JP2021048734A - 電力変換装置、駆動装置およびパワーステアリング装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電源の独立性が確保された素子配置と、相同士のインピーダンス差の抑制が容易な素子配置と、を備えた電力変換装置を提供する。【解決手段】ｎ相の巻線を有するモータに電力を供給する電力変換装置１０００は、巻線の一端に接続される、ｎ相それぞれのスイッチ素子を備えた第１インバータと１０１、一端に対する他端に接続される、ｎ相それぞれのスイッチ素子を備えた第２インバータ１０２と、第１、第２インバータについて、ｎ相それぞれのスイッチ素子１１３Ｈ〜１１８Ｌと、各相のスイッチ素子に対する共通の電源端およびグランド端の少なくとも一方に設けられた共通素子（分離スイッチ１２１〜１２４）とが実装される。基板は、第１インバータの実装領域と、第２インバータの実装領域とに区画され、各インバータにおけるスイッチ素子及び共通素子は、基板に垂直な方向から見て環状に並んだｎ＋１箇所に、共通素子および各相に分配されて実装される。【選択図】図１

Description

本発明は、電力変換装置、駆動装置およびパワーステアリング装置に関する。

従来、モータの巻線の両端にインバータが接続され、２つのインバータでモータが駆動される駆動システムが知られている。

例えば特許文献１では、第１インバータ部は、Ｕ相コイル、Ｖ相コイルおよびＷ相コイルの一端と第１電力供給源との間に接続される。また、第２インバータ部は、Ｕ相コイル、Ｖ相コイルおよびＷ相コイルの他端と第２電力供給源との間に接続される。

特開２０１４−１９２９５０号公報

しかし、巻線の両端に接続された２つのインバータは、通常は協働してモータを駆動するので、２つのインバータそれぞれに対する電源系の独立性が考慮された新たなインバータ配置が求められる。更に、各相におけるインピーダンスにばらつきが存在するとモータ特性に悪影響を与えてしまうので、相同士におけるインピーダンス差の抑制が求められる。

そこで、本発明は、電源の独立性が確保された素子配置であるとともに、相同士のインピーダンス差の抑制が容易な素子配置を実現することを目的の一つとする。

本発明に係る電力変換装置の一態様は、電源からの電力を変換し、ｎ相（ｎは３以上の整数）の巻線を有するモータに供給する電力変換装置であって、上記巻線の一端に接続される、上記ｎ相それぞれのスイッチ素子を備えた第１インバータと、上記一端に対する他端に接続される、上記ｎ相それぞれのスイッチ素子を備えた第２インバータと、上記第１インバータおよび上記第２インバータについて、上記ｎ相それぞれのスイッチ素子と、各相のスイッチ素子に対する共通の電源端およびグランド端の少なくとも一方に設けられた共通素子とが実装される基板とを備え、上記基板は、上記第１インバータの実装領域と、上記第２インバータの実装領域とに区画され、上記第１インバータおよび上記第２インバータにおける上記スイッチ素子および上記共通素子は、上記基板に垂直な方向から見て環状に並んだｎ＋１箇所に、共通素子および各相に分配されて実装される。
また、本発明に係る駆動装置の一態様は、上記電力変換装置と、上記電力変換装置によって変換された電力が供給されるモータと、を備える。

また、本発明に係るパワーステアリング装置の一態様は、上記電力変換装置と、上記電力変換装置によって変換された電力が供給されるモータと、上記モータによって駆動されるパワーステアリング機構と、を備える。

本発明によれば、電源の独立性が確保された素子配置であるとともに、相同士のインピーダンス差の抑制が容易な素子配置が実現される。

図１は、本実施形態によるモータ駆動ユニットの回路構成を模式的に示す図である。 図２は、モータ駆動ユニットのハードウェア構成を模式的に示す図である。 図３は、実装基板のハードウェア構成を模式的に示す図である。 図４は、第１領域における配線パターン例を模式的に示す図である。 図５は、第２領域における配線パターン例を模式的に示す図である。 図６は、実装基板のハードウェア構造が異なる変形例を示す図である。 図７は、モータの構造が異なる変形例を示す図である。 図８は、図１に示す実施形態によるパワーステアリング装置の構成を模式的に示す図である。

以下、添付の図面を参照しながら、本開示の電力変換装置、駆動装置およびパワーステアリング装置の実施形態を詳細に説明する。但し、以下の説明が不必要に冗長になるのを避け、当業者の理解を容易にするため、必要以上に詳細な説明は省略する場合がある。例えば、既によく知られた事項の詳細説明や実質的に同一の構成に対する重複説明を省略する場合がある。

