JP2022071391A - 駆動装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】トランジスタのボディダイオードにおける逆回復特性を考慮した駆動により、安全性と電力効率を向上する駆動装置を提供する。【解決手段】駆動装置１は、ハイサイドトランジスタ２とローサイドトランジスタ３を駆動するプリドライバ１１と、ハイサイドトランジスタに流れる上側電流とローサイドトランジスタに流れる下側電流のうち一方を検出するための第１電流検出部（センス抵抗１３、１４）と、第１電流検出部によって検出された上側電流又は下側電流の順方向／逆方向の切り替わりの兆候または切り替わり自体を検出する第１電流判定部（第１比較器１５、第２比較器１６）と、第１電流判定部の判定結果に応じてハイサイドトランジスタ又はローサイドトランジスタのスルーレートを調整するようにドライバを制御するよスルーレート調整部（ロジック部１７）と、を備える。【選択図】図３

Description

本明細書中に開示している発明は、モータをはじめとする負荷を駆動する駆動装置に関する。
従来、駆動装置（モータなどの負荷を駆動するために用いられるドライバや負荷に電力を供給する電源装置を含む）では、ＰＷＭ制御（Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ Ｃｏｎｔｒｏｌ）方式が採用されている。
ＰＷＭ制御方式では、ハイサイドトランジスタとローサイドトランジスタを相補的にオン／オフする際、ＰＷＭ周期におけるデューティ比（オン時間）／（ＰＷＭ周期）を調整することで負荷を駆動している。
トランジスタがオフ状態からオン状態に切り替わるとき、トランジスタのボディダイオードにおける電流の方向は順方向から逆方向に切り替わる。この動作はボディダイオードの逆回復と呼ばれており、逆方向に流れる電流は逆回復電流と呼ばれている。
図１は、ボディダイオードの逆回復波形を示す図である。図１（Ａ）は順方向を正方向としたボディダイオードに流れる電流を示しており、図１（Ｂ）はアノード－カソード間電圧を示している。時刻ｔ１で逆方向バイアス電圧が印加され、順方向電流がある傾き（－ｄＩｆ／ｄｔ）を持って減少していき、時刻ｔ２でゼロとなる。その後、時刻ｔ３で逆回復電流はピーク値ＩＲＲとなり、時刻ｔ４まで電流はある傾き（ｄＩＲ／ｄｔ）を持って順方向に増加する。時刻ｔ２から時刻ｔ４は逆回復時間ｔｒｒであり、逆回復電流を逆回復時間ｔｒｒで積分したものが逆回復電荷ＱＲＲと呼ばれ、時刻ｔ４以降は逆電圧ＶＲが印加されている。
特開２０１９－１２２１１６号公報
図２は、モータを負荷とした従来の駆動装置の構成を示すブロック図である。図２に示す駆動装置１（破線枠を参照）は、プリドライバ１１と、電流センスアンプ１２と、センス抵抗１３を含み、ハイサイドトランジスタ２とローサイドトランジスタ３が外付けされている。
プリドライバ１１はロジック部（不図示）からスルーレート制御信号とロジック制御信号を受け取る。スルーレート制御信号は、例えばプリドライバ１１内に含まれるカレントミラーの電流値やインバータのサイズなどを調整し、ハイサイドトランジスタ２及びローサイドトランジスタ３をオン／オフする際のスルーレートを制御する。ロジック制御信号は、例えばハイサイドトランジスタ２及びローサイドトランジスタ３がオン／オフするタイミングを制御する。
電流センスアンプ１２はセンス抵抗１３の両端に生じた電圧に応じてロジックブロックにロジック信号を送信する。モータが負荷の場合、電流センスアンプ１２から出力されるロジック信号はモータの回転数を制御したり電流を調整したりするために用いることができる。
センス抵抗１３は、ハイサイドトランジスタ２とローサイドトランジスタ３の共通ノードであるノードＯＵＴと負荷に繋がるノードＬｏａｄとの間に接続されており、両端子間に電流センスアンプ１２に伝わる電圧を生じさせる。
