JP2023013955A - 制御装置、モータ駆動装置及びモータ駆動システム - Google Patents

制御装置、モータ駆動装置及びモータ駆動システム Download PDF

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Abstract

【課題】第１電源系統の異常時にモータの運転を継続可能な、制御装置を提供すること。【解決手段】直流母線間の複数のスイッチング素子によりモータを駆動するインバータ回路を制御する制御回路と、前記直流母線とは異なる電圧源を電源とする第１電源系統と、前記直流母線を電源とする第２電源系統と、前記第１電源系統の異常を検出すると、前記制御回路に電力を供給する電源系統を前記第１電源系統から前記第２電源系統に切り替える切り替え回路と、を備え、前記制御回路は、前記異常が検出されると、前記異常が検出される前よりも低い消費電力で前記インバータ回路の制御を継続する回路であり、前記制御回路は、前記異常が検出されると、前記異常が検出される前よりも低いゲート電源電圧で前記複数のスイッチング素子のゲート駆動を継続する、制御装置。【選択図】図１

Description

本開示は、制御装置、モータ駆動装置及びモータ駆動システムに関する。
ハイブリッド自動車等の電動車両のモータをインバータ装置により駆動するモータ駆動システムにおいて、システムの構成部品に何等かの不具合が生じた場合や車両の衝突等による緊急時にフェイルセーフ回路を動作させることが知られている。このフェイルセーフ回路は、例えば、インバータ主回路の半導体スイッチング素子を操作してモータの巻線を短絡させ、あるいは、正負の直流母線間に接続されたコンデンサを放電させるものである。フェイルセーフ回路は、システムを継続的な損傷から保護し、かつ乗員の安全を確保するために高い信頼性が要求されている。
この種のモータ駆動システムにおいて、フェイルセーフ回路を含むインバータ制御回路には、一般的に、補機電源として例えば１２［Ｖ］の低圧電源（以下、第１の電源ともいう）が供給されている。なお、インバータ制御回路は、モータ制御用のＣＰＵやモータの電流センサ等を備えている。上述した第１の電源が故障等により喪失すると、フェイルセーフ回路への電力供給が絶たれて動作不能になるため、その対策として、例えば特許文献１には、フェイルセーフ回路を含むインバータ制御回路に供給する電力を冗長化する技術が開示されている。
図１３は、特許文献１に記載されたモータ駆動システムの回路図である。図１３において、５１は例えば４００［Ｖ］の主バッテリ（以下、第２の電源ともいう）、５２は絶縁型のＤＣ／ＤＣコンバータ、５３は作動状態検知装置、５４は第１の電源、６０はフェイルセーフ回路を含むインバータ制御回路、６１は直流母線に接続されたコンデンサ６３を放電させるスイッチング素子、６２は半導体スイッチング素子６２ａ～６２ｆからなるブリッジ回路、Ｍは三相のモータである。
この従来技術では、第１の電源５４の電圧と、第２の電源５１の電圧をＤＣ／ＤＣコンバータ５２により絶縁、降圧して得た電圧（何れも１２［Ｖ］）とが、ＯＲ条件でインバータ制御回路６０に供給されている。このようにして、インバータ制御回路６０内のフェイルセーフ回路へ電力供給する電源が冗長化されている。これにより、緊急時におけるフェイルセーフ動作（上アームのスイッチング素子６２ａ～６２ｃまたは下アームのスイッチング素子６２ｄ～６２ｆのオンによるモータＭの巻線短絡、スイッチング素子６１のオンによるコンデンサ６３の放電等）の信頼性が高まる。
特開２０００－１４１８４号公報
第１電源系統に故障等の異常が発生すると、電源が第１電源系統とは異なる第２電源系統からインバータ制御回路内のフェイルセーフ回路に電力が供給されるので、フェイルセーフ動作によるシステムの保護は可能となる。しかしながら、第１電源系統の異常時にモータの運転が継続できるように第２電源系統の電源容量を第１電源系統の電源容量と同等にすると、第２電源系統の大型化を招くおそれがある。
本開示は、小型化を実現しつつも第１電源系統の異常時にモータの運転を継続可能な、制御装置、モータ駆動装置及びモータ駆動システムを提供する。
本開示の第一態様では、
直流母線間の複数のスイッチング素子によりモータを駆動するインバータ回路を制御する制御回路と、
前記直流母線とは異なる電圧源を電源とする第１電源系統と、
前記直流母線を電源とする第２電源系統と、
前記第１電源系統の異常を検出すると、前記制御回路に電力を供給する電源系統を前記第１電源系統から前記第２電源系統に切り替える切り替え回路と、を備え、
前記制御回路は、前記異常が検出されると、前記異常が検出される前よりも低い消費電力で前記インバータ回路の制御を継続する回路であり、
