JP3889450B2 - 並列型ｍｏｓｆｅｔパワー回路における電流センスｍｏｓｆｅｔ - Google Patents

Description

産業上の利用分野
本発明は、複数の並列なＭＯＳＦＥＴを利用して高レベルの電流を処理し、また、これらのＭＯＳＦＥＴを過電流状態から保護することを目的としてその電流を検出するような手段を必要とする、パワーエレクトロニクスに関する。特に、本発明は、三相永久磁石モータを駆動するために使用される三相ブラシ無しモータコントローラの使用に関する。
発明の背景
パワーエレクトロニクス回路における過電流保護は、デバイスの電流を最大許容動作限界よりも大きくしてしまうような故障若しくは他の状態の場合に、パワー半導体に対する損傷を防ぐために、しばしば必要とされる。この保護を与える多くの異なる方法が過去に開発され使用されてきたが、これらの方法には各々、限界がある。
低電流回路では、ＭＯＳＦＥＴを通じて流れる電流は「分路抵抗器」を通過するのであるが、この分路抵抗器は、ＭＯＳＦＥＴにおける電流を表す電圧をその両端にわたって生じさせる。この電圧はその後、センス（検出）されて、ＭＯＳＦＥＴ若しくは回路最大安全動作レベルを超過するような電流の場合にＭＯＳＦＥＴをターンオフするために使用される。デバイスの電流が増加するにつれ、分路抵抗器の電力損は、その電流の２乗、即ち、
Ｐ＝Ｉ²＊Ｒ
で増加し、ついには、分路抵抗器の使用を、熱の形で放散されなければならないような最大のパワーによって不能としてしまう、あるレベルに達する。電流センス抵抗器の抵抗は電力損を減少させるために低くされ得るが、パワーセンス抵抗器の両端にわたって生成される電圧は、ついには、回路のノイズレベルと同じ大きさとなり、使用不能となる。分路抵抗器を使用することによる他の欠点は、それがパワー回路の寄生インダクタンスに加わって、ＭＯＳＦＥＴのターンオンおよびターンオフ中に、より高い電圧スパイクを生じさせ、それらの有用な動作限界を減少させてしまうことである。
非常に高電流の場合の、他の電流センス方法は、ホール効果電流センスデバイス、若しくは、電流変成器のいずれかを使用することである。これらの方法はともに、扱いにくく、コストがかかり、また、製品の製造の容易さおよび信頼性を減少させる。
発明の概要
本発明の理解を助けるために、本質の概略を述べるとすれば、本発明は、電流を制御し供給する複数の並列型のＭＯＳＦＥＴを含んだＭＯＳＦＥＴ回路に関するということができる。幾つかの並列型のＭＯＳＦＥＴは、平行・比例センス電流を表すセンスパッドを用いて構成される。このＭＯＳＦＥＴパワー回路は、例えば、ガスタービンや電気モータおよびターボチャージング圧縮器を備える構造体の電気モータを駆動するための、三相出力を有する。
したがって、本発明の目的および利点は、電流センスＭＯＳＦＥＴを組み入れたパワー回路を提供することであり、ここでの電流センサの出力は、三相モータ回路を制御するために接続されている。
本発明の他の目的は、並列型ＭＯＳＦＥＴパワー回路の電流センスＭＯＳＦＥＴを提供することであり、これは、装填用圧縮器のための電気モータを駆動し制御するために接続されており、必要とされたときに内燃機関に装填空気を供給し、その一方、モータ電流を安全なレベルに制限する。
本発明の他の目的および利点は、並列型ＭＯＳＦＥＴパワー回路の電流センスＭＯＳＦＥＴを提出することであって、これは、排気ガスタービン・電気モータ内燃機関装填用圧縮器の電気モータにおける電気モータを駆動し制御するために接続されており、必要とされたときには内燃機関装填空気を供給するが、モータを安全なレベルに制限する。
新規であると思われる本発明の特徴を、特に、添付クレームで述べている。本発明は、その構成および動作方法の双方に関して、本発明の他の目的および利点とともに、添付図面を考慮して以下の記述を参照することによって、確実に理解することができる。
【図面の簡単な説明】
図１は、コントローラとモータの組み合わせの略図である。
図２は、三相永久磁石モータのために三相巻線に並列に接続された複数のＭＯＳＦＥＴを示す略図である。
