JP2018152972A - 電力変換回路、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】 電源と電力変換回路とが遮断された場合であっても、スイッチング素子にダメージを与えることなくコンデンサに残留する電荷を放電することを課題とする。【解決手段】 電力変換回路６０は、並列に接続された第１〜第３のブリッジ回路を有するインバータ４０と平滑コンデンサＣ１とを備える。第１〜第３のブリッジ回路は、それぞれ直列に接続された上段スイッチング素子と下段スイッチング素子とを有する。３つの上段のスイッチング素子のうち少なくも一つはノーマリオン型のスイッチング素子であって、且つ、少なくとも一つはノーマリオフ型のスイッチング素子である。上段がノーマリオン型であるスイッチング素子と直列に接続された下段のスイッチング素子はノーマリオフ型であり、上段がノーマリオフ型であるスイッチング素子と直列に接続された下段のスイッチング素子のうちいずれか一つはノーマリオン型である。【選択図】図２

Description

本発明は、電力変換回路、並びにそれを用いたモータ制御装置及びパワーステアリング装置に関する。詳しくは、平滑コンデンサの残留電荷の放電経路を備えた電力変換回路、並びにそれを用いたモータ制御装置及びパワーステアリング装置に関する。

インバータを含む電力変換回路は、例えば、モータの制御に用いられる。電力変換回路は、電源からの直流電力を交流に変換してモータへ供給する。インバータと電源との間には、平滑コンデンサが設けられる。修理等の理由により電源が取り外された場合、外部から衝撃を受けたために電源ケーブルが抜けた場合など様々な要因で電源と電力変換回路とが遮断される場合がある。電源と電力変換回路とが遮断された場合には、平滑コンデンサの電荷を速やかに放電することが好ましい。

特開２００８−０９４３４２号公報（特許文献１）においては、電流リップル吸収用のコンデンサに蓄積された電荷を専用の回路を用いずに放電する技術が開示されている。特開２００８−０９４３４２号公報においては、電源オフ時には、駆動制御部によってモータ駆動回路を制御することにより、コンデンサの電荷をモータの回転に必要な電流経路の一部を通過させることにより放電させる。

特開２００８−０９４３４２号公報

上記特開２００８−０９４３４２号公報に記載の構成では、専用の回路を用いずにコンデンサの電荷を放電することができる。しかし、特開２００８−０９４３４２号公報に記載の構成では、車載バッテリが取り外されたとき等、電源が遮断された場合には、駆動制御部を制御することができない。駆動制御部を制御できない事態が生じると、モータ駆動回路を制御できないので、ＭＯＳ−ＦＥＴ素子をオン状態にすることができない。ＭＯＳ−ＦＥＴ素子をオン状態にすることができなければ、コンデンサの電荷をモータの回転に必要な電流経路に通過させることができない。

本願は、電源が取り外された場合、外部から衝撃を受けたために電源ケーブルが抜けた場合など電源と電力変換回路とが遮断された場合であっても、コンデンサに残留する電荷を放電することを課題とする。

本発明の実施の形態に係る電力変換回路は、電源の電圧が印加される第１の線路と第２の線路の間に並列に接続された第１〜第３のブリッジ回路を有するインバータと、前記電源と前記インバータの間において、前記第１の線路と前記第２の線路の間に接続される平滑コンデンサとを備える。前記第１のブリッジ回路は、前記第１の線路に接続される第１上段スイッチング素子と、前記第１上段スイッチング素子と直列に接続されるとともに前記第２の線路に接続される第１下段スイッチング素子とを有する。前記第２のブリッジ回路は、前記第１の線路に接続される第２上段スイッチング素子と、前記第２上段スイッチング素子と直列に接続されるとともに前記第２の線路に接続される第２下段スイッチング素子とを有する。前記第３のブリッジ回路は、前記第１の線路に接続される第３上段スイッチング素子と、前記第３上段スイッチング素子と直列に接続されるとともに前記第２の線路に接続される第３下段スイッチング素子とを有する。３つの上段のスイッチング素子のうち少なくも一つはノーマリオン型のスイッチング素子であって、且つ、少なくとも一つはノーマリオフ型のスイッチング素子であり、上段がノーマリオン型であるスイッチング素子と直列に接続された下段のスイッチング素子はノーマリオフ型のスイッチング素子であり、上段がノーマリオフ型であるスイッチング素子と直列に接続された下段のスイッチング素子のうちいずれか一つはノーマリオン型のスイッチング素子である。

本発明の実施の形態に係る電力変換回路によれば、電源と電力変換回路とが遮断された場合であっても、インバータのスイッチング素子にダメージを与えることなく、コンデンサに残留する電荷を放電することができる。