本明細書において、電源からの電力を、三相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）の巻線（「コイル」と表記する場合がある。）を有する三相モータに供給する電力に変換する電力変換装置を例にして、本開示の実施形態を説明する。ただし、電源からの電力を、四相または五相などのｎ相（ｎは４以上の整数）の巻線を有するｎ相モータに供給する電力に変換する電力変換装置も本開示の範疇である。
（モータ駆動ユニット１０００の回路構成）
図１は、本実施形態によるモータ駆動ユニット１０００の回路構成を模式的に示す図である。
モータ駆動ユニット１０００は、インバータ１０１、１０２、モータ２００および制御回路３００を備える。

本明細書では、構成要素としてモータ２００を備えるモータ駆動ユニット１０００を説明する。モータ２００を備えるモータ駆動ユニット１０００は、本発明の駆動装置の一例に相当する。ただし、モータ駆動ユニット１０００は、構成要素としてモータ２００が省かれた、モータ２００を駆動するための装置であってもよい。モータ２００が省かれたモータ駆動ユニット１０００は、本発明の電力変換装置の一例に相当する。

モータ２００は、例えば三相交流モータである。モータ２００は、Ｕ相、Ｖ相およびＷ相のコイルを有し、各コイルは互いに無結線である。コイルの巻き方は、例えば集中巻きまたは分布巻きである。

モータ駆動ユニット１０００は電源４１０、４２０に接続される。本実施形態では、電源として、第１インバータ１０１用の電源４１０と、第２インバータ１０２用の電源４２０が用いられる。即ち、第１インバータ１０１は第１の電源４１０に接続され、第２インバータ１０２は、第１の電源４１０とは独立の第２の電源４２０に接続される。

電源４１０、４２０は所定の電源電圧（例えば１２Ｖ）を生成する。電源４１０、４２０として、例えば直流電源が用いられる。ただし、電源４１０、４２０は、ＡＣ−ＤＣコンバータまたはＤＣ―ＤＣコンバータであってもよいし、バッテリー（蓄電池）であってもよい。図１では、一例として、第１インバータ１０１用の電源４１０および第２インバータ１０２用の電源４２０が示されるが、モータ駆動ユニット１０００は、第１インバータ１０１および第２インバータ１０２に共通の電源に接続されてもよい。また、モータ駆動ユニット１０００は、内部に電源を備えていてもよい。

モータ駆動ユニット１０００はコンデンサ１０５、１０６を備える。コンデンサ１０５、１０６は、いわゆる平滑コンデンサであり、モータ２００で発生する環流電流を吸収することで電源電圧を安定化させてトルクリップルを抑制する。コンデンサ１０５、１０６は、例えば電解コンデンサであり、容量および使用する個数は設計仕様などによって適宜決定される。

モータ駆動ユニット１０００は、２つのインバータ１０１、１０２によって、電源４１０、４２０からの電力をモータ２００に供給する電力に変換することが可能である。例えば、モータ駆動ユニット１０００は、直流電力を、Ｕ相、Ｖ相およびＷ相の擬似正弦波である三相交流電力に変換することが可能である。

２つのインバータ１０１、１０２のうち第１インバータ１０１は、モータ２００のコイルの一端２１０に接続され、第２インバータ１０２は、モータ２００のコイルの他端２２０に接続される。即ち、モータ駆動ユニット１０００は、モータ２００のコイルの一端２１０に接続される、Ｕ相、Ｖ相およびＷ相の３相それぞれのスイッチ素子を備えた第１インバータ１０１を備える。また、モータ駆動ユニット１０００は、モータ２００の巻線の、一端２１０とは異なる他の一端である他端２２０に接続される、Ｕ相、Ｖ相およびＷ相の３相それぞれのスイッチ素子を備えた第２インバータ１０２も備える。更に言うと、第２インバータ１０２は、第１インバータ１０１が接続された一端２１０に対する他端２２０に接続される。

また、第１インバータ１０１および第２インバータ１０２は、３個のレグを有するブリッジ回路を備え、各レグは、モータ２００のコイルと電源端とに接続された３つのハイサイドスイッチ素子と、モータ２００のコイルとグランド端とに接続された３つのローサイドスイッチ素子とを備える。

具体的には、Ｕ相のコイルの一端２１０および他端２２０それぞれに、Ｕ相のハイサイドスイッチ素子１１３Ｈ、１１６Ｈおよびローサイドスイッチ素子１１３Ｌ、１１６Ｌが接続される。Ｖ相のコイルの一端２１０および他端２２０それぞれに、Ｖ相のハイサイドスイッチ素子１１４Ｈ、１１７Ｈおよびローサイドスイッチ素子１１４Ｌ、１１７Ｌが接続される。Ｗ相のコイルの一端２１０および他端２２０それぞれに、Ｗ相のハイサイドスイッチ素子１１５Ｈ、１１８Ｈおよびローサイドスイッチ素子１１５Ｌ、１１８Ｌが接続される。スイッチ素子としては、例えば電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴなど）または絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）が用いられる。なお、スイッチ素子がＩＧＢＴである場合には、スイッチ素子と逆並列にダイオード（フリーホイール）が接続される。

