JP4433737B2

JP4433737B2 - 電動機駆動回路

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Publication number: JP4433737B2
Application number: JP2003324073A
Authority: JP
Inventors: 政彦遠藤
Original assignee: Kokusan Denki Co Ltd
Current assignee: Kokusan Denki Co Ltd
Priority date: 2003-09-17
Filing date: 2003-09-17
Publication date: 2010-03-17
Anticipated expiration: 2023-09-17
Also published as: JP2005094904A

Description

本発明は、バッテリ等の直流電源からインバータ回路を通してブラシレス直流電動機などの電動機に駆動電流を供給して該電動機を駆動する電動機駆動回路に関するものである。

ブラシレス直流電動機は、磁石界磁を有するロータと、多相の電機子コイルを有するステータと、ステータ側でロータの磁極の極性を検出することによりロータの回転角度位置を検出する位置センサと、直流電源と電機子コイルとの間に設けられたインバータ回路と、ロータを所定の回転方向に回転させるように、直流電源からインバータ回路を通して所定の順序で転流する駆動電流を多相の電機子コイルに流すべく、位置センサにより検出されるロータの回転角度位置に応じて、インバータ回路を制御するコントローラとにより構成される。

ブラシレス直流電動機に用いるインバータ回路としては、特許文献１に示されているように、駆動信号が与えられたときにオン状態になる上アームのスイッチ及び下アームのスイッチの直列回路からなるスイッチアームを１対の直流電圧入力端子間に複数個並列に接続した構成を有して、複数のスイッチアームのそれぞれのスイッチどうしの接続点から引き出された複数の出力端子がそれぞれ電動機の異なる入力端子に接続されるブリッジ形のものが多く用いられている。

この種のインバータ回路においては、各アームのスイッチの両端に帰還用ダイオードが逆並列接続されていて、該帰還用ダイオードにより、駆動電流を転流させる際にリカバリ電流を流すための回路が構成されている。

インバータ回路を制御するコントローラは、例えば、位置センサの出力に応じて、インバータ回路の各スイッチのオン期間及びオフ期間にそれぞれ相当する信号幅を有するオン信号及びオフ信号からなるオンオフ信号をインバータ回路の各スイッチに対して発生する分配器と、第１のレベル及び第２のレベルが交互に現れるＰＷＭ信号を発生するＰＷＭ信号発生部と、分配器が各スイッチアームの上アームのスイッチに対して発生したオン信号をＰＷＭ信号により変調して得た信号を各スイッチアームの上アームのスイッチに駆動信号として与える上アーム駆動回路と、分配器が各スイッチアームの下アームのスイッチに対してオン信号を発生しているときに各スイッチアームの下アームのスイッチに駆動信号を与える下アーム駆動回路とにより構成される。

図５は、電機子コイルが３相に構成されている場合に用いられるインバータ回路２の一例を示している。この例では、上アームのスイッチＱ1及び下アームのスイッチＱ2の直列回路からなる第１のスイッチアームＳ１と、上アームのスイッチＱ3及び下アームのスイッチＱ4の直列回路からなる第２のスイッチアームＳ２と、上アームのスイッチＱ5及び下アームのスイッチＱ6の直列回路からなる第３のスイッチアームＳ３とが直流電源から電圧が印加される１対の直流電圧入力端子２ａ，２ｂ間に並列に接続され、第１ないし第３のスイッチアームＳ１ないしＳ３のそれぞれのスイッチどうしの接続点から引き出された３つの出力端子２ｕ，２ｖ及び２ｗがそれぞれスター結線された３相の電機子コイルＬｕ，Ｌｖ及びＬｗの中性点Ｎと反対側の端末部から引き出された電動機の入力端子に接続されている。

図５に示した例では、ソースが共通接続されたＰチャンネル形のＭＯＳＦＥＴによりそれぞれ上アームのスイッチＱ1，Ｑ3及びＱ5が構成され、これらのＭＯＳＦＥＴのドレインソース間に形成された寄生ダイオードＤf1，Ｄf3及びＤf5がそれぞれ上アームのスイッチＱ1，Ｑ3，Ｑ5に逆並列接続される帰還ダイオードとして用いられている。

またソースが共通接続されたＮチャンネル形のＭＯＳＦＥＴによりそれぞれ下アームのスイッチＱ2，Ｑ4及びＱ6が構成され、これらのＭＯＳＦＥＴのドレインソース間に形成された寄生ダイオードＤf2，Ｄf4及びＤf6がそれぞれ下アームのスイッチＱ2，Ｑ4及びＱ6に逆並列接続される帰還ダイオードとして用いられている。

図５に示したインバータ回路において、第１のスイッチアームＳ１の上アームのスイッチＱ1と第２のスイッチアームの下アームのスイッチＱ4とに駆動信号が与えられる瞬間を考える。ここで、電動機に与える駆動電流をＰＷＭ制御するため、上アームのスイッチに与える駆動信号をＰＷＭ信号により変調して、該上アームのスイッチをオンオフさせるものとすると、ＰＷＭ制御のオン期間（スイッチＱ1及びＱ4がオン状態になる期間）においては、図５に実線で示したように直流電源からスイッチＱ1と電機子コイルＬu及びＬvとスイッチＱ4とを通して駆動電流Ｉonが流れる。この駆動電流をオン電流と呼ぶ。またＰＷＭ制御のオフ期間においては、スイッチＱ1がオフ状態にされてそれまで流れていたオン電流Ｉonが遮断されるため、コイルＬu及びＬwに誘起する起電力により、図に波線で示したように、コイルＬu及びＬvとスイッチＱ4とダイオードＤf2とを通して駆動電流と同方向の電流Ｉoffが流れる。この電流をオフ電流と呼ぶ。オフ電流Ｉoffが流れるときにダイオードＤf2で発生する損失は、その順方向電圧降下ＶFと、オフ電流Ｉoffとの積により与えられる。ダイオードＤf2の順方向電圧降下を０．８Ｖとし、オフ電流Ｉoffを１Ａとすると、損失は０．８Ｗにも達する。

