JP5638488B2

JP5638488B2 - スイッチ駆動回路，インバータ装置及びパワーステアリング装置

Info

Publication number: JP5638488B2
Application number: JP2011195051A
Authority: JP
Inventors: 佐理前川; 茂吹抜; 紳熊谷
Original assignee: NSK Ltd; Toshiba Corp
Current assignee: NSK Ltd; Toshiba Corp
Priority date: 2011-09-07
Filing date: 2011-09-07
Publication date: 2014-12-10
Anticipated expiration: 2031-09-07
Also published as: JP2013059167A; CN103782469B; US9564485B2; EP2755314A1; KR20140057380A; WO2013035491A1; EP2755314B1; CN103782469A; EP2755314A4; US20140184107A1; KR101711711B1

Description

本発明の実施形態は、直流電源とインバータ回路との間を電気的に開閉するためのスイッチ回路に開閉制御信号を出力するスイッチ駆動回路，及び前記インバータ回路及びスイッチング駆動回路を備えてなるインバータ装置，並びに前記インバータ装置を備えてなるパワーステアリング装置に関する。

電動パワーステアリング装置は、ドライバの操作によりハンドルを介して与えられる操舵入力トルクを操舵トルクセンサで検知し、操舵トルクセンサの出力信号に基づき制御装置においてモータの出力の大きさと方向とを決定すると、インバータ回路を介してモータを駆動し、そのモータの動力をステアリング系に伝達して操舵トルクの軽減を図るものである。

従来の電動パワーステアリング装置では、電源であるバッテリとインバータ回路との間にリレーを用いて構成した開閉器を挿入し、制御装置は、過電流状態やＰＷＭ制御の異常を検出すると、開閉器を開いてインバータ回路，モータへの給電を遮断し、モータから所望しない補助操舵力が発生するのを防止している。しかしながら、リレーを用いて構成した開閉器は、操舵補助トルクを発生させるために数１０Ａ〜１００Ａ程度の大電流をモータへ供給する必要があるが、このような大電流を開閉できるリレーは大型であるため、電動パワーステアリング装置が大型になる。そこで、リレーの代わりにＦＥＴなどの半導体スイッチング素子を用いたスイッチ回路を用いることが考えられている。

特開２００４−１６８１２４号公報特開平１０−１６７０８５号公報

この場合に想定される構成の一例を図６に示す。インバータ回路１は、６個のパワーＭＯＳＦＥＴ（Ｎチャネル）２（Ｕ〜Ｗ，Ｘ〜Ｚ）を三相ブリッジ接続して構成されており、各相出力端子には、モータ３の各相巻線（図示せず）が接続されている。モータ３は、例えばブラシレスＤＣモータである。車両のバッテリ４の正側端子は、スイッチ回路５を介してインバータ回路１の正側直流母線に接続されており、負側端子（ボディアース）は、負側直流母線に接続されている。

スイッチ回路５は、２つのＮチャネルＭＯＳＦＥＴ６ａ，６ｂを、互いのソースを共通に接続して構成され、ＮチャネルＭＯＳＦＥＴ６ａのドレインがバッテリ４の正側端子に接続されており、ＮチャネルＭＯＳＦＥＴ６ａのドレインがインバータ回路１の正側直流母線に接続されている。双方のゲートは共通に接続され、ソースとの間には抵抗素子７が接続されている。

スイッチ回路５を駆動する駆動回路８は、インバータ回路１を制御するＩＣであるＭＣＵ（Micro Control Unit；マイクロコンピュータ）などの周辺回路として構成されており、その電源はバッテリ４からダイオード１５を介して直接供給されており、回路グランドはインバータ回路１の負側直流母線に接続されている。そして、スイッチ回路５を駆動するための駆動用電源を生成する電源生成回路９の出力端子とグランドとの間には、２つのＮチャネルＭＯＳＦＥＴ１０及び１１の直列回路が接続されている。これらのＦＥＴ１０及び１１のゲートには、上記ＭＣＵより出力される駆動信号がハーフブリッジ（Ｈ／Ｂ）駆動回路１２を介して個別に出力される。また、ＮチャネルＭＯＳＦＥＴ１０及び１１には、保護用のダイオード１３及び１４がそれぞれ並列に接続されている。

