JP5892868B2 - Electric power steering device, power converter - Google Patents
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Description
本発明は、電動パワーステアリング装置に関する。 The present invention relates to an electric power steering apparatus.
車両のステアリング装置をモータの回転力で補助する電動パワーステアリング装置は、減速機を介してギアまたはベルト等の伝達機構へモータの駆動力を伝え、最終的にステアリングシャフトあるいはラック軸の動作を補助するように構成されている。また、電源であるバッテリとモータの間には、直流電力を交流電力へ変換してモータへ供給するインバータが備えられている。 An electric power steering device that assists the steering device of a vehicle with the rotational force of the motor transmits the driving force of the motor to a transmission mechanism such as a gear or a belt via a reduction gear, and finally assists the operation of the steering shaft or the rack shaft. Is configured to do. In addition, an inverter for converting DC power into AC power and supplying it to the motor is provided between the battery as a power source and the motor.
電動パワーステアリング装置では故障が発生したとき、インバータとモータを電気的に接続する配線上に設けられているスイッチをオフすることにより、モータからの意図しない補助力により電磁ブレーキが発生することを回避している。スイッチに関する従来技術として、電磁コイルを用いてバネを制御し、機械的に電気回路をON/OFFする部品である、電磁(機械接点)式スイッチがある。 When a failure occurs in the electric power steering device, the electromagnetic brake is prevented from being generated by unintended auxiliary force from the motor by turning off the switch provided on the wiring that electrically connects the inverter and the motor. doing. As a conventional technique related to a switch, there is an electromagnetic (mechanical contact) type switch that is a part that mechanically turns on / off an electric circuit by controlling a spring using an electromagnetic coil.
下記特許文献1には、FETなどの半導体素子を用いた半導体スイッチとして、第1化合物半導体MOSFETと第2化合物半導体MOSFETを用意し、それぞれのソース電極を内部で接続し同電位とし、第1化合物半導体MOSFETのドレイン電極および第2化合物半導体MOSFETのドレイン電極をそれぞれ出力端子とする構成が記載されている。 In Patent Document 1 below, a first compound semiconductor MOSFET and a second compound semiconductor MOSFET are prepared as a semiconductor switch using a semiconductor element such as an FET, and the respective source electrodes are internally connected to have the same potential. A configuration is described in which the drain electrode of the semiconductor MOSFET and the drain electrode of the second compound semiconductor MOSFET are used as output terminals.
下記特許文献2には、インバータとモータを電気的に接続する配線全てに半導体スイッチ(MOSFET)をそれぞれ1つ配置し、異常発生時には、インバータの内部にあるパワー半導体デバイスとインバータ−モータ間の半導体スイッチを、全てオフする動作例が記載されている。 In the following Patent Document 2, one semiconductor switch (MOSFET) is arranged for each wiring that electrically connects the inverter and the motor, and when an abnormality occurs, the power semiconductor device in the inverter and the semiconductor between the inverter and the motor are arranged. An operation example in which all the switches are turned off is described.
電磁式スイッチを用いてインバータとモータの間の接続をON/OFFすることを考える。モータが3相モータとして構成されている場合、インバータとモータを接続する3つの配線のうち、2つの配線にのみスイッチを設ければよい。しかし、チャタリング、作動音、過電流による接点の溶解・溶着、温度変化による接点の氷結、接点摩耗による信頼性の低下など様々な課題がある。また、バネを動作させるための電磁コイルは大型であり、インバータを小型化するためのボトルネックとなる。 Consider turning on / off the connection between an inverter and a motor using an electromagnetic switch. When the motor is configured as a three-phase motor, it is only necessary to provide a switch for only two of the three wires connecting the inverter and the motor. However, there are various problems such as chattering, operating noise, melting / welding of contacts due to overcurrent, contact icing due to temperature change, and deterioration of reliability due to contact wear. Moreover, the electromagnetic coil for operating the spring is large, and becomes a bottleneck for downsizing the inverter.
電磁式スイッチの代わりとして、MOSFETを用いた半導体スイッチを用いることも考えられる。MOSFETはボディダイオードを有するため、ゲート信号をオフしても単方向に電流が流れる、単方向スイッチとして動作する。そのため、電磁式スイッチを単純にMOSFETに置き換えただけでは、ボディダイオードを介した閉ループがモータコイル間に作られ、モータからの意図しない補助力による電磁ブレーキが生じてしまう。 As an alternative to the electromagnetic switch, a semiconductor switch using a MOSFET may be used. Since the MOSFET has a body diode, it operates as a unidirectional switch in which a current flows unidirectionally even when the gate signal is turned off. Therefore, if the electromagnetic switch is simply replaced with a MOSFET, a closed loop through the body diode is created between the motor coils, and an electromagnetic brake is generated by an unintended auxiliary force from the motor.