ハイサイドトランジスタ２及びローサイドトランジスタ３はＮチャネルＭＯＳＦＥＴであり、それらのゲートＨＧ及びＬＧはプリドライバ１１と接続されている。ハイサイドトランジスタ２のドレインは電源電圧と接続され、ローサイドトランジスタ３のソースは接地されている。ハイサイドトランジスタ２のソースとローサイドトランジスタ３のドレインは共通に接続されており、前述のセンス抵抗１３の一端と接続されている。また、ノードＯＵＴにはＨｉｇｈレベルまたはＬｏｗレベルの信号が生じる。
ハイサイドトランジスタ２及びローサイドトランジスタ３はボディダイオードを有している。ハイサイドトランジスタ２またはローサイドトランジスタ３がオフ状態からオン状態に変わる際に逆回復動作が生じボディダイオードに流れる電流の方向は順方向から逆方向に切り替わる。
ある傾き（－ｄＩｆ／ｄｔ）の絶対値が大きければ大きいほど、逆回復電流のピーク値ＩＲＲは大きくなる。スイッチング動作において、この逆回復電流は貫通電流として現れる。貫通電流はハイサイドトランジスタ２及びローサイドトランジスタ３の寿命を縮め、早く劣化してしまう。また、出力電圧ＯＵＴが不安定になり、リンギングが生じる場合がある。
このような問題の対処方法として、プリドライバ１１の駆動能力を下げることでハイサイドトランジスタ２及びローサイドトランジスタ３のスルーレートを下げる手法が存在するが、オンにかかる時間及びオフにかかる時間が長くなり、電力効率の悪化や制御性の悪化といった問題が生じる。
本明細書中に開示されている駆動装置は、ハイサイドトランジスタとローサイドトランジスタを駆動するように構成されたドライバと、前記ハイサイドトランジスタに流れる上側電流と前記ローサイドトランジスタに流れる下側電流のうち一方を検出するための第１電流検出部と、前記第１電流検出部によって検出された前記上側電流または前記下側電流の順方向／逆方向の切り替わりの兆候または切り替わり自体を検出する第１電流判定部と、前記第１電流判定部の判定結果に応じて前記ハイサイドトランジスタまたは前記ローサイドトランジスタのスルーレートを調整するように前記ドライバを制御するように構成されたスルーレート調整部を備える構成（第１の構成）とする。
また、上記第１の構成である駆動装置において、前記第１電流検出部は、第１検出抵抗であり、前記第１電流判定部は、前記第１検出抵抗の一端に生じる電圧と前記第１検出抵抗の他端に生じる電圧を比較する第１比較器を含む構成（第２の構成）であってもよい。
また、上記第２の構成である駆動装置において、前記第１検出抵抗は集積化された配線抵抗である構成（第３の構成）であってもよい。
また、上記第２の構成である駆動装置において、前記第１検出抵抗は集積化されず外付けされる構成（第４の構成）であってもよい。
また、上記第１から第４の構成である駆動装置において、前記上側電流または前記下側電流のうち前記第１電流検出部で検出されない他方の電流を検出する第２電流検出部をさらに含む構成（第５の構成）であってもよい。
また、上記第５の構成である駆動装置において、前記第２電流検出部によって検出された前記上側電流または前記下側電流の順方向／逆方向の切り替わりの兆候または切り替わり自体を検出する第２電流判定部をさらに備える構成（第６の構成）であってもよい。
また、上記第６の構成である駆動装置において、前記第２電流検出部は、第２検出抵抗であり、前記第２電流判定部は、前記第２検出抵抗の一端に生じる電圧と前記第２検出抵抗の他端に生じる電圧を比較する第２比較器を含む構成（第７の構成）であってもよい。
また、上記第７の構成である駆動装置において、前記第２検出抵抗は集積化された配線抵抗である構成（第８の構成）であってもよい。
また、上記第７の構成である駆動装置において、前記第２検出抵抗は集積化されず外付けされる構成（第９の構成）であってもよい。
また、上記第５から第９の構成である駆動装置において、前記第１電流検出部及び前記第２電流検出部を用いて前記上側電流及び前記下側電流をセンスする電流センスアンプをさらに備える構成（第１０の構成）であってもよい。
また、本明細書中に開示されている車両は、上記第１から第１０のいずれか一項に記載の駆動装置を備える構成（第１１の構成）とする。