各相について、コイルの一端２１０および他端２２０に接続されたハイサイドスイッチ素子およびローサイドスイッチ素子によってＨブリッジが構成される。つまり、モータ駆動ユニット１０００は、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相に対応した３つのＨブリッジを備える。モータ駆動ユニット１０００は、これら３つのＨブリッジによって、互いに無結線なＵ相、Ｖ相、Ｗ相のコイルそれぞれに対して個別に電力を供給することができる。

電源４１０、４２０とインバータ１０１、１０２の電源端との間には、上流側の分離スイッチ１２１、１２２が備えられている。また、インバータ１０１、１０２のグランド端とグランドとの間には、下流側の分離スイッチ１２３、１２４が備えられている。分離スイッチ１２１、１２２、１２３、１２４は、電源４１０、４２０とインバータ１０１、１０２との接続・非接続を切替えることができる。インバータ１０１、１０２のグランド端とグランドとの間には、下流側の分離スイッチ１２３、１２４と直列に、下流側の分離スイッチ１２３、１２４とは逆向きの電流を止める分離スイッチ１２５、１２６が備えられてもよい。逆向きの分離スイッチ１２５、１２６は、電源が誤って逆向きに接続された場合にインバータ１０１、１０２を保護する。

制御回路３００は、例えばパワーステアリング装置の制御用コンピュータなどといった外部装置からモータ２００の目標トルクなどが入力される。制御回路３００は、図示を省略した角度センサや電流センサなどで検出されるモータ２００の出力情報と、上記目標トルクなどに基づいて目標電流値を設定し、インバータ１０１、１０２によるモータ２００の駆動を制御する。具体的には、制御回路３００は、インバータ１０１、１０２に備えられた各スイッチ素子におけるオンオフ動作をＰＷＭ制御する。また、制御回路３００は、分離スイッチ１２１、１２２、１２３、１２４、１２５、１２６のオンオフ動作も制御する。
なお、制御回路としては、２つのインバータ１０１、１０２について個別に対応した２つの制御回路が備えられてもよい。
（モータ駆動ユニット１０００のハードウェア構成）
次にモータ駆動ユニット１０００のハードウェア構成について説明する。
図２は、モータ駆動ユニット１０００のハードウェア構成を模式的に示す図である。

モータ駆動ユニット１０００は、ハードウェア構成として、上述したモータ２００と、実装基板１００１と、ハウジング１００３と、コネクタ１００４とを備える。

モータ２００の外周付近からは、コイルの一端２１０と他端２２０が突き出し、実装基板１００１に向かって延びる。コイルの一端２１０と他端２２０の双方が実装基板１００１に接続される。

実装基板１００１の基板面に交わる方向にモータ２００の回転軸２０１が延びる。実装基板１００１とモータ２００は、ハウジング１００３内に収容されることで互いの位置が固定される。

ハウジング１００３には、２つの電源４１０、４２０(図１参照)からの電源コードが接続されるコネクタ１００４が取り付けられる。コネクタ１００４と実装基板１００１との間は、図示が省略された接続線で接続される。
図３は、実装基板１００１のハードウェア構成を模式的に示す図である。

実装基板１００１は、基板１１００と、基板１１００上に実装された各種の素子とを備える。
基板１１００は、第１インバータ１０１を構成する各スイッチ素子１１３Ｈ、１１４Ｈ、１１５Ｈ、１１３Ｌ、１１４Ｌ、１１５Ｌが実装される第１領域１３１と、第２インバータ１０２を構成する各スイッチ素子１１６Ｈ、１１７Ｈ、１１８Ｈ、１１６Ｌ、１１７Ｌ、１１８Ｌが実装される第２領域１３２とに区画される。制御回路３００は、第１領域１３１および第２領域１３２とは別の領域に実装される。

第１インバータ１０１の分離スイッチ１２１、１２３は第１領域１３１に実装され、第２インバータ１０２の分離スイッチ１２２、１２４は第２領域１３２に実装される。また、第１インバータ１０１の各スイッチ素子１１３Ｈ、１１４Ｈ、１１５Ｈ、１１３Ｌ、１１４Ｌ、１１５Ｌに接続される電流ラインを構成する配線パターンは第１領域１３１に形成され、第２インバータ１０２の各スイッチ素子１１６Ｈ、１１７Ｈ、１１８Ｈ、１１６Ｌ、１１７Ｌ、１１８Ｌに接続される電流ラインを構成する配線パターンは第２領域１３２に形成される。