特許文献1では、1つの電磁式リレーを2つのMOSFETで置き換え、MOSFETのソース電極を同電位とすることにより双方向スイッチを実現し、ボディダイオードを介した電流閉ループが作られないようにしている。また特許文献2では、異常発生時には、インバータとモータの間に設けられたMOSFETとインバータ内部のMOSFETを全て遮断することにより、電流閉ループが作られないようにし、モータによる電磁ブレーキを回避している。 In Patent Document 1, one electromagnetic relay is replaced with two MOSFETs, and a bidirectional switch is realized by setting the source electrode of the MOSFET to the same potential so that a current closed loop via a body diode is not created. . Further, in Patent Document 2, when an abnormality occurs, the MOSFET provided between the inverter and the motor and the MOSFET inside the inverter are all shut off so that a current closed loop is not created and electromagnetic braking by the motor is avoided. .
しかしながら、特許文献1〜2に記載されている技術では、従来2つの電磁式スイッチにより実現していた電磁ブレーキを回避するための制御を、3つ以上の半導体スイッチで実現するため、回路基板の実装面積とコストの増加につながる課題がある。 However, in the techniques described in Patent Documents 1 and 2, the control for avoiding the electromagnetic brake that has been conventionally realized by two electromagnetic switches is realized by three or more semiconductor switches. There is a problem that leads to an increase in mounting area and cost.
本発明は、上記のような課題に鑑みてなされたものであり、少ない実装面積とコストでモータによって生じる電磁ブレーキを抑制することができる電動パワーステアリング装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above-described problems, and an object thereof is to provide an electric power steering device that can suppress an electromagnetic brake generated by a motor with a small mounting area and cost.
本発明に係る電動パワーステアリング装置は、モータと電力供給装置の間を接続する配線上に、ノーマリーオフ型のGaN−FETを用いて形成された半導体スイッチを備えている。 An electric power steering apparatus according to the present invention includes a semiconductor switch formed using a normally-off GaN-FET on a wiring connecting a motor and a power supply apparatus.
本発明に係る電動パワーステアリング装置は、ボディダイオードを持たないGaN−FETを用いることにより、FETの電極とダイオードの電極を分離することができる。これにより、2つの半導体素子のみでモータと電力供給装置の間の接続をON/OFFすることができるので、実装面積とコストを抑えつつ、モータによって生じる電磁ブレーキを抑制することができる。 The electric power steering apparatus according to the present invention can separate the FET electrode and the diode electrode by using the GaN-FET having no body diode. Thereby, since the connection between the motor and the power supply device can be turned on / off with only two semiconductor elements, the electromagnetic brake generated by the motor can be suppressed while suppressing the mounting area and cost.
<実施の形態1>
図1は、本発明の実施形態1に係る電動パワーステアリング装置101の構成を示す図である。電動パワーステアリング装置101は、インバータ130(電力供給装置)、半導体スイッチ102および103、3相モータ110を備える。
<Embodiment 1>
FIG. 1 is a diagram showing a configuration of an electric
3相モータ110は、操舵装置の動作を補助するモータであり、バッテリ105の電力がインバータ130を介して供給される。インバータ130は、電力を平滑するためのコンデンサ104と、バッテリ105が供給する直流電力を交流電力に変換する電力変換部150を備えている。電力変換部150内のパワー半導体デバイスが交互にスイッチングすることにより、直流電力を交流電力に変換する。パワー半導体デバイスとしては、MOSFETやGaN−FETなどが考えられる。
The three-
図1には示していないが、モータ110の回転軸はアシスト用のギアに接続されており、モータ110が運転者のハンドル操作をアシストするように構成されている。またインバータ130は、パワー半導体デバイスのON/OFFを制御するためのゲート駆動回路を備えている。
Although not shown in FIG. 1, the rotating shaft of the
電動パワーステアリング装置においては、インバータ130のパワー半導体デバイスやモータ110のコイルなどが短絡故障することが想定される。これらの故障が生じると、モータ110はハンドル操作をアシストするためのトルクを発生させることができなくなる。一方、これら故障が生じてもモータ110とインバータ130は電気的に接続されたままになっていると、モータ110のコイル間には、短絡箇所や電力変換部150のMOSFETのボディダイオードを介した電流閉ループが形成される。そのため、モータ110の逆起電圧による電磁ブレーキが運転者の操舵を妨げ、ハンドルが動かなくなる恐れがある。
In the electric power steering apparatus, it is assumed that the power semiconductor device of the