前記制御回路は、前記異常が検出されると、前記異常が検出される前よりも低いゲート電源電圧で前記複数のスイッチング素子のゲート駆動を継続する、制御装置が提供される。
本開示の第二態様では、当該制御装置と、前記インバータ回路と、を備える、モータ駆動装置が提供される。
本開示の第三態様では、当該モータ駆動装置と、前記モータと、を備える、モータ駆動システムが提供される。
本開示の各態様によれば、第１電源系統の異常時にモータの運転を継続できる。
第１実施形態に係るモータ駆動システムの構成例を示す図である。 二相変調された電圧指令の一例を示す図である。 ゲート駆動回路の第１構成例を示す図である。 第２実施形態に係るモータ駆動システムの構成例を示す図である。 三相のうちモータ電流の瞬時値の絶対値が最大の相を検出する検出回路の一例を示す図である。 第２実施形態に係るモータ駆動システムの第１動作例を示す波形図である。 スイッチング素子のオン抵抗を説明するための図である。 第２実施形態に係るモータ駆動システムの第１動作例とスイッチング素子のゲート駆動電圧とスイッチング素子のオン抵抗との関係を例示する図である。 三相のうちモータ電流の瞬時値の絶対値が最小の相を検出する検出回路の一例を示す図である。 第２実施形態に係るモータ駆動システムの第２動作例を示す波形図である。 第３実施形態に係るモータ駆動システムの構成例を示す図である。 ゲート駆動回路の第２構成例を示す図である。 特許文献１に記載されたモータ駆動システムの回路図である。
以下、実施形態を説明する。
図１は、第１実施形態に係るモータ駆動システムの構成例を示す図である。図１に示すモータ駆動システム３０１は、主バッテリ１から主開閉器２を介して供給される電力を用いてモータ１００を駆動するシステムである。主バッテリ１は、後述の補機バッテリ６よりも電圧が高い電源であり、例えば、４００ボルト程度の高圧バッテリである。
モータ駆動システム３０１は、車両に搭載されシステムであり、車両の走行に使用されるモータ１００を駆動する。モータ駆動システム３０１は、モータ１００を駆動することで発生する動力で車両を走行させる。車両に搭載されるモータ駆動システム３０１の数は、複数の車輪をモータ１００で回転させるため、複数でもよい。
モータ駆動システム３０１は、モータ１００とモータ駆動装置２０１を備える。モータ駆動装置２０１は、三相のモータ１００を三相交流で駆動する。モータ駆動装置２０１は、インバータ回路４と制御装置１０１を備える。
インバータ回路４は、直流母線５ｐ，５ｎ間に接続された複数のスイッチング素子ｕ，ｖ，ｗ，ｘ，ｙ，ｚにより構成されたブリッジ回路である。インバータ回路４は、複数のスイッチング素子ｕ，ｖ，ｗ，ｘ，ｙ，ｚのスイッチングにより、直流母線５ｐ，５ｎ間に接続されたコンデンサ３の直流電圧を交流電圧に変換し、モータ１００を三相交流で駆動する。コンデンサ３は、主バッテリ１から供給される電力、又は、モータ１００からインバータ回路４を介して回生される電力で充電される。
制御装置１０１は、モータ１００が駆動されるようにインバータ回路４を制御する。制御装置１０１は、例えば、制御回路７、第１電源系統２１、第２電源系統２２及び切り替え回路３０を備える。
制御回路７は、インバータ回路４を制御するインバータ制御回路である。制御回路７は、外部から供給されるトルク指令τ＊に従ってインバータ回路４によりモータ１００に流す電流（モータ電流）を制御することで、トルク指令τ＊に対応するトルクを発生させる。モータ電流は、インバータ回路４とモータ１００との間に流れる電流である。
第１電源系統２１は、直流母線５ｐ，５ｎとは異なる電圧源を電源とする系統であり、この例では、補機バッテリ６を電源とする。第１電源系統２１は、補機バッテリ６からの直流電力を制御装置１０１内に供給するための系統である。補機バッテリ６は、主バッテリ１よりも電圧が低い電源であり、例えば、１２ボルト程度の電源電圧ＶＬを出力する低圧バッテリである。第１電源系統２１は、補機バッテリ６の電圧を降圧して制御装置１０１内に供給する不図示の電圧変換回路を含んでもよい。
第２電源系統２２は、直流母線５ｐ，５ｎを電源とする系統であり、この例では、コンデンサ３を電源とする。第２電源系統２２は、コンデンサ３からの直流電力を降圧して制御装置１０１内に供給するための系統である。この例では、第２電源系統２２は、コンデンサ３からの直流電力を降圧して制御装置１０１内に供給する電源回路１５を含む。
電源回路１５は、コンデンサ３の電圧よりも低い電源電圧ＶＨの直流電力を制御装置１０１内に供給する。電源電圧ＶＨは、制御回路７及び切り替え回路３０の最低作動電圧よりも高く、且つ、電源電圧ＶＬ以下の直流電圧（例えば、１２ボルト）である。電源回路１５は、例えば、絶縁型の直流－直流変換器である。
