JP5161949B2

JP5161949B2 - モータ駆動装置

Info

Publication number: JP5161949B2
Application number: JP2010248552A
Authority: JP
Inventors: 大輔田中; 勝彦大前; 淑人浅尾
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2010-11-05
Filing date: 2010-11-05
Publication date: 2013-03-13
Anticipated expiration: 2030-11-05
Also published as: EP2451068A2; JP2012100506A; EP2451068B1; EP2451068A3

Description

この発明は、スイッチングトランジスタをブリッジ接続して構成されるモータ駆動回路によってモータを制御、駆動するモータ駆動装置に関するものである。

従来のモータ駆動装置において、モータ駆動回路で使用するＦＥＴ（電界効果トランジスタ）やバイポーラトランジスタ等のスイッチング・トランジスタの、ゲート・ソース間（バイポーラトランジスタの場合はベース・エミッタ間）に、駆動信号経路がハイ・インピーダンスあるいはオープン状態となった場合に、ゲート電荷を放電し、かつゲート電圧をトランジスタがオフするしきい値電圧以下とするための、ゲート・ソース間抵抗が接続・配置されたものがある。（例えば、特許文献１参照）

また従来例での記載は無いが、駆動信号経路のオープン故障が発生し、かつトランジスタのドレイン側に別トランジスタのスイッチングによるパルスが発生している場合に、トランジスタのゲート・ドレイン間寄生容量を経由してゲート側にパルスが重畳してトランジスタがオンすることを防ぐために、ゲート・ドレイン間容量とゲート・ソース間コンデンサによってコンデンサ分圧して、ゲートに重畳する電圧をスレッシュ電圧以下に下げる目的で、ゲート・ソース間コンデンサを接続・配置することが考えられる。

特許第２８１９８７８号（第１図、第４図）

上述した従来のモータ駆動装置におけるモータ駆動回路では、駆動信号を発生するトランジスタ駆動回路からトランジスタにいたるまでの経路にオープン故障、あるいはオープンに相当するインピーダンス変化が発生した場合に、その故障箇所がゲート・ソース間抵抗よりもトランジスタのゲートに近い箇所である場合には、ゲート・ソース間抵抗もオープン状態となり、トランジスタをオフさせる機能は無効となる。
ゲート・ソース間コンデンサについても同様に、故障発生箇所がコンデンサ接続位置よりもトランジスタのゲート側であった場合には、トランジスタをオフする機能が無効となり、短絡電流の発生、トランジスタ破壊にいたる問題点がある。特に従来は構造物の配線が金属基板やガラス・エポキシ基板のパターンによる配線であったため、熱劣化後にオープン故障を起こし易く致命的であった。

この発明は、かかる問題点を解決するためになされたもので、モータ駆動装置内で駆動信号経路のオープン故障が発生した場合にも、駆動トランジスタがオン状態となって短絡電流発生やトランジスタ破壊など危険な状態になることなく、モータ駆動回路のトランジスタを安全なオフ状態とするモータ駆動装置を提供することを目的としている

この発明に係るモータ駆動装置は、スイッチングトランジスタをブリッジ接続して構成され、入力端子間に電動機駆動用電源が接続され、出力端子間に電動機が接続されるモータ駆動回路、前記モータ駆動回路のスイッチングトランジスタに駆動信号を供給して該スイッチングトランジスタをオン・オフ制御するトランジスタ駆動回路を備えたモータ駆動装置において、前記モータ駆動回路を構成する各スイッチングトランジスタは各々半導体チップ上に形成され、前記スイッチングトランジスタのゲート・ソース間（またはベース・エミッタ間）に、前記トランジスタ駆動回路から前記スイッチングトランジスタへの駆動信号経路上にオープン故障が発生した場合に、前記スイッチングトランジスタをオフさせるための抵抗体を接続すると共に、前記抵抗体は、前記スイッチングトランジスタの内部で前記スイッチングトランジスタを形成した各半導体チップと同一の半導体チップ上に形成・配置するよう構成したものである。

また、スイッチングトランジスタをブリッジ接続して構成され、入力端子間に電動機駆動用電源が接続され、出力端子間に電動機が接続されるモータ駆動回路、前記モータ駆動回路のスイッチングトランジスタに駆動信号を供給して該スイッチングトランジスタをオン・オフ制御するトランジスタ駆動回路を備えたモータ駆動装置において、前記モータ駆動回路を構成する各スイッチングトランジスタは各々半導体チップ上に形成され、前記スイッチングトランジスタのゲート・ソース間（またはベース・エミッタ間）に、前記トランジスタ駆動回路から前記スイッチングトランジスタへの駆動信号経路上にオープン故障が発生した場合に、前記スイッチングトランジスタをオフさせるためのコンデンサを接続すると共に、前記コンデンサは、前記スイッチングトランジスタの内部で前記スイッチングトランジスタを形成した各半導体チップと同一の半導体チップ上に形成・配置するよう構成したものである。