第１の実施の形態に係る電力変換回路の構成を示すブロック図である。 第１の実施の形態に係る電力変換回路において電源遮断時に電解コンデンサの残留電荷が放電される経路を示す図である。 第２の実施の形態に係る電力変換回路において電源遮断時に電解コンデンサの残留電荷が放電される経路を示す図である。 第３の実施の形態に係る電力変換回路において電源遮断時に電解コンデンサの残留電荷が放電される経路を示す図である。 電解コンデンサがスイッチング素子に接続された場合の等価回路図である。 電解コンデンサが、スイッチング素子に接続された場合に流れる電流波形の例を示すグラフである。 電解コンデンサがスイッチング素子を介してモータに接続された場合の等価回路図である。 電解コンデンサが、スイッチング素子を介してモータに接続された場合に流れる電流波形の例を示すグラフである。 パワーステアリング装置の構成を示すブロック図である。

インバータを含む電力変換回路は、例えば、モータの制御に用いられる。インバータと電源との間には、平滑コンデンサが設けられる。平滑コンデンサは、例えば、電解コンデンサで構成される。平滑コンデンサは、電源から供給される直流電圧を平滑する。平滑コンデンサにより、電源からインバータに供給される電圧が安定する。

ここで、修理等の理由により電源が取り外された場合、外部から衝撃を受けたために電源ケーブルが抜けた場合など様々な要因で電源と電力変換回路とが遮断される場合がる。電源と電力変換回路とが遮断された場合には、平滑コンデンサの電荷を速やかに放電することが好ましい。

本願発明者は、平滑コンデンサの残留電荷を、インバータから電力が供給される負荷において放電させることを検討した。この検討の中で、電源が遮断されている場合には、インバータの駆動制御回路を制御できないことが問題となった。

そこで、本願発明者は、電源が遮断され、インバータの駆動制御回路を制御できない状態であっても、平滑コンデンサの残留電荷をインバータに接続される負荷において放電する構成を検討した。そして、本願発明者は、電源が遮断されている状態で、導通状態がオンとなるノーマリオン型のスイッチング素子の利用に思いついた。ノーマリオン型のスイッチング素子は、コスト面でもメリットがある。しかし、直列に接続された上下のアームの両方にノーマリオン型のスイッチング素子を利用すると、当該上下のアームに貫通電流が流れて、スイッチング素子を破壊する恐れがある。そこで、本願発明者は、以下の構成に想到した。

本発明の実施形態に係る電力変換回路は、電源の電圧が印加される第１の線路と第２の線路の間に並列に接続された第１〜第３のブリッジ回路を有するインバータと、前記電源と前記インバータの間において、前記第１の線路と前記第２の線路の間に接続される平滑コンデンサとを備える。

前記第１のブリッジ回路は、前記第１の線路に接続される第１上段スイッチング素子と、前記第１上段スイッチング素子と直列に接続されるとともに前記第２の線路に接続される第１下段スイッチング素子とを有する。

前記第２のブリッジ回路は、前記第１の線路に接続される第２上段スイッチング素子と、前記第２上段スイッチング素子と直列に接続されるとともに前記第２の線路に接続される第２下段スイッチング素子とを有する。

前記第３のブリッジ回路は、前記第１の線路に接続される第３上段スイッチング素子と、前記第３上段スイッチング素子と直列に接続されるとともに前記第２の線路に接続される第３下段スイッチング素子とを有する。

３つの上段のスイッチング素子のうち少なくとも一つはノーマリオン型のスイッチング素子であって、且つ、少なくとも一つはノーマリオフ型のスイッチング素子であり、上段がノーマリオン型であるスイッチング素子と直列に接続された下段のスイッチング素子はノーマリオフ型のスイッチング素子であり、上段がノーマリオフ型であるスイッチング素子と直列に接続された下段のスイッチング素子のうちいずれか一つはノーマリオン型のスイッチング素子である。

上記構成の電力変換回路によれば、電源と電力変換回路とが遮断された場合であっても、コンデンサに残留する電荷を放電することができる。ノーマリオン型のスイッチング素子の特性を利用しているので、インバータの駆動回路を制御できない状態であっても、コンデンサの残留電荷を放電することが可能である。

また、１つのブリッジ回路内で直列に接続される上下段のスイッチング素子のいずれかはノーマリオフ型のスイッチング素子が用いられる。これにより、１つのブリッジ回路内で上下段のスイッチング素子に貫通電流が流れることはなく、インバータのスイッチング素子にダメージを与えることなく、コンデンサに残留する電荷を放電することができる。また、ノーマリオン型のスイッチング素子を利用することで回路コストを低減させることができる。

本発明の実施形態に係る電力変換回路は、３つの上段のスイッチング素子のうち二つはノーマリオン型のスイッチング素子であって、且つ、一つはノーマリオフ型のスイッチング素子である。