以上のような事態を回避するため、モータ110とインバータ130を接続する3本の配線中2本に、半導体スイッチ102と103を配置した。これら半導体スイッチは、ノーマリーオフ型のGaN−FET106と108を用いて形成されている。GaN−FETは2次元電子ガスを用いた横型半導体であるため、MOSFETのようにボディダイオードを有しない特徴があり、単体で双方向スイッチを実現することができる。
In order to avoid the above situation, the
インバータ130のパワー半導体デバイスやモータ110のコイルなどが短絡故障したときは、GaN−FET106と108をオフし、モータ110の逆起電圧に起因する電流閉ループを遮断して電磁ブレーキを回避することができる。
When the power semiconductor device of the
<実施の形態1:まとめ>
以上のように、本実施形態1に係る電動パワーステアリング装置101は、ノーマリーオフ型のGaN−FET106と108を用いて形成した半導体スイッチ102と103を、インバータ130とモータ110の間に配置している。これにより、半導体スイッチの最小数を、必要最小限である2つとすることができ、回路基板の実装面積とコストを低減しつつ、モータ110による電磁ブレーキを抑制することができる。
<Embodiment 1: Summary>
As described above, in the electric
また、本実施形態1に係る電動パワーステアリング装置101によれば、MOSFETと比較してオン抵抗が小さいGaN−FETを用いることにより、回路損失を低減して動作効率を高めることができる。
Moreover, according to the electric
なお本実施形態1において、電力変換部150の1相が故障した場合には、対象となる相のGaN−FETのみをオフし、残り2相を用いてモータ110によるハンドル操作アシストを実現することもできる。
In the first embodiment, when one phase of the
<実施の形態2>
実施形態1において、半導体スイッチ102と103に求められる動作は、電力変換部150のパワー半導体デバイスのように動作中常時スイッチングするのではなく、運転者がエンジンを起動・停止する際にオン・オフする動作と、非常時にオフする動作のみである。すなわち、半導体スイッチ102と103を制御するための回路としては、安定した定電圧電源と、回路をオン・オフするトランジスタなどの小電力スイッチがあればよいことになる。
<Embodiment 2>
In the first embodiment, the operations required for the semiconductor switches 102 and 103 are not constantly switched during operation as in the case of the power semiconductor device of the
しかし実際には、GaN−FET106と108それぞれのソース電極111と116は、電力変換部150の上下アーム間に接続される。そのため、電力変換部150のパワー半導体デバイスがスイッチングするたびに、ソース電極111と116の電位は、バッテリ105の電位(Vb)とインバータ130のグラウンド電位(0)の間で変動する。この電位変動が許容されるか否かは、GaN−FETの特性に依拠する。
In practice, however, the
GaN−FETの特性については、例えば半導体メーカであるEPC社のデータシートを参照することができる(http://epc-co.com/epc/)。例として、ダイオードを内蔵した40V耐圧FETであるEPC2015のデータシートを見ると、ゲート電圧の上限が6Vでかつゲート電圧の変動に対するオン抵抗の変化が大きいことが確認できる。特に半導体スイッチとして用いるためには損失を低く抑える必要があるので、ゲート電圧の制御範囲としては、5.5V±0.5V程度の非常に厳しい値が求められる。 For the characteristics of the GaN-FET, for example, a data sheet of EPC, a semiconductor manufacturer, can be referred to (http://epc-co.com/epc/). As an example, looking at the data sheet of EPC2015, which is a 40V withstand voltage FET with a built-in diode, it can be confirmed that the upper limit of the gate voltage is 6V and the change of the on-resistance with respect to the variation of the gate voltage is large. In particular, since the loss must be kept low for use as a semiconductor switch, a very strict value of about 5.5V ± 0.5V is required as the control range of the gate voltage.
上記課題に鑑みて、半導体スイッチ102と103を安定して動作させるため、前述した電位変動の影響を受けないように、絶縁型のゲート駆動回路をそれぞれの半導体スイッチに設けることが考えられる。しかしこの場合、制御回路の部品点数が増え、実装面積とコストが増加する課題がある。 In view of the above problems, in order to stably operate the semiconductor switches 102 and 103, it is conceivable that an insulating gate drive circuit is provided in each semiconductor switch so as not to be affected by the above-described potential fluctuation. However, in this case, there is a problem that the number of parts of the control circuit increases, and the mounting area and cost increase.
そこで本発明の実施形態2では、半導体スイッチ102と103それぞれのソース電極における電位変動を緩和するフィルタ回路を設ける。その他の構成は実施形態1と同様であるため、以下ではフィルタ回路に係る差異点を中心に説明する。 Therefore, in the second embodiment of the present invention, a filter circuit is provided that reduces potential fluctuations at the source electrodes of the semiconductor switches 102 and 103, respectively. Since the other configuration is the same as that of the first embodiment, the following description will focus on the differences relating to the filter circuit.
