JP6731146B2

JP6731146B2 - 過電流保護装置

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Publication number: JP6731146B2
Application number: JP2016121959A
Authority: JP
Inventors: 弘北本; 内田　修弘; 修弘内田
Original assignee: JTEKT Corp
Current assignee: JTEKT Corp
Priority date: 2016-06-20
Filing date: 2016-06-20
Publication date: 2020-07-29
Anticipated expiration: 2036-06-20
Also published as: CN107528297B; EP3261239A1; CN107528297A; US20170365997A1; EP3261239B1; JP2017229119A; US10505363B2

Description

この発明は、上側スイッチング素子と下側スイッチング素子との直列回路を少なくとも１つ含む電子回路に用いられる過電流保護装置に関する。

上側スイッチング素子と下側スイッチング素子との直列回路を含むインバータ回路等の電子回路において、スイッチング素子または電子回路の故障により、上側スイッチング素子と下側スイッチング素子とが短絡する場合がある。このような短絡が起こると、電源から上側スイッチング素子および下側スイッチング素子を通って接地へと貫通電流が流れる。スイッチング素子に過度の貫通電流が流れると、スイッチング素子が破壊されるおそれがある。

特許文献１には、スイッチング素子に所定値以上の電流が所定期間継続して流れたときに、スイッチング素子をオフ制御する過電流保護回路が開示されている。具体的には、シャント抵抗の端子間電圧が第１の所定値よりも大きいときにＨレベルの信号を出力する第１のコンパレータと、第１のコンパレータからＨレベルの信号が出力されているときにオンされるスイッチと、スイッチがオンのときに定電流源によって充電されるコンデンサと、コンデンサの端子間電圧が第２の所定値を超えたときにスイッチング素子をオフするための信号を出力する第２のコンパレータとを含む。特許文献１の第１のコンパレータは、実際には、シャント抵抗の端子間電圧を増幅するアンプと、アンプによって増幅された電圧と基準電圧とを比較するコンパレータとを含んでいると考えられる。

特開２００７−７４７９４号公報

一般に、過電流保護回路が設けられた電子回路においては、電子回路の動作開始時に過電流保護回路が正常に動作することを確認する必要がある。しかしながら、前述の特許文献１の過電流保護回路では、例えば、第１のコンパレータに含まれるアンプにＬｏｗ固着故障（アンプ出力が接地レベルに固着する故障）が発生していたとしても、電子回路の通常動作中においては、当該アンプの出力はＬレベルであるため、その故障を検出できないまま、電子回路が動作を開始してしまう。そうすると、電子回路の動作開始後において、スイッチング素子に貫通電流が流れるような故障が発生したとしても、貫通電流を検出できなくなる。

この発明の目的は、貫通電流検出用シャント抵抗の端子間電圧を増幅するための増幅回路にＬｏｗ固着故障が発生している否かを確認することができるようになる過電流保護装置を提供することである。

請求項１に記載の発明は、上側スイッチング素子（１１；１３；１５）と下側スイッチング素子（１２；１４；１６）との直列回路を少なくとも１つ含む電子回路（２）に適用される過電流保護回路（３）であって、貫通電流検出用シャント抵抗（７）の端子間電圧を増幅するための増幅回路（４１）と、前記増幅回路の入力端子に接続され、前記増幅回路から所定のオフセット電圧（Ｖ_{ＯＦＦＳＥＴ}）が上乗せされた出力を得るためのオフセット付与回路（４４）と、前記オフセット電圧よりも大きな所定の第１の基準電圧（ＶＡ）と前記増幅回路の出力電圧（Ｖ３）とを比較し、前記増幅回路の出力電圧が前記第１の基準電圧よりも大きいときに貫通電流検知信号を出力する貫通電流検知用比較回路（４２）と、前記貫通電流検知用比較回路から貫通電流検知信号が出力されている時間長を測定するための時間長測定回路（４３）と、零よりも大きくかつ前記オフセット電圧よりも小さな所定の第２の基準電圧（ＶＢ）と、前記増幅回路の出力電圧とを比較し、その比較結果に応じた増幅回路故障判定信号を出力する増幅回路故障判定回路（４６）と、前記時間長測定回路の出力および前記増幅回路故障判定回路の出力が入力される制御装置（４）とを含み、前記制御装置は、前記増幅回路故障判定回路の出力に基づいて前記増幅回路にＬｏｗ固着故障が発生しているか否かを判定する、過電流保護装置である。なお、括弧内の英数字は、後述の実施形態における対応構成要素等を表すが、むろん、この発明の範囲は当該実施形態に限定されない。以下、この項において同じ。