言い換えると、基板１１００には、第１インバータ１０１および第２インバータ１０２について、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の３相それぞれのスイッチ素子と、各相のスイッチ素子に対する共通の電源端およびグランド端の少なくとも一方に設けられた共通素子とが実装される。ここで共通素子とは、例えば分離スイッチ１２１、１２２、１２３、１２４が該当する。また、共通素子は、電源リレーであってもよいし、スターポイントであってもよい。また、共通素子が分離スイッチ１２１、１２２、１２３、１２４である場合には、逆電流を防止する分離スイッチ１２５、１２６が共通素子に更に含まれてもよい。
基板１１００は、第１インバータ１０１の実装領域と、第２インバータ１０２の実装領域とに区画される。このような区画により、第１インバータ１０１と第２インバータ１０２とで電流ラインの独立性が確保される。また、本実施形態のように、第１インバータ１０１と第２インバータ１０２が異なる電源４１０、４２０に接続される場合は、上記区画により電源系統の独立性も確保される。

第１領域１３１および第２領域１３２は、それぞれが１つに連続した領域であり、図３に示す例では、第１インバータ１０１の実装領域である第１領域１３１が第２インバータ１０２の実装領域である第２領域１３２を環状に取り囲む。これにより、片面実装において好適な素子配置が得られる。

第１インバータ１０１および第２インバータ１０２の四つの分離スイッチ１２１、１２２、１２３、１２４は、分離スイッチ用の実装箇所Ｒ０にまとめて実装される。上記共通素子に逆電流を防止する分離スイッチ１２５、１２６が含まれる場合には、この分離スイッチ１２５、１２６も分離スイッチ用の実装箇所Ｒ０にまとめて実装される。
また、第１インバータ１０１および第２インバータ１０２のスイッチ素子のうち、四つのＵ相のスイッチ素子１１３Ｈ、１１３Ｌ、１１６Ｈ、１１６ＬはＵ相用の実装箇所Ｒ１にまとめて実装される。同様に、四つのＶ相のスイッチ素子１１４Ｈ、１１４Ｌ、１１７Ｈ、１１７ＬはＶ相用の実装箇所Ｒ２にまとめて実装され、四つのＷ相のスイッチ素子１１５Ｈ、１１５Ｌ、１１８Ｈ、１１８ＬはＷ相用の実装箇所Ｒ３にまとめて実装される。
分離スイッチ用の実装箇所Ｒ０およびＵ相用、Ｖ相用、Ｗ相用の実装箇所Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３は、第１領域１３１と第２領域１３２との境界に沿って環状に並ぶ。

言い換えると、第１インバータ１０１および第２インバータ１０２におけるスイッチ素子および上記共通素子は、基板１１００に垂直な方向から見て環状に並んだｎ＋１箇所(ここの例では３＋１箇所)に、共通素子および各相に分配されて実装される。このような環状の分配配置により、各スイッチ素子に接続される電流ラインとして、インピーダンス差の小さい電流ラインが容易に得られ、相同士のインピーダンス差が抑制される。この結果、モータ２００における各相への電力供給がバランスしてモータ２００の駆動が円滑化する。特に、上述した３つのＨブリッジによってＵ相、Ｖ相、Ｗ相の３相の無結線のコイルに個別に給電するシステムにおいては、相同士でインピーダンス差が抑制されることによって零相電流が抑制され、零相電流による影響も抑制される。
なお、上記環状に並んだｎ＋１箇所は、環をｎ＋１等分に分ける各箇所であることが望ましい。更に、本実施形態のように４箇所に分配される場合には、基板の頂点同士を繋いだ対角線によって分割された４つの領域それぞれに分配される形態も望ましい。

各実装箇所Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３には、モータの対応する相のコイルにおける一端２１０および他端２２０が接続される。つまり、基板１１００上に設けられた２ｎ個（ここでは２×３個）の接続点に、ｎ相(ここでは３相)の巻線の一端２１０および他端２２０が個々に接続される。

そして、Ｕ相の一端２１０に接続される二つのスイッチ素子１１３Ｈ、１１３Ｌは、当該一端２１０の接続点を間に挟んだ両側に実装され、Ｕ相の他端２２０に接続される二つのスイッチ素子１１６Ｈ、１１６Ｌは、当該他端２２０の接続点を間に挟んだ両側に実装される。同様に、Ｖ相の一端２１０に接続される二つのスイッチ素子１１４Ｈ、１１４Ｌは、当該一端２１０の接続点を間に挟んだ両側に実装され、Ｖ相の他端２２０に接続される二つのスイッチ素子１１７Ｈ、１１７Ｌは、当該他端２２０の接続点を間に挟んだ両側に実装される。更に、Ｗ相の一端２１０に接続される二つのスイッチ素子１１５Ｈ、１１５Ｌは、当該一端２１０の接続点を間に挟んだ両側に実装され、Ｗ相の他端２２０に接続される二つのスイッチ素子１１８Ｈ、１１８Ｌは、当該他端２２０の接続点を間に挟んだ両側に実装される。このように接続点を挟んだ配置により、ハイサイドスイッチ素子およびローサイドスイッチ素子に対する電流ラインとして、インピーダンス差の小さい電流ラインが容易に得られる。
ここで、実装基板１００１における配線パターンの具体例について説明する。
図４および図５は、実装基板１００１における配線パターンの具体例を示す図である。