ＭＯＳＦＥＴ１０及び１１の共通接続点（ソース及びドレイン）は、スイッチ回路５を構成するＮチャネルＭＯＳＦＥＴ６ａ，６ｂのゲートに接続されている。Ｈ／Ｂ駆動回路１２は、ＭＣＵからの駆動信号に応じてスイッチ回路５をオンする場合には、ＮチャネルＭＯＳＦＥＴ１０をオン，ＮチャネルＭＯＳＦＥＴ１１をオフしてＮチャネルＭＯＳＦＥＴ６ａ，６ｂのゲート電位をハイレベルにする。また、スイッチ回路５をオフする場合には、ＮチャネルＭＯＳＦＥＴ１０をオフ，ＮチャネルＭＯＳＦＥＴ１１をオンしてＮチャネルＭＯＳＦＥＴ６ａ，６ｂのゲート電位をローレベルにする。

以上のように車両に搭載されてバッテリ４より電源供給を受ける装置については、バッテリ４が逆方向に接続された場合に回路が保護されるかどうかを検討する必要がある。そこで、図６に示す構成について、バッテリ４が逆方向に接続された場合を想定すると、以下のような問題がある。このとき、図７に示すように、インバータ回路１の負側直流母線の電位が上昇するため、以下の経路で電圧が印加される。

バッテリ４の正側端子−負側直流母線→ダイオード１４（又はＦＥＴ１１のボディダイオード）→スイッチ回路５（ＦＥＴ６ａのゲート−ドレイン）→バッテリ４の負側端子
これにより、スイッチ回路５のＦＥＴ６において、ゲート−ソース間に閾値を超える電位差が印加されるため、スイッチ回路５がオンして上記の電圧印加経路に沿って電流が流れる。同時に、ＦＥＴ６ｂ側がオンすると、インバータ回路１を構成するＦＥＴ２Ｕ，２Ｘのボディダイオードを経由しても電流が流れる。この時に流れるバッテリ４の短絡電流によって経路中の各素子が破壊される虞がある。

尚、スイッチ回路については、図８に示すように、スイッチング素子の一方にＰチャネルＭＯＳＦＥＴ１６を用い、互いの寄生ダイオードのアノードが共通となるように接続することも考えられ、この場合には、上記のような逆流の問題が発生しない。しかし、ＰチャネルＭＯＳＦＥＴの素子サイズはＮチャネルＭＯＳＦＥＴに比較すると大きく、また、それぞれのＦＥＴに異なるレベルのゲート信号を与えて制御する必要があることから、一般には図６に示すようにＮチャネル同士の組み合わせで構成されることが多い。したがって、上記の問題に対処する必要がある。

そこで、バッテリが逆方向に接続された場合でも、回路素子を確実に保護できるスイッチ駆動回路，インバータ装置及びパワーステアリング装置を提供する。

実施形態によれば、スイッチ駆動回路は、直流電源とインバータ回路との間を電気的に開閉するように、２つのＮチャネル型半導体スイッチング素子を逆方向に直列接続して構成されるスイッチ回路を開閉させるため、基準電位点を前記インバータ回路と共通にして前記スイッチ回路に開閉制御信号を出力する。スイッチ駆動回路は、駆動用電源と前記基準電位点との間に、２つの半導体スイッチング素子を直列接続したハーフブリッジ回路を有し、前記２つの半導体スイッチング素子には、それぞれ並列に保護用ダイオードが接続され、前記直流電源が前記インバータ回路に対して逆極性で接続された場合に、前記基準電位点より、自身を経由して前記スイッチ回路側に流出しようとする電流を阻止するための電流阻止用ダイオードを備えている。

また、実施形態によれば、インバータ装置は、直流電源が供給されるインバータ回路と、前記直流電源と前記インバータ回路との間を電気的に開閉するスイッチ回路と、
基準電位点を前記インバータ回路と共通にして、前記スイッチ回路の開閉を制御する信号を出力するスイッチ駆動回路とを備える。前記スイッチ回路は、２つのＮチャネル型半導体スイッチング素子を逆方向に直列接続して構成され、前記スイッチ駆動回路は、駆動用電源と前記基準電位点との間に、２つの半導体スイッチング素子を直列接続したハーフブリッジ回路を有しており、前記２つの半導体スイッチング素子には、それぞれ並列に保護用ダイオードが接続されている。そして、前記直流電源が前記インバータ回路に対して逆極性で接続された場合に、前記基準電位点より、自身を経由して前記スイッチ回路側に流出しようとする電流を阻止するための電流阻止用ダイオードを備えている。