上記構成の電力変換回路によれば、さらに、上段に２つのノーマリオン型のスイッチング素子を利用することができ、回路コストを低減させることができる。

本発明の実施形態に係る電力変換回路は、３つの下段のスイッチング素子のうち二つはノーマリオン型のスイッチング素子であって、且つ、一つはノーマリオフ型のスイッチング素子である。

上記構成の電力変換回路によれば、さらに、下段に２つのノーマリオン型のスイッチング素子を利用することができ、回路コストを低減させることができる。

上記いずれかの構成の電力変換回路を含むモータ制御装置も本発明の対象である。本発明の実施の形態に係るモータ制御装置において、前記第１〜第３のブリッジ回路のそれぞれの上段スイッチング素子と下段スイッチング素子の間のノードは、モータに接続される。

上記構成のモータ制御装置によれば、電源と電力変換回路とが遮断された場合であっても、インバータのスイッチング素子にダメージを与えることなく、コンデンサに残留する電荷をモータを利用して放電することができる。

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も本発明の対象である。本発明の実施の形態に係るパワーステアリング装置は、上記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。

｛第１の実施の形態｝
以下、実施の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。

図１は、本実施の形態の電力変換回路６０の構成を示すブロック図である。図１に示す電力変換回路６０は、一例として、パワーステアリング装置のモータに電力を供給する。図１に示す例では、電力変換回路６０は、電源５１（一例として、バッテリ）から供給される直流電力を、３相の交流に変換して、モータ２０に供給する。電力変換回路６０は、電源５１と、モータ２０の間に接続される。本実施の形態の電源５１はバッテリである。

図１の例では、電源５１と電力変換回路６０の間には、電源リレー部５２が設けられる。電源リレー部５２は、電源５１からの電力供給が停止すると、オフになる。電源リレー部５２がオフになると、電源５１と電力変換回路６０との間が電気的に遮断される。

電力変換回路６０は、インバータ４０と、平滑コンデンサＣ１と、セラミックコンデンサＣ２と、抵抗Ｒ４、Ｒ５、Ｒ６とを備える。電力変換回路６０は、電源５１の電圧が印加される２つの線路Ｌ１、Ｌ２に接続される。図１に示す例では、２つの線路Ｌ１、Ｌ２は、電源５１であるバッテリの正極と負極にそれぞれ接続される。本実施の形態において、２つの線路のうち一方Ｌ１は、正極母線であり、他方Ｌ２は、負極母線である。また、２つの線路のうち一方Ｌ１は、電源線であり、他方Ｌ２は、接地線（グランド線）とも言える。

（インバータ）
インバータ４０は、２つの線路Ｌ１、Ｌ２の間に並列に接続された３つのブリッジ回路を有する。各ブリッジ回路は、直列に接続された上アームおよび下アームを有する。上アームは、スイッチング素子Ｔ１、スイッチング素子Ｔ３、およびスイッチング素子Ｔ５を含む。下アームは、スイッチング素子Ｔ２、スイッチング素子Ｔ４、およびスイッチング素子Ｔ６を含む。つまり、図１に示すインバータ４０の３つの上アームは、正極母線に接続される上段のスイッチング素子Ｔ１、Ｔ３、Ｔ５を含み、３つの下アームは、負極母線に接続される下段のスイッチング素子Ｔ２、Ｔ４、Ｔ６を有する。上段のスイッチング素子Ｔ１，Ｔ３，Ｔ５は、ハイサイドトランジスタ、下段のスイッチング素子Ｔ２、Ｔ４、Ｔ６は、ローサイドトランジスタと称されることもある。

本実施の形態において、スイッチング素子Ｔ１およびスイッチング素子Ｔ６は、ノーマリオン型のスイッチング素子である。つまり、電源オフ時、電源５１が取り外されたとき、あるいは電源５１の接続ケーブルが切断されたときなど、電源５１から電力変換回路６０への電力供給が遮断された場合には、スイッチング素子Ｔ１およびスイッチング素子Ｔ６はオン状態となる。

本実施の形態において、スイッチング素子Ｔ２、スイッチング素子Ｔ３、スイッチング素子Ｔ４およびスイッチング素子Ｔ５は、ノーマリオフ型のスイッチング素子である。つまり、電源オフ時、電源５１が取り外されたとき、あるいは電源５１の接続ケーブルが切断されたときなど、電源５１から電力変換回路６０への電力供給が遮断された場合には、スイッチング素子Ｔ２、Ｔ３、Ｔ４およびＴ５はオフ状態となる。

直列に接続される２つのスイッチング素子（Ｔ１、Ｔ２）は、Ｕ相に対応するブリッジ回路を構成する。直列に接続される２つのスイッチング素子（Ｔ３、Ｔ４）は、Ｖ相に対応するブリッジ回路を構成する。直列に接続される２つのスイッチング素子（Ｔ５、Ｔ６）は、Ｗ相に対応するブリッジ回路を構成する。すなわち、ブリッジ回路が、相数だけ並列に接続される。