図2は、本実施形態2に係る電動パワーステアリング装置101の構成図である。図2において、GaN−FET106と108それぞれのゲート電極112と117には、ゲート信号のスイッチング速度を制御するための抵抗401と403がそれぞれ接続されている。また、ゲート電極112とソース電極111の間、およびゲート電極117とソース電極116の間には、同じくスイッチング速度を制御するためのコンデンサ402と404がそれぞれ接続されている。抵抗401とコンデンサ402、抵抗403とコンデンサ404は、それぞれRCローパスフィルタ回路を形成する。
FIG. 2 is a configuration diagram of the electric
各RCローパスフィルタ回路の時定数は、電力変換部150のパワー半導体デバイスを制御するPWM制御信号のキャリア周波数の1周期以上に設定する。これにより、電力変換部150のパワー半導体デバイスがスイッチングする度に変動していたソース電極111と116の電位変動を、RCフィルタによって抑制することができる。すなわち、半導体スイッチ102と103のゲート電圧変動を抑制し、目標範囲以内に制御することができる。
The time constant of each RC low-pass filter circuit is set to one or more periods of the carrier frequency of the PWM control signal that controls the power semiconductor device of the
図3は、半導体スイッチ102と103のゲートを駆動する回路の具体構成を示す図である。インバータ130の上アームを駆動する電源はチャージポンプなどの昇圧回路501で構成され、そのグラウンド配線はインバータ130のグラウンド配線と共通である。昇圧回路501と、半導体スイッチ102および103それぞれのゲート電極112および117の間には、半導体スイッチ102および103のON/OFFを制御するためのスイッチ502と503が設けられている。
FIG. 3 is a diagram showing a specific configuration of a circuit that drives the gates of the semiconductor switches 102 and 103. The power source for driving the upper arm of the
図3に示す回路構成を採用することにより、半導体スイッチ102と103を駆動するためのゲート電源として、昇圧された電源Vppを用いることができる。これにより、半導体スイッチ102と103を駆動するための電源を別に用意する必要がなくなるので、上述のRCローパスフィルタ回路の効果と併せて、ゲート駆動回路の部品点数を削減することができる。 By adopting the circuit configuration shown in FIG. 3, the boosted power supply Vpp can be used as the gate power supply for driving the semiconductor switches 102 and 103. As a result, it is not necessary to prepare a separate power source for driving the semiconductor switches 102 and 103, and in addition to the effect of the RC low-pass filter circuit described above, the number of parts of the gate drive circuit can be reduced.
なお、図2〜図3で説明した回路構成において、RCフィルタ回路の時定数を大きくし過ぎると、異常発生時に半導体スイッチ102と103をオフする速度が遅くなり、所望の動作を実現できない可能性がある。そこで、前述したRCフィルタ回路に並列して、OFFスイッチング速度を早くするための回路を接続することもできる。例えば、ダイオードと抵抗を直列接続した回路などが考えられる。 In the circuit configuration described in FIGS. 2 to 3, if the time constant of the RC filter circuit is excessively increased, the speed at which the semiconductor switches 102 and 103 are turned off when an abnormality occurs may be reduced, and a desired operation may not be realized. There is. Therefore, a circuit for increasing the OFF switching speed can be connected in parallel with the RC filter circuit described above. For example, a circuit in which a diode and a resistor are connected in series can be considered.
本実施形態2において、図2〜図3で説明したRCローパスフィルタ回路と同様の効果を発揮することができれば、その他のフィルタ回路を採用することもできる。すなわち、半導体スイッチ102と103のゲート電圧変動が、電力変換部150のパワー半導体デバイスの1スイッチング周期において生じる、パワー半導体デバイス両端電圧の最大値よりも小さくなるような特性を有するフィルタ回路であればよい。
In the second embodiment, other filter circuits may be employed as long as the same effects as those of the RC low-pass filter circuit described with reference to FIGS. In other words, if the filter circuit has such characteristics that the gate voltage fluctuations of the semiconductor switches 102 and 103 are smaller than the maximum value of the voltage across the power semiconductor device that occurs in one switching cycle of the power semiconductor device of the
<実施の形態2:まとめ>
以上のように、本実施形態2に係る電動パワーステアリング装置101によれば、半導体スイッチ102と103を制御するためのゲート駆動回路として、絶縁型のゲート駆動回路をそれぞれ設ける必要がないので、ゲート駆動回路の部品点数を大幅に削減し、回路構成のさらなる小型化を実現することができる。
<Embodiment 2: Summary>
As described above, according to the electric
また、本実施形態2に係る電動パワーステアリング装置101によれば、既存の昇圧回路501を電源として半導体スイッチ102と103を駆動することができるので、ゲート駆動回路の部品点数削減およびコスト低減をさらに促進することができる。
Further, according to the electric
<実施の形態3>