図３は、電流センスパッドを有するＭＯＳＦＥＴの略図である。
図４は、モータコントローラへ入力するために複数の電流センス信号を結合することを示した電気略図である。
発明の実施の形態
図１に示すコントローラ１０はパワー入力１２、１４を有する。このコントローラは、車両に搭載されたモータ１６を制御するものであることを考慮すれば、パワー入力は直流になりそうである。しかしながら、本発明の回路は他の用途にも有用であり、したがって、適当なパワーコンディショニングを用いるときは、交流入力を有してもよい。モータ１６は、永久磁石回転子２４の周囲に回転磁界を生成するためにパワーを受ける。それらの相巻線には、ライン２６、２８、および３０によってコントローラからパワーが供給される。それらの相巻線をデルタ−接続することもできるが、それらはｗｙｅ−接続されている。ライン３４は、このタイプのモータのための従来のモータ位置センサからコントローラ１０へ戻るようなモータ位置センサを表しているが、センサなしモータを使用できることも理解されよう。コントローラは、モータ１６を管理するための複数の入力を有する。３つの主入力は、伝送状態ライン３６、スロットル位置ライン３８、およびイネーブルライン４０である。イネーブルライン４０によってオペレータはコントローラ１０をターンオンしたりターンオフすることができる。オフ位置では、モータ１６にパワーは与えられない。オン位置では、コントローラ１０は、伝送状態およびスロットル位置を含む他の入力の動作にしたがって、モータ１６にパワーを与える。
図２を参照する。ここに示されているように、表示された複数のブロックは、ＭＯＳＦＥＴの略図の反復を避けるために、明確のため、および、説明の便宜のために使用される。このように、３つのＭＯＳＦＥＴ４２、４４、４６から成る１つのセット４１が、パワーライン１２とフェーズ（相）ライン２８の間に接続されていることが分かる。ＭＯＳＦＥＴのセット４１におけるＭＯＳＦＥＴ４２、４４、４６は、フェーズライン２８にパワーを供給するために並列に作用する。同様に、３つのＭＯＳＦＥＴ４８、５０、５２から成る１つのセット４７が、フェーズライン２８にパワーを供給するために、パワーライン１４とフェーズライン２８の間に接続されている。ＭＯＳＦＥＴ４２、４４、４６、５０および５２は、同じであって、交流出力周波数を制御するためにコントローラにて接続された自身のゲートラインを有する。ゲートライン５４はＭＯＳＦＥＴ４８について示されている。他のゲートラインは同様である。セット４１と同じＭＯＳＦＥＴのセット５６が、パワーライン１２とパワーフェーズライン２６の間に接続されている。セット４７と同じＭＯＳＦＥＴのセット５８が、パワーライン１４とパワーフェーズライン２６に接続されている。セット４１若しくはセット５６と同じＭＯＳＦＥＴのセット６０が、パワーライン１２とパワーフェーズライン３０に接続されている。セット４７若しくはセット５８と同じＭＯＳＦＥＴのセット６２が、パワーライン１４とパワーフェーズライン３０に接続されている。ＭＯＳＦＥＴは各々、１つのゲートラインを有しており、これらのゲートラインはすべて、コントローラに接続されていることから、セットは各々、適当な周波数と継続時間で、モータ１６に回転三相フィールドを生成するために通電する。フィールドの回転レートは、ゲート制御によって制御される。ＭＯＳＦＥＴは各々、複数のパッドと電流経路を有していることから、ＭＯＳＦＥＴは各々、複数の経路を表す。効率よく簡単で確実且つ安価な方法で交流フィールドを与えるため、十分な数を並列に動作させて、適当な総電流を供給することができる。電流要求に必要とされるのと同じくらい多数の並列接続されたＭＯＳＦＥＴを使用することができる。
ＭＯＳＦＥＴ４８は、セット４１、４７におけるその仲間のＭＯＳＦＥＴとは異なる。同様に、ＭＯＳＦＥＴ６４，６６も、それらの仲間である並列接続されたＭＯＳＦＥＴとは異なる。ＭＯＳＦＥＴ４８、６４、６６は、電流センスＭＯＳＦＥＴである。電流センスＭＯＳＦＥＴは、パワーデバイスやセンスデバイスと一般に呼ばれる隔離された複数のソースを有した２つの並列型ＭＯＳＦＥＴから成る。「パワーデバイスにおける電流」に対する「センスデバイスにおける電流」の比は、それぞれ、各デバイスにおけるセルの数の比にほぼ等しい。