各ブリッジ回路において、上段のスイッチング素子Ｔ１，Ｔ３，Ｔ５と下段のスイッチング素子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、上段のスイッチング素子Ｔ１のドレインは、電源５１の正極側の線路Ｌ１に接続され、ゲートは制御部４１の制御信号ｂ１が入力される端子に接続され、ソースは、ノードＰｕに接続される。ノードＰｕは、下段のスイッチング素子Ｔ２のドレイン及びモータ２０のコイル２０ｕに接続される。下段のスイッチング素子Ｔ２のゲートは制御信号ｂ２が入力される端子に接続され、ソースは、電源５１の負極側の線路Ｌ２（グランド）に接続される。

一対のスイッチング素子Ｔ３及びＴ４において、上段のスイッチング素子Ｔ３のドレインは、電源５１の正極側の線路Ｌ１に接続され、ゲートは制御部４１の制御信号ｂ３が入力される端子に接続され、ソースは、ノードＰｖに接続される。ノードＰｖは、下段のスイッチング素子Ｔ４のドレイン及びモータ２０のコイル２０ｖに接続される。下段のスイッチング素子Ｔ４のゲートは制御信号ｂ４が入力される端子に接続され、ソースは、電源５１の負極側の線路Ｌ２（グランド）に接続される。

一対のスイッチング素子Ｔ５及びＴ６において、上段のスイッチング素子Ｔ５のドレインは、電源５１の正極側の線路Ｌ１に接続され、ゲートは制御部４１の制御信号ｂ５が入力される端子に接続され、ソースは、ノードＰｗに接続される。ノードＰｗは、下段のスイッチング素子Ｔ６のドレイン及びモータ２０のコイル２０ｗに接続される。下段のスイッチング素子Ｔ６のゲートは制御信号ｂ６が入力される端子に接続され、ソースは、電源５１の負極側の線路Ｌ２（グランド）に接続される。

制御部４１からの制御信号ｂ１〜ｂ６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１では図示しないが、制御信号ｂ１〜ｂ６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。

スイッチング素子Ｔ１〜Ｔ６、は、例えば、半導体トランジスタによって形成することができる。例えば、ＭＯＳＦＥＴ等のＦＥＴ、又は、ＩＧＢＴ等のバイポーラトランジスタによって、スイッチング素子Ｔ１〜Ｔ６を形成することができる。

（平滑コンデンサ）
平滑コンデンサＣ１は、電源５１とインバータ４０の間において、電源５１の電圧が印加される２つの線路Ｌ１、Ｌ２の間に接続される。すなわち、平滑コンデンサＣ１は、２つの線路Ｌ１、Ｌ２の間にインバータ４０と並列に接続される。平滑コンデンサＣ１は、例えば、電解コンデンサで形成される。平滑コンデンサＣ１は、電源５１から供給される直流電圧を平滑する。平滑コンデンサＣ１により、電源５１からインバータ４０に供給される電圧が安定する。例えば、電源５１から供給される電圧が、接続される負荷によって変動する際に、その変動幅を抑えられる。

（セラミックコンデンサ）
平滑コンデンサＣ１とインバータ４０との間において２つの線路Ｌ１、Ｌ２の間にセラミックコンデンサＣ２が接続される。セラミックコンデンサＣ２は、平滑コンデンサＣ１及び、インバータ４０の各ブリッジ回路と並列に接続される。具体的には、セラミックコンデンサＣ２は、インバータ４０の上段のスイッチング素子Ｔ１、Ｔ３、Ｔ５のドレインと、下段のスイッチング素子Ｔ２、Ｔ４、Ｔ６のソースの間に接続される

セラミックコンデンサＣ２により、スイッチング素子Ｔ１〜Ｔ６のサージ電圧が抑制される。スイッチング素子Ｔ１〜Ｔ６のサージ電圧は、スイッチング素子Ｔ１〜Ｔ６に流れる電流の経路が変わると発生する。

（抵抗）
再び、図１を参照する。平滑コンデンサＣ１とセラミックスコンデンサＣ２との間において、２つの線路Ｌ１、Ｌ２の間に、２つの抵抗Ｒ４、Ｒ５が直列に接続される。直列に接続された２つの抵抗Ｒ４、Ｒ５は、平滑コンデンサＣ１に並列に接続される。抵抗Ｒ４、Ｒ５は、電源リレー部５２がオフになった時に、平滑コンデンサＣ１の残留電荷を放電するためのものである。なお、抵抗Ｒ４、Ｒ５は、平滑コンデンサＣ１と、電源リレー部５２の間に配置されてもよい。すなわち、電源５１とセラミックスコンデンサＣ２との間において、平滑コンデンサＣ１に並列に抵抗を接続することができる。これにより、電源５１の電力供給が停止した場合の平滑コンデンサＣ１の電荷を抵抗に放電することができる。なお、後述するが、本実施の形態においては、平滑コンデンサＣ１の電荷をモータ２０において放電することが可能であるので、抵抗Ｒ４、Ｒ５を設けない構成とすることもできる。