本発明によれば、トランジスタのボディダイオードにおける逆回復特性を考慮した駆動により、駆動装置の安全な駆動と電力効率を上げることが可能である。
ボディダイオードの逆回復特性を示す波形図 従来の駆動装置の構成例を示すブロック図 本発明に係る駆動装置の一構成例を示すブロック図 ハイサイドトランジスタのオン遷移時（低スルーレート固定）における各ノードの波形図 ハイサイドトランジスタのオン遷移時（高スルーレート固定）における各ノードの波形図 ハイサイドトランジスタのオン遷移時（スルーレート切替）における各ノードの波形図 図４，５，６を重ねた波形図及び拡大図 車両の外観図
＜第１実施形態＞
図３は、本発明に係る駆動装置の一構成例を示すブロック図である。図３に示す駆動装置１（破線枠を参照）は、プリドライバ１１と、電流センスアンプ１２と、センス抵抗１３及び１４と、第１比較器１５と、第２比較器１６と、ロジック部１７を含み、ハイサイドトランジスタ２とローサイドトランジスタ３が外付けされている半導体装置（いわゆるモータドライバＩＣ）である。
プリドライバ１１はロジック部１７からスルーレート制御信号とロジック制御信号を受け取る。ロジック制御信号などロジック部１７で生じる信号はプリドライバ１１以外の各ブロックにも送られる。スルーレート制御信号は、例えばプリドライバ１１内に含まれるカレントミラーの電流値やインバータのサイズなどを調整し、ハイサイドトランジスタ２及びローサイドトランジスタ３をオン／オフする際のスルーレートを制御する。ロジック制御信号は、例えばハイサイドトランジスタ２及びローサイドトランジスタ３がオン／オフするタイミングを制御する。
電流センスアンプ１２はセンス抵抗１３及びセンス抵抗１４の両端に生じた電圧に応じてロジック部１７にロジック信号を送信する。モータが負荷の場合、電流センスアンプ１２から出力されるロジック信号はモータの回転数を制御したり電流を調整したりするために用いることができる。
センス抵抗１３は、ハイサイドトランジスタ２と負荷に繋がるノードＬｏａｄとの間に接続されており、両端子間に、電流センスアンプ１２と後述の第１比較器１５に伝わる電圧を生じさせる。センス抵抗１３は、ハイサイドトランジスタ２に流れる上側電流を検出するための第１電流検出部に相当する。
センス抵抗１４は、負荷に繋がるノードＬｏａｄとローサイドトランジスタ３との間に接続されており、両端子間に、電流センスアンプ１２と後述の第２比較器１６に伝わる電圧を生じさせる。センス抵抗１４は、ローサイドトランジスタ３に流れる下側電流を検出するための第２電流検出部に相当する。
なお、本実施形態ではセンス抵抗１３及び１４は集積化された配線抵抗である。また、センス抵抗１３及び１４は、駆動装置１に集積化されたポリ抵抗などであってもよいし、または、駆動装置１に外付けされたディスクリート部品であってもよい。さらに、上記の第１電流検出部及び第２電流検出部としては、それぞれ、センス抵抗１３及び１４を用いるほか、ＭＩセンサなどを用いて非接触で電流を検出することも可能である。
第１比較器１５は、ノードＯＵＴに生じる電圧とノードＬｏａｄに生じる電圧を比較し、ロジック部１７に比較結果を送信する。第１比較器１５は、ハイサイドトランジスタ２がオン／オフする際に方向が切り替わるボディダイオードの電流を検出する。例えば図１において、時点ｔ１の順方向電流から逆方向電流に切り替わるタイミングや、時点ｔ２の電流の極性が切り替わるタイミングを検出し、後段のロジック部１７に伝える。その他、時刻ｔ１以前の順方向電流から逆方向電流に切り替わる兆候を検出してもよい。
第２比較器１６は、ノードＬｏａｄに生じる電圧とローサイドトランジスタ３の一端（本図の例ではドレイン）に生じる電圧とを比較し、ロジック部１７に比較結果を送信する。第２比較器１６は、ローサイドトランジスタ３がオン／オフする際に方向が切り替わるボディダイオードの電流を検出する。例えば図１において、時点ｔ１の順方向電流から逆方向電流に切り替わるタイミングや、時点ｔ２の電流の極性が切り替わるタイミングを検出し、後段のロジック部１７に伝える。その他、時刻ｔ１以前の順方向電流から逆方向電流に切り替わる兆候を検出してもよい。例えば、図２における時刻ｔ１と時刻ｔ２の間の期間のある時刻におけるある電圧を閾値として設定した比較器などを用いるとよい。ハイサイドトランジスタの場合も同様である。