切り替え回路３０は、第１電源系統２１の故障等の異常を検出すると、制御回路７に電力を供給する電源系統を第１電源系統２１から第２電源系統２２に切り替える。これにより、第１電源系統２１に異常が発生しても、第２電源系統２２から制御回路７への電力供給が可能となるので、制御回路７の電源は確保される。したがって、第１電源系統２１に異常が発生しても、制御回路７は、第２電源系統２２から供給される電力を利用して、インバータ回路４によるフェイルセーフ動作を実行できるので、モータ１００を安全に止めることができる。
本実施形態に係る制御回路７は、第１電源系統２１の故障等の異常が検出されると、当該異常が検出される前よりも低い消費電力でインバータ回路４の制御を継続する。これにより、第１電源系統２１の異常時に第２電源系統２２から制御回路７に供給される電力が低減するので、第１電源系統２１の異常時にモータ１００の運転を継続でき、ひいては、モータ１００の運転が継続する時間を延長できる。
また、本実施形態では、第１電源系統２１の異常が検出される前よりも低い消費電力でインバータ回路４の制御が継続する。よって、第２電源系統２２の電源容量を増やさなくても、第１電源系統２１の異常時にモータ１００の運転を継続でき、ひいては、モータ１００の運転が継続する時間を延長できる。また、第２電源系統２２の電源容量を増やさなくても、第１電源系統２１の異常時にモータ１００の運転を継続できる。よって、第２電源系統２２（特に、電源回路１５）を小型化でき、ひいては、制御装置１０１、モータ駆動装置２０１及びモータ駆動システム３０１の小型化が可能となる。
車両のパワートレイン等の用途では、第１電源系統２１等の異常時にインバータ回路４及びモータ１００の出力を低減する運転継続（リンプホーム機能）が要求される。本実施形態によれば、第１電源系統２１の異常が検出される前よりも低い消費電力でインバータ回路４の制御が継続するので、第１電源系統２１の異常時にモータ１００の運転継続の時間を延長でき、リンプホーム機能の実現が容易になる。
切り替え回路３０は、例えば、第１電源系統２１の電源電圧ＶＬを監視し、電源電圧ＶＬの異常低下を第１電源系統２１の異常として検出する。これにより、第１電源系統２１の電源電圧ＶＬの異常低下が発生すると、当該異常低下が発生する前よりも消費電力が低い省電力モードで制御回路７はインバータ回路４の制御を継続するので、モータ１００の運転を比較的長期間継続できる。電源電圧ＶＬの異常低下の具体例として、補機バッテリ６の故障等による喪失（補機バッテリ６から制御装置１０１までの電源ハーネスの断線を含んでよい）などが挙げられる。
切り替え回路３０は、第１電源系統２１と第２電源系統２２との少なくとも一方から電力供給を受ける。これにより、切り替え回路３０は、第１電源系統２１の異常により第１電源系統２１からの電力供給が途絶えても、第２電源系統２２から供給される電力を利用して、制御回路７に電力を供給する電源系統を第１電源系統２１から第２電源系統２２に切り替えできる。
切り替え回路３０に電力を供給する電源系統は、第１電源系統２１の異常が検出されると、第１電源系統２１から第２電源系統２２に切り替わってもよい。これにより、切り替え回路３０は、第１電源系統２１から供給される電力を利用して、第１電源系統２１の異常の有無を監視できる。そして、切り替え回路３０は、第１電源系統２１の異常が検出されると、第２電源系統２２から供給される電力を利用して、制御回路７に電力を供給する電源系統を第１電源系統２１から第２電源系統２２に切り替えできる。
切り替え回路３０は、例えば、異常検出回路３３、第１スイッチ３１及び第２スイッチを有する。
異常検出回路３３は、第１電源系統２１又は第２電源系統２２から供給される電力を利用して、第１電源系統２１の異常の有無を監視する。異常検出回路３３は、第１電源系統２１の異常を検出すると、第１スイッチ３１をオフとし且つ第２スイッチ３２をオンとする。第１スイッチ３１のオフにより、第１電源系統２１と制御回路７との間の給電経路が遮断され、第２スイッチ３２のオンにより、第２電源系統２２と制御回路７との間の給電経路が接続される。これにより、第１電源系統２１の異常が検出されると、制御回路７に電力を供給する電源系統を、第１電源系統２１から第２電源系統２２に切り替えできる。
異常検出回路３３は、第１電源系統２１又は第２電源系統２２から供給される電力を利用して、第１電源系統２１の電源電圧ＶＬを監視してもよい。異常検出回路３３は、所定の閾値よりも低い電源電圧ＶＬを検出すると、第１スイッチ３１をオフとし且つ第２スイッチ３２をオンとする切り替え動作を行ってもよい。
第１電源系統２１の異常が検出される前の段階では、制御回路７の電源電圧Ｖｉｎは、第１電源系統２１から第１スイッチ３１を介して供給される電源電圧ＶＬとなる。第１電源系統２１の異常が検出された後の段階では、制御回路７の電源電圧Ｖｉｎは、第２電源系統２２から第２スイッチ３２を介して供給される電源電圧ＶＨとなる。