また、図１に示す例では、２つの線路Ｌ１、Ｌ２のうち負極母線（グランド側）の線路Ｌ２に、シャント抵抗Ｒ６が直列に接続される。

電源リレー部５２は、１つの線路Ｌ１、Ｌ２のうち一方（正極母線）の線路Ｌ１に直列に接続された２つの電源リレーＴ９、Ｔ１０と、他方（負極母線）の線路Ｌ２に接続された電源リレーＴ８とを含む。線路Ｌ１の２つの電源リレーＴ９、Ｔ１０の間において、２つの線路Ｌ１、Ｌ２の間に、互いに直列に接続された複数の抵抗Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３が接続される。複数の抵抗Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３のうち２つの抵抗Ｒ２、Ｒ３の間のノードは、平滑コンデンサＣ１の負極母線側の電極に接続される。

電源５１からの電力供給が停止した場合、電源リレーＴ８、Ｔ９、Ｔ１０がオフになる。これにより、電源５１と電力変換回路６０とを接続する２つの線路Ｌ１、Ｌ２が遮断される。すなわち、電源５１と電力変換回路６０とが電気的に切り離される。抵抗Ｒ１、Ｒ２は、起動時に電源リレーＴ９、Ｔ１０が壊れていないか否かをチェックするために用いられる。抵抗Ｒ３は、平滑コンデンサＣ１を充電するときに制限抵抗として用いられる。

図１に示す電力変換回路６０は、モータ制御装置４に含まれる。図１は、モータ制御装置４の構成例も示している。モータ制御装置４は、電力変換回路６０及び制御部４１を含む。

（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、電源５１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（ｂ１とｂ２，ｂ３とｂ４，ｂ５とｂ６）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との間の給電線における各相電流値Ｉｕ〜Ｉｗを検出する電流センサ８がそれぞれ設けられている。検出された各相電流値Ｉｕ〜Ｉｗの情報は、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からモータ２０の回転角である回転角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ｂ１，ｂ３，ｂ５及びそれらの否定信号ｂ２，ｂ４，ｂ６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。

（電源から電力変換回路への電力供給が遮断されたときの動作）
修理等、メンテナンス作業により電源５１が取り外された場合、外部から衝撃を受けたために電源５１を接続する電源ケーブルが抜けた場合など、電源５１と電力変換回路６０とが遮断される場合がる。電源５１と電力変換回路６０とが遮断された場合には、インバータ４０が有するノーマリオン型のスイッチング素子Ｔ１とＴ６がオン状態（導通状態）となる。また、電源５１と電力変換回路６０とが遮断された場合には、インバータ４０が有するノーマリオフ型のスイッチング素子Ｔ２、Ｔ３、Ｔ４およびＴ５がオフ状態（非導通状態）となる。

図２は、電源５１から電力変換回路６０への電力供給が遮断されたときの、平滑コンデンサＣ１の残留電荷の放電経路を示す図である。上述したように、電源５１と電力変換回路６０が遮断されると、スイッチング素子Ｔ１がオン状態となり、スイッチング素子Ｔ３およびＴ５がオフ状態となるので、平滑コンデンサＣ１の残留電荷は、線路Ｌ１を通ってスイッチング素子Ｔ１に流れ込む。また、電源５１と電力変換回路６０が遮断されると、スイッチング素子Ｔ６がオン状態となり、スイッチング素子Ｔ２およびＴ４がオフ状態となるので、スイッチング素子Ｔ１に流れ込んだ残留電荷は、コイル２０ｕおよびコイル２０ｗを経て、スイッチング素子Ｔ６に流れる。そして、残留電荷の多くは、コイル２０ｕおよびコイル２０ｗにおいて放電される。

このように本実施の形態の電力変換回路６０においては、電源５１からの電力供給が遮断されたときに、インバータ４０から電力供給を受ける負荷であるモータ２０において、平滑コンデンサＣ１の残留電荷が放電される。これにより、特別な専用回路を設けることなく、平滑コンデンサＣ１の残留電荷を放電することができる。また、電源５１からの電力供給が遮断されることにより、制御部４１（インバータの駆動回路）を制御できない場合であっても、平滑コンデンサＣ１の残留電荷をモータ２０において放電させることができる。

そして、上述したように、平滑コンデンサＣ１の残留電荷は、スイッチング素子Ｔ１とスイッチング素子Ｔ６を通る経路で放電される。１つのブリッジ回路を構成する上限段のスイッチング素子（（Ｔ１、Ｔ２）、（Ｔ３、Ｔ４）あるいは（Ｔ５、Ｔ６））に貫通電流が流れると、スイッチング素子を破壊する恐れがある。しかし、本実施の形態のインバータ４０においては、異なるブリッジ回路に含まれるスイッチング素子Ｔ１とスイッチング素子Ｔ６をノーマリオン型のスイッチング素子としているので、いずれのブリッジ回路にも貫通電流が流れることがない。これにより、インバータ４０のスイッチング素子にダメージを与えることなく、平滑コンデンサＣ１の残留電荷を放電することができる。