図４には、第１領域１３１における配線パターン例が示され、図５には、第２領域１３２における配線パターン例が示される。図４および図５には、例えば２相の配線層が用いられる配線パターン例が示される。

図４に例示されるように、第１領域１３１には、例えば、実線で示された第１層の配線パターン１４１と点線で示された第２層の配線パターン１４２が形成される。第１層の配線パターン１４１は、第１インバータ１０１（図２参照）における上流側の分離スイッチ１２１と、第１インバータ１０１における各ハイサイドスイッチ素子１１３Ｈ、１１４Ｈ、１１５Ｈとを接続する。第２層の配線パターン１４２は、第１インバータ１０１における下流側の分離スイッチ１２１と、第１インバータ１０１における各ローサイドスイッチ素子１１３Ｌ、１１４Ｌ、１１５Ｌとを接続する。

第１層の配線パターン１４１および第２層の配線パターン１４２は、配線層内を環状に延びた環状部分１４１ａ、１４２ａと、各素子に接続されるパッド部分１４１ｂ、１４２ｂとを有する。環状部分１４１ａ、１４２ａでは、右回りの経路と左回りの経路との双方で電流が流れる。右回り経路と左回り経路とを合わせた合計の抵抗は、ハイサイドスイッチ素子１１３Ｈ、１１４Ｈ、１１５Ｈ同士やローサイドスイッチ素子１１３Ｌ、１１４Ｌ、１１５Ｌ同士で比較すると、互いに差が小さく、インピーダンス差も小さい。

図５例示されるように、第２領域１３２には、例えば、実線で示された第１層の配線パターン１４３と点線で示された第２層の配線パターン１４４が形成される。第１層の配線パターン１４３は、第２インバータ１０２（図２参照）における上流側の分離スイッチ１２２と、第２インバータ１０２における各ハイサイドスイッチ素子１１６Ｈ、１１７Ｈ、１１８Ｈとを接続する。第２層の配線パターン１４４は、第２インバータ１０２における下流側の分離スイッチ１２３と、第２インバータ１０２における各ローサイドスイッチ素子１１６Ｌ、１１７Ｌ、１１８Ｌとを接続する。

第１層の配線パターン１４３および第２層の配線パターン１４４は、配線層内に広がったプレート部分１４３ａ、１４４ａと、各素子に接続されるパッド部分１４３ｂ、１４４ｂとを有する。プレート部分１４３ａ、１４４ａでは電流が自由なルートで流れる。その結果として、ハイサイドスイッチ素子１１６Ｈ、１１７Ｈ、１１８Ｈ同士では、電流が流れる各経路長の差が小さく、インピーダンス差も小さい。同様に、ローサイドスイッチ素子１１６Ｌ、１１７Ｌ、１１８Ｌ同士でも、電流が流れる各経路長の差が小さく、インピーダンス差も小さい。

図４および図５に例示したように、図３に示したハードウェア構成の実装基板１００１によれば、各スイッチ素子に対する電流ラインのインピーダンス差が小さい配線パターンが容易に設計できる。
（変形例）
図６は、実装基板のハードウェア構造が異なる変形例を示す図である。

変形例の実装基板１００２は、両面実装型の基板１２００と、基板１２００の表裏面に実装された各種の素子とを備える。
基板１２００の表裏面のうち第１面には、第１インバータ１０１を構成する各スイッチ素子１１３Ｈ、１１４Ｈ、１１５Ｈ、１１３Ｌ、１１４Ｌ、１１５Ｌが実装される。また、基板１２００の表裏面のうち第２面には、第２インバータ１０２を構成する各スイッチ素子１１６Ｈ、１１７Ｈ、１１８Ｈ、１１６Ｌ、１１７Ｌ、１１８Ｌが実装される。つまり、変形例では、第１インバータ１０１の実装領域が基板１２００の第１面に設けられ、第２インバータ１０２の実装領域が第１面の裏側の第２面に設けられる。そして、各実装領域は互いに区画される。このような区画により、第１インバータ１０１と第２インバータ１０２とで電流ラインの独立性が確保される。

第１インバータ１０１の分離スイッチ１２１、１２３は第１面に実装され、第２インバータ１０２の分離スイッチ１２２、１２４は第２面に実装される。また、第１インバータ１０１に対して電力を供給する配線パターンは第１面に形成され、第２インバータ１０２に対して電力を供給する配線パターンは第２面に形成される。