切り替え回路３０は、第１電源系統２１の異常が検出されると、制御回路７に電力を供給する電源系統を第１電源系統２１から第２電源系統２２に切り替えるとともに、第１電源系統２１の異常検出信号ＥＭを異常検出回路３３から出力する。異常検出信号ＥＭは、第１電源系統２１の異常が検出されたことを表す信号である。異常検出信号ＥＭは、制御回路７に供給される。制御回路７は、異常検出信号ＥＭの入力によって、第１電源系統２１の異常が検出されたことを認知する。制御回路７は、異常検出信号ＥＭが入力されると、当該異常が検出される前よりも消費電力が低い省電力モードでインバータ回路４の制御を継続する。
図１に示す例では、制御回路７は、モータ制御回路８とゲート駆動回路１２（１２ｕ，１２ｖ，１２ｗ，１２ｘ，１２ｙ，１２ｚ）を備える。
モータ制御回路８は、外部から供給されるトルク指令τ＊に従って、ゲート駆動回路１２ｕ，１２ｖ，１２ｗ，１２ｘ，１２ｙ，１２ｚに対する駆動指令Ｇｕ＿ＬＶ，Ｇｖ＿ＬＶ，Ｇｗ＿ＬＶ，Ｇｘ＿ＬＶ，Ｇｙ＿ＬＶ，Ｇｚ＿ＬＶを出力する。ゲート駆動回路に対する駆動指令は、例えば、パルス幅変調信号（ＰＷＭ信号）である。ゲート駆動回路１２ｕ，１２ｖ，１２ｗ，１２ｘ，１２ｙ，１２ｚは、自身に対応する駆動指令に従ってゲート駆動電圧Ｇｕ＿Ｏ，Ｇｖ＿Ｏ，Ｇｗ＿Ｏ，Ｇｘ＿Ｏ，Ｇｙ＿Ｏ，Ｇｚ＿Ｏを出力する。ゲート駆動回路１２ｕ，１２ｖ，１２ｗ，１２ｘ，１２ｙ，１２ｚは、ゲート駆動電圧Ｇｕ＿Ｏ，Ｇｖ＿Ｏ，Ｇｗ＿Ｏ，Ｇｘ＿Ｏ，Ｇｙ＿Ｏ，Ｇｚ＿Ｏによって、自身に対応するスイッチング素子ｕ，ｖ，ｗ，ｘ，ｙ，ｚのゲートを駆動する。これにより、トルク指令τ＊に対応するトルクを発生させる。
モータ制御回路８は、駆動指令Ｇｕ＿ＬＶ，Ｇｖ＿ＬＶ，Ｇｗ＿ＬＶ，Ｇｘ＿ＬＶ，Ｇｙ＿ＬＶ，Ｇｚ＿ＬＶの生成に、各相のモータ電流の検出値（ｉｕ＿ｄｅｔ，ｉｖ＿ｄｅｔ，ｉｗ＿ｄｅｔ）を使用してもよい。モータ制御回路８は、各相のモータ電流を検出する電流センサ１１ｕ，１１ｖ，１１ｗから、各相のモータ電流の検出値（ｉｕ＿ｄｅｔ，ｉｖ＿ｄｅｔ，ｉｗ＿ｄｅｔ）を取得する。
モータ制御回路８は、例えば、メモリとＣＰＵ（Central Processing Unit）等のプロセッサを有する。モータ制御回路８の機能は、メモリに記憶されたプログラムによってプロセッサが動作することで実現される。モータ制御回路８は、例えば、メモリとプロセッサを有するマイクロコンピュータである。
ゲート駆動回路１２ｕは、駆動指令Ｇｕ＿ＬＶに基づいてゲート駆動電圧Ｇｕ＿Ｏを出力するバッファ回路１０ｕと、バッファ回路１０ｕがゲート駆動電圧Ｇｕ＿Ｏを出力するために要するゲート電源電圧を生成するゲート電源回路９ｕとを有する。他のゲート駆動回路１２ｖ，１２ｗ，１２ｘ，１２ｙ，１２ｚも、ゲート駆動回路１２ｕと同様の構成を有し、バッファ回路１０ｖ，１０ｗ，１０ｘ，１０ｙ，１０ｚと、ゲート電源回路９ｕ，９ｖ，９ｗ，９ｘ，９ｙ，９ｚとを有する。
制御回路７は、第１電源系統２１の異常が検出されると、当該異常が検出される前よりも消費電力の低い変調方式でインバータ回路４の制御を継続してもよい。これにより、制御回路７は、第１電源系統２１の異常時に第２電源系統２２から制御回路７に供給される電力が低減するので、電源回路１５の電源容量を第１電源系統２１よりも小さくすることができる。このため、電源回路１５の小型化が可能となる。例えば、モータ制御回路８は、異常検出信号ＥＭが入力されると、異常検出信号ＥＭが入力される前よりも消費電力の低い変調方式でインバータ回路４の制御を継続する。
制御回路７のモータ制御回路８は、第１電源系統２１の異常が検出されると、当該異常が検出される前よりも周波数の低いパルス幅変調方式でインバータ回路４の制御を継続してもよい（制御方法１）。あるいは、制御回路７のモータ制御回路８は、第１電源系統２１の異常が検出されると、当該異常が検出される前よりも消費電力の低い二相変調方式でインバータ回路４の制御を継続してもよい（制御方法２）。制御方法２で制御する場合、モータ制御回路８は、第１電源系統２１の異常が検出されると、インバータ回路４の変調方式を、三相変調方式から二相変調方式に切り替える。
第２電源系統２２がゲート駆動回路１２に供給する電力Ｐは、
Ｐ＝Ｑｇ×Ｖｇ×ｎ／Ｔ ・・・式１
Ｑｇ：インバータ回路４のスイッチング素子のゲート容量
Ｖｇ：ゲート駆動電圧
Ｔ：インバータ回路４の出力電流の基本波の１周期
ｎ：インバータ回路４の出力電流の基本波の１周期におけるスイッチング回数
と表される。