この損失を低減するために、特許文献１に示された発明では、各スイッチアームの上アームのスイッチ及び下アームのスイッチとして双方向性を有するＭＯＳＦＥＴを用い、駆動電流をＰＷＭ制御するために上アームのスイッチをＰＷＭ信号によりオンオフさせる場合に、下アームのスイッチを上アームのスイッチと逆位相で駆動するようにしている。すなわち、上アームのスイッチＱ1をオン状態にするときには下アームのスイッチＱ2をオフ状態にし、上アームのスイッチＱ1をオフ状態にするときに下アームのスイッチＱ2をオン状態にする。

このように制御すると、上アームのスイッチＱ1がオフ状態になった際に下アームのスイッチＱ2がオン状態になるため、オフ電流ＩoffはダイオードＤf2を通らずにスイッチＱ2を通して流れる。ＭＯＳＦＥＴのドレインソース間の内部抵抗ＲDSは通常２０mΩ程度であるため、オフ電流Ｉoffを１Ａとすると、スイッチＱ2を構成するＭＯＳＦＥＴで生じる損失はＲDS×(Ｉoff)^２＝０．０２Ｗとなり、リカバリ電流をダイオードを通して流す場合に比べて、損失を０．８−０．０２＝０．７８Ｗだけ低減することができる。

上記のように、電動機に供給する駆動電流をＰＷＭ制御する際に、各スイッチアームを構成する２つのアームのスイッチを互いに同期させて逆位相で駆動するようにすると、オフ電流Ｉoffが流れた際の損失を少なくすることができる。このように、インバータ回路を用いた電動機駆動回路において、各スイッチアームの２つのスイッチを同期させて逆位相で駆動することにより、オン電流Ｉon及びオフ電流Ｉoffを流すことを「同期整流」と呼んでいる。

上記のように同期整流を行わせるには、各スイッチアームの２つのスイッチを互いに逆位相で駆動する必要があるが、この場合、電源が短絡されるのを防ぐため、各スイッチアームの２つのスイッチが同時にオン状態になる期間を生じさせないようにする必要がある。また各スイッチアームのＰＷＭ信号に応じてオンオフさせるスイッチ（ＰＷＭ制御されるスイッチ、上記の例では上アームのスイッチ）に対して直列に接続されたスイッチ（上記の例では下アームのスイッチ）をオフ電流を流すためにオン状態にするのは、ＰＷＭ制御されるスイッチがオン期間（ＰＷＭ信号により決まるオン期間ではなく、分配器から与えられるオンオフ信号により決められるオン期間）にあるときのみである。例えば上記の例では、オフ電流を流すためにスイッチＱ2をスイッチＱ1と逆位相で駆動されるのは、スイッチＱ1がオン期間にある場合のみであり、スイッチＱ1のオフ期間にスイッチＱ2を駆動してはならない。

同期整流を行わせる際に、各スイッチアームの上下のスイッチを同時にオン状態にする期間が生じるのを防ぐため、従来のこの種の電動機駆動回路では、図６に示すように、ＰＷＭ信号を遅延させる遅延回路ＤＬと、遅延回路ＤＬの出力信号ＰＷＭ´とＰＷＭ信号とが入力されたアンド回路ＡＮＤと、遅延回路ＤＬの出力及びＰＷＭ信号が入力されたノア回路ＮＯＲとを備えた回路を設けて、アンド回路及びノア回路からそれぞれ、下アームのスイッチ及び上アームのスイッチのオン期間とオフ期間を定める下アーム用信号ＶL及び上アーム用信号ＶUを得るようにしていた。

図６に示した回路において、ＰＷＭ信号の波形が例えば図７（Ａ）に示す通りであるとすると、遅延回路ＤＬの出力信号ＰＷＭ´の波形は、図７（Ｂ）に示すように、ＰＷＭ信号を一定時間ｔdだけ遅延させた波形になる。またノア回路ＮＯＲから得られる上アーム用信号ＶUの波形は図７（Ｃ）のようになり、アンド回路ＡＮＤから得られる下アーム用信号ＶLの波形は図７（Ｄ）のようになる。ここで、上アーム用信号ＶUがＬレベル（ローレベル）を示す期間及びＨレベル（ハイレベル）を示す期間をそれぞれ上アームのスイッチに駆動信号を与えて該スイッチをオン状態にする駆動期間及び駆動信号を消滅させて該スイッチをオフ状態にする非駆動期間とし、下アーム用信号ＶLがＨレベルを示す期間及びＬレベルを示す期間をそれぞれ下アームのスイッチの駆動期間及び非駆動期間とすると、上アームのスイッチがオン状態からオフ状態になった後遅れ時間ｔdが経過した時点で下アームのスイッチがオン状態になり、下アームのスイッチがオン状態からオフ状態になった後、遅れ時間ｔdが経過したときに上アームのスイッチがオン状態にされるため、各スイッチアームの上アームのスイッチと下アームのスイッチとが同時にオン状態になる期間が生じるのを防ぎつつ、上アームのスイッチと下アームのスイッチとを逆位相で駆動して前述した同期整流を行わせることができる。

図６に示したような回路から得られる信号を用いて上アームのスイッチ及び下アームのスイッチの駆動期間及び非駆動期間を定めることにより、上アームのスイッチと下アームのスイッチとが同時にオン状態になる期間が生じるのを防ぐことについては、特許文献２に記載されている。
特開平２００２−８４７７２号公報特開平２００２−１１９０８０号公報（第６頁、図９〜図１１）

インバータ回路の各スイッチアームの上アームのスイッチをＰＷＭ制御する場合に、同期整流を行わせるために、特許文献２に示されたような回路（図６の回路）を用いて各スイッチアームのスイッチの駆動期間及び非駆動期間を定めるための信号を得るようにした場合、ＰＷＭ信号がＨレベルになる期間ＴH及びＬレベルになる期間ＴLが共に遅延時間ｔdよりも長いとき（ＴH＞ｔd及びＴL＞ｔdのとき）には、図７（Ｃ）及び（Ｄ）に示すような信号ＶU及びＶLを得て上アームのスイッチ及び下アームのスイッチの駆動期間及び非駆動期間を定めることができる。