第１インバータ１０１および第２インバータ１０２の四つの分離スイッチ１２１、１２２、１２３、１２４は、基板１２００に垂直な方向から見ると、分離スイッチ用の実装箇所Ｒ０にまとめて実装される。また、第１インバータ１０１および第２インバータ１０２のスイッチ素子のうち、四つのＵ相のスイッチ素子１１３Ｈ、１１３Ｌ、１１６Ｈ、１１６Ｌは、基板１２００に垂直な方向から見ると、Ｕ相用の実装箇所Ｒ１にまとめて実装される。同様に、四つのＶ相のスイッチ素子１１４Ｈ、１１４Ｌ、１１７Ｈ、１１７ＬはＶ相用の実装箇所Ｒ２にまとめて実装され、四つのＷ相のスイッチ素子１１５Ｈ、１１５Ｌ、１１８Ｈ、１１８ＬはＷ相用の実装箇所Ｒ３にまとめて実装される。

図６に示した変形例の場合も、分離スイッチ用の実装箇所Ｒ０およびＵ相用、Ｖ相用、Ｗ相用の実装箇所Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３は、基板１２００に垂直な方向から見て環状に並ぶ。このような環状の分配配置により、両面実装においても、各スイッチ素子に接続される電流ラインとして、インピーダンス差の小さい電流ラインが容易に得られ、相同士のインピーダンス差が抑制される。この結果、変形例の場合も、モータ２００における各相への電力供給がバランスしてモータ２００の駆動が円滑化する。

基板１２００の表裏面のうち例えば第２面側がモータ２００に向き、モータ２００から基板１２００に向かって一端２１０および他端２２０が突き出す。そして、各実装箇所Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３には、モータの対応する相のコイルにおける一端２１０および他端２２０が個々に接続される。第２面側に実装される第２インバータ１０２が接続される他端２２０は、第２面側の接続点で基板１２００に接続される。また、第１面側に実装される第１インバータ１０１が接続される一端２１０は、基板１２００を貫通して第１面側の接続点で基板１２００に接続される。

そして、Ｕ相の一端２１０に接続される二つのスイッチ素子１１３Ｈ、１１３Ｌは、当該一端２１０の接続点を間に挟んだ両側に実装され、Ｕ相の他端２２０に接続される二つのスイッチ素子１１６Ｈ、１１６Ｌは、当該他端２２０の接続点を間に挟んだ両側に実装される。同様に、Ｖ相の一端２１０に接続される二つのスイッチ素子１１４Ｈ、１１４Ｌは、当該一端２１０の接続点を間に挟んだ両側に実装され、Ｖ相の他端２２０に接続される二つのスイッチ素子１１７Ｈ、１１７Ｌは、当該他端２２０の接続点を間に挟んだ両側に実装される。更に、Ｗ相の一端２１０に接続される二つのスイッチ素子１１５Ｈ、１１５Ｌは、当該一端２１０の接続点を間に挟んだ両側に実装され、Ｗ相の他端２２０に接続される二つのスイッチ素子１１８Ｈ、１１８Ｌは、当該他端２２０の接続点を間に挟んだ両側に実装される。このように接続点を挟んだ配置により、ハイサイドスイッチ素子およびローサイドスイッチ素子に対する電流ラインとして、インピーダンス差の小さい電流ラインが容易に得られる。
図７は、モータ２００の構造が異なる変形例を示す図である。
図７に示す変形例では、モータ２００は複数系統（例えば２系統）のコイル２０１、２０２を備える。そして、第１インバータ１０１と第２インバータ１０２は、互いに異なる系統のコイル２０１、２０２に接続される。言い換えると、第２インバータ１０２は、第１インバータ１０１が接続された一端２３０を有するコイル２０１の系統とは異なる他の系統のコイル２０２の一端２４０に接続される。
各系統のコイル２０１、２０２は、いわゆるスター結線で結線され、インバータ１０１、１０２が接続された一端２３０、２４０に対する他端同士が、系統毎に互いに接続される。なお、各系統のコイル２０１、２０２は、いわゆるΔ結線で結線されてもよい。
このような変形例でも、インバータ１０１、１０２のスイッチ素子１１３Ｈ、……、１１８Ｈ、１１３Ｌ、……、１１８Ｌと分離スイッチ１２１、１２２、１２３、１２４（および１２５、１２６）は、上述したように基板上に分配されて実装される。このため、各スイッチ素子に対する電流ラインとして、インピーダンス差の小さい電流ラインが容易に得られる。そして、モータ２００における各相への電力供給が、何れの系統においてもバランスしてモータ２００の駆動が円滑化する。
（パワーステアリング装置の実施形態）

自動車等の車両は一般的に、パワーステアリング装置を備える。パワーステアリング装置は、運転者がステアリングハンドルを操作することによって発生するステアリング系の操舵トルクを補助するための補助トルクを生成する。補助トルクは、補助トルク機構によって生成され、運転者の操作の負担を軽減することができる。例えば、補助トルク機構は、操舵トルクセンサ、ＥＣＵ、モータおよび減速機構などから構成される。操舵トルクセンサは、ステアリング系における操舵トルクを検出する。ＥＣＵは、操舵トルクセンサの検出信号に基づいて駆動信号を生成する。モータは、駆動信号に基づいて操舵トルクに応じた補助トルクを生成し、減速機構を介してステアリング系に補助トルクを伝達する。