（第１の実施の形態の変形例）
上記第１の実施の形態においては、スイッチング素子Ｔ１およびＴ６をノーマリオン型のスイッチング素子とし、スイッチング素子Ｔ２、Ｔ３、Ｔ４およびＴ５をノーマリオフ型のスイッチング素子で構成した。しかし、上記構成は一例である。平滑コンデンサＣ１の残留電荷をモータ２０に放電可能な経路を確保し、且つ、いずれのブリッジ回路にも貫通電流が流れない構成であれば、いずれの構成を採用してもよい。

たとえば、スイッチング素子Ｔ１およびＴ４をノーマリオン型のスイッチング素子とし、スイッチング素子Ｔ２、Ｔ３、Ｔ５およびＴ６をノーマリオフ型のスイッチング素子で構成してもよい。あるいは、スイッチング素子Ｔ３およびＴ２をノーマリオン型のスイッチング素子とし、スイッチング素子Ｔ１、Ｔ４、Ｔ５およびＴ６をノーマリオフ型のスイッチング素子で構成してもよい。あるいは、スイッチング素子Ｔ３およびＴ６をノーマリオン型のスイッチング素子とし、スイッチング素子Ｔ１、Ｔ２、Ｔ４およびＴ５をノーマリオフ型のスイッチング素子で構成してもよい。あるいは、スイッチング素子Ｔ５およびＴ２をノーマリオン型のスイッチング素子とし、スイッチング素子Ｔ１、Ｔ３、Ｔ４およびＴ６をノーマリオフ型のスイッチング素子で構成してもよい。あるいは、スイッチング素子Ｔ５およびＴ４をノーマリオン型のスイッチング素子とし、スイッチング素子Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３およびＴ６をノーマリオフ型のスイッチング素子で構成してもよい。

｛第２の実施の形態｝
図３は、本発明の第２の実施の形態の電力変換回路６０Ａを示す図である。第２の実施の形態の電力変換回路６０Ａにおいて、インバータ４０Ａの構成は、第１の実施の形態のインバータ４０の構成と異なる。それ以外の構成は第１の実施の形態と同様である。

インバータ４０Ａにおいて、スイッチング素子Ｔ１、Ｔ３およびＴ６は、ノーマリオン型のスイッチング素子で構成され、スイッチング素子Ｔ２、Ｔ４およびＴ５は、ノーマリオフ型のスイッチング素子で構成されている。この構成において、電源５１と電力変換回路６０Ａが遮断されたときには、平滑コンデンサＣ１の残留電荷は、スイッチング素子Ｔ１およびＴ３を経由してコイル２０ｕおよびコイル２０ｖで放電される。さらに、残留電荷は、スイッチング素子Ｔ６に向かって流れる過程で、コイル２０ｗで放電される。

このように第２の実施の形態の電力変換回路６０Ａにおいても、電源５１からの電力供給が遮断されたときに、インバータ４０Ａから電力供給を受ける負荷であるモータ２０において、平滑コンデンサＣ１の残留電荷が放電される。これにより、特別な専用回路を設けることなく、平滑コンデンサＣ１の残留電荷を放電することができる。た、電源５１からの電力供給が遮断されることにより、制御部４１（インバータの駆動回路）を制御できない場合であっても、平滑コンデンサＣ１の残留電荷をモータ２０において放電させることができる。

インバータ４０Ａにおいては、異なるブリッジ回路に含まれるスイッチング素子Ｔ１、Ｔ３およびＴ６をノーマリオン型のスイッチング素子としているので、いずれのブリッジ回路にも貫通電流が流れることがない。これにより、インバータ４０Ａのスイッチング素子にダメージを与えることなく、平滑コンデンサＣ１の残留電荷を放電することができる。

（第２の実施の形態の変形例）
第２の実施の形態においては、スイッチング素子Ｔ１、Ｔ３およびＴ６をノーマリオン型のスイッチング素子とし、スイッチング素子Ｔ２、Ｔ４およびＴ５をノーマリオフ型のスイッチング素子で構成した。しかし、上記構成は一例である。平滑コンデンサＣ１の残留電荷をモータ２０に放電可能な経路を確保し、且つ、いずれのブリッジ回路に貫通電流が流れない構成であれば、いずれの構成を採用してもよい。