実施形態1〜2では、インバータ130が備えているパワー半導体デバイスと、半導体スイッチ102および103は、それぞれ異なる種類の半導体スイッチを用いた。しかし実際には、全て同じ種類の半導体スイッチを用いて回路を実装する場合もあると考えられる。そこで本発明の実施形態3では、電力変換部150のパワー半導体デバイスとして、半導体スイッチ102および103と同じGaN−FETを用いる構成例を説明する。その他の構成は実施形態1〜2と同様であるため、以下では実施形態1で説明した構成を前提として差異点を中心に説明するが、実施形態2で説明した構成の下で本実施形態3に係る構成を採用することもできる。
<Embodiment 3>
In the first and second embodiments, the power semiconductor device included in the
図4は、本実施形態3に係る電動パワーステアリング装置101の構成図である。インバータ130が備えるパワー半導体デバイスは、ボディダイオードが必要であるため、これと同じ種類の半導体スイッチを用いて半導体スイッチ102と103を構成した場合、これらにもボディダイオードが付与されることになる。しかし後述の図5〜図6で説明するように、このボディダイオードは浮動電位配線に接続してFETから電気的に切り離すことができるので、結果として実施形態1〜2と同様の効果を発揮することができる。
FIG. 4 is a configuration diagram of the electric
図4に示す回路構成において、半導体スイッチ102が備えるGaNダイオード107のアノード電極114とカソード電極115は浮動電位配線に同電位で接続され、GaN−FET106のドレイン電極113とソース電極111は、それぞれ配線を介してモータ110とインバータ130に接続されている。GaNダイオード107はGaN−FET106から電気的に切り離された浮動電位配線に接続されているので、GaNダイオード107は半導体スイッチ102の動作上では使用されない。半導体スイッチ103についても同様である。
In the circuit configuration shown in FIG. 4, the
図5は、半導体スイッチ102の側断面図である。半導体スイッチ103も同様の構成を有するため説明は省略する。
FIG. 5 is a side sectional view of the
図5において、同一ウェハ上にGaN−FET106とGaNダイオード107が形成されている。GaN−FET106とGaNダイオード107は、AlGaN(窒化アルミニウムガリウム)205とGaN(ガリウムナイトライド)203のヘテロ接合界面に発生する2次元電子ガス204を利用するデバイスであり、複数の素子を水平方向に並べて配置する横型の半導体デバイスである。符号202はバッファ層である。近年、GaN系半導体結晶の成長基板としてSiサブストレート201を用いる技術が進歩してきており、GaNを利用した半導体デバイスの低コスト化の可能性が高まっている。
In FIG. 5, a GaN-
GaNダイオード107は、MOSFETのようにGaN−FET106との間でpn接合が形成されないため、電力変換部150のパワー半導体デバイスとして利用するためには、GaN−FET106と同じウェハ上にGaNダイオード107を配置しなければならない。その結果、GaN−FET106のドレイン電極113およびソース電極111とGaNダイオード107のカソード電極115およびアノード電極114を別電極とすることができる。すなわち、GaN−FET106とGaNダイオード107は、互いに電気的に独立させることができる。
Since a pn junction is not formed between the
図6は、図5に示したGaNデバイスを基板310に実装した様子を示す側断面図である。半導体スイッチ102と103は、電気的な接合部材311を介して基板310に接続する。接合部材311は、例えば鉛フリーはんだや銀ペーストなどが考えられる。基板310は、例えばプリント基板、絶縁金属基板、セラミック基板などが考えられる。
FIG. 6 is a side sectional view showing a state in which the GaN device shown in FIG. The semiconductor switches 102 and 103 are connected to the
GaN−FET106と108は、実施形態1〜2と同様に、モータ110とインバータ130を接続する配線上に配置する。GaNダイオード107と109のカソード電極115と120およびアノード電極114と119は、モータ110による電磁ブレーキを回避するため、インバータ130およびモータ110と電気的に接続している配線には接続しない。具体的には、浮動電位配線である304と305に接続する。配線304および305は、GaN−FET106と108を接続する配線301から切り離されているので、インバータ130のグラウンド配線と同電位であっても電流閉ループは作られない。そのため、配線304および305はインバータ130のグラウンド配線に接続しても構わない。
The GaN-
<実施の形態3:まとめ>
以上のように、本実施形態3に係る電動パワーステアリング装置101によれば、電力変換部150内で用いるパワー半導体デバイスと、モータ110による電磁ブレーキを回避するための半導体スイッチ102および103を、共通仕様にすることができる。これにより、装置設計を簡易化することができる。
<Embodiment 3: Summary>
As described above, according to the electric
また、本実施形態3に係る電動パワーステアリング装置101によれば、GaN−FETと同一ウェハ上に形成されたGaNダイオードの電極を浮動電位配線に接続することにより、モータ110のコイル間にGaNダイオードを介した電流閉ループが作られることがなくなるので、実施形態1〜2と同様にモータ110による電磁ブレーキを抑制することができる。
Moreover, according to the electric
また、本実施形態3に係る電動パワーステアリング装置101によれば、半導体スイッチ102と103が内蔵するGaNダイオードを浮動電位配線に接続することにより、GaN−FET106と108上で発生したジュール熱を浮動電位配線へ効果的に逃がすことができ、信頼性の向上につながる。
In addition, according to the electric
<実施の形態4>
GaN−FETとGaNダイオードを内蔵した半導体スイッチのなかには、GaN−FETのドレイン電極とGaNダイオードのカソード電極が共通的に構成され、さらにGaN−FETのソース電極とGaNダイオードのアノード電極が共通的に構成されたものがある。本発明の実施形態4では、実施形態3で説明した半導体スイッチが上記のように構成されている例を説明する。その他の構成は実施形態3と同様である。
<Embodiment 4>
In a semiconductor switch incorporating a GaN-FET and a GaN diode, the drain electrode of the GaN-FET and the cathode electrode of the GaN diode are configured in common, and the source electrode of the GaN-FET and the anode electrode of the GaN diode are commonly used. There is something configured. In the fourth embodiment of the present invention, an example in which the semiconductor switch described in the third embodiment is configured as described above will be described. Other configurations are the same as those of the third embodiment.