式１によれば、単位時間あたりのスイッチング素子のスイッチング回数を減らすことで、第２電源系統２２からゲート駆動回路１２に供給される電力Ｐを低減できる。すなわち、ＰＷＭのキャリア周波数を低減する制御方法１又は二相変調を行う制御方法２を実行することで、単位時間あたりのスイッチング回数が低減するので、第２電源系統２２からゲート駆動回路１２に供給される電力Ｐを低減できる。
図２は、二相変調された電圧指令の一例である。二相変調方式は、ＰＷＭ制御において、変調波と比較される三相の信号波のうち、一相の信号波を１（ハイレベル）又は０（ローレベル）に固定し、残りの二相の信号波を変調する方式である。したがって、二相変調方式は、三相変調方式に比べて、単位時間当たりのスイッチング回数が減少するので、第２電源系統２２からゲート駆動回路１２に供給される電力Ｐを低減できる。
図１において、制御回路７は、第１電源系統２１の異常が検出されると、当該異常が検出される前よりも低いゲート電源電圧で複数のスイッチング素子ｕ，ｖ，ｗ，ｘ，ｙ，ｚのゲート駆動を継続してもよい（制御方法３）。上記の式１によれば、ゲート駆動電圧Ｖｇを下げることで、第２電源系統２２からゲート駆動回路１２に供給される電力Ｐを低減できる。したがって、制御回路７のゲート駆動回路１２は、当該異常が検出されると、複数のスイッチング素子ｕ，ｖ，ｗ，ｘ，ｙ，ｚのゲート駆動用のゲート電源電圧を当該異常が検出される前によりも低下させる。ゲート電源電圧が低下すると、ゲート駆動電圧Ｖｇも低下するので、第２電源系統２２からゲート駆動回路１２に供給される電力Ｐを低減できる。
制御方法３で制御する場合、モータ制御回路８は、第１電源系統２１の異常が検出されると（例えば、異常検出信号ＥＭの入力があると）、モータ１００の電流制限値又はトルク制限値を下げることが好ましい。一般的に、ゲート電源電圧、すなわちゲート駆動電圧を低下させることで、スイッチング素子ｕ，ｖ，ｗ，ｘ，ｙ，ｚの損失が増加しスイッチング素子温度が上昇する。このため、電流制限値又はトルク制限値を下げることで、スイッチング素子温度上昇を防止することができる。
図３は、ゲート駆動回路の第１構成例を示す図であり、複数のゲート駆動回路のうちの一つであるゲート駆動回路１２ｘを例示する。他のゲート駆動回路１２ｕ等も、ゲート駆動回路１２ｘと同様の構成を有する。ゲート駆動回路１２ｘは、入出力間の絶縁機能付きのバッファ回路１０ｘと、バッファ回路１０ｘの電源であるゲート電源回路９ｘとを有する。
ゲート電源回路９ｘは、この例では、フライバックコンバータで構成されている。ゲート電源回路９ｘは、その出力電圧を分圧し、フィードバック制御してゲート電源電圧Ｅｇｘを第１の値に調整する。バッファ回路１０ｘは、ゲート電源電圧Ｅｇｘをゲート駆動電圧Ｇｘ＿Ｏとしてインバータ回路４のスイッチング素子ｘのゲートに与える。ゲート電源回路９ｘは、異常検出信号ＥＭが入力されると、ゲート電源電圧Ｅｇｘを第１の値よりも低い第２の値に切り替える。これにより、ゲート駆動回路１２ｘは、第１電源系統２１の異常が検出されると、当該異常が検出される前よりも低いゲート電源電圧Ｅｇｘ（ゲート駆動電圧Ｇｘ＿Ｏ）でスイッチング素子ｘのゲート駆動を継続できる。
ゲート電源回路９ｘは、例えば、駆動制御ＩＣ９０、トランジスタ９１、トランス９２、ダイオード９３、キャパシタ９４、フィードバック回路９５、分圧回路９６及びスイッチ９７を有する。フィードバック回路９５は、コイル９５ａ，ダイオード９５ｂ及びキャパシタ９５ｃを有する。分圧回路９６は、直列に接続された複数の抵抗素子９６ａ，９６ｂ，９６ｃを有する。スイッチ９７は、抵抗素子９６ａをバイパス可能に抵抗素子９６ａに並列に接続されている。駆動制御ＩＣ９０は、トランジスタ９１を駆動するゲート信号を出力するゲート端子Ｇと、フィードバック回路９５から出力される電圧が分圧回路９６により抵抗分圧されることで得られたフィードバック電圧が入力されるフィードバック端子ＦＢとを有する。
駆動制御ＩＣ９０は、フィードバック電圧が基準電圧に維持されるようにトランジスタ９１を駆動することで、ゲート電源電圧Ｅｇｘを第１の値に調整する。異常検出信号ＥＭが入力されると、スイッチ９７がオンするので、分圧回路９６の分圧比が変化する。この例では、スイッチ９７がオフからオンに切り替わると、フィードバック電圧は上昇するので、駆動制御ＩＣ９０は、ゲート電源電圧Ｅｇｘが下げるようにトランジスタ９１を駆動する。これにより、ゲート電源回路９ｘは、異常検出信号ＥＭが入力されると、ゲート電源電圧Ｅｇｘを第１の値よりも低い第２の値に切り替えできる。
バッファ回路１０ｘは、入出力間を絶縁するためのフォトカプラ１３と、入力された駆動指令Ｇｘ＿ＬＶに応じてフォトカプラ１３から出力される信号によってゲート駆動電圧Ｇｘ＿Ｏを出力するコンプリメンタリ出力回路１４とを有する。バッファ回路１０ｘは、ゲート電源回路９ｘから供給されるゲート電源電圧Ｅｇｘを、コンプリメンタリ出力回路１４から出力されるハイレベルのゲート駆動電圧Ｇｘ＿Ｏとして出力する。