この構成では、電子回路の通常動作時において、増幅回路にＬｏｗ固着故障が発生していない場合には、増幅回路の出力電圧が第２の基準電圧よりも大きくなり、増幅回路にＬｏｗ固着故障が発生している場合には、増幅回路の出力電圧が第２の基準電圧よりも小さくなる。したがって、制御装置は、増幅回路故障判定回路の出力に基づいて、増幅回路にＬｏｗ固着故障が発生しているか否かを判定できる。

請求項２に記載の発明は、前記時間長測定回路は、常時はオフで、前記貫通電流検知用比較回路から貫通電流検知信号が出力されているときにオンされる第１のスイッチ（５１）と、前記第１のスイッチの一方の端子に一方の電極が接続され、他方の電極が接地されたコンデンサ（５２）と、前記第１のスイッチの他方の端子に接続され、前記コンデンサを充電するための充電用電源（５３）とを含み、前記コンデンサの端子間電圧が出力されるように構成されている、請求項１に記載の過電流保護装置である。

請求項３に記載の発明は、任意のタイミングで、前記増幅回路から前記第１の基準電圧よりも大きな電圧を強制的に出力させるための貫通電流模擬回路（４５）をさらに含み、前記貫通電流模擬回路は、所定の直流電源と前記増幅回路の入力端子との間に接続された第２のスイッチ（７１）を含む、請求項１または２に記載の過電流保護装置である。

図１は、本発明の一実施形態に係る過電流保護回路が適用された三相インバータ回路を含むモータ駆動制御装置の概略構成を示す模式図である。図２は、過電流保護回路の構成を示す電気回路図である。

以下では、この発明の実施形態を、添付図面を参照して詳細に説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る過電流保護回路が適用された三相インバータ回路を含むモータ駆動制御装置の概略構成を示す模式図である。
モータ駆動制御装置１は、三相インバータ回路２と、過電流保護回路３と、制御装置４とを含む。モータ駆動制御装置１は、例えば、電動パワーステアリング装置用の電動モータを駆動制御するためのモータ駆動制御装置であってもよい。

三相インバータ回路２は、電動モータ５に電力を供給するものであり、制御装置４によって制御される。この三相インバータ回路２では、電動モータ５のＵ相に対応した一対のスイッチング素子１１，１２の直列回路と、Ｖ相に対応した一対のスイッチング素子１３，１４の直列回路と、Ｗ相に対応した一対のスイッチング素子１５，１６の直列回路とが、直流電源６の正極端子と接地との間に並列に接続されている。また、各スイッチング素子１１〜１６には、それぞれ回生ダイオード２１〜２６が、接地側から直流電源６側に順方向電流が流れるような向きで、並列に接続されている。この実施形態では、各スイッチング素子１１〜１６としては、例えば、ｎチャンネル型のＦＥＴ（Field Effect Transistor）が用いられる。

以下において、各相の一対のスイッチング素子のうち、直流電源６の正極端子側のものを「上側スイッチング素子」といい、接地側のものを「下側スイッチング素子」という場合がある。上側スイッチング素子１１，１３，１５のドレインは、直流電源６に接続されている。上側スイッチング素子１１，１３，１５のソースは、下側スイッチング素子１２，１４，１６のドレインに接続されている。下側スイッチング素子１２，１４，１６のソースは接地されている。下側スイッチング素子１２，１４，１６の接続点と接地との間には、シャント抵抗７が接続されている。