図7は、一部の電極が共通的に構成されたGaNデバイスの側断面図である。GaN−FET106のドレイン電極113とGaNダイオード107のカソード電極115は、配線501によって接続され、これら電極は共通電極として構成されている。同様にGaN−FET106’のソース電極111‘とGaNダイオード107のアノード電極114は、配線502によって接続され、これら電極は共通電極として構成されている。後述の図8に示すように、GaN−FETとGaNダイオードは基板上に同数設けられ、交互に直列接続されている。
FIG. 7 is a side sectional view of a GaN device in which some electrodes are commonly configured. The
図8は、図7で示したGaNデバイスを半導体スイッチ102として用いる場合の結線図である。上述のようにGaN−FET106とGaNダイオード107は交互に直列接続されている。全てのGaN−FET106のソース電極とドレイン電極が、モータ110とインバータ130に接続されるのではなく、GaN−FET106と106’’のように1つおきに接続される。この理由について以下に説明する。
FIG. 8 is a connection diagram when the GaN device shown in FIG. 7 is used as the
全てのGaN−FET106のドレイン電極およびソース電極をインバータ130とモータ110に接続すると、GaNダイオード107を介した電流閉ループが形成されてしまう。しかし図8に示すように、1つおきにドレイン電極およびソース電極をインバータ130とモータ110に接続し、各GaN−FET106が並列接続となるように構成すると、GaNダイオード107を介した電流閉ループが形成されない回路構成を得ることができる。
If the drain electrodes and source electrodes of all the GaN-
<実施の形態4:まとめ>
以上のように、本実施形態4に係る電動パワーステアリング装置101は、半導体スイッチ102および103として、GaN−FET106のドレイン電極113とGaNダイオード107のカソード電極115が同一電極として形成され、GaN−FET106のソース電極111とGaNダイオード107のアノード電極114が同一電極として形成されたGaNデバイスを用いることができる。
<Embodiment 4: Summary>
As described above, in the electric
本実施形態4において、GaN−FET106のオン抵抗はMOSFETのオン抵抗よりも小さいため、図8において並列に接続されているGaN−FET106全てを用いず遊休させているGaN−FET106がある場合でも、MOSFETと同等の性能を実現することができる。
In the fourth embodiment, since the on-resistance of the GaN-
<実施の形態5>
実施形態1〜4では、GaN−FET106と108それぞれのソース電極111と119は配線を介してインバータ130と接続され、GaN−FET106と108それぞれのドレイン電極113と118は配線を介してモータ110に接続されているが、接続関係はこれに限られるものではない。本発明の実施形態5では、これらの接続関係を変更した変形例を説明する。その他の構成は実施形態1〜4と同様である。
<Embodiment 5>
In the first to fourth embodiments, the
図9は、本実施形態5に係る電動パワーステアリング装置101の構成図である。図9において、GaN−FET106と108それぞれのソース電極111と119は配線を介してモータ110と接続され、GaN−FET106と108それぞれのドレイン電極113と118は配線を介してインバータ130と接続されている。図9に示す回路構成においても、実施形態1〜4と同様の効果を発揮することができる。
FIG. 9 is a configuration diagram of the electric
<実施の形態6>
実施形態1〜5において、GaNダイオードを有する半導体スイッチ102および103を採用する場合、GaNダイオード107と109は互いに別の配線301と302にそれぞれ接続されているが、これに限られるものではない。本発明の実施形態6では、GaNダイオード107と109を同一配線に接続した構成例を説明する。その他の構成は実施形態1〜5と同様である。
<Embodiment 6>
In the first to fifth embodiments, when the semiconductor switches 102 and 103 having GaN diodes are employed, the
図10は、本実施形態6に係る電動パワーステアリング装置101の構成図である。GaNダイオード107と109それぞれのカソード電極115と120、およびアノード電極114と119は、浮動電位配線306に接続されている。配線306はインバータ130のグラウンド配線に接続してもよい。
FIG. 10 is a configuration diagram of the electric
図11は、本実施形態1における半導体スイッチ102と103の側断面図である。カソード電極115と120、およびアノード電極114と119は、浮動電位配線306に接続されている。浮動電位配線306は、モータ110に接続される配線およびインバータ130に接続される配線から切り離されているので、実施形態3と同様の効果を発揮することができる。
FIG. 11 is a sectional side view of the semiconductor switches 102 and 103 in the first embodiment. The
本実施形態6の構成によれば、浮動電位配線306の面積を他の実施形態よりも大きくとることができる。これにより、GaN−FET106と108で発生した熱をさらに効果的に逃がすことができる。その結果、更なる信頼性向上につながる。
According to the configuration of the sixth embodiment, the area of the floating
<実施の形態7>
実施の形態1〜6において、半導体スイッチ102と103はそれぞれ独立した位置に配置されているが、これらを近傍に配置することにより、配線長を短く抑えることができる。本発明の実施形態7では、半導体スイッチ102と103を駆動するための配線を共通的に構成した回路例を説明する。その他の構成は実施形態1〜6と同様である。
<Embodiment 7>
In the first to sixth embodiments, the semiconductor switches 102 and 103 are arranged at independent positions, but the wiring length can be kept short by arranging them in the vicinity. In the seventh embodiment of the present invention, a circuit example in which wirings for driving the semiconductor switches 102 and 103 are configured in common will be described. Other configurations are the same as those of the first to sixth embodiments.