また、実施形態によれば、パワーステアリング装置は、車両のステアリングの操舵力を補助する補助操舵力を発生させるモータと、このモータを制御する請求項５ないし８の何れかに記載のインバータ装置とを備える。

第１実施形態であり、スイッチ駆動回路の内部構成を示す図モータ駆動制御部の内部構成を示す機能ブロック図パワーステアリング装置全体の構成を示す図第２実施形態を示す図１相当図第３実施形態を示す図１相当図従来技術を示す図１相当図バッテリが逆極性で接続された場合の図６相当図ＰチャネルＭＯＳＦＥＴを用いてスイッチを構成した場合の図６相当図

（第１実施形態）
以下、第１実施形態について図１ないし図３を参照して説明する。尚、図６と同一部分には同一符号を付して説明を省略し、以下異なる部分について説明する。パワーステアリング装置１００全体の構成を示す図３において、車室内に配置されている操舵ハンドル２１に一端が固定されるステアリングシャフト２２の回転力は、ラックピニオン機構２３により、ラック軸の両端に連結機構２４を介して取り付けられた車輪２５の方向を変える力として伝達される。ステアリングシャフト２２には、回転力を補助するための三相のブラシレスＤＣモータ３が配置されており、モータ３とシャフト２２とは減速機構２６を介して連結されている。

バッテリ４の電源電圧は、配線２７ａ，２７ｂを経由してモータ駆動制御部２８に供給される。モータ駆動制御部２８は、モータ３の近傍に隣接または密着して配置されており、モータ３に対する通電をＰＷＭ制御するようになっている。モータ駆動制御部２８には、制御電源用としてバッテリ電圧が配線２７を介して供給されると共に、ステアリングシャフト２２に加えられるトルクを検出するトルクセンサ２９の信号線３０や、モータ３の回転位置を検出するレゾルバ３１の信号線３２が接続されている。

図２は、モータ駆動制御部２８の内部構成を示す機能ブロック図である。バッテリ４の負側端子（基準電位点）とインバータ回路１の負側直流母線との間には、電流検出器３３（例えば抵抗素子）が接続されており、電流検出器３３によって得られる電流信号はＡ／Ｄ変換回路３４に入力されている。尚、電流検出回路３３には、電流によって発生する磁界を検出することで電流を検出する電流プローブを用いても良い。Ａ／Ｄ変換回路３４は、入力された電流信号をＡ／Ｄ変換したデータをＭＣＵ３５に出力する。

入力Ｉ／Ｆ（インターフェイス）回路３６には、トルクセンサ２９からの操舵角度信号と、レゾルバ３１からの操舵角信号とが与えられており、入力Ｉ／Ｆ回路３６は、各入力信号に応じた電圧信号をＭＣＵ３５に入力する。ＭＣＵ３５は、マイクロコンピュータ等で構成されており、各入力信号に応じてインバータ回路１を構成する各ＦＥＴ２を制御するためのゲート信号を生成してブリッジ用ゲート駆動回路３７に出力する。また、ＭＣＵ３５は、スイッチ駆動回路３８を介してスイッチ回路５に駆動信号を出力する。そして、これらの各回路には、図示しない車両のイグニッションスイッチがオンされると、バッテリ４からの電源が供給されるようになっている。

ＭＣＵ３５は、電源が供給されると先ずスイッチ回路５に遮断指令（ＯＦＦ）信号を出力し、自身の初期化処理が終了するとスイッチ回路５に閉路（ＯＮ）信号を出力する。これによりインバータ回路１にバッテリ４の電力が供給される。ＭＣＵ３５は、操舵トルク信号，操舵回転速度を取り込み、モータ３から操舵補助力（トルク）を供給する必要があるか否かを判断し、供給する必要がある場合は操舵トルク，操舵回転速度に基づいてモータ３の回転方向並びにモータ３から供給する操舵補助力を求める。そして、ＭＣＵ３５は、求めた回転方向ならびに操舵補助力に基づいてゲート駆動制御信号を生成して出力する。そして、電流検出器３３で検出した電流値が過電流値を超えるとスイッチ回路５に遮断指令信号を出力する。