しかしながら、図８（Ａ）に示したように、ＰＷＭ信号がＬレベルになる期間ＴLが遅延時間ｔdよりも短くなったときには、同図（Ｂ）に示すように遅延回路ＤＬの出力信号ＰＷＭ´がＨレベルのままとなるため、上アームのスイッチの駆動期間を定める信号ＶUは図８（Ｃ）に示すようにＬレベルのままとなり、上アームのスイッチを駆動することができなくなる。

また図９（Ａ）に示したように、ＰＷＭ信号がＨレベルになる期間ＴHが遅延時間ｔdよりも短くなったときには、同図（Ｂ）に示すように遅延回路ＤＬの出力信号ＰＷＭ´がＬレベルのままとなるため、下アームのスイッチの駆動期間を定める信号ＶLが図９（Ｄ）に示すようにＬレベルのままとなり、下アームのスイッチを駆動することができなくなる。

このように、同期整流を行わせるために、特許文献２に示された回路（図６の回路）を用いて各スイッチアームのスイッチの駆動期間と非駆動期間とを定めるようにした場合には、ＰＷＭ信号のＨレベルの期間ＴH及びＬレベルの期間ＴLを遅延時間ｔdよりも短くすることができず、ＰＷＭ信号のデューティ比の可変範囲が制限されるため、電動機の速度制御を広範囲に行うことができなくなるという問題が生じる。

また図６に示した回路によった場合には、ＰＷＭ信号のデューティ比と各スイッチアームのスイッチのオンオフのデューティ比とが一定の関係にならないため、制御が不安定になりやすいという問題もあった。

本発明の目的は、ＰＷＭ信号のデューティ比を０から１００％まで変化させることができるようにして、電動機の速度制御の範囲を制限することなく同期整流を行わせ、損失の低減を図ることができるようにした電動機駆動回路を提供することにある。

本発明の他の目的は、ＰＷＭ信号のデューティ比と各スイッチアームのスイッチのオンデューティ比との関係を一定として、電動機の速度制御が不安定になるのを防ぎつつ同期整流を行わせることができるようにした電動機駆動回路を提供することにある。

本発明に係わる電動機駆動回路は、駆動信号が与えられたときにオン状態になる上アームのスイッチ及び下アームのスイッチの直列回路からなるスイッチアームを１対の直流電圧入力端子間に複数個並列に接続した構成を有して、複数のスイッチアームのそれぞれのスイッチどうしの接続点から引き出された複数の出力端子がそれぞれ電動機の異なる入力端子に接続されるインバータ回路と、インバータ回路の各スイッチのオン期間及びオフ期間にそれぞれ相当する信号幅を有するオン信号及びオフ信号を各スイッチに対して発生する分配器と、第１のレベル及び第２のレベルをそれぞれ前記上アームのスイッチのオン状態及びオフ状態に対応させたＰＷＭ信号を一定のＰＷＭ周期で発生するＰＷＭ信号発生部と、分配器が各スイッチアームの上アームのスイッチに対してオン信号を発生している間ＰＷＭ信号により変調された信号を各スイッチアームの上アームのスイッチに駆動信号として与える上アーム駆動回路と、ＰＷＭ信号を入力としてＰＷＭ周期が開始された後ＰＷＭ信号が第１のレベルから第２のレベルに変化するタイミングよりも遅れたタイミングで発生し、ＰＷＭ周期の終了時にＰＷＭ信号が第２のレベルから第１のレベルに変化するタイミングよりも前のタイミングで消滅する同期整流信号を生成する同期整流信号生成回路と、分配器が下アームのスイッチに対してオフ信号を発生している間前記同期整流信号により変調された信号を前記下アームのスイッチに駆動信号として与え、分配器が下アームのスイッチに対してオン信号を発生している間は無変調の信号を該下アームのスイッチに駆動信号として与える下アーム駆動回路とを備えている。

上記のように、ＰＷＭ信号を入力としてＰＷＭ周期が開始された後ＰＷＭ信号が第１のレベルから第２のレベルに変化するタイミングよりも遅れたタイミングで発生し、ＰＷＭ周期の終了時にＰＷＭ信号が第２のレベルから第１のレベルに変化するタイミングよりも前のタイミングで消滅する同期整流信号を生成する同期整流信号生成回路を設けて、この回路から得られる同期整流信号により変調された信号を下アームのスイッチに駆動信号として与えることにより同期整流を行わせるようにすると、駆動電流をＰＷＭ変調するために各スイッチアームのスイッチに与える駆動信号は、ＰＷＭ信号により変調して得た信号とすることができるため、駆動電流のオンオフのデューティ比を常にＰＷＭ信号のデューティ比と同じにすることができる。従って、ＰＷＭ信号のデューティ比を０から１００％まで変化させることにより、駆動電流のデューティ比を０ないし１００％の範囲で変化させることができ、電動機の速度制御の範囲を制限することなく同期整流を行わせて、損失の低減を図ることができる。

また上記のように構成すると、ＰＷＭ信号のデューティ比と駆動電流をＰＷＭ制御するスイッチ（上記の例では上アームのスイッチ）のオンオフのデューティ比との関係が常に一定になるため、電動機の速度制御が不安定になるのを防ぎつつ同期整流を行わせることができる。

ＰＷＭ信号の第１のレベル及び第２のレベルをそれぞれＨレベル（ハイレベル）及びＬレベル（ローレベル）とする場合、上記同期整流信号生成回路は、ＰＷＭ信号の各ＰＷＭ周期が開始されるタイミングからＰＷＭ周期よりも第１の禁止時間ｔd1だけ短い時間ｔs1が経過したときに第１の禁止時間ｔd1に等しい信号幅のＨレベルの禁止信号を発生する禁止信号発生回路と、禁止信号とＰＷＭ信号との論理和をとって第１の同期信号を発生する同期信号発生回路と、第１の同期信号のＨレベルからＬレベルへの立下りを第２の禁止時間ｔd2だけ遅延させて第２の同期信号を出力する第２の同期信号発生回路と、分配器が上アームのスイッチに対してオン信号を発生している間第２の同期信号により変調された信号を同期整流信号として発生する同期整流信号出力回路とにより構成することができる。