Ｕ相に対応した一対のスイッチング素子１１，１２の間の接続点は、Ｕ相電力供給線３１を介して電動モータ５のＵ相界磁巻線５Ｕの一方端に接続されている。Ｖ相に対応した一対のスイッチング素子１３，１４の間の接続点は、Ｖ相電力供給線３２を介して電動モータ５のＶ相界磁巻線５Ｖの一方端に接続されている。Ｗ相に対応した一対のスイッチング素子１５，１６の間の接続点は、Ｗ相電力供給線３３を介して電動モータ５のＷ相界磁巻線５Ｗの一方端に接続されている。Ｕ相界磁巻線５Ｕ、Ｖ相界磁巻線５ＶおよびＷ相界磁巻線５Ｗの他方端どうしは接続されている。

制御装置４は、モータ駆動制御装置１（三相インバータ回路２）の動作開始後においては、スイッチング素子１１〜１６に対するゲート制御信号を生成して、対応するスイッチング素子１１〜１６のゲートにそれぞれ与える。また、制御装置４は、後述する過電流保護回路３からの貫通電流時間長信号Ｖｃに基づいて、スイッチング素子１１〜１６または三相インバータ回路２に故障が発生しているか否かを判定し、故障が発生していると判定したときに全てのスイッチング素子１１〜１６を強制的にオフにさせる機能（フェイルセーフ機能）を備えている。さらに、制御装置４は、モータ駆動制御装置１（三相インバータ回路２）の動作開始時に過電流保護回路３が正常に動作するか否かを確認する機能（保護回路チェック機能）を有している。

図２は、過電流保護回路の構成を示す電気回路図である。
過電流保護回路３は、アンプ（増幅回路）４１と、第１のコンパレータ（貫通電流検知用比較回路）４２と、時間長測定回路４３と、オフセット付与回路４４と、貫通電流模擬回路４５と、アンプ故障判定回路４６とを含む。
アンプ４１は、シャント抵抗７の端子間電圧（Ｖ１−Ｖ２）を増幅するためのものである。Ｖ１は、シャント抵抗７の電源側端子の電位を表している。Ｖ２は、シャント抵抗７の接地側端子の電位を表している。

アンプ４１はオペアンプからなる。アンプ４１の非反転入力端子（＋）は、抵抗Ｒ３を介してシャント抵抗７の電源側端子に接続されている。アンプ４１の反転入力端子（−）は、抵抗Ｒ１を介してシャント抵抗７の接地側端子に接続されている。アンプ４１の出力端は、抵抗Ｒ２を介して、アンプ４１の反転入力端子（−）に接続されている。
オフセット付与回路４４は、アンプ４１から所定のオフセット電圧Ｖ_OFFSETが上乗せされた出力を得るための回路である。具体的には、オフセット付与回路４４は、第１の直流電源Ｖｃｃ１と、第１の直流電源Ｖｃｃ１とアンプ４１の非反転入力端子（＋）との間に接続された抵抗Ｒ４とを含む。第１の直流電源Ｖｃｃ１の電圧（Ｖｃｃ１）は、例えば１．５Ｖである。

例えば、Ｒ１=Ｒ３とし、Ｒ２=Ｒ４とすると、アンプ４１の出力電圧Ｖ３は、次式(1)で表される。
Ｖ３＝（Ｒ２／Ｒ３）・（Ｖ１−Ｖ２）＋Ｖｃｃ１
＝（Ｒ２／Ｒ３）・（Ｖ１−Ｖ２）＋１．５ …(1)
この場合には、Ｖｃｃ１が、オフセット電圧Ｖ_OFFSETとなる。