ブリッジ用ゲート駆動回路３７は、インバータ回路１を構成する上アーム側のＦＥＴ２Ｕ〜２Ｗを導通状態に制御するためのゲート供給電圧を発生する昇圧回路と、複数のレベルシフト回路を備える（何れも図示せず）。ゲート駆動回路３７は、ＭＣＵ３５から出力されるゲート駆動制御信号に基づいて各ＦＥＴ２のゲートにゲート電圧信号を供給する。ＭＣＵ３５は、電流値信号に基づいてインバータ回路１を流れる電流を監視しており、インバータ回路１を流れる電流が予め設定した許容電流を越えた場合は、モータ３の駆動を停止すると共に、スイッチ回路５への通電を遮断してインバータ回路１への給電を遮断する。

図１は、スイッチ駆動回路３８の内部構成を示す図６相当図である。図６に示す駆動回路８では、その回路グランドはインバータ回路１の負側直流母線に直接接続されていたが、本実施形態のスイッチ駆動回路３８では、両者の間に順方向のダイオード３９（電流素子用ダイオード）が挿入されている。これにより、図７に示したようにバッテリ４が逆極性で接続された場合でも、ＦＥＴ２の寄生ダイオードを介して回路に過電流が流れることが防止される。

以上のように本実施形態によれば、スイッチ駆動回路３８を、バッテリ４とインバータ回路１との間を電気的に開閉するように、２つのＮチャネルＭＯＳＦＥＴ６ａ，６ｂ（Ｎチャネル型半導体スイッチング素子）を逆方向に直列接続して構成されるスイッチ回路５を開閉させるため、基準電位点をインバータ回路１と共通にしてスイッチ回路５に開閉制御信号を出力する。そして、電源生成回路９と前記基準電位点との間に、２つのＮチャネルＭＯＳＦＥＴ１０及び１１（半導体スイッチング素子）を直列接続したハーフブリッジ回路を有し、これらのＦＥＴ１０及び１１には、それぞれ並列に保護用ダイオード１３，１４を接続し、バッテリ４がインバータ回路１に対して逆極性で接続された場合に、基準電位点より、自身を経由してスイッチ回路５側に流出しようとする電流を阻止するための電流阻止用のダイオード３９を備えた。

したがって、大電力用のリレーと比較して小形に構成できるスイッチ回路５を用いることができ、パワーステアリング装置１００の小型化を図ることができる。そして、バッテリ４が逆極性に接続された場合でも、ＦＥＴ２の寄生ダイオードとスイッチ駆動回路３８内の保護ダイオード１４により逆電流が流れることを阻止してインバータ回路１やモータ３を保護し、短絡故障を防止することができる。

（第２実施形態）
図４は第２実施形態であり、第１実施形態と同一部分には同一符号を付して説明を省略し、以下異なる部分について説明する。第２実施形態のスイッチ駆動回路４１は、ダイオード３９に替えて、ＮチャネルＭＯＳＦＥＴ１１のソースと回路グランドとの間，保護ダイオード１４のアノードと回路グランドとの間に、それぞれ電流阻止用のダイオード４２，４３を挿入した構成である。このように構成した第２実施形態による場合も、第１実施形態と同様の効果が得られる。

（第３実施形態）
図５は第３実施形態であり、第２実施形態と異なる部分について説明する。第３実施形態のスイッチ駆動回路４１’は、第２実施形態の電流阻止用ダイオード４２，４３を、ＮチャネルＭＯＳＦＥＴ１０のソースとＮチャネルＭＯＳＦＥＴ１１のドレインとの間、保護ダイオード１３のアノードと保護ダイオード１４のカソードとの間に配置した構成である。このように構成した第３実施形態による場合も、第１，第２実施形態と同様の効果が得られる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると共に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
ＮチャネルＭＯＳＦＥＴ１０に替えてＰチャネルＭＯＳＦＥＴを用いても良い。また、インバータ回路１の上アームにＰチャネルＭＯＳＦＥＴを用いても良い。
パワーステアリング装置に限ることなく、直流電源とインバータ回路との間にＮチャネル型半導体スイッチング素子を用いて構成されるスイッチ回路を備えるものであれば適用が可能である。