ＭＯＳＦＥＴ４８は、図３により詳細に示されている。ダイは、並列に作用する多数のトランジスタセルを用いて作られている。このデバイスがオン状態であるとき、電流は、各セルの端部周囲の狭いチャネル領域を通じて、ドレインからソースへ流れる。電流はチャネル領域の多数キャリヤによって運搬されることから、ドレイン電流は、複数のセル同士の間で、比較的均一に分配され、同じタイプのデバイス間ではほとんど変わらない。故に、ドレイン電流は、少数のセルを通過する電流を測定し、ある特定のデバイスタイプについて知られているスケーリングファクタ（係数逓減率）をそれに掛け算することによって決定することができる。センスセルのソース領域は、隔離された金属被覆（メタリゼーション）で覆われており、この金属被覆は、別々のボンディングパッドとボンディングワイヤによって外部ピンに接続されており、「センス端子」と呼ばれＣＳの表示が付されている。センスリード６８が図３に示されている。主要なセルのソース金属被覆に対して、別々のボンディングワイヤによって２つの端子接続がなされている。これらは、図３に示された、ライン１４に接続されているような、パワーソースピンと、ケルビンソースピン７０である。実際のところ、このデバイスは、ソース１４、７０を有する２つの並列型ＭＯＳＦＥＴから成る。この並列型ＭＯＳＦＥＴは、一般に、パワーデバイス、センスデバイスと呼ばれ、ともに同じチップ上に存在する。この組み合わせのキーパラメータは、電流・センス比である。これは、ソースピンにおける電流とセンスピンにおける電流の間の比である。全てのセルが等しいエンハンスメントでありソース金属被覆が完全であるといった理想的な状態では、電流・センス比は、センスデバイスにおけるセルの数に対するパワーデバイスにおけるセルの数の比であり、実際のところ、この比はかなり正確である。
電流測定の正確さは、パワーデバイスとセンスデバイスの間の電流の分割をだめにしてしまうような幾つかの寄生抵抗素子により、いくらか質が下がってしまう。実効金属被覆抵抗を最小とするため、ケルビンコンタクト７０は、電流センスＣＳピンに近接して、ダイの中央に位置づけられている。実効寄生抵抗は、ケルビンピン信号を仲間の演算増幅器の非反転入力へ戻すことにより、この反転入力に接続されたセンスＣＳ端子が、寄生抵抗における降下に近づくような電圧降下によって、グラウンドよりも上に上昇されるようにして補償され得る。更に、非常に高速の切り替えが必要される本発明のパワー回路では、ケルビンコンタクトは、切り替え速度における主な制限の１つである共通ソースインダクタンスをバイパスする有用な方法を与える。ドレイン回路にもゲート回路にも共通のインダクタンスが、ゲート駆動回路へのフィードバックを確立する。通常の回路では、この電圧は、正味に利用できるゲート電圧を減少させ、切り替えの速度を遅くする。
図４に示されているように、ＣＳセンスリード６８と、ケルビンソースＫＳリード７０は、演算増幅器７２に付与される。ＭＯＳＦＥＴ６４からの対応リードは、演算増幅器７４に付与され、ＭＯＳＦＥＴ６６からの対応リードは、演算増幅器７６へ付与される。ＣＳセンスデバイスにおける電流は、センスデバイスとパワーデバイスの双方における総電流を表す電圧へ変換され得る。図４の３つの演算増幅器は各々、各センス−ＦＥＴにおけるＣＳセンスデバイス電流を代表電圧へ変換するような電流対電圧変換器として機能する。電流対電圧変換器はまた、高周波ノイズの問題を取り除くために一次フィルタを含む。
１つのセンス−ＦＥＴ（若しくは、１つのセンス−ＦＥＴ４８を含むセット４１、４７のような並列ＭＯＳＦＥＴセットのグループ）は、同時にターンオンされる。しかしながら、モータ１６は誘導的であることから、（正のパワーバス１２に接続された）１つのトランジスタグループがターンオフしたとき、モータの電流は、同じトランジスタ極の（負のバス１４に接続された）「より低いＭＯＳＦＥＴグループ」の固有ダイオーズを通じて、一瞬、流れ続ける。これによって、その特定の「より低いＭＯＳＦＥＴグループ」のセンス−ＦＥＴにおけるセンスデバイス電流を、通常とは反対の方向に通電させることができ、最終の加算増幅器の総出力に影響を与える。