上記の構成では、インバータ回路の各スイッチアームの上アームのスイッチをＰＷＭ変調した駆動信号によりオンオフさせるようにしたが、各スイッチアームの下アームのスイッチをＰＷＭ変調された駆動信号によりオンオフさせて駆動電流をＰＷＭ制御する場合にも同様に本発明を適用することができる。

以上のように、本発明によれば、駆動電流をＰＷＭ変調するためにインバータ回路の各スイッチアームの上アームまたは下アームのスイッチに与える駆動信号をＰＷＭ信号により変調して得た信号とすることができるため、駆動電流のオンオフのデューティ比を常にＰＷＭ信号のデューティ比と同じにすることができる。従って、ＰＷＭ信号のデューティ比を０から１００％まで変化させることにより、駆動電流のデューティ比を０ないし１００％の範囲で変化させることができ、電動機の速度制御の範囲を制限することなく同期整流を行わせて、損失の低減を図ることができる。

また本発明によれば、ＰＷＭ信号のデューティ比と駆動電流のＰＷＭ変調を行うスイッチのオンオフのデューティ比との関係を常に一定にすることができるため、電動機の速度制御が不安定になるのを防ぎつつ同期整流を行わせて損失の低減を図ることができる。

図１は本発明に係わる電動機駆動回路の全体的な構成を示したもので、同図において、１はブラシレス直流電動機である。電動機１は、磁石界磁を有する図示しないロータと、３相の電機子コイルＬuないしＬwを有するステータとからなっている。２は上アームのスイッチＱ1及び下アームのスイッチＱ2の直列回路からなる第１のスイッチアームＳ1と、上アームのスイッチＱ3及び下アームのスイッチＱ4の直列回路からなる第２のスイッチアームＳ2と、上アームのスイッチＱ5及び下アームのスイッチＱ6の直列回路からなる第３のスイッチアームＳ3とを１対の直流電圧入力端子２ａ，２ｂ間に並列に接続した構成を有するインバータ回路で、インバータ回路２のスイッチアームＳ1ないしＳ3のそれぞれのスイッチどうしの接続点から引き出された複数の出力端子２ｕ〜２ｗがそれぞれ電動機１の電機子コイルＬu〜Ｌwの中性点Ｎと反対側の端末部から引き出された３相の入力端子に接続されている。直流電圧入力端子２ａ，２ｂ間にはバッテリ等からなる直流電源の出力電圧が印加されている。

図示してないが、電動機１には、ステータの３相の各相に対してロータの磁極の極性を検出してロータの回転角度位置を検出する位置センサが設けられていて、３相の位置センサの出力が分配器３に入力されている。分配器３は、位置センサから与えられる信号に応じて、インバータ回路２の上アームのスイッチＱ1，Ｑ3及びＱ5のオン期間及びオフ期間にそれぞれ相当する信号幅を有するＨレベル（ハイレベル）のオン信号及びＬレベル（ローレベル）のオフ信号からなる上アーム用オンオフ信号（図３Ｆ）をインバータ回路の各スイッチアームの上アームのスイッチに対して発生し、インバータ回路の下アームのスイッチＱ2，Ｑ4及びＱ6のオン期間及びオフ期間にそれぞれ相当する信号幅を有するＬレベルのオン信号及びＨレベルのオフ信号からなる下アーム用オンオフ信号（図３Ｇ）をインバータ回路の各スイッチアームの下アームのスイッチに対して発生する。

また４はすべてのスイッチアームに対して共通に設けられたＰＷＭ信号発生部で、このＰＷＭ信号発生部は、互いに異なる第１のレベル及び第２のレベルをそれぞれ各スイッチアームの上アームのスイッチのオン状態及びオフ状態に対応させたＰＷＭ信号（図３Ａ）を一定のＰＷＭ周期Ｔpwmで発生する。本実施形態では、ＰＷＭ信号の第１のレベル及び第２のレベルをそれぞれＨレベル及びＬレベルとしている。

５は上アーム駆動指令発生回路で、この駆動指令発生回路は、分配器３が各スイッチアームの上アームのスイッチに対して発生する上アーム用オンオフ信号ＶfとＰＷＭ信号とを入力として、分配器３が各スイッチアームの上アームのスイッチに対して発生したオン信号をＰＷＭ信号により変調して得た信号をインバータ回路２の各スイッチアームの上アームのスイッチを駆動することを指令する上アーム用駆動指令信号Ｖh（図３Ｈ）として各スイッチアームの上アームのスイッチに対して発生する。

６は、上アーム用プリドライバ回路（増幅器）で、このプリドライバ回路は、上アーム駆動指令発生回路５から各スイッチアームの上アームのスイッチに対する駆動指令Ｖhが発生している間、その上アームのスイッチに駆動信号Ｖh´を与える。各スイッチアームの上アームのスイッチに与えられる駆動信号Ｖh´は、駆動指令信号Ｖhと同様に、ＰＷＭ信号により変調された波形の信号となる。

本実施形態では、上アーム駆動指令発生回路５と上アーム用プリドライバ６とにより、分配器３がインバータ回路２の各スイッチアームの上アームのスイッチに対してオン信号を発生している間ＰＷＭ信号により変調された信号を各スイッチアームの上アームのスイッチに駆動信号として与える上アーム駆動回路が構成されている。

７はインバータ回路の各スイッチアーム毎に設けられた同期整流信号生成回路で、この回路は、ＰＷＭ信号発生部４から得られるＰＷＭ信号を入力として、各ＰＷＭ周期が開始された後ＰＷＭ信号がＨレベル（第１のレベル）からＬレベル（第２のレベル）に変化するタイミングよりも遅れたタイミングで発生し、各ＰＷＭ周期の終了時にＰＷＭ信号が第２のレベルから第１のレベルに変化するタイミングよりも前のタイミングで消滅する同期整流信号Ｖi（図３Ｉ）を生成する。

８は、下アーム駆動指令発生回路で、この回路は、分配器３から与えられる下アーム用オンオフ信号Ｖgと、同期整流信号Ｖiとを入力として、分配器３が各スイッチアームの下アームのスイッチに対してオフ信号を発生している間同期整流信号Ｖiにより変調された信号を下アーム用駆動指令信号Ｖj（図３Ｊ）として各スイッチアームの下アームのスイッチに対して発生し、分配器が各スイッチアームの下アームのスイッチに対してオン信号を発生している間は無変調の信号を下アーム用駆動指令信号Ｖjとして各スイッチアームの下アームのスイッチに対して発生する。