たとえば、スイッチング素子Ｔ１、Ｔ５およびＴ４をノーマリオン型のスイッチング素子とし、スイッチング素子Ｔ２、Ｔ３およびＴ６をノーマリオフ型のスイッチング素子で構成してもよい。あるいは、スイッチング素子Ｔ３、Ｔ５およびＴ２をノーマリオン型のスイッチング素子とし、スイッチング素子Ｔ１、Ｔ４およびＴ６をノーマリオフ型のスイッチング素子で構成してもよい。

｛第３の実施の形態｝
図４は、本発明の第３の実施の形態の電力変換回路６０Ｂを示す図である。第３の実施の形態の電力変換回路６０Ｂにおいて、インバータ４０Ｂの構成は、第１の実施の形態のインバータ４０の構成と異なる。それ以外の構成は第１の実施の形態と同様である。

インバータ４０Ｂにおいて、スイッチング素子Ｔ１、Ｔ４およびＴ６は、ノーマリオン型のスイッチング素子で構成され、スイッチング素子Ｔ２、Ｔ３およびＴ５は、ノーマリオフ型のスイッチング素子で構成されている。この構成において、電源５１と電力変換回路６０Ｂが遮断されたときには、平滑コンデンサＣ１の残留電荷は、スイッチング素子Ｔ１を経由してコイル２０ｕで放電される。さらに、残留電荷は、スイッチング素子Ｔ４およびＴ６に向かって流れる過程で、コイル２０ｖ、コイル２０ｗで放電される。

このように第３の実施の形態の電力変換回路６０においても、電源５１からの電力供給が遮断されたときに、インバータ４０Ｂから電力供給を受ける負荷であるモータ２０において、平滑コンデンサＣ１の残留電荷が放電される。これにより、特別な専用回路を設けることなく、平滑コンデンサＣ１の残留電荷を放電することができる。また、電源５１からの電力供給が遮断されることにより、制御部４１（インバータの駆動回路）を制御できない場合であっても、平滑コンデンサＣ１の残留電荷をモータ２０において放電させることができる。

インバータ４０Ｂにおいては、異なるブリッジ回路に含まれるスイッチング素子Ｔ１、Ｔ４およびＴ６をノーマリオン型のスイッチング素子としているので、いずれのブリッジ回路にも貫通電流が流れることがない。これにより、インバータ４０Ｂのスイッチング素子にダメージを与えることなく、平滑コンデンサＣ１の残留電荷を放電することができる。

（第３の実施の形態の変形例）
第３の実施の形態においては、スイッチング素子Ｔ１、Ｔ４およびＴ６をノーマリオン型のスイッチング素子とし、スイッチング素子Ｔ２、Ｔ３およびＴ５をノーマリオフ型のスイッチング素子で構成した。しかし、上記構成は一例である。平滑コンデンサＣ１の残留電荷をモータ２０に放電可能な経路を確保し、且つ、いずれのブリッジ回路に貫通電流が流れない構成であれば、いずれの構成を採用してもよい。

たとえば、スイッチング素子Ｔ３、Ｔ２およびＴ６をノーマリオン型のスイッチング素子とし、スイッチング素子Ｔ１、Ｔ４およびＴ５をノーマリオフ型のスイッチング素子で構成してもよい。あるいは、スイッチング素子Ｔ５、Ｔ２およびＴ４をノーマリオン型のスイッチング素子とし、スイッチング素子Ｔ１、Ｔ３およびＴ６をノーマリオフ型のスイッチング素子で構成してもよい。

｛等価回路による効果の検証｝
図５〜図８を参照して、上述した実施の形態の電力変換回路６０、６０Ａ、６０Ｂの効果について説明する。図５は、電解コンデンサ、パターンＬ、２つのノーマリオン型のスイッチング素子、シャント抵抗が直列に接続された回路を示す図である。つまり、図５の回路においては、上述の本実施の形態の電力変換回路６０、６０Ａ、６０Ｂと異なり、ノーマリオン型のスイッチング素子が、その間にモータを介在させることなく直列に接続されている。パターンＬは、基板上で電解コンデンサとスイッチング素子（ＦＥＴ）とを電気的に接続している銅箔のインダクタンスである。

図６は、図５の回路において電解コンデンサの残留電荷が放電されたときに、ノーマリオン型のスイッチング素子に流れる電流を示す図である。図から分かるように、スイッチング素子には、最大で９００Ａを超える大きな電流が流れている。

図７は、図５の回路において、さらに、２つのモータリラクタンス（モータＬ）と２つのモータ抵抗（モータＲ）が接続されている。２つのモータリラクタンス（モータＬ）と２つのモータ抵抗（モータＲ）は、２つのノーマリオン型のスイッチング素子の間に直列に接続されている。つまり、図７の回路においては、上述の本実施の形態の電力変換回路６０、６０Ａ、６０Ｂと同様、ノーマリオン型のスイッチング素子の間にモータ負荷が介在している。