図４は、第２実施形態に係るモータ駆動システムの構成例を示す図である。第２実施形態において、第１実施形態と同様の構成及び効果についての説明は、上述の説明を援用することで省略又は簡略する。
モータ制御回路８は、異常検出信号ＥＭに基づき、電流制限値又はトルク制限値を下げる。モータ制御回路８は、異常検出信号ＥＭを受けると、三相のうちモータ電流の瞬時値の絶対値が最大の相を検出する。ゲート駆動回路１２は、その最大の相のスイッチング素子のゲートを第１ゲート電源電圧で駆動し、その最大の相とは異なる他の相のスイッチング素子のゲートを第１ゲート電源電圧よりも低い第２ゲート電源電圧で駆動する（制御方法４Ａ）。この場合、三相のうちの二相のゲート電源電圧は、常に、第１の値よりも低い第２の値となる。ゲート電源電圧が低下すると、ゲート駆動電圧Ｖｇも低下するので、上記の式１によれば、第２電源系統２２からゲート駆動回路１２に供給される電力Ｐを低減できる。
図５は、三相のうちモータ電流の瞬時値の絶対値が最大の相を検出する検出回路の一例を示す図である。モータ制御回路８は、図５に例示する検出回路８４で表現される検出機能を備える。検出回路８４は、絶対値回路８０、比較回路８１及び論理回路８２を有する。絶対値回路８０は、電流センサ１１ｕ，１１ｖ，１１ｗにより検出された各相のモータ電流の検出値（ｉｕ＿ｄｅｔ，ｉｖ＿ｄｅｔ，ｉｗ＿ｄｅｔ）の絶対値を演算することで、各相のモータ電流の瞬時値の絶対値を検知する。比較回路８１は、絶対値回路８０の出力が図示のように入力される複数のコンパレータ８１ａ，８１ｂ，８１ｃ，８１ｄ，８１ｅ，８１ｆを有する。論理回路８２は、コンパレータ８１ａ，８１ｂの各出力の論理積を出力する論理積回路８２ｕと、コンパレータ８１ｃ，８１ｄの各出力の論理積を出力する論理積回路８２ｖと、コンパレータ８１ｅ，８１ｆの各出力の論理積を出力する論理積回路８２ｗとを有する。論理回路８２の各論理積回路は、選択信号Ｕ＿ｓｅｌ，Ｖ＿ｓｅｌ，Ｗ＿ｓｅｌを出力する。検出回路８４は、このような構成を有することで、三相のうちモータ電流の瞬時値の絶対値が最大の相に対応する選択信号のレベルをハイレベルとし、それ以外の相に対応する選択信号のレベルをローレベルとする。
図６は、第２実施形態に係るモータ駆動システムの第１動作例を示す波形図である。モータ制御回路８は、各相のモータ電流の検出値（ｉｕ＿ｄｅｔ，ｉｖ＿ｄｅｔ，ｉｗ＿ｄｅｔ）に基づいて、三相のうちモータ電流の瞬時値の絶対値が最大の相を検出する。モータ制御回路８は、その最大の相に対応する選択信号Ｕ＿ｓｅｌ，Ｖ＿ｓｅｌ，Ｗ＿ｓｅｌのレベルをハイレベルにする。複数のゲート駆動回路１２のうち、ハイレベルの選択信号を受信した２つのゲート駆動回路（最大の相の上下アームのゲート駆動回路）は、ゲート電源電圧を第１の値とし、残りの４つのゲート駆動回路は、ゲート電源電圧を第１の値よりも低い第２の値とする（制御方法４Ａ）。
ゲート電源電圧が低下すると、ゲート駆動電圧Ｖｇも低下する。したがって、上記の式１によれば、制御方法４Ａで制御することで、第２電源系統２２からゲート駆動回路１２に供給される電力Ｐを低減できる。次に、この点について、図７及び図８を用いて、より詳細に説明する。
図７は、スイッチング素子のオン抵抗を説明するための図である。図８は、第２実施形態に係るモータ駆動システムの第１動作例とスイッチング素子のゲート駆動電圧とスイッチング素子のオン抵抗との関係を例示する図である。ゲートオン状態におけるスイッチング素子は、オン抵抗値（Ｒｏｎ）を有する抵抗素子とみなすことができる（図７）。図８において、第１のゲート電圧（Ｖｇ１）を印加した条件でのオン抵抗値をＲＯＮ１、Ｖｇ１より低い第２のゲート電圧Ｖｇ２（Ｖｇ１＞Ｖｇ２）を印加した条件でのオン抵抗値をＲＯＮ２とする。一般的に、半導体スイッチング素子は、ＲＯＮ１がＲＯＮ２よりも小さい特性を有する。一方、正弦波電流（Ｉｕ・sinθ）が抵抗素子に通流することで発生する瞬時損失ｄθＰＲＯＮは、
ｄθＰＲＯＮ＝（Ｉｕ・sinθ）２・ｄθ・Ｒｏｎ ・・・式２
となる。この式からわかるように、瞬時損失は、正弦波電流の瞬時値（瞬時電流）の２乗に比例する。
次に、図８に示すように、Ｕ相電流に着目すると、Ｕ相電流の瞬時値の絶対値は、（１／３）π～（２／３）π及び（４／３）π～（５／３）πの特定の期間で、全相の電流の瞬時値の絶対値のうちで最大となる。
したがって、これらの特定の期間のみＶｇ１で駆動することで、全期間においてＶｇ２で駆動する場合に比べて、平均損失を効果的に低減しつつ、第２電源系統２２からゲート駆動回路１２に供給される電力Ｐ（式１参照）を低減できる。Ｖ相及びＷ相についても同様である。
次に、図４に示す第２実施形態において、別の動作例について説明する。