この発明のモータ駆動装置によれば、モータ駆動装置内で駆動信号経路のオープン故障が発生した場合にも、駆動トランジスタがオン状態となって短絡電流発生やトランジスタ破壊など危険な状態になることなく、モータ駆動回路のトランジスタを安全、確実にオフ状態とすることのできるモータ駆動装置を得ることができる。

上述した、またその他の、この発明の目的、特徴、効果は、以下の実施の形態における詳細な説明および図面の記載からより明らかとなるであろう。

この発明の実施の形態１のモータ駆動装置の回路構成図である。この発明の実施の形態１におけるトランジスタの構成図である。この発明の実施の形態２のモータ駆動装置の回路構成図である。この発明の実施の形態２の動作内容を補足説明する電圧波形図である。この発明の実施の形態２におけるトランジスタの構成図である。

実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１におけるモータ駆動装置の回路構成図である。
図１において、モータ駆動回路３は、ＦＥＴ（電界効果トランジスタ）やバイポーラトランジスタ等の半導体スイッチングトランジスタ（以下、単にトランジスタともいう）Ｑ１〜Ｑ６をブリッジ接続して構成され、入力端子間にモータ駆動用電源２が接続され、出力端子間にモータ４が接続されている。
トランジスタ駆動回路５０はモータ駆動回路３に駆動信号を送り、モータ駆動回路３の内部にあるトランジスタＱ１〜Ｑ６のオン・オフを各々制御することで、電源２から供給される電力を変換してモータ４を駆動する。

トランジスタ駆動回路５０から出力された駆動信号は、モータ駆動装置１内に構成されている基板の配線パターンやバスバー、トランジスタのスイッチングスピード調整や発振防止のために取り付けられるゲート抵抗Ｒｇ１〜Ｒｇ６部品、基板とバスバーとの接続部等を経由して、トランジスタＱ１〜Ｑ６のゲート（またはベース）端子に入力される。

トランジスタ駆動回路５０がオフ信号を出力している場合、あるいは駆動信号の経路上がオープンまたはハイ・インピーダンスとなる故障が発生がした場合にも確実にオフ状態とするため、トランジスタＱ１〜Ｑ６内部のゲートとソース間に、ゲート・ソース間抵抗
Ｒｇｓ１〜Ｒｇｓ６を接続・配置する。

従来のゲート・ソース間抵抗Ｒｇｓ１〜Ｒｇｓ６をトランジスタＱ１〜Ｑ６の外部に接続・配置する構成では、オープン故障の発生箇所が、ゲート・ソース間抵抗が接続される箇所よりもトランジスタ側である場合に、トランジスタＱ１〜Ｑ６とゲート・ソース間抵抗Ｒｇｓ１〜Ｒｇｓ６は接続されず、目的の機能を果たすことができない。このためオープン故障の発生した信号経路に接続されたトランジスタは、すみやかにオフすることができず破壊に至る場合がある。

これに対し、この発明の実施の形態１のモータ駆動装置においては、ゲート・ソース間抵抗Ｒｇｓ１〜Ｒｇｓ６をトランジスタＱ１〜Ｑ６の内部に配置・接続しているため、トランジスタ駆動回路５０からトランジスタＱ１〜Ｑ６に入力されるまでの駆動信号経路上において、オープンまたはハイインピーダンスとなる故障が発生した場合であっても、ゲート・ソース間抵抗Ｒｇｓ１〜Ｒｇｓ６はトランジスタＱ１〜Ｑ６と接続されたままであり、有効に目的を果たし、故障の発生した信号経路に接続されたトランジスタは確実にオフ状態となる。

図２は、実施の形態１の図１に記載されているトランジスタの内部構成を説明した接続図である。
図２において、個別部品であるトランジスタＱ９は、半導体チップ５を内蔵し、ボンディングワイヤ７によって半導体チップ５上のゲート部８と、トランジスタＱ９のゲート端子６との間が接続されている。

ゲート・ソース間抵抗Ｒｇｓを半導体チップ５上に直接形成・配置しているため、トランスタＱ９の内部の駆動信号経路であるゲート端子６と、ボンディングワイヤ７、半導体チップ５上のゲート部８においてオープン故障が発生した場合であっても、ゲート・ソース間抵抗Ｒｇｓは半導体チップ上で接続状態であるため、有効に機能を果たすことができトランジスタＱ９をオフ状態とすることができる。