ロジック部１７は電流センスアンプ１２からのロジック信号と、第１比較器１５及び第２比較器１６からの比較結果を受け取り、プリドライバ１１にロジック制御信号と、スルーレート制御信号を送る。
スルーレート制御信号は、ローサイドトランジスタ３のボディダイオードにおける順方向電流から逆方向電流に切り替わるタイミングを検出した第２比較器１６からの信号に応じてハイサイドトランジスタ２のスルーレートを調整するようにプリドライバ１１に送られる。具体的には、例えばハイサイドトランジスタ２のゲートに流れ込む電流を小さくすることで、図１で述べた逆回復特性におけるある傾き（－ｄＩｆ／ｄｔ）の絶対値を小さくするようにハイサイドトランジスタ２のスルーレートを調整する。ローサイドトランジスタ３においても同様に、ハイサイドトランジスタ２のボディダイオードの電流の切り替わるタイミングを検出した第１比較器１５からの信号に応じてローサイドトランジスタ３のスルーレートを調整するようにスルーレート制御信号がプリドライバ１１に送られる。
以下、ハイサイドトランジスタ２がオフ状態からオン状態に遷移する際を例に、本発明の効果を詳細に説明する。
図４は、ハイサイドトランジスタ２のスルーレートが小さい条件（ゲートに流れ込む電流が数ｍＡ）で、オフ状態からオン状態に遷移する際の各ノードの波形図である。
図４（Ａ）はハイサイドトランジスタ２のゲートに流れ込む電流を示し、縦軸が電流値であり、横軸が時間である。時刻ｔ１’でプリドライバ１１からロジック制御信号に応じた駆動信号がハイサイドトランジスタ２のゲートに送られ、オフ状態からオン状態に遷移しようとする。
図４（Ｂ）は電流センスアンプ１２からローサイドトランジスタ３の一端に向かう方向を正とした電流を示している。つまり、ローサイドトランジスタ３のボディダイオードにおける順方向が負極性であり、逆方向が正極性である。図４（Ｂ）によると、時刻ｔ１’からゆっくり時間をかけて負方向の電流が減少していき、時刻ｔ２’で電流値がゼロとなり、正方向に流れる逆電流のピーク値は非常に小さい値となっている。これはスルーレートが小さい条件で状態が遷移しているためである。
図４（Ｃ）はノードＬｏａｄにおける電圧を示しており、ハイサイドトランジスタ２がオンするとＨｉｇｈレベル、ローサイドトランジスタ３がオンするとＬｏｗレベルの電圧となる。図４（Ｃ）によると、時刻ｔ２’でノードＬｏａｄが立ち上がりはじめている。つまり、ハイサイドトランジスタ２及びローサイドトランジスタ３がオフしている期間ＤｅａｄＴｉｍｅが長いということであり、電力効率の悪化が見て取れる。
図５は、ハイサイドトランジスタ２のスルーレートが大きい条件（ゲートに流れ込む電流が数十ｍＡ）で、オフ状態からオン状態に遷移する際の各ノードの波形図である。
図５（Ａ）はハイサイドトランジスタ２のゲートに流れ込む電流を示し、縦軸が電流値であり、横軸が時間である。時刻ｔ１’でプリドライバ１１からロジック制御信号に応じた駆動信号がハイサイドトランジスタ２のゲートに送られ、オフ状態からオン状態に遷移しようとする。時刻ｔ１’で電流が立ち上がったのち、時刻ｔ３’から徐々に電流が減少する。
図５（Ｂ）は、電流センスアンプ１２からローサイドトランジスタ３の一端に向かう方向を正とした電流を示している。図５（Ｂ）によると、負方向に流れていた電流が時刻ｔ４’で急激に減少し、時刻ｔ５’でゼロとなり、さらに正方向に転じており、逆電流のピーク値が非常に大きい値となっている。これはスルーレートが大きい条件で状態が遷移しているためである。
図５（Ｃ）はノードＬｏａｄにおける電圧を示している。図５（Ｃ）によると、時刻ｔ４’でノードＬｏａｄが急峻に立ち上がっており、リンギングを生じさせてしまう可能性がある。