上記実施形態のモータ駆動ユニット１０００は、パワーステアリング装置に好適に利用される。図８は、上記実施形態によるパワーステアリング装置２０００の構成を模式的に示す図である。
パワーステアリング装置２０００は、ステアリング系５２０および補助トルク機構５４０を備える。

ステアリング系５２０は、例えば、ステアリングハンドル５２１、ステアリングシャフト５２２（「ステアリングコラム」とも称される。）、自在軸継手５２３Ａ、５２３Ｂ、および回転軸５２４（「ピニオン軸」または「入力軸」とも称される。）を備える。

また、ステアリング系５２０は、例えば、ラックアンドピニオン機構５２５、ラック軸５２６、左右のボールジョイント５５２Ａ、５５２Ｂ、タイロッド５２７Ａ、５２７Ｂ、ナックル５２８Ａ、５２８Ｂ、および左右の操舵車輪（例えば左右の前輪）５２９Ａ、５２９Ｂを備える。

ステアリングハンドル５２１は、ステアリングシャフト５２２と自在軸継手５２３Ａ、５２３Ｂとを介して回転軸５２４に連結される。回転軸５２４にはラックアンドピニオン機構５２５を介してラック軸５２６が連結される。ラックアンドピニオン機構５２５は、回転軸５２４に設けられたピニオン５３１と、ラック軸５２６に設けられたラック５３２とを有する。ラック軸５２６の右端には、ボールジョイント５５２Ａ、タイロッド５２７Ａおよびナックル５２８Ａをこの順番で介して右の操舵車輪５２９Ａが連結される。右側と同様に、ラック軸５２６の左端には、ボールジョイント５５２Ｂ、タイロッド５２７Ｂおよびナックル５２８Ｂをこの順番で介して左の操舵車輪５２９Ｂが連結される。ここで、右側および左側は、座席に座った運転者から見た右側および左側にそれぞれ一致する。

ステアリング系５２０によれば、運転者がステアリングハンドル５２１を操作することによって操舵トルクが発生し、ラックアンドピニオン機構５２５を介して左右の操舵車輪５２９Ａ、５２９Ｂに伝わる。これにより、運転者は左右の操舵車輪５２９Ａ、５２９Ｂを操作することができる。

補助トルク機構５４０は、例えば、操舵トルクセンサ５４１、ＥＣＵ５４２、モータ５４３、減速機構５４４および電力供給装置５４５を備える。補助トルク機構５４０は、ステアリングハンドル５２１から左右の操舵車輪５２９Ａ、５２９Ｂに至るステアリング系５２０に補助トルクを与える。なお、補助トルクは「付加トルク」と称されることがある。

ＥＣＵ５４２としては、例えば図１に示された制御回路３００が用いられる。また、電力供給装置５４５としては、例えば図１に示されたインバータ１０１、１０２が用いられる。また、モータ５４３としては、例えば図１に示されたモータ２００が用いられる。ＥＣＵ５４２、モータ５４３および電力供給装置５４５が、一般的に「機電一体型モータ」と称されるユニットを構成する場合には、当該ユニットとしては、例えば図２に示されたハードウェア構成のモータ駆動ユニット１０００が好適に用いられる。図８に示された各要素のうち、ＥＣＵ５４２、モータ５４３および電力供給装置５４５を除いた要素で構成された機構は、モータ５４３によって駆動されるパワーステアリング機構の一例に相当する。

操舵トルクセンサ５４１は、ステアリングハンドル５２１によって付与されたステアリング系５２０の操舵トルクを検出する。ＥＣＵ５４２は、操舵トルクセンサ５４１からの検出信号（以下、「トルク信号」と表記する。）に基づいてモータ５４３を駆動するための駆動信号を生成する。モータ５４３は、操舵トルクに応じた補助トルクを駆動信号に基づいて発生する。補助トルクは、減速機構５４４を介してステアリング系５２０の回転軸５２４に伝達される。減速機構５４４は、例えばウォームギヤ機構である。補助トルクはさらに、回転軸５２４からラックアンドピニオン機構５２５に伝達される。

パワーステアリング装置２０００は、補助トルクがステアリング系５２０に付与される箇所によって、ピニオンアシスト型、ラックアシスト型、およびコラムアシスト型等に分類される。図８には、ピニオンアシスト型のパワーステアリング装置２０００が示される。ただし、パワーステアリング装置２０００は、ラックアシスト型、コラムアシスト型等にも適用される。

ＥＣＵ５４２には、トルク信号だけでなく、例えば車速信号も入力され得る。ＥＣＵ５４２のマイクロコントローラは、トルク信号や車速信号などに基づいてモータ５４３をベクトル制御またはＰＷＭ制御することができる。