モータ制御回路８は、異常検出信号ＥＭに基づき、電流制限値又はトルク制限値を下げる。モータ制御回路８は、異常検出信号ＥＭを受けると、三相のうちモータ電流の瞬時値の絶対値が最小の相を検出する。ゲート駆動回路１２は、その最小の相のスイッチング素子のゲートを第２ゲート電源電圧で駆動し、その最小の相とは異なる他の相のスイッチング素子のゲートを第２ゲート電源電圧よりも高い第１ゲート電源電圧で駆動する（制御方法４Ｂ）。この場合、三相のうちの一相のゲート電源電圧は、常に、第１の値よりも低い第２の値となる。ゲート電源電圧が低下すると、ゲート駆動電圧Ｖｇも低下するので、上記の式１によれば、第２電源系統２２からゲート駆動回路１２に供給される電力Ｐを低減できる。
図９は、三相のうちモータ電流の瞬時値の絶対値が最小の相を検出する検出回路の一例を示す図である。モータ制御回路８は、図９に例示する検出回路８５で表現される検出機能を備える。検出回路８５は、絶対値回路８０、比較回路８１及び論理回路８２を有する。図９に示す検出回路８５は、論理回路８２が反転回路８３ｕ，８３ｖ，８３ｗを更に備える点で、図５に示す検出回路８４と相違する。反転回路８３ｕ，８３ｖ，８３ｗは、それぞれ、対応する論理積回路８２ｕ，８２ｖ，８２ｗのレベルを反転させた選択信号Ｕ＿ｓｅｌ，Ｖ＿ｓｅｌ，Ｗ＿ｓｅｌを出力する。検出回路８５は、このような構成を有することで、三相のうちモータ電流の瞬時値の絶対値が最小の相に対応する選択信号のレベルをローレベルとし、それ以外の相に対応する選択信号のレベルをハイレベルとする。
図１０は、第２実施形態に係るモータ駆動システムの第２動作例を示す波形図である。モータ制御回路８は、各相のモータ電流の検出値（ｉｕ＿ｄｅｔ，ｉｖ＿ｄｅｔ，ｉｗ＿ｄｅｔ）に基づいて、三相のうちモータ電流の瞬時値の絶対値が最小の相を検出する。モータ制御回路８は、その最小の相に対応する選択信号Ｕ＿ｓｅｌ，Ｖ＿ｓｅｌ，Ｗ＿ｓｅｌのレベルをローレベルにする。複数のゲート駆動回路１２のうち、ローレベルの選択信号を受信した２つのゲート駆動回路（最小の相の上下アームのゲート駆動回路）は、ゲート電源電圧を第２の値とし、残りの４つのゲート駆動回路は、ゲート電源電圧を第２の値よりも高い第１の値とする（制御方法４Ｂ）。
ゲート電源電圧が低下すると、ゲート駆動電圧Ｖｇも低下する。したがって、上記の式１によれば、制御方法４Ｂで制御することで、第２電源系統２２からゲート駆動回路１２に供給される電力Ｐを低減できる。より詳しくは、特定の期間のみＶｇ１で駆動することで、全期間においてＶｇ２で駆動する場合に比べて、平均損失を効果的に低減しつつ、第２電源系統２２からゲート駆動回路１２に供給される電力Ｐ（式１参照）を低減できる。
図１１は、第３実施形態に係るモータ駆動システムの構成例を示す図である。第３実施形態において、第１及び第２実施形態と同様の構成及び効果についての説明は、上述の説明を援用することで省略又は簡略する。
第３実施形態では、複数のスイッチング素子ｕ，ｖ，ｗ，ｘ，ｙ，ｚは、それぞれ、並列に接続された複数のスイッチ素子により構成された素子である。この例では、スイッチング素子ｕは、並列に接続された複数のスイッチ素子ｕ１，ｕ２により構成されている。複数のスイッチ素子ｕ１，ｕ２は、互いに同じ構成を有する。他のスイッチング素子ｖ，ｗ，ｘ，ｙ，ｚも、スイッチング素子ｕと同じ構成を有する。スイッチング素子ｖは、複数のスイッチ素子ｖ１，ｖ２により構成され、スイッチング素子ｗは、複数のスイッチ素子ｗ１，ｗ２により構成される。スイッチング素子ｘは、複数のスイッチ素子ｘ１，ｘ２により構成され、スイッチング素子ｙは、複数のスイッチ素子ｙ１，ｙ２により構成され、スイッチング素子ｚは、複数のスイッチ素子ｚ１，ｚ２により構成される。
モータ制御回路８は、異常検出信号ＥＭに基づき、電流制限値又はトルク制限値を下げる。モータ制御回路８は、異常検出信号ＥＭを受けると、複数のスイッチング素子ｕ，ｖ，ｗ，ｘ，ｙ，ｚのそれぞれにおいて、並列の複数のスイッチ素子のうち、一つ以上の一部のスイッチ素子をオフとした状態で残りのスイッチ素子をスイッチングする（制御方法５Ａ）。スイッチング素子の並列駆動数を減らすことで、上記の式１のＱｇが低減するので、第２電源系統２２からゲート駆動回路１２に供給される電力Ｐを低減できる。
図１２は、ゲート駆動回路の第２構成例を示す図である。複数のゲート駆動回路のうちの一つであるゲート駆動回路１２ｘを例示する。他のゲート駆動回路１２ｕ等も、ゲート駆動回路１２ｘと同様の構成を有する。ゲート駆動回路１２ｘは、入出力間の絶縁機能付きのバッファ回路１０ｘと、バッファ回路１０ｘの電源であるゲート電源回路９ｘとを有する。図１２に示すゲート駆動回路１２ｘは、スイッチ１６を有する点で、図３に示すゲート駆動回路１２ｘと相違する。また、図１２の構成は、図３に示すスイッチ９７及び抵抗素子９６ａが無い点で、図３の構成と相違する。