以上のように、この発明の実施の形態１によれば、モータ駆動回路のトランジスタ内部にゲート・ソース間抵抗を配置する構成とすることによって、基板上の駆動信号経路においてオープン故障が発生した場合でも、トランジスタを確実にオフ状態とすることができる。また、別部品を外部に追加する必要がなくなり、部品点数の低減、装置の小型化が可能となる。

また、トランジスタ内部のさらに半導体チップ上にゲート・ソース間抵抗を形成・配置する構成とすることによって、基板上の駆動信号経路に加えて、トランジスタ内部の接続部位のオープン故障が発生した場合でも、確実にオフ状態とすることができる。

実施の形態２．
図３はこの発明の実施の形態２におけるモータ駆動装置のシステム構成図である。
モータ駆動回路３の内部トランジスタは説明に必要な１相分についてのみ記載している。また、図４は実施の形態２の内容を補足説明する電圧波形図である。

図３において、トランジスタＱ８内部のゲートＧとドレインＤの間には、半導体の構造上、寄生容量Cgdが存在している。トランジスタ駆動回路５０からトランジスタＱ８へ接
続される駆動信号経路にオープン故障が発生し、かつトランジスタＱ８とドレインＤ側で接続されている上段側のトランジスタＱ７がスイッチング動作を継続している場合に、トランジスタＱ７の駆動により、トランジスタＱ８のドレインＤ側に発生するスイッチングパルスが、ゲート・ドレイン間寄生容量ＣgdのＡＣ結合によって、トランジスタＱ８のゲ
ートＧ側に重畳し、ゲート・ソース間電圧がトランジスタＱ８がをオンするしきい値電圧Vthを越えると、トランジスタＱ８は駆動信号経路がオープンとなっているにもかかわら
ずオン状態となり、短絡電流の発生や破壊に至る場合がある。

しかしながらこの発明の実施の形態２によれば、図３に示すように、トランジスタＱ８のゲート・ソース間にゲート・ソース間コンデンサCgsが接続されているので、ゲートＧ
に重畳するパルス電圧は、ドレインＤ側のスイッチングパルスをゲート・ドレイン間寄生容量Cgdと、ゲート・ソース間コンデンサCgsの容量でコンデンサ分圧した電圧となる。

トランジスタＱ８のドレインＤ側に発生するパルス電圧最大値は、電源２の電圧値であるので、電源電圧最大値とゲート・ドレイン間寄生容量Cgdに対して、ゲート・ソース間
コンデンサCgsの容量を一定以上の値に設定・接続しておくことで、トランジスタＱ８の
ゲート・ソース間電圧がしきい値電圧Vthをこえてオンすることを防ぐことができる。

図４を用いて説明すると、トランジスタＱ８のドレインＤ側に発生しているドレイン電圧に対して、トランジスタＱ８のゲートＧに重畳するゲート電圧は、ゲート・ソース間コンデンサCgsが接続されない場合、または、容量が不足している場合は、Ａ）に示すよう
に、しきい値電圧Vthを越えるが、ゲート・ソース間コンデンサCgsの容量を一定以上の値に設定・接続すると、Ｂ）に示すように、しきい値電圧Vthを越えずトランジスタＱ８は
オフ状態となる。

実施の形態２では、ゲート・ソース間コンデンサCgsをトランジスタＱ８の内部に配置
・接続しているため、トランジスタ駆動回路５０からトランジスタＱ８に入力される信号経路上にオープン故障が発生した場合であっても、ゲート・ソース間コンデンサCgsはト
ランジスタＱ８と接続されたままであり、有効に目的を果たし、故障の発生した信号経路に接続されたトランジスタＱ８はオフ状態となる。

図５は、実施の形態２の図３に記載されているトランジスタの内部構成を説明した接続図である。
図５において、個別部品であるトランジスタＱ１０は、半導体チップ５を内蔵し、ボンディングワイヤ７によって、半導体チップ５上のゲート部８と、トランジスタのゲート端子６との間が接続されている。

ゲート・ソース間コンデンサCgsを半導体チップ５上に直接形成・配置しているため、
トランスタＱ１０の内部の駆動信号経路であるゲート端子６と、ボンディングワイヤ７、半導体チップ５上のゲート部８においてオープン故障が発生した場合であっても、ゲート・ソース間コンデンサCgsは半導体チップ上で接続状態であるため、有効に機能を果たすことができトランジスタＱ１０をオフ状態とすることができる。

以上のように、この発明の実施の形態２によれば、モータ駆動回路のトランジスタ内部にゲート・ソース間コンデンサを内蔵する構成とすることによって、実施の形態１と同様に、基板上の駆動信号経路においてオープン故障が発生した場合でも、トランジスタを確実にオフ状態とすることができる。また、別部品を外部に追加する必要がなくなり、部品点数の低減、装置の小型化が可能となる。