図面中、１はインバータ回路、３はモータ、４はバッテリ（直流電源）、５はスイッチ回路、６はＮチャネルＭＯＳＦＥＴ（Ｎチャネル型半導体スイッチング素子）、１０及び１１はＮチャネルＭＯＳＦＥＴ（半導体スイッチング素子）、１３，１４は保護用ダイオード、３８はスイッチ駆動回路、３９は電流阻止用ダイオード、４１はスイッチ駆動回路、４２，４３は電流阻止用ダイオード、１００はパワーステアリング装置を示す。

Claims

直流電源とインバータ回路との間を電気的に開閉するように、２つのＮチャネル型半導体スイッチング素子を逆方向に直列接続して構成されるスイッチ回路を開閉させるため、基準電位点を前記インバータ回路と共通にして、前記スイッチ回路に開閉制御信号を出力するスイッチ駆動回路において、
駆動用電源と前記基準電位点との間に、２つの半導体スイッチング素子を直列接続したハーフブリッジ回路を有し、
前記２つの半導体スイッチング素子には、それぞれ並列に保護用ダイオードが接続され、
前記直流電源が、前記インバータ回路に対して逆極性で接続された場合に、前記基準電位点より、自身を経由して前記スイッチ回路側に流出しようとする電流を阻止するための電流阻止用ダイオードを備えていることを特徴とするスイッチ駆動回路。
前記電流阻止用ダイオードを、前記ハーフブリッジ回路の信号出力端子と、基準電位側の半導体スイッチング素子との間，及び前記半導体スイッチング素子に並列に接続される保護用ダイオードとの間にそれぞれ接続したことを特徴とする請求項１記載のスイッチ駆動回路。
前記電流阻止用ダイオードを、前記基準電位側の半導体スイッチング素子，及び前記半導体スイッチング素子に並列に接続される保護用ダイオードと、前記基準電位点との間にそれぞれ接続したことを特徴とする請求項１記載のスイッチ駆動回路。
前記電流阻止用ダイオードを、前記基準電位側の半導体スイッチング素子，及び前記半導体スイッチング素子に並列に接続される保護用ダイオードと、前記基準電位点とを接続する配線間に１つだけ接続したことを特徴とする請求項１記載のスイッチ駆動回路。
直流電源が供給されるインバータ回路と、
前記直流電源と前記インバータ回路との間を電気的に開閉するスイッチ回路と、
基準電位点を前記インバータ回路と共通にして、前記スイッチ回路の開閉を制御する信号を出力するスイッチ駆動回路とを備え、
前記スイッチ回路は、２つのＮチャネル型半導体スイッチング素子を逆方向に直列接続して構成され、
前記スイッチ駆動回路は、
駆動用電源と前記基準電位点との間に、２つの半導体スイッチング素子を直列接続したハーフブリッジ回路を有しており、前記２つの半導体スイッチング素子には、それぞれ並列に保護用ダイオードが接続され、
前記直流電源が、前記インバータ回路に対して逆極性で接続された場合に、前記基準電位点より、自身を経由して前記スイッチ回路側に流出しようとする電流を阻止するための電流阻止用ダイオードを備えていることを特徴とするインバータ装置。
前記電流阻止用ダイオードを、前記ハーフブリッジ回路の信号出力端子と、基準電位側の半導体スイッチング素子との間，及び前記半導体スイッチング素子に並列に接続される保護用ダイオードとの間にそれぞれ接続したことを特徴とする請求項５記載のインバータ装置。
前記電流阻止用ダイオードを、前記基準電位側の半導体スイッチング素子，及び前記半導体スイッチング素子に並列に接続される保護用ダイオードと、前記基準電位点との間にそれぞれ接続したことを特徴とする請求項５記載のインバータ装置。
前記電流阻止用ダイオードを、前記基準電位側の半導体スイッチング素子，及び前記半導体スイッチング素子に並列に接続される保護用ダイオードと、前記基準電位点とを接続する配線間に１つだけ接続したことを特徴とする請求項５記載のインバータ装置。
車両のステアリングの操舵力を補助する補助操舵力を発生させるモータと、
このモータを制御する請求項５ないし８の何れかに記載のインバータ装置とを備えることを特徴とするパワーステアリング装置。