９は、各スイッチアームの下アーム用スイッチに対して設けられた下アーム用プリドライバ回路（増幅器）で、このプリドライバ回路は、下アーム駆動指令発生回路８が各スイッチアームの下アームのスイッチに対して駆動指令Ｖjを発生している間、その下アームのスイッチに駆動信号Ｖj´を与える。駆動信号Ｖj´は、駆動指令信号Ｖjと同様に同期整流信号により変調された波形の信号である。

本実施形態では、各スイッチアームの下アームのスイッチに対して設けられた下アーム駆動指令発生回路８と、下アーム用プリドライバ回路９とにより、分配器３が各スイッチアームの下アームのスイッチに対してオフ信号を発生している間同期整流信号により変調された信号を各スイッチアームの下アームのスイッチに駆動信号として与え、分配器が各スイッチアームの下アームのスイッチに対してオン信号を発生している間は無変調の信号を該下アームのスイッチに駆動信号として与える下アーム駆動回路が構成されている。

本実施形態で用いられている同期整流信号生成回路７は、図３（Ｃ）に示すように、ＰＷＭ信号の各ＰＷＭ周期が開始されるタイミングからＰＷＭ周期よりも第１の時間ｔd1だけ短い時間ｔs1が経過したときに第１の禁止時間ｔd1に等しい信号幅のＨレベルの禁止信号Ｖcを発生する禁止信号発生回路７Ａと、禁止信号ＶcとＰＷＭ信号との論理和をとって第１の同期信号Ｖd（図３Ｄ）を発生する同期信号発生回路７Ｂと、図３（Ｅ）に示すように、第１の同期信号ＶdのＨレベルからＬレベルへの立下りを第２の禁止時間ｔd2だけ遅延させて第２の同期信号Ｖeを出力する第２の同期信号発生回路７Ｃと、図３（Ｉ）に示すように、分配器３が上アームのスイッチに対してオン信号を発生している間第２の同期信号により変調された信号を同期整流信号Ｖiとして発生する同期整流信号出力回路７Ｄとにより構成されている。

図１に示した電動機駆動回路の各部の具体的構成例を図２に示した。図２においては、インバータ回路に設けられるスイッチアームのうち、電動機のＵ相の電機子コイルＬuにつながるスイッチアームＳ1のみが示されている。

この例では、各スイッチアームの上アームのスイッチ（図２にはＱ1のみが示されている。）としてＰチャンネル形のＭＯＳＦＥＴが用いられ、下アームのスイッチ（図２にはＱ2のみが示されている。）としてＮチャンネル形のＭＯＳＦＥＴが用いられている。

上アームのスイッチを構成するＭＯＳＦＥＴはそのソースを正極性側の直流電圧入力端子２ａに接続した状態で設けられ、そのソースゲート間に抵抗Ｒ1が接続されている。

下アームのスイッチを構成するＭＯＳＦＥＴは、そのドレインを上アームのスイッチを構成するＭＯＳＦＥＴのドレインに接続し、ソースを負極正側の直流電圧入力端子２ｂ（接地）に接続した状態で設けられ、このＭＯＳＦＥＴのソースゲート間に抵抗Ｒ2が接続されている。

上アームのスイッチを構成するＭＯＳＦＥＴのゲートはエミッタが接地されたＮＰＮトランジスタＴＲ1のコレクタに抵抗Ｒ3を通して接続され、トランジスタＴＲ1のベースエミッタ間には抵抗Ｒ4が接続されている。トランジスタＴＲ1のベースには、上アーム駆動指令発生回路５の出力が抵抗Ｒ5を通して入力されている。

上アーム駆動指令発生回路５は、分配器３が各スイッチアームの上アームのスイッチに対して発生する上アーム用オンオフ信号ＶfとＰＷＭ信号とが入力されたアンド回路ＡＮＤ1からなっている。

この例では、トランジスタＴＲ1と抵抗Ｒ4及びＲ5とにより上アーム用プリドライバ回路６が構成されている。このドライバ回路は、アンド回路ＡＮＤ1からＨレベルの駆動指令信号が与えられたときにトランジスタＴＲ1がオン状態になって、上アームのスイッチＱ1を構成するＭＯＳＦＥＴに駆動信号を与え、該ＭＯＳＦＥＴをオン状態にする。

下アームのスイッチＱ2を構成するＭＯＳＦＥＴのゲートはエミッタが図示しない直流電源の正極端子に接続されたＰＮＰトランジスタＴＲ2のコレクタに抵抗Ｒ6を通して接続され、トランジスタＴＲ6のベースエミッタ間には抵抗Ｒ7が接続されている。トランジスタＴＲ2のベースには、下アーム駆動指令発生回路８の出力が抵抗Ｒ8を通して入力されている。

下アーム駆動指令発生回路８は、分配器３が各スイッチアームの下アームのスイッチに対して発生する下アーム用オンオフ信号Ｖgと同期整流信号Ｖiとが入力されたアンド回路ＡＮＤ2からなっている。

この例では、トランジスタＴＲ2と抵抗Ｒ7及びＲ8とにより下アーム用プリドライバ回路９が構成されている。このプリドライバ回路９においては、アンド回路ＡＮＤ2からＨレベルの信号が与えられている間トランジスタＴＲ2がオフ状態を保持して下アームのスイッチＱ2を構成するＭＯＳＦＥＴへの駆動信号の供給を停止している。アンド回路ＡＮＤ2がＬレベルの駆動指令信号を発生すると、トランジスタＴＲ2がオン状態になって、下アームのスイッチＱ2を構成するＭＯＳＦＥＴに駆動信号を与え、該下アームのスイッチＱ2を構成するＭＯＳＦＥＴをオン状態にする。