図１２において、異常検出信号ＥＭが入力されると、バッファ回路１０ｘからスイッチ素子ｘ２のゲートへのゲート駆動電圧Ｇｘ２＿Ｏの供給がスイッチ１６により遮断される。これにより、スイッチ素子ｘ２はオフに固定されるのに対し、スイッチ素子ｘ１は、ゲート駆動電圧Ｇｘ１＿Ｏに従ってオン又はオフ（スイッチング）する。したがって、制御方法５Ａによれば、スイッチング素子の並列駆動数が減るので、第２電源系統２２からゲート駆動回路１２に供給される電力Ｐを低減できる。
制御方法５Ａは、全相の一部のスイッチ素子を一律にオフに固定するのではなく、特定の一部の相のスイッチ素子をオフに固定してもよい。例えば、オフに固定する一部のスイッチ素子は、並列の複数のスイッチ素子のうち、モータ電流の瞬時値の絶対値が最大の相とは異なる相のスイッチ素子でもよい（制御方法５Ｂ）。または、オフに固定する一部のスイッチ素子は、並列の複数のスイッチ素子のうち、モータ電流の瞬時値の絶対値が最小の相のスイッチ素子でもよい（制御方法５Ｃ）。制御方法５Ｂ又は５Ｃによれば、全相の一部のスイッチ相を一律にオフに固定する制御方法５Ａに比べて、平均損失を効果的に低減しつつ、第２電源系統２２からゲート駆動回路１２に供給される電力Ｐ（式１参照）を低減できる。
以上、実施形態を説明したが、本開示の技術は上記の実施形態に限定されない。他の実施形態の一部又は全部との組み合わせや置換などの種々の変形及び改良が可能である。
例えば、制御回路７は、上述の複数の制御方法のうち、少なくとも一部の制御方法を組み合わせて実行してもよい。また、モータ１００は、車両用モータに限られず、エレベータ用などの他の産業用モータでもよい。
１ 主バッテリ
２ 主開閉器
３ コンデンサ
４ インバータ回路
５ｐ，５ｎ 直流母線
６ 補機バッテリ
７ 制御回路
８ モータ制御回路
９ｕ，９ｖ，９ｗ，９ｘ，９ｙ，９ｚ ゲート電源回路
１０ｕ，１０ｖ，１０ｗ，１０ｘ，１０ｙ，１０ｚ バッファ回路
１１ｕ，１１ｖ，１１ｗ 電流センサ
１２ｕ，１２ｖ，１２ｗ，１２ｘ，１２ｙ，１２ｚ ゲート駆動回路
１３ フォトカプラ
１４ コンプリメンタリ出力回路
１５ 電源回路
１６ スイッチ
２１ 第１電源系統
２２ 第２電源系統
３０ 切り替え回路
３１ 第１スイッチ
３２ 第２スイッチ
３３ 異常検出回路
８４，８５ 検出回路
１００ モータ
１０１，１０２，１０３ 制御装置
２０１，２０２，２０３ モータ駆動装置
３０１，３０２，３０３ モータ駆動システム
ｕ，ｖ，ｗ，ｘ，ｙ，ｚ スイッチング素子
ｕ１，ｖ１，ｗ１，ｘ１，ｙ１，ｚ１ スイッチ素子
ｕ２，ｖ２，ｗ２，ｘ２，ｙ２，ｚ２ スイッチ素子

Claims (6)

  1. 直流母線間の複数のスイッチング素子によりモータを駆動するインバータ回路を制御する制御回路と、
    前記直流母線とは異なる電圧源を電源とする第１電源系統と、
    前記直流母線を電源とする第２電源系統と、
    前記第１電源系統の異常を検出すると、前記制御回路に電力を供給する電源系統を前記第１電源系統から前記第２電源系統に切り替える切り替え回路と、を備え、
    前記制御回路は、前記異常が検出されると、前記異常が検出される前よりも低い消費電力で前記インバータ回路の制御を継続する回路であり、
    前記制御回路は、前記異常が検出されると、前記異常が検出される前よりも低いゲート電源電圧で前記複数のスイッチング素子のゲート駆動を継続する、制御装置。
  2. 前記制御回路は、前記異常が検出されると、前記インバータ回路と前記モータとの間に流れる電流の瞬時値の絶対値が最大の相のスイッチング素子のゲートを第１ゲート電源電圧で駆動し、且つ、前記最大の相とは異なる相のスイッチング素子のゲートを前記第１ゲート電源電圧よりも低い第２ゲート電源電圧で駆動する、請求項１に記載の制御装置。
  3. 前記制御回路は、前記異常が検出されると、前記インバータ回路と前記モータとの間に流れる電流の瞬時値の絶対値が最小の相のスイッチング素子のゲートを第２ゲート電源電圧で駆動し、且つ、前記最小の相とは異なる相のスイッチング素子のゲートを前記第２ゲート電源電圧よりも高い第１ゲート電源電圧で駆動する、請求項１に記載の制御装置。
  4. 請求項１から３のいずれか一項に記載の制御装置と、前記インバータ回路と、を備える、モータ駆動装置。
  5. 請求項４に記載のモータ駆動装置と、前記モータと、を備える、モータ駆動システム。
  6. 前記モータは、車両の走行に使用されるモータである、請求項５に記載のモータ駆動システム。
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