図６は、ハイサイドトランジスタ２がオフ状態からオン状態に遷移する際に、スルーレートが大きい条件（ゲートに流れ込む電流が数十ｍＡ）から、スルーレートが小さい条件（ゲートに流れ込む電流が数ｍＡ）を切り替えた場合の各ノードの波形図である。
図６（Ａ）はハイサイドトランジスタ２のゲートに流れ込む電流を示し、縦軸が電流値であり、横軸が時間である。時刻ｔ１’でプリドライバ１１からロジック制御信号に応じた駆動信号がハイサイドトランジスタ２のゲートに送られ、オフ状態からオン状態に遷移しようとする。時刻ｔ１’で電流が立ち上がったのち、時刻ｔ４’でスルーレートが小さい条件に切り替えている。
図６（Ｂ）は、電流センスアンプ１２からローサイドトランジスタ３の一端に向かう方向を正とした電流を示している。図６（Ｂ）によると、負方向に流れていた電流が時刻ｔ４’で急激に減少しており、時刻ｔ５’でゼロとなっている。この時第２比較器１６がボディダイオードの電流が順方向から逆方向に切り替わったことを検出することでスルーレートが小さい条件に切り替えている。そのため、本来図５（Ｂ）のように上昇するはずだった逆電流のピーク値は抑えられている。
図６（Ｃ）はノードＬｏａｄにおける電圧を示している。図６（Ｃ）によると、時刻ｔ４’でノードＬｏａｄが立ち上がりはじめ、スルーレートが小さい条件に切り替わる時刻ｔ５’からゆるやかに上昇しＨｉｇｈレベルの電圧となっている。スルーレートの条件を切り替えることでリンギングを生じさせてしまう可能性を抑えることができている。さらに図４（Ｃ）とは異なり、ＤｅａｄＴｉｍｅも短くすることができる。
図７は図４から図６の波形を重ねた図で、時刻ｔ１’から時刻ｔ５’までを拡大した図を右枠に示している。時刻ｔ４’で電流がゼロとなったことを第２比較器１６が検出し、ハイサイドトランジスタ２のスルーレートを低く調整している。これによりスルーレートが高いまま動作するよりも逆電流のピーク値が抑えられ、また、ノードＬｏａｄがゆるやかに上昇することでリンギングを生じさせてしまう可能性が抑えられている。
これまでハイサイドトランジスタ２がオフ状態からオン状態に遷移する例を挙げて説明を行ったが、ローサイドトランジスタ３がオフ状態からオン状態に遷移する場合についても同様であり、第１比較器１５がハイサイドトランジスタ２のボディダイオードの電流を検出し、その結果に応じてロジック部１７がローサイドトランジスタ３のスルーレートを調整する。
＜車両への適用＞
図８は、車両の一構成例を示す外観図である。本構成例の車両Ｘは、バッテリ（本図では不図示）と、バッテリから電力供給を受けて動作する種々の電子機器Ｘ１１～Ｘ１８とを搭載している。なお、本図における電子機器Ｘ１１～Ｘ１８の搭載位置については、図示の便宜上、実際とは異なる場合がある。
電子機器Ｘ１１は、エンジンに関連する制御（インジェクション制御、電子スロットル制御、アイドリング制御、酸素センサヒータ制御、及び、オートクルーズ制御など）を行うエンジンコントロールユニットである。
電子機器Ｘ１２は、ＨＩＤ［high intensity discharged lamp］やＤＲＬ［daytime running lamp］などの点消灯制御を行うランプコントロールユニットである。
電子機器Ｘ１３は、トランスミッションに関連する制御を行うトランスミッションコントロールユニットである。
電子機器Ｘ１４は、車両Ｘの運動に関連する制御（ＡＢＳ［anti-lock brake system］制御、ＥＰＳ［electric power steering］制御、電子サスペンション制御など）を行うボディコントロールユニットである。
電子機器Ｘ１５は、ドアロックや防犯アラームなどの駆動制御を行うセキュリティコントロールユニットである。
電子機器Ｘ１６は、ワイパー、電動ドアミラー、パワーウィンドウ、ダンパー（ショックアブソーバー）、電動サンルーフ、及び、電動シートなど、標準装備品やメーカーオプション品として、工場出荷段階で車両Ｘに組み込まれている電子機器である。