同期整流信号生成回路７を構成する禁止信号発生回路７Ａは、ＰＷＭ信号が抵抗Ｒ10を通して印加された第１のコンデンサＣ1と、コンデンサＣ1の両端の電圧Ｖc1が反転入力端子に入力され、一定の直流電圧Ｖ1が非反転入力端子に入力された第１の比較器ＣＰ1と、比較器ＣＰ1の出力とＰＷＭ信号とが入力されたアンド回路ＡＮＤ3とにより構成された単安定回路と、比較器ＣＰ1の出力が反転入力端子に入力され、一定の直流電圧Ｖ2が非反転入力端子に入力された第２の比較器ＣＰ2と、比較器ＣＰ2の出力端子と接地間に接続された第２のコンデンサＣ2と、コンデンサＣ2の非接地側端子と図示しない直流電源の正極側端子との間に接続された抵抗Ｒ11と、第２のコンデンサＣ2の両端の電圧が非反転入力端子に入力され、一定の直流電圧Ｖ3が反転入力端子に入力された第３の比較器ＣＰ3とにより構成されている。

ＰＷＭ信号がＨレベルに立ち上がると、抵抗Ｒ10とコンデンサＣ1と比較器ＣＰ1とアンド回路ＡＮＤ3とにより構成された単安定回路が図３（Ｂ）に示すように１つのトリガパルスＶbを出力する。トリガ信号Ｖbが発生すると比較器ＣＰ2の出力がＬレベルになるためコンデンサＣ2の電荷が比較器ＣＰ2の出力段を通して瞬時に放電させられ、比較器ＣＰ3の出力がＬレベルになる。ＰＷＭ信号のＨレベルの立上りで比較器ＣＰ3の出力がＬレベルにされた後、一定の時間ｔs1が経過すると、コンデンサＣ2の両端の電圧が電圧Ｖ3を超えるため、比較器ＣＰ3の出力がＨレベルに反転する。時間ｔs1は、ＰＷＭ周期Ｔpwmよりも第１の禁止時間ｔd1だけ短く設定されている。従って、禁止信号発生回路７Ａは、図３（Ｃ）に示すように、ＰＷＭ信号の各ＰＷＭ周期が開始されるタイミングからＰＷＭ周期よりも第１の禁止時間ｔd1だけ短い時間ｔs1が経過したときに第１の禁止時間ｔd1に等しい信号幅のＨレベルの禁止信号Ｖcを発生する。

また第１の同期信号発生回路７Ｂは、ＰＷＭ信号と禁止信号Ｖcとが入力されたオア回路ＯＲ1により構成され、第２の同期信号発生回路７Ｃは、オア回路ＯＲ1の出力が抵抗Ｒ12を通して印加された第３のコンデンサＣ3と、アノードをオア回路ＯＲ1側に向けて抵抗Ｒ12の両端に接続されたダイオードＤ1と、コンデンサＣ3の両端の電圧が非反転入力端子に入力され、一定の直流電圧Ｖ4が反転入力端子に入力された第４の比較器ＣＰ4とにより構成されている。

第１の同期信号発生回路７Ｂは、図３（Ｄ）に示すように、禁止信号ＶcとＰＷＭ信号との論理和をとって第１の同期信号Ｖdを発生する。

また第２の同期信号発生回路７Ｃは、図３（Ｅ）に示すように、第１の同期信号ＶdのＨレベルからＬレベルへの立下りを第２の禁止時間ｔd2だけ遅延させて第２の同期信号Ｖeを出力する。

更に、同期整流信号出力回路７Ｄは、分配器３が出力する上アーム用オンオフ信号Ｖfを反転させる否定回路ＮＯＴと、否定回路ＮＯＴの出力と第２の同期信号Ｖeとが入力されたオア回路ＯＲ2とにより構成されている。同期整流信号出力回路７Ｄは、図３（Ｉ）に示すように、分配器３が上アームのスイッチに対してオン信号を発生している間第２の同期信号Ｖeにより変調された信号を同期整流信号Ｖiとして発生する。

インバータ回路の他のスイッチアームに対しても、同様に構成された上アーム駆動指令発生回路５と、上アーム用プリドライバ回路６と、同期整流信号生成回路７と、下アーム駆動指令発生回路８と、下アーム用プリドライバ回路９とが設けられている。

上記のように構成すると、各スイッチアームの上アームのスイッチには、該上アームのスイッチに対してオン信号が与えられている間、ＰＷＭ信号により変調された波形の駆動信号が供給される。

また各スイッチアームの下アームのスイッチには、分配器３が下アームのスイッチに対してオフ信号を発生している間同期整流信号Ｖiにより変調された駆動信号が与えられ、分配器が下アームのスイッチに対してオン信号を発生している間は無変調の駆動信号が与えられる。下アームのスイッチに同期整流信号Ｖiにより変調された駆動信号が与えられている間（図３Ｊに示したＬレベルの期間ａ，ｂ及びｃの期間）下アームのスイッチＱ2がオン状態になって同期整流電流（オフ電流）を流す。

上記のように構成すると、各スイッチアームの上アームのスイッチに与えられる駆動信号のデューティ比はＰＷＭ信号のデューティ比と同じになるため、ＰＷＭ信号のデューティ比を０から１００％まで変化させることにより、駆動電流のデューティ比を０から１００％まで変化させることができる。従って、電動機の速度制御範囲を狭くすること無く、同期整流を行わせて、損失の低減を図ることができる。

上記の構成では、インバータ回路の上アームのスイッチをＰＷＭ信号により変調された駆動信号によりオンオフさせることにより電動機の駆動電流をＰＷＭ変調するようにしたが、インバータ回路の各スイッチアームの下アームのスイッチにＰＷＭ信号により変調された駆動信号を与える場合にも本発明を適用することができる。

各スイッチアームの下アームのスイッチをＰＷＭ信号によりオンオフさせる場合には、第１のレベル及び第２のレベルをそれぞれ各スイッチアームの下アームのスイッチのオン状態及びオフ状態に対応させたＰＷＭ信号を一定のＰＷＭ周期で発生するようにＰＷＭ信号発生部４を構成する。