第１のコンパレータ４２の第１の入力端子には、アンプ４１の出力電圧Ｖ３が入力する。第１のコンパレータ４２の第２の入力端子には、第２の直流電源Ｖｃｃ２によって第１の基準電圧ＶＡが入力する。第１の基準電圧ＶＡは、オフセット電圧Ｖ_OFFSETよりも所定値だけ大きな値に設定されている。
第１のコンパレータ４２は、アンプ４１の出力電圧Ｖ３が第１の基準電圧ＶＡよりも低いときには出力信号をＬレベルとし、アンプ４１の出力電圧Ｖ３が第１の基準電圧ＶＡよりも高いときには出力信号をＨレベルとする。以下において、Ｈレベルの出力信号を貫通電流検知信号という場合がある。

時間長測定回路４３は、第１のコンパレータ４２から貫通電流検知信号が出力されている時間長を測定するための回路である。具体的には、時間長測定回路４３は、第１のスイッチ５１と、コンデンサ５２と、定電流源（充電用電源）５３とを含む。第１のスイッチ５１は、この実施形態では、ｎチャンネル型のＦＥＴからなる。第１のスイッチ５１の制御端子（ゲート電極）は第１のコンパレータ４２の出力端子に接続されている。第１のスイッチ５１は、第１のコンパレータ４２の出力によってオンオフ制御される。第１のスイッチ５１は、常時はオフで、第１のコンパレータ４２から貫通電流検知信号が出力されているときにオンされる。

コンデンサ５２は、第１のスイッチ５１の一方の端子（ソース電極）に一方の電極が接続されている。コンデンサ５２の他方の電極は接地されている。定電流源５３は、第３の直流電源Ｖｃｃ３と第１のスイッチ５１の他方の端子（ドレイン電極）との間に接続されている。
第１のスイッチ５１がオンされると、定電流源５３から第１のスイッチ５１を介してコンデンサ５２に電流が流れ、コンデンサ５２が充電される。コンデンサ５２と第１のスイッチ５１との接続点の電圧（コンデンサ５２の端子間電圧Ｖｃ）は、貫通電流時間長信号Ｖｃとして制御装置４に与えられる。コンデンサ５２の端子間電圧Ｖｃは、アンプ４１の出力電圧Ｖ３が第１の基準電圧ＶＡよりも大きくなっているときに、コンデンサ５２に充電された電荷量に応じた電圧となる。したがって、コンデンサ５２の端子間電圧Ｖｃは、貫通電流が流れている時間に応じた値となる。そこで、コンデンサ５２の端子間電圧Ｖｃは、貫通電流が流れている時間長を表す貫通電流時間長信号Ｖｃとして、制御装置４に与えられる。

アンプ故障判定回路４６は、アンプ４１にＬｏｗ固着故障が発生しているか否かを判定するための回路である。アンプ４１のＬｏｗ固着故障とは、アンプ４１の出力がＬｏｗレベル（接地レベル）に固着してしまうような故障をいう。
アンプ故障判定回路４６は、第２のコンパレータ６１を含む。第２のコンパレータ６１の第１の入力端子には、アンプ４１の出力電圧Ｖ３が入力する。第２のコンパレータ６１の第２入力端子には、第４の直流電源Ｖｃｃ４によって第２の基準電圧ＶＢが入力する。第２の基準電圧ＶＢは、零よりも大きくかつオフセット電圧Ｖ_OFFSETよりも小さい値（例えば１．０Ｖ）に設定されている。第２のコンパレータ６１は、アンプ４１の出力電圧Ｖ３と第２の基準電圧ＶＢとを比較し、その比較結果に応じたアンプ故障判定信号Ｓａを出力する。