図８は、図７の回路において電解コンデンサの残留電荷が放電されたときに、ノーマリオン型のスイッチング素子に流れる電流を示す図である。図から分かるように、スイッチング素子には、最大でも３０Ａ程度の電流が流れている。図７では、図５に比べて放電経路に２つのモータＬ、モータＲが追加された放電回路となっている。図７の放電経路の抵抗値をｒ、電解コンデンサ容量をｃ、インダクタンスをｌとすると、図７は公知のｌｃｒ放電回路を形成している。ここで、ｒ＝（電解Ｃ ＥＳＲ）＋（シャント抵抗）＋２×（モータＲ）、ｌ＝（パターンＬ）＋２×（モータＬ）と見なせる。いま、ｒ、ｃ、ｌをｒ^２＜＜（４ｌ／ｃ）を満たすように選定することで、放電電流は振動しながら減衰して流れ、コンデンサの初期電圧値をＶ０として放電電流の最大値はＶ０・√（ｃ／ｌ）となる。ここで、ｃがｌよりも大きすぎない容量を選定すると、図５の場合に比べて放電電流の最大値を小さくすることができる。ｒ、ｃ、ｌのうち、ｒ、ｌは回路を実装する基板や、モータによって決まるので、ｃの値を調整することが好ましい。ノーマリオン型スイッチング素子として、例えばＧａＮ素子やＳｉＣ素子を使用した場合は、インバータとして動作させる場合のＰＷＭ周波数を高く設定できるため、ｃの値を小さくすることができ（ｌに対する相対的なｃの値を小さくすることができ）放電電流の最大値を効果的に抑制することができる。

このように、本実施の形態の電力変換回路６０、６０Ａ、６０Ｂには、コンデンサの残留電荷が流れるときにも大きな電流が流れることがなく、スイッチング素子を保護することができる。

｛パワーステアリング装置の構成例｝
図１に示すモータ制御装置４は、パワーステアリング装置におけるモータに制御に用いることができる。図９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９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。

（変形例）
電力変換回路の構成は、図１に示す例に限られない。例えば、セラミックコンデンサＣ２は省略してもよい。また、平滑コンデンサＣ１の残留電荷をモータ２０において放電させることができるので、抵抗Ｒ４、Ｒ５を省略してもよい。図１に示す電力変換回路６０に他の素子が追加されてもよい。

電源５１は、バッテリに限られない。例えば、交流電源から供給される交流電力を直流電力に変換して電力変換回路に供給する形態であってもよい。

本発明の電力変換回路は、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、本発明の電力変換回路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。

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
５１ 電源
Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３，Ｔ４，Ｔ５，Ｔ６ スイッチング素子
Ｃ１ 平滑コンデンサ
６０ 電力変換回路

Claims (5)

1. 電源の電圧が印加される第１の線路と第２の線路の間に並列に接続された第１〜第３のブリッジ回路を有するインバータと、
   前記電源と前記インバータの間において、前記第１の線路と前記第２の線路の間に接続される平滑コンデンサと、
   を備え、
   前記第１のブリッジ回路は、
   前記第１の線路に接続される第１上段スイッチング素子と、
   前記第１上段スイッチング素子と直列に接続されるとともに前記第２の線路に接続される第１下段スイッチング素子と、
   を有し、
   前記第２のブリッジ回路は、
   前記第１の線路に接続される第２上段スイッチング素子と、
   前記第２上段スイッチング素子と直列に接続されるとともに前記第２の線路に接続される第２下段スイッチング素子と、
   を有し、
   前記第３のブリッジ回路は、
   前記第１の線路に接続される第３上段スイッチング素子と、
   前記第３上段スイッチング素子と直列に接続されるとともに前記第２の線路に接続される第３下段スイッチング素子と、
   を有し、
   ３つの上段のスイッチング素子のうち少なくとも一つはノーマリオン型のスイッチング素子であって、且つ、少なくとも一つはノーマリオフ型のスイッチング素子であり、上段がノーマリオン型であるスイッチング素子と直列に接続された下段のスイッチング素子はノーマリオフ型のスイッチング素子であり、上段がノーマリオフ型であるスイッチング素子と直列に接続された下段のスイッチング素子のうちいずれか一つはノーマリオン型のスイッチング素子である電力変換回路。
2. 請求項１に記載の電力変換回路であって、
   ３つの上段のスイッチング素子のうち二つはノーマリオン型のスイッチング素子であって、且つ、一つはノーマリオフ型のスイッチング素子である電力変換回路。
3. 請求項１に記載の電力変換回路であって、
   ３つの下段のスイッチング素子のうち二つはノーマリオン型のスイッチング素子であって、且つ、一つはノーマリオフ型のスイッチング素子である電力変換回路。
4. 請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の電力変換回路を含むモータ制御装置であって、
   前記第１〜第３のブリッジ回路のそれぞれの上段スイッチング素子と下段スイッチング素子の間のノードは、モータに接続される、モータ制御装置。
5. 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４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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