また分配器３が各スイッチアームの下アームのスイッチに対してオン信号を発生している間ＰＷＭ信号により変調された信号を各スイッチアームの下アームのスイッチに駆動信号として与える下アーム駆動回路と、ＰＷＭ信号を入力としてＰＷＭ周期が開始された後ＰＷＭ信号が第１のレベルから第２のレベルに変化するタイミングよりも遅れたタイミングで発生し、ＰＷＭ周期の終了時にＰＷＭ信号が第２のレベルから第１のレベルに変化するタイミングよりも前のタイミングで消滅する同期整流信号を生成する同期整流信号生成回路と、分配器が上アームのスイッチに対してオフ信号を発生している間同期整流信号により変調された信号を上アームのスイッチに駆動信号として与え、分配器が上アームのスイッチに対してオン信号を発生している間は無変調の信号を該上アームのスイッチに駆動信号として与える上アーム駆動回路とを設ける。

インバータ回路及び分配器の構成は、前記実施形態で用いたものと同様である。

この場合、ＰＷＭ信号の第１のレベル及び第２のレベルをそれぞれＨレベル（ハイレベル）及びＬレベル（ローレベル）とすると、同期整流信号生成回路は、ＰＷＭ信号の各ＰＷＭ周期が開始されるタイミングからＰＷＭ周期よりも第１の禁止時間ｔd1だけ短い時間ｔs1が経過したときに第１の禁止時間ｔd1に等しい信号幅のＨレベルの禁止信号を発生する禁止信号発生回路と、禁止信号とＰＷＭ信号との論理和をとって第１の同期信号を発生する同期信号発生回路と、第１の同期信号のＨレベルからＬレベルへの立下りを第２の禁止時間ｔd2だけ遅延させて第２の同期信号を出力する第２の同期信号発生回路と、分配器が下アームのスイッチに対してオン信号を発生している間第２の同期信号により変調された信号を同期整流信号として発生する同期整流信号出力回路とにより構成することができる。

上記の実施形態では、単安定回路と比較器とを用いて禁止信号発生回路を構成したが、図４（Ａ）に示すような三角波信号Ｖtを発生する発振回路と、一定の基準信号Ｖrefを発生する基準信号発生回路と、三角波信号Ｖtと基準信号Ｖrefとを比較して、三角波信号が基準信号を超えている間だけ図４（Ｂ）に示すようにＨレベルの禁止信号Ｖcを発生する比較器とにより禁止信号発生回路を構成することもできる。

上記の説明では、ブラシレス直流電動機を駆動する場合を例にとったが、本発明は、直流電源と電動機との間にインバータ回路を設けて、該インバータ回路により電動機に供給する駆動電流を転流させて、電動機を駆動する場合に広く適用することができる。

上記のように、同期整流を行わせる場合、ＰＷＭ信号により変調された駆動信号が当たられるスイッチ（図１に示した例では上アームのスイッチ）としてはバイポーラトランジスタやＩＧＢＴなどの単方向性を有するスイッチを用いることもできる。各スイッチアームにおいて、ＰＷＭ信号によりオンオフ制御されるスイッチに対して直列に接続されるスイッチ（図１に示した例では下アームのスイッチ）としては、ＭＯＳＦＥＴのような双方向性を有するスイッチを用いる。

本発明の一実施形態の全体的な構成を示したブロック図である。図１の各部の具体的な構成例を示した回路図である。図１及び図２の各部の信号波形を模式的に示した波形図である。本発明で用いる禁止信号発生回路の変形例を説明するための信号波形図である。インバータ回路を通して電動機を駆動する場合に流れるオン電流とオフ電流とを説明するための回路図である。従来の電動機駆動回路で用いられていた駆動信号発生回路の構成を示した回路図である。ＰＷＭ信号のＨレベルの期間及びＬレベルの期間が遅延時間よりも長い場合の図６の回路の動作を説明するための信号波形図である。ＰＷＭ信号のＬレベルの期間が遅延時間よりも短い場合の図６の回路の動作を説明するための信号波形図である。ＰＷＭ信号のＨレベルの期間が遅延時間よりも短い場合の図６の回路の動作を説明するための信号波形図である。

１電動機
２インバータ回路
３分配器
４ＰＷＭ信号発生部
５上アーム駆動指令発生回路
６上アーム用プリドライバ回路
７同期整流信号生成回路
７Ａ禁止回路
７Ｂ第１の同期信号発生回路
７Ｃ第２の同期信号発生回路
７Ｄ同期整流信号出力回路
８下アーム駆動指令発生回路
９下アーム用プリドライバ回路