貫通電流模擬回路４５は、任意のタイミングで、アンプ４１から第１の基準電圧ＶＡよりも大きな電圧を強制的に出力させるための回路である。言い換えれば、貫通電流模擬回路４５は、貫通電流が流れている状態を模擬的に生成するための回路である。具体的には、貫通電流模擬回路４５は、第５の直流電源Ｖｃｃ５とアンプ４１の非反転入力端子（＋）との間に接続された第２のスイッチ７１を含む。第５の直流電源Ｖｃｃ５の電圧（Ｖｃｃ５）は、第１の基準電圧ＶＡよりも大きな電圧（例えば５Ｖ）に設定されている。第２のスイッチ７１は、制御装置４によって制御される。第２のスイッチ７１は、ＦＥＴから構成されていてもよい。

第２のスイッチ７１がオンである場合には、アンプ４１の出力電圧Ｖ３は、ほぼＶｃｃ５（この例では５Ｖ）と等しい電圧となる。
制御装置４は、モータ駆動制御装置１の動作開始後においては、スイッチング素子１１〜１６に対するゲート制御信号を生成して、対応するスイッチング素子１１〜１６のゲートにそれぞれ与える。また、制御装置４は、過電流保護回路３からの貫通電流時間長信号Ｖｃを監視することにより、スイッチング素子１１〜１６または三相インバータ回路２に故障が発生しているか否か（貫通電流異常が発生しているか否か）を判定し、故障が発生していると判定したときに全てのスイッチング素子１１〜１６を強制的にオフにさせる。

具体的には、制御装置４は、過電流保護回路３から与えられる貫通電流時間長信号Ｖｃを所定の閾値αと比較する。そして、貫通電流時間長信号Ｖｃが閾値αよりも大きくなったときに、つまり、貫通電流が流れている時間長が閾値αに応じた所定時間よりも長くなったときに、全てのスイッチング素子１１〜１６を強制的にオフさせる。制御装置４は、例えば、全てのスイッチング素子１１〜１６のゲートを接地させることにより、全てのスイッチング素子１１〜１６を強制的にオフさせる。

制御装置４の保護回路チェック機能について説明する。制御装置４は、モータ駆動制御装置１の動作開始時に過電流保護回路３が正常に動作するか否かを確認する。
チェック項目としては、次のようなものがある。
（１）アンプ４１のＨｉ固着故障：アンプ４１の出力がＨレベルに固着してしまう故障
（２）アンプ４１のＬｏｗ固着故障：アンプ４１の出力がＬレベル（接地レベル）に固着してしまう故障
（３）第１のコンパレータ４２のＨｉ固着故障：コンパレータ４２の出力がＨレベルに固着してしまう故障
（４）第１のコンパレータ４２のＬｏｗ固着故障：コンパレータ４２の出力がＬレベル（接地レベル）に固着してしまう故障
（５）第１のスイッチ５１の短絡故障：スイッチ５１が常にオンとなる故障
（６）第１のスイッチ５１のオープン故障：スイッチ５１が常にオフとなる故障
（７）コンデンサ５２のショート故障：コンデンサ５２が短絡状態となる故障
アンプ４１のＨｉ固着故障（項目（１））、第１のコンパレータ４２のＨｉ固着故障（項目（３））または第１のスイッチ５１の短絡故障（項目（５））が発生している場合には、貫通電流が流れていなくても、コンデンサ５２が充電される状態となるため、貫通電流異常が検出されてしまう。そこで、制御装置４は、モータ駆動制御装置１（三相インバータ回路２）の動作開始時に、貫通電流異常が検出された場合には、アンプ４１のＨｉ固着故障、第１のコンパレータ４２のＨｉ固着故障または第１のスイッチ５１の短絡故障の発生の可能性が高いことを操作者に知らせるために、その旨を報知する。

アンプ４１のＬｏｗ固着故障（項目（２））が発生している場合には、三相インバータ回路２の動作中に貫通電流が流れたとしても、第１のコンパレータ４２から貫通電流検知信号は出力されなくなるため、貫通電流異常を検出できなくなる。そこで、制御装置４は、モータ駆動制御装置１の動作開始時に、第２のコンパレータ６１の出力であるアンプ故障判定信号Ｓａに基づいて、アンプ４１にＬｏｗ固着故障が発生しているか否かを判定する。