図12は、本実施形態7における半導体スイッチ102と103の周辺を抜粋した図である。図12において、半導体スイッチ102と103それぞれのゲート電極112と117は、ゲート配線を挟んで対向するように配置されている。これにより、ゲート配線長を共通化し、配線長を短く抑えることができる。
FIG. 12 is an excerpt of the periphery of the semiconductor switches 102 and 103 in the seventh embodiment. In FIG. 12, the
本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。上記実施形態は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることもできる。また、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を加えることもできる。また、各実施形態の構成の一部について、他の構成を追加・削除・置換することもできる。例えば以下のような変形例が考えられる。 The present invention is not limited to the embodiments described above, and includes various modifications. The above embodiment has been described in detail for easy understanding of the present invention, and is not necessarily limited to the one having all the configurations described. A part of the configuration of one embodiment can be replaced with the configuration of another embodiment. The configuration of another embodiment can be added to the configuration of a certain embodiment. Further, with respect to a part of the configuration of each embodiment, another configuration can be added, deleted, or replaced. For example, the following modifications can be considered.
(変形例その1)
半導体スイッチ102および103と電力変換部150のパワー半導体デバイスを、同一基板上に実装することもできる。これにより、インバータ130の実装レイアウトの自由度が改善され、装置全体を小型化することができる。
(Modification 1)
The power semiconductor devices of the semiconductor switches 102 and 103 and the
(変形例その2)
電力変換部150のパワー半導体デバイスは、実施形態3で説明した構成例を除けば、GaNデバイスに限られるものではなく、MOSFETやIGBTを採用することもできる。
(Modification 2)
The power semiconductor device of the
(変形例その3)
モータ110は、3相モータに限られるものではなく、例えばDCモータを採用することもできる。この場合、インバータ130に代えて例えばDC−DCコンバータなどを電力供給装置として設けることができる。この構成においても、半導体スイッチ102と103が電力供給装置とモータ110の間の接続をON/OFFする機能は、他の構成例と同様である。
(Modification 3)
The
(変形例その4)
半導体スイッチ102と103は、モータ110による電磁ブレーキを回避する以外の用途に用いることもできる。例えば、バッテリ105とインバータ130を接続する配線上に設ける電源スイッチとして活用することもできる。GaN半導体は耐圧数kVまで実用化可能なデバイスであり、利用する電圧の範囲も幅広く、車載向けや電力系統など様々な用途で利用できると考えられる。
(Modification 4)
The semiconductor switches 102 and 103 can also be used for purposes other than avoiding electromagnetic braking by the
(変形例その5)
実施形態2で説明した、抵抗とコンデンサなどを用いたフィルタ回路をゲート駆動のために用いる構成およびその時定数は、GaN半導体に限らず採用することができる。例えば半導体スイッチ102および103としてMOSFETを採用する場合においても、ゲート電圧が変動する課題は同様に発生するので、実施形態2と同様のフィルタ回路を用いてこれを抑制することができる。
(Modification 5)
The configuration and time constant of using the filter circuit using the resistor and the capacitor described in the second embodiment for driving the gate and the time constant thereof can be adopted without being limited to the GaN semiconductor. For example, even when MOSFETs are employed as the semiconductor switches 102 and 103, the problem that the gate voltage fluctuates similarly occurs, and this can be suppressed using the same filter circuit as in the second embodiment.
上記各構成、機能、処理部、処理手段等は、それらの一部や全部を、例えば集積回路で設計する等によりハードウェアで実現してもよい。また、上記の各構成、機能等は、プロセッサがそれぞれの機能を実現するプログラムを解釈し、実行することによりソフトウェアで実現してもよい。各機能を実現するプログラム、テーブル、ファイル等の情報は、メモリ、ハードディスク、SSD(Solid State Drive)等の記録装置、ICカード、SDカード、DVD等の記録媒体に格納することができる。 Each of the above-described configurations, functions, processing units, processing means, and the like may be realized in hardware by designing a part or all of them, for example, with an integrated circuit. Each of the above-described configurations, functions, and the like may be realized by software by interpreting and executing a program that realizes each function by the processor. Information such as programs, tables, and files for realizing each function can be stored in a recording device such as a memory, a hard disk, an SSD (Solid State Drive), or a recording medium such as an IC card, an SD card, or a DVD.
101:電動パワーステアリング装置、102および103:半導体スイッチ、106および108:GaN−FET、107および109:GaNダイオード、110:モータ、130:インバータ、150:電力変換部。 101: Electric power steering device, 102 and 103: Semiconductor switch, 106 and 108: GaN-FET, 107 and 109: GaN diode, 110: Motor, 130: Inverter, 150: Power converter.