電子機器Ｘ１７は、車載Ａ／Ｖ［audio/visual］機器、カーナビゲーションシステム、及び、ＥＴＣ［electronic toll collection system］など、ユーザオプション品として任意で車両Ｘに装着される電子機器である。
電子機器Ｘ１８は、車載ブロア、オイルポンプ、ウォーターポンプ、バッテリ冷却ファンなど、高耐圧系モータを備えた電子機器である。
なお、先に説明した駆動装置１は、負荷が駆動される電子機器Ｘ１１～Ｘ１８のいずれにも組み込むことが可能である。
＜その他の変形例＞
また、本明細書中に開示されている種々の技術的特徴は、上記実施形態のほか、その技術的創作の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更を加えることが可能である。すなわち、上記実施形態は、全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り、本発明の技術的範囲は、上記実施形態の説明ではなく、特許請求の範囲によって示されるものであり、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内に属する全ての変更が含まれると理解されるべきである。例えば本実施形態では、逆電流の検出にノードＯＵＴとノードＬｏａｄの電圧の値をもとに比較器を用いているが、ハイサイドトランジスタ２及びローサイドトランジスタ３のソース-ドレイン間電圧をモニターしてもよい。
１ 駆動装置
１１ プリドライバ
１２ 電流センスアンプ
１３、１４ センス抵抗
１５ 第１比較器
１６ 第２比較器
１７ ロジック部
２ ハイサイドトランジスタ
３ ローサイドトランジスタ

Claims (11)

  1. ハイサイドトランジスタとローサイドトランジスタを駆動するように構成されたドライバと、
    前記ハイサイドトランジスタに流れる上側電流と前記ローサイドトランジスタに流れる下側電流のうち一方を検出するための第１電流検出部と、
    前記第１電流検出部によって検出された前記上側電流または前記下側電流の順方向／逆方向の切り替わりの兆候または切り替わり自体を検出する第１電流判定部と、
    前記第１電流判定部の判定結果に応じて前記ハイサイドトランジスタまたは前記ローサイドトランジスタのスルーレートを調整するように前記ドライバを制御するように構成されたスルーレート調整部を備える、駆動装置。
  2. 前記第１電流検出部は、第１検出抵抗であり、前記第１電流判定部は、前記第１検出抵抗の一端に生じる電圧と前記第１検出抵抗の他端に生じる電圧を比較する第１比較器を含む、請求項１に記載の駆動装置。
  3. 前記第１検出抵抗は集積化された配線抵抗である、請求項２に記載の駆動装置。
  4. 前記第１検出抵抗は集積化されず外付けされる、請求項２に記載の駆動装置。
  5. 前記上側電流または前記下側電流のうち前記第１電流検出部で検出されない他方の電流を検出する第２電流検出部をさらに含む、請求項１から４に記載の駆動装置。
  6. 前記第２電流検出部によって検出された前記上側電流または前記下側電流の順方向／逆方向の切り替わりの兆候または切り替わり自体を検出する第２電流判定部をさらに備える、請求項５に記載の駆動装置。
  7. 前記第２電流検出部は、第２検出抵抗であり、前記第２電流判定部は、前記第２検出抵抗の一端に生じる電圧と前記第２検出抵抗の他端に生じる電圧を比較する第２比較器を含む、請求項６に記載の負荷駆動装置。
  8. 前記第２検出抵抗は集積化された配線抵抗である、請求項７に記載の駆動装置。
  9. 前記第２検出抵抗は集積化されず外付けされる、請求項７に記載の駆動装置。
  10. 前記第１電流検出部及び前記第２電流検出部を用いて前記上側電流及び前記下側電流をセンスする電流センスアンプをさらに備える、請求項５から９のいずれか一項に記載の駆動装置。
  11. 請求項１から１０のいずれか一項に記載の駆動装置を備える車両。
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