また、トランジスタ内部のさらに半導体チップ上にゲート・ソース間コンデンサを形成・配置する構成とすることによって、基板上の駆動信号経路に加えて、トランジスタ内部の接続部位のオープン故障が発生した場合でも、確実にオフ状態とすることができる。

実施の形態３.
実施の形態１、２を組み合わせて、図１および図３のように、上下のアーム（トランジスタ）によって構成されるモータ駆動回路３を用いたモータ駆動装置１において使用することで、駆動信号経路のオープン故障による上下短絡時大電流を防ぐことにより、システムのモータ駆動装置および装置に接続される電源装置、電源ライン、ヒューズの過電流による故障、断線、発熱を防止し、安全性を向上することができる。

実施の形態４.
上述の実施の形態１〜３で説明したモータ駆動装置１の、全体または一部の回路部分を樹脂モールド封止することによって、断線の防止や外部環境による劣化を防止し、少なくともゲート・ソース間の抵抗またはコンデンサを樹脂モールド封止することで、装置の信頼性・耐久性を向上することが可能となる。

１モータ駆動装置、２電源、３モータ駆動回路、４モータ、
５半導体チップ、６トランジスタゲート端子、７ボンディングワイヤ、
８半導体チップゲート部、５０トランジスタ駆動回路、
Ｑ１〜Ｑ１０スイッチングトランジスタ、
Ｒｇ１〜Ｒｇ８ゲート抵抗、
Ｒｇｓ、Ｒｇｓ１〜Ｒｇｓ８ゲート・ソース間抵抗、
Ｃｇｓゲート・ソース間コンデンサ、
Ｃｇｄゲート・ドレイン間寄生容量、
Ｇゲート
Ｄドレイン
Ｓソース
Ｖｔｈしきい値電圧

Claims

スイッチングトランジスタをブリッジ接続して構成され、入力端子間に電動機駆動用電源が接続され、出力端子間に電動機が接続されるモータ駆動回路、前記モータ駆動回路のスイッチングトランジスタに駆動信号を供給して該スイッチングトランジスタをオン・オフ制御するトランジスタ駆動回路を備えたモータ駆動装置において、前記モータ駆動回路を構成する各スイッチングトランジスタは各々半導体チップ上に形成され、前記スイッチングトランジスタのゲート・ソース間（またはベース・エミッタ間）に、前記トランジスタ駆動回路から前記スイッチングトランジスタへの駆動信号経路上にオープン故障が発生した場合に前記スイッチングトランジスタをオフさせるための抵抗体を接続すると共に、前記抵抗体は、前記スイッチングトランジスタの内部で前記スイッチングトランジスタを形成した各半導体チップと同一の半導体チップ上に形成・配置したことを特徴とするモータ駆動装置。
スイッチングトランジスタをブリッジ接続して構成され、入力端子間に電動機駆動用電源が接続され、出力端子間に電動機が接続されるモータ駆動回路、前記モータ駆動回路のスイッチングトランジスタに駆動信号を供給して該スイッチングトランジスタをオン・オフ制御するトランジスタ駆動回路を備えたモータ駆動装置において、前記モータ駆動回路を構成する各スイッチングトランジスタは各々半導体チップ上に形成され、前記スイッチングトランジスタのゲート・ソース間（またはベース・エミッタ間）に、前記トランジスタ駆動回路から前記スイッチングトランジスタへの駆動信号経路上にオープン故障が発生した場合に前記スイッチングトランジスタをオフさせるためのコンデンサを接続すると共に、前記コンデンサは、前記スイッチングトランジスタの内部で前記スイッチングトランジスタを形成した各半導体チップと同一の半導体チップ上に形成・配置したことを特徴とするモータ駆動装置。
スイッチングトランジスタをブリッジ接続して構成され、入力端子間に電動機駆動用電源が接続され、出力端子間に電動機が接続されるモータ駆動回路、前記モータ駆動回路のスイッチングトランジスタに駆動信号を供給して該スイッチングトランジスタをオン・オフ制御するトランジスタ駆動回路を備えたモータ駆動装置において、前記モータ駆動回路を構成する各スイッチングトランジスタは各々半導体チップ上に形成され、前記スイッチングトランジスタのゲート・ソース間（またはベース・エミッタ間）に、前記トランジスタ駆動回路から前記スイッチングトランジスタへの駆動信号経路上にオープン故障が発生した場合に前記スイッチングトランジスタをオフさせるための抵抗体、およびコンデンサを接続すると共に、前記抵抗体および前記コンデンサは、前記スイッチングトランジスタの内部で前記スイッチングトランジスタを形成した各半導体チップと同一の半導体チップ上に形成・配置したことを特徴とするモータ駆動装置。
前記モータ駆動装置の全体または一部の回路部分を、樹脂モールドで封止したことを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載のモータ駆動装置。