これら３つのオペアンプ７２、７４、７６の各々の出力におけるダイオード７８、８０、８２はそれぞれ、信号を整流して負の出力のみを許し、センス−ＦＥＴのセンスデバイスにおいて誤った方向に流れる電流の影響を取り除く。
図４の演算増幅器８４は、加算増幅器として機能するものであり、この演算増幅器８４は、電流対電圧変換器の出力同士を加算して、スイッチ８８に対するライン８６における単一信号とする。この単一信号は、１つのセンス−ＦＥＴを含んだ並列ＭＯＳＦＥＴの３つのグループのいずれかに流れる瞬時電流の合計を判断するために使用される。図４に示された回路は、センス−ＦＥＴ出力を処理して、並列型ＭＯＳＦＥＴグループの３つのセットのいずれかにおける、どうような瞬間における、最大電流をも表す電圧を、ライン８６に発生する。この信号はその後、電流が所定の最大安全動作レベルを超過したとき、ＭＯＳＦＥＴに対するゲートソース電圧をターンオフするために、コントローラ１０内でスイッチ８８に対するフィードバックとして用いられる。
本発明は現時点で最良と思われるもので説明したが、当業者の能力の範囲内で、また、発明能力を働かせることなく、多くの変更、形式、および実施形態が可能である。故に、本発明の範囲は以下の添付クレームの範囲によって定められる。

Claims (14)

1. パワー回路において、
   エレクトリックパワー回路における電流を制御するために並列接続された複数のＭＯＳＦＥＴを備えており、これらのＭＯＳＦＥＴは各々、前記パワー回路にて接続されたドレインとパワーソースを有し、また、これらのＭＯＳＦＥＴは各々、電流の流れを制御するゲートを自身に有しており、
   前記複数のＭＯＳＦＥＴのうちの１つのＭＯＳＦＥＴだけが、前記並列接続された複数のＭＯＳＦＥＴのすべてを通ずる電流の流れを表すために、前記１つのＭＯＳＦＥＴにおける電流の流れを検出するための別々に金属被覆されたセンスパッドを有しており、
   前記パワー回路は更に、
   前記ゲートに接続され、且つ、前記別々に金属被覆されたセンスパッドに接続された回路を備えており、前記回路は、前記センスパッドからの信号に応答して、前記複数のＭＯＳＦＥＴにおいてＭＯＳＦＥＴ電流を制限するためにＭＯＳＦＥＴゲートを動作させる、ことを特徴とする回路。
2. 請求項１記載の回路において、前記１つのＭＯＳＦＥＴは別々のケルビン金属被覆を有する回路。
3. 請求項２記載のパワー回路において、前記ケルビン金属被覆は、前記ＭＯＳＦＥＴの前記ゲートを制御するために、更に信号を与えるよう前記回路に結合されているパワー回路。
4. 三相モータを制御するパワー回路において、
   直流のソースと、
   前記直流のソースに接続された、並列接続された複数のＭＯＳＦＥＴの第１、第２、および第３セットと、
   第１、第２、および第３フェーズラインであって、前記ＭＯＳＦＥＴの前記第１、第２、および第３セットはそれぞれ、前記ＭＯＳＦＥＴの１つのセットのエネルギー供給がその対応するフェーズラインを付勢するように、前記第１、第２、および第３フェーズラインに接続されている、前記第１、第２、および第３フェーズラインと、を備えており、
   前記並列接続されたＭＯＳＦＥＴのセットは各々、複数の個別のＭＯＳＦＥＴを備えており、前記個別のＭＯＳＦＥＴは各々、ドレイン、パワーソース、およびゲートを有し、１つのセットにおける前記個別のＭＯＳＦＥＴの前記ゲートは、互いに接続されており、
   前記ＭＯＳＦＥＴのセットの各々における、１つのＭＯＳＦＥＴだけが、別々に金属被覆された電流・センスパッドも有しており、この電流・センスパッドは、ＭＯＳＦＥＴのある１つのセットの、前記並列接続されたＭＯＳＦＥＴのすべてにおける、電流の流れを表すものであり、前記電流・センスパッドは、最大ＭＯＳＦＥＴ電流を制限するために、前記ＭＯＳＦＥＴのセットの前記ゲートの全てを制御するために結合されている、ことを特徴とするパワー回路。