ＥＣＵ５４２は、少なくともトルク信号に基づいて目標電流値を設定する。ＥＣＵ５４２は、車速センサによって検出された車速信号を考慮し、さらに角度センサによって検出されたロータの回転信号を考慮して、目標電流値を設定することが好ましい。ＥＣＵ５４２は、電流センサ（図１参照）によって検出された実電流値が目標電流値に一致するように、モータ５４３の駆動信号、つまり、駆動電流を制御することができる。

パワーステアリング装置２０００によれば、運転者の操舵トルクにモータ５４３の補助トルクを加えた複合トルクを利用してラック軸５２６によって左右の操舵車輪５２９Ａ、５２９Ｂを操作することができる。特に、上述した機電一体型モータに、上記実施形態のモータ駆動ユニット１０００が利用されることにより、モータ駆動が円滑化され、円滑なパワーアシストが実現される。

なお、ここでは、本発明の電力変換装置、駆動装置における使用方法の一例としてパワーステアリング装置が挙げられるが、本発明の電力変換装置、駆動装置の使用方法は上記に限定されず、ポンプ、コンプレッサなど広範囲に使用可能である。

上述した実施形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した実施の形態ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味及び範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１０１、１０２ ：インバータ
１１３Ｈ、……、１１８Ｈ ：ハイサイドスイッチ素子
１１３Ｌ、……、１１８Ｌ ：ローサイドスイッチ素子
１２１、１２２、１２３、１２４ ：分離スイッチ
２００ ：モータ
２１０ ：コイルの一端
２２０ ：コイルの他端
３００ ：制御回路
３１０ ：角度センサ
４１０、４２０ ：電源
１０００ ：モータ駆動ユニット
１００１、１００２ ：実装基板
１１００、１２００ ：基板
２０００ ：パワーステアリング装置

Claims (10)

1. 電源からの電力を変換し、ｎ相（ｎは３以上の整数）の巻線を有するモータに供給する電力変換装置であって、
   前記巻線の一端に接続される、前記ｎ相それぞれのスイッチ素子を備えた第１インバータと、
   前記巻線の、前記一端とは異なる他の一端に接続される、前記ｎ相それぞれのスイッチ素子を備えた第２インバータと、
   前記第１インバータおよび前記第２インバータについて、前記ｎ相それぞれのスイッチ素子と、各相のスイッチ素子に対する共通の電源端およびグランド端の少なくとも一方に設けられた共通素子とが実装される基板とを備え、
   前記基板は、前記第１インバータの実装領域と、前記第２インバータの実装領域とに区画され、
   前記第１インバータおよび前記第２インバータにおける前記スイッチ素子および前記共通素子は、前記基板に垂直な方向から見て環状に並んだｎ＋１箇所に、共通素子および各相に分配されて実装される電力変換装置。
2. 前記第１インバータの実装領域が前記第２インバータの実装領域を取り囲む請求項１に記載の電力変換装置。
3. 前記第１インバータの実装領域が前記基板の第１面に設けられ、前記第２インバータの実装領域が前記第１面の裏側の第２面に設けられる請求項１に記載の電力変換装置。
4. 前記第１インバータおよび前記第２インバータは、前記ｎ相それぞれのスイッチ素子として、前記巻線と前記電源端とに接続されるハイサイドスイッチ素子と、前記巻線と前記グランド端とに接続されるローサイドスイッチ素子とを備え、
   前記ｎ相の巻線が互いに無結線である請求項１から３のいずれか１項に記載の電力変換装置。
5. 前記基板上に設けられた２ｎ個の接続点に、ｎ相の巻線の前記一端および前記他端が個々に接続され、
   １つの前記接続点に接続される前記ハイサイドスイッチ素子および前記ローサイドスイッチ素子が、当該接続点を間に挟んだ両側に実装される請求項４に記載の電力変換装置。
6. 前記第１インバータは第１電源に接続され、
   前記第２インバータは、前記第１電源とは独立の第２電源に接続される請求項１から５のいずれか１項に記載の電力変換装置。
7. 前記第２インバータは、前記第１インバータが接続された前記一端に対する他端に接続される請求項１から６のいずれか１項に記載の電力変換装置。
8. 前記モータは、ｎ相の前記巻線を複数系統有し、
   前記第２インバータは、前記第１インバータが接続された前記一端を有する巻線の系統とは異なる他の系統の巻線の一端に接続される請求項１から６のいずれか１項に記載の電力変換装置。
9. 請求項１から８のいずれか１項に記載の電力変換装置と、
   前記電力変換装置によって変換された電力が供給されるモータと、
   を備える駆動装置。
10. 請求項１から８のいずれか１項に記載の電力変換装置と、
    前記電力変換装置によって変換された電力が供給されるモータと、
    前記モータによって駆動されるパワーステアリング機構と、
    を備えるパワーステアリング装置。

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