１，Ｒｃ２，Ｒｃ３を備える。３つの抵抗Ｒｃ１，Ｒｃ２，Ｒｃ３の間のノードＰｃ１，Ｐｃ２のうち、負極端子ＮＴに近い方のノードＰｃ１は、下アームスイッチング素子Ｔ２のドレイン（ノードＰｕ）に接続される。３つの抵抗Ｒｃ１，Ｒｃ２，Ｒｃ３の間のノードＰｃ１，Ｐｃ２のうち、正極端子ＰＴに近い方のノードＰｃ２は、下アームスイッチング素子Ｔ２のゲートに接続される。ノードＰｃ１で発生した電圧は、第１の分圧として下アームスイッチング素子Ｔ２のドレインに供給される。ノードＰｃ２で発生した電圧は、第２の分圧として下アームスイッチング素子Ｔ２のゲートに供給される。

直流電源５１の逆接続時に下アームスイッチング素子Ｔ２がオフになるように、抵抗Ｒｃ１，Ｒｃ２，Ｒｃ３の抵抗値が設定される。抵抗Ｒｃ１，Ｒｃ２，Ｒｃ３の抵抗値を、それぞれ、ｒｃ１，ｒｃ２，ｒｃ３とする。この場合、直流電源５１の逆接続時において、下アームスイッチング素子Ｔ２のソースの電圧Ｖｓは、Ｖｓ＝Ｖ＿Ｂとなり、ドレイン電圧Ｖｄは、Ｖｄ＝Ｖ＿Ｂ×（ｒｃ１＋ｒｃ２）／（ｒｃ１＋ｒｃ２＋ｒｃ３）となり、ゲート電圧Ｖｇは、Ｖｇ＝Ｖ＿Ｂ×ｒｃ１／（ｒｃ１＋ｒｃ２＋ｒｃ３）となる。そこで、直流電源５１の逆接続時に、（Ｖｄ−Ｖｇ）＜Ｖｔｈかつ（Ｖｓ−Ｖｇ）＜Ｖｔｈとなるように、抵抗値ｒｃ１，ｒｃ２，ｒｃ３を設定することができる。

なお、図８に示す分圧回路は、他のアーム（すなわち、スイッチング素子対（Ｔ３とＴ４、Ｔ５とＴ６）のアーム）に設けられてもよい。また、図８に示す分圧回路４２ｃに、負極端子ＮＴから正極端子ＰＴへ向かう方向を順方向とするダイオードを挿入することもできる。また、図８に示す抵抗Ｒｃ２，Ｒｃ３の少なくとも一方をツェナーダイオードと置き換えてもよい。この場合、ツェナーダイオードは、正極端子ＰＴから負極端子ＮＴへ向かう方向を順方向とする。

＜他の変形例＞
本発明のインバータは、モータの制御に用いられるものに限られない。例えば、バッテリに接続して、バッテリの直流電力を交流に変換して出力する変換器のインバータ等に、本発明のインバータを適用することができる。また、本発明のモータ制御装置は、パワーステアリング装置に用いられるものに限られない。例えば、家電製品のモータのような民生用モータ、産業用モータ、及び、その他のあらゆるモータの制御装置に本発明を適用することができる。

本発明のモータ制御装置の対象とするモータは、上記例の３相ブラシレスモータに限定されない。本発明は、例えば、３相以外の相数のブラシレスモータや、ブラシ付きモータ等、他の種類の電動モータを駆動するためのモータ制御装置にも適用可能である。

本発明は、上述したコラムアシスト型の電動パワーステアリング装置に限らず、ピニオンアシスト型、又は、ラックアシスト型の電動パワーステアリング装置等他のタイプの電動パワーステアリング装置にも適用できる。また、本発明は、電動パワーステアリング装置以外のモータ制御装置にも適用できる。

１ 操舵機構、４ モータ制御装置、２０ モータ、４０ インバータ、４１ 制御部、４２ 分圧回路、４２ａ 第１分圧回路、４２ｂ 第２分圧回路、５１ 直流電源、ＺＤ１ ツェナーダイオード、Ｔ１，Ｔ３，Ｔ５ 上アームスイッチング素子、Ｔ２，Ｔ４，Ｔ６ 下アームスイッチング素子、Ｄ１〜Ｄ４ ダイオード、Ｒ１〜Ｒ４ 抵抗

Claims (7)

1. 直流電源の正極と負極がそれぞれ接続される正極端子及び負極端子と、
   前記正極端子及び前記負極端子の間に直列に接続された上アームスイッチング素子及び下アームスイッチング素子と、
   前記正極端子と前記負極端子との間に接続され、前記正極端子と前記負極端子との間の電圧の分圧を、前記下アームスイッチング素子のゲート及びドレインにそれぞれ供給する分圧回路を備え、
   前記下アームスイッチング素子は、高電子移動度トランジスタで構成され、
   前記分圧回路は、前記直流電源の正極が前記負極端子に、前記直流電源の負極が前記正極端子に、逆接続された場合に、前記下アームスイッチング素子がオフになるように、前記分圧が設定される、インバータ。
2. 請求項１に記載のインバータであって、
   前記分圧回路は、前記直流電源の正極が前記負極端子に、前記直流電源の負極が前記正極端子に逆接続された場合に、前記下アームスイッチング素子のゲート−ドレイン間の電圧及びゲート−ソース間の電圧が、前記下アームスイッチング素子の閾値電圧以下になるよう、前記下アームスイッチング素子のゲート及びドレインにそれぞれ異なる分圧を供給する、インバータ。
3. 請求項１又は２に記載のインバータであって、
   前記分圧回路は、前記下アームスイッチング素子のゲートに第１の分圧を供給する第１分圧回路と、前記下アームスイッチング素子のドレインに電圧の第２の分圧を供給する第２分圧回路とを含む、インバータ。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載のインバータであって、
   前記分圧回路は、前記負極端子と前記下アームスイッチング素子のゲートとの間、又は、前記負極端子と前記下アームスイッチング素子のドレインとの間に接続された、ツェナーダイオードを含み、
   前記正極端子から前記負極端子へ向かう方向が、前記ツェナーダイオードの順方向である、インバータ。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載のインバータであって、
   前記分圧回路は、前記負極端子から前記正極端子へ向かう方向を順方向とするダイオードを含む、インバータ。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載のインバータを含むモータ制御装置であって、
   前記上アームスイッチング素子及び前記下アームスイッチング素子との間は、モータに接続される、モータ制御装置。
7. 車両のステアリング機構に操舵補助力を与えるパワーステアリング装置であって、
   請求項６に記載のモータ制御装置と、
   前記モータ制御装置により制御され、前記ステアリング機構に前記操舵補助力を与える前記モータとを備える、パワーステアリング装置。

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