Claims

駆動信号が与えられたときにオン状態になる上アームのスイッチ及び下アームのスイッチの直列回路からなるスイッチアームを１対の直流電圧入力端子間に複数個並列に接続した構成を有して、前記複数のスイッチアームのそれぞれのスイッチどうしの接続点から引き出された複数の出力端子がそれぞれ電動機の異なる入力端子に接続されるインバータ回路と、前記インバータ回路の各スイッチのオン期間及びオフ期間にそれぞれ相当する信号幅を有するオン信号及びオフ信号を各スイッチに対して発生する分配器と、第１のレベル及び第２のレベルをそれぞれ前記上アームのスイッチのオン状態及びオフ状態に対応させたＰＷＭ信号を一定のＰＷＭ周期で発生するＰＷＭ信号発生部と、前記分配器が前記各スイッチアームの上アームのスイッチに対してオン信号を発生している間前記ＰＷＭ信号により変調された信号を各スイッチアームの上アームのスイッチに駆動信号として与える上アーム駆動回路と、前記ＰＷＭ信号を入力として前記ＰＷＭ周期が開始された後前記ＰＷＭ信号が第１のレベルから第２のレベルに変化するタイミングよりも遅れたタイミングで発生し、前記ＰＷＭ周期の終了時に前記ＰＷＭ信号が第２のレベルから第１のレベルに変化するタイミングよりも前のタイミングで消滅する同期整流信号を生成する同期整流信号生成回路と、前記分配器が下アームのスイッチに対してオフ信号を発生している間前記同期整流信号により変調された信号を前記下アームのスイッチに駆動信号として与え、前記分配器が下アームのスイッチに対してオン信号を発生している間は無変調の信号を該下アームのスイッチに駆動信号として与える下アーム駆動回路とを具備し、
前記ＰＷＭ信号の第１のレベル及び第２のレベルはそれぞれＨレベル（ハイレベル）及びＬレベル（ローレベル）であり、
前記同期整流信号生成回路は、前記ＰＷＭ信号の各ＰＷＭ周期が開始されるタイミングから前記ＰＷＭ周期よりも第１の禁止時間ｔd1だけ短い時間ｔs1が経過したときに前記第１の禁止時間ｔd1に等しい信号幅のＨレベルの禁止信号を発生する禁止信号発生回路と、前記禁止信号と前記ＰＷＭ信号との論理和をとって第１の同期信号を発生する同期信号発生回路と、前記第１の同期信号のＨレベルからＬレベルへの立下りを第２の禁止時間ｔd2だけ遅延させて第２の同期信号を出力する第２の同期信号発生回路と、前記分配器が前記上アームのスイッチに対してオン信号を発生している間前記第２の同期信号により変調された信号を前記同期整流信号として発生する同期整流信号出力回路とにより構成されている電動機駆動回路。
駆動信号が与えられたときにオン状態になる上アームのスイッチ及び下アームのスイッチの直列回路からなるスイッチアームを１対の直流電圧入力端子間に複数個並列に接続した構成を有して、前記複数のスイッチアームのそれぞれのスイッチどうしの接続点から引き出された複数の出力端子がそれぞれ電動機の異なる入力端子に接続されるインバータ回路と、前記インバータ回路の各上アームのスイッチのオン期間及びオフ期間にそれぞれ相当する信号幅を有するＨレベル（ハイレベル）のオン信号及びＬレベル（ローレベル）のオフ信号からなる上アーム用オンオフ信号を前記インバータ回路の各上アームのスイッチに対して発生し、前記インバータ回路の各下アームのスイッチのオン期間及びオフ期間にそれぞれ相当する信号幅を有するＬレベルのオン信号及びＨレベルのオフ信号からなる下アーム用オンオフ信号を前記インバータ回路の各下アームのスイッチに対して発生する分配器と、Ｈレベル及びＬレベルをそれぞれ前記上アームのスイッチのオン状態及びオフ状態に対応させたＰＷＭ信号を一定のＰＷＭ周期で発生するＰＷＭ信号発生部と、前記分配器が前記各スイッチアームの上アームのスイッチに対して発生したオン信号を前記ＰＷＭ信号により変調して得た信号を各スイッチアームの上アームのスイッチに駆動信号として与える上アーム駆動回路と、前記ＰＷＭ信号の各ＰＷＭ周期が開始されるタイミングから前記ＰＷＭ周期よりも第１の時間ｔd1だけ短い時間ｔs1が経過したときに前記第１の禁止時間ｔd1に等しい信号幅のＨレベルの禁止信号を発生する禁止信号発生回路と、前記禁止信号と前記ＰＷＭ信号との論理和をとって第１の同期信号を発生する第１の同期信号発生回路と、前記第１の同期信号のＨレベルからＬレベルへの立下りを第２の禁止時間ｔd2だけ遅延させて第２の同期信号を出力する第２の同期信号発生回路と、前記第２の同期信号と前記分配器が前記上アームのスイッチに対して発生したオン信号との論理積をとることにより同期整流信号を発生する同期整流信号出力回路と、前記同期整流信号と前記下アーム用オンオフ信号との論理積をとることにより得た信号を前記各スイッチアームの下アームのスイッチに駆動信号として与える下アーム駆動回路とを具備してなる電動機駆動回路。
駆動信号が与えられたときにオン状態になる上アームのスイッチ及び下アームのスイッチの直列回路からなるスイッチアームを１対の直流電圧入力端子間に複数個並列に接続した構成を有して、前記複数のスイッチアームのそれぞれのスイッチどうしの接続点から引き出された複数の出力端子がそれぞれ電動機の異なる入力端子に接続されるインバータ回路と、前記インバータ回路の各スイッチのオン期間及びオフ期間にそれぞれ相当する信号幅を有するオン信号及びオフ信号を各スイッチに対して発生する分配器と、第１のレベル及び第２のレベルをそれぞれ前記下アームのスイッチのオン状態及びオフ状態に対応させたＰＷＭ信号を一定のＰＷＭ周期で発生するＰＷＭ信号発生部と、前記分配器が前記各スイッチアームの下アームのスイッチに対してオン信号を発生している間前記ＰＷＭ信号により変調された信号を各スイッチアームの下アームのスイッチに駆動信号として与える下アーム駆動回路と、前記ＰＷＭ信号を入力として前記ＰＷＭ周期が開始された後前記ＰＷＭ信号が第１のレベルから第２のレベルに変化するタイミングよりも遅れたタイミングで発生し、前記ＰＷＭ周期の終了時に前記ＰＷＭ信号が第２のレベルから第１のレベルに変化するタイミングよりも前のタイミングで消滅する同期整流信号を生成する同期整流信号生成回路と、前記分配器が上アームのスイッチに対してオフ信号を発生している間前記同期整流信号により変調された信号を前記上アームのスイッチに駆動信号として与え、前記分配器が上アームのスイッチに対してオン信号を発生している間は無変調の信号を該上アームのスイッチに駆動信号として与える上アーム駆動回路とを具備し、
前記ＰＷＭ信号の第１のレベル及び第２のレベルはそれぞれＨレベル（ハイレベル）及びＬレベル（ローレベル）であり、
前記同期整流信号生成回路は、前記ＰＷＭ信号の各ＰＷＭ周期が開始されるタイミングから前記ＰＷＭ周期よりも第１の禁止時間ｔd1だけ短い時間ｔs1が経過したときに前記第１の禁止時間ｔd1に等しい信号幅のＨレベルの禁止信号を発生する禁止信号発生回路と、前記禁止信号と前記ＰＷＭ信号との論理和をとって第１の同期信号を発生する同期信号発生回路と、前記第１の同期信号のＨレベルからＬレベルへの立下りを第２の禁止時間ｔd2だけ遅延させて第２の同期信号を出力する第２の同期信号発生回路と、前記分配器が前記下アームのスイッチに対してオン信号を発生している間前記第２の同期信号により変調された信号を前記同期整流信号として発生する同期整流信号出力回路とにより構成されている電動機駆動回路。