5. 請求項４記載のパワー回路において、三相モータが、第１、第２、および第３フェーズラインに接続されており、前記三相モータは、内燃機関のための空気装填圧縮器を駆動することができるパワー回路。
6. 請求項５記載のパワー回路において、前記ＭＯＳＦＥＴの３つのセットの各々における、前記ＭＯＳＦＥＴの前記ゲートは、コントローラに接続されており、該コントローラは、スロットル信号を受け取り、このスロットル信号に応答して、前記三相モータと空気装填圧縮器を駆動するため、前記ゲートと前記ＭＯＳＦＥＴの動作を制御して第１、第２、および第３フェーズラインにパワーを与えるパワー回路。
7. 請求項４記載のパワー回路において、更に、金属被覆されたケルビン部分を含むパワー回路。
8. 三相モータを制御するパワー回路において、
   直流のソースと、
   前記直流のソースに接続された、並列接続された複数のＭＯＳＦＥＴの第１、第２、および第３セットと、
   第１、第２、および第３フェーズラインであって、前記ＭＯＳＦＥＴの前記第１、第２、および第３セットはそれぞれ、前記ＭＯＳＦＥＴの１つのセットのエネルギー供給がその対応するフェーズラインを付勢するように、前記第１、第２、および第３フェーズラインに接続されている、前記第１、第２、および第３フェーズラインと、
   を備えており、
   前記並列接続されたＭＯＳＦＥＴのセットは各々、複数の個別のＭＯＳＦＥＴを備えており、前記個別のＭＯＳＦＥＴは各々、ドレイン、パワーソース、およびゲートを有し、１つのセットにおける前記個別のＭＯＳＦＥＴの前記ゲートは、互いに接続されており、
   前記ＭＯＳＦＥＴのセットの各々における、１つの個別のＭＯＳＦＥＴだけが、別々に金属被覆された電流・センスパッドと、別々に金属被覆されたケルビンソース部分とを有しており、前記電流・センスパッドは、ＭＯＳＦＥＴのある１つのセットの、前記並列接続されたＭＯＳＦＥＴのすべてにおける、電流の流れを表すものであり、
   前記並列接続された複数のＭＯＳＦＥＴの前記第１、第２、および第３セットについての、前記電流センス部分と前記ケルビンソース部分はそれぞれ、第１、第２、および第３演算増幅器に接続されており、前記第１、第２、および第３演算増幅器は、過電流出力を表す出力を生成するために互いに接続されており、前記出力は、前記並列接続されたＭＯＳＦＥＴの前記第１、第２、および第３セットの各々におけるＭＯＳＦＥＴ電流を安全な値に制限するため、前記ＭＯＳＦＥＴゲートに戻すように結合されるパワー回路。
9. 請求項８記載のパワー回路において、三相モータは、前記第１、第２、および第３フェーズラインに接続されており、前記三相モータは、内燃機関のために設けられる装填空気圧縮器を駆動することができるパワー回路。
10. 請求項１記載のパワー回路において、前記回路は、前記センスパッドに接続された電流対電圧変換部分と、前記ＭＯＳＦＥＴゲートをターンオフするために前記電流対電圧変換部分によって動作されるスイッチ部分とを備えるパワー回路。
11. 請求項１０記載のパワー回路において、前記電流対電圧部分は、前記スイッチ部分に接続された出力を有する演算増幅器を備えるパワー回路。
12. 請求項１１記載のパワー回路において更に、前記演算増幅器の出力と前記回路のスイッチ部分との間に接続されたブロッキングダイオードを備えるパワー回路。
13. 請求項３記載のパワー回路において、前記回路は、前記センスパッドと前記ケルビン金属被覆に接続された電流対電圧変換部分と、前記センスパッドと前記ケルビン金属被覆からの信号に応答して前記電流対電圧部分によって動作されるスイッチ部分と、を備えるパワー回路。
14. 請求項１３記載のパワー回路において、前記電流対電圧変換器は、演算増幅器であり、この演算増幅器は、その反転入力に接続されたセンスパッドと、その非反転入力に接続されたケルビン金属被覆を有し、その出力と反転入力とは、高周波フィルタリングを与えるために接続されている、パワー回路。

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