Claims (9)
前記モータに電力を供給する電力供給装置と、
前記モータと前記電力供給装置の間を電気的に接続する配線上に設置され、前記モータと前記電力供給装置を電気的に接続するか否かを切り替える半導体スイッチと、
を備えた電動パワーステアリング装置であって、
前記半導体スイッチは、ノーマリーオフ型のGaN−FETを用いて形成され、
前記電力供給装置は、電力を変換するためのパワー半導体デバイスを備えており、
前記電動パワーステアリング装置は、
前記半導体スイッチのゲート電極とソース電極の間に、前記パワー半導体デバイスの動作にともなって前記半導体スイッチのゲート電極とソース電極の間に印加される電圧変動を緩和するフィルタ回路を備えている
ことを特徴とする電動パワーステアリング装置。 A motor for assisting the operation of the steering device;
A power supply device for supplying power to the motor;
A semiconductor switch that is installed on a wiring that electrically connects the motor and the power supply device, and that switches whether to electrically connect the motor and the power supply device;
An electric power steering apparatus comprising:
The semiconductor switch is formed using a normally-off GaN-FET ,
The power supply apparatus includes a power semiconductor device for converting power,
The electric power steering device is
A filter circuit is provided between the gate electrode and the source electrode of the semiconductor switch to reduce a voltage variation applied between the gate electrode and the source electrode of the semiconductor switch in accordance with the operation of the power semiconductor device. An electric power steering device.
前記パワー半導体デバイスの動作にともなって前記半導体スイッチのゲート電極とソース電極の間に印加される電圧が、前記パワー半導体デバイスの両端に生じる最大電圧以下になるように構成されている
ことを特徴とする請求項1記載の電動パワーステアリング装置。 The filtering characteristics of the filter circuit are:
The voltage applied between the gate electrode and the source electrode of the semiconductor switch in accordance with the operation of the power semiconductor device is configured to be equal to or lower than the maximum voltage generated at both ends of the power semiconductor device. The electric power steering apparatus according to claim 1 .
前記半導体スイッチのゲート電極に接続された抵抗と、前記半導体スイッチのゲート電極とソース電極の間に接続されたコンデンサと、を用いて構成されている
ことを特徴とする請求項1記載の電動パワーステアリング装置。 The filter circuit is
Wherein a resistor connected to the gate electrode of the semiconductor switch, the electric power according to claim 1, characterized by being constructed using a capacitor connected between the gate electrode and the source electrode of the semiconductor switch Steering device.
ことを特徴とする請求項3記載の電動パワーステアリング装置。 4. The electric power steering apparatus according to claim 3 , wherein a time constant of the filter circuit configured using the resistor and the capacitor is set to a value equal to or greater than a switching period of the power semiconductor device.
前記モータに電力を供給する電力供給装置と、A power supply device for supplying power to the motor;
前記モータと前記電力供給装置の間を電気的に接続する配線上に設置され、前記モータと前記電力供給装置を電気的に接続するか否かを切り替える半導体スイッチと、A semiconductor switch that is installed on a wiring that electrically connects the motor and the power supply device, and that switches whether to electrically connect the motor and the power supply device;
を備えた電力変換装置であって、A power conversion device comprising:
前記半導体スイッチは、ノーマリーオフ型のMOSFETを用いて形成され、The semiconductor switch is formed using a normally-off type MOSFET,
前記電力供給装置は、電力を変換するためのパワー半導体デバイスを備えており、The power supply apparatus includes a power semiconductor device for converting power,
前記電力変換装置は、The power converter is
前記半導体スイッチのゲート電極とソース電極の間に、前記パワー半導体デバイスの動作にともなって前記半導体スイッチのゲート電極とソース電極の間に印加される電圧変動を緩和するフィルタ回路を備えているA filter circuit is provided between the gate electrode and the source electrode of the semiconductor switch to reduce a voltage fluctuation applied between the gate electrode and the source electrode of the semiconductor switch in accordance with the operation of the power semiconductor device.
ことを特徴とする電力変換装置。The power converter characterized by the above-mentioned.
前記パワー半導体デバイスの動作にともなって前記半導体スイッチのゲート電極とソース電極の間に印加される電圧が、前記パワー半導体デバイスの両端に生じる最大電圧以下になるように構成されているThe voltage applied between the gate electrode and the source electrode of the semiconductor switch in accordance with the operation of the power semiconductor device is configured to be equal to or lower than the maximum voltage generated at both ends of the power semiconductor device.
ことを特徴とする請求項5記載の電力変換装置。The power conversion device according to claim 5.
前記半導体スイッチのゲート電極に接続された抵抗と、前記半導体スイッチのゲート電極とソース電極の間に接続されたコンデンサと、を用いて構成されているThe resistor is connected to the gate electrode of the semiconductor switch, and the capacitor is connected between the gate electrode and the source electrode of the semiconductor switch.
ことを特徴とする請求項5記載の電力変換装置。The power conversion device according to claim 5.
ことを特徴とする請求項7記載の電力変換装置。The power conversion device according to claim 7.
前記モータにより動作が補助される操舵装置と、A steering device whose operation is assisted by the motor;
を備えたことを特徴とする電動パワーステアリング装置。An electric power steering apparatus comprising:
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