アンプ４１の出力電圧Ｖ３は、オフセット電圧Ｖ_OFFSET以上（この例では１．５Ｖ以上）であるため、アンプ４１にＬｏｗ固着故障が発生していない場合には、アンプ４１の出力電圧Ｖ３は、第２の基準電圧ＶＢ（この例では１．０Ｖ）よりも大きくなる。このため、アンプ４１にＬｏｗ固着故障が発生していない場合には、アンプ故障判定信号ＳａはＨレベルとなる。一方、アンプ４１にＬｏｗ固着故障が発生している場合には、アンプ４１の出力電圧Ｖ３は、第２の基準電圧ＶＢ（この例では１．０Ｖ）よりも小さくなる。このため、アンプ４１にＬｏｗ固着故障が発生している場合には、アンプ故障判定信号ＳａはＬレベルとなる。制御装置４は、モータ駆動制御装置１の動作開始時に、アンプ故障判定信号ＳａがＬレベルであれば、アンプ４１にＬｏｗ固着故障が発生していることを、例えば電動パワーステアリング装置であれば操作者に知らせるために、その旨を報知する。

第１のコンパレータ４２のＬｏｗ固着故障（項目（４））、第１のスイッチ５１のオープン故障（項目（６））またはコンデンサ５２のショート故障（項目（６））が発生している場合には、三相インバータ回路２の動作中に貫通電流が流れたとしても、コンデンサ５２に電荷が蓄積されなくなるため、貫通電流異常を検出できなくなる。そこで、制御装置４は、モータ駆動制御装置１の動作開始時に、第２のスイッチ７１を一時的にかつ所定時間以上オンさせ、貫通電流時間長信号Ｖｃが閾値αよりも大きくなったか否かを判定する。前記所定時間は、過電流保護回路３の各部に故障が発生していない場合に、コンデンサ５２の端子間電圧（貫通電流時間長信号）Ｖｃが閾値αよりも大きくなるのに十分な時間に設定されている。制御装置４は、第２のスイッチ７１を所定時間以上オンしたときに、貫通電流時間長信号Ｖｃが閾値αよりも大きくならないときには、第１のコンパレータ４２のＬｏｗ固着故障、第１のスイッチ５１のオープン故障またはコンデンサ５２のショート故障の発生の可能性が高いことを、例えば電動パワーステアリング装置であれば操作者に知らせるために、その旨を報知する。

前述の実施形態では、この発明を三相インバータ回路に適用した場合について説明したが、この発明は上側スイッチング素子と下側スイッチング素子との直列回路を少なくとも１つ含む電子回路であれば、三相インバータ回路以外の電子回路に適用することができる。
その他、特許請求の範囲に記載された事項の範囲で種々の設計変更を施すことが可能である。

１…モータ駆動制御回路、２…三相インバータ回路、３…過電流保護回路、４…制御装置、５…電動モータ、７…シャント抵抗、１１〜１６…スイッチング素子、４１…アンプ、４２…第１のコンパレータ、４３…時間長測定回路、４４…オフセット付与回路、４５…貫通電流模擬回路、４６…アンプ故障判定回路、５１…第１のスイッチ、５２…コンデンサ、５３…定電流源、６１…第２のコンパレータ、７１…第２のスイッチ

Claims

上側スイッチング素子と下側スイッチング素子との直列回路を少なくとも１つ含む電子回路に適用される過電流保護装置であって、
貫通電流検出用シャント抵抗の端子間電圧を増幅するための増幅回路と、
前記増幅回路の入力端子に接続され、前記増幅回路から所定のオフセット電圧が上乗せされた出力を得るためのオフセット付与回路と、
前記オフセット電圧よりも大きな所定の第１の基準電圧と、前記増幅回路の出力電圧とを比較し、前記増幅回路の出力電圧が前記第１の基準電圧よりも大きいときに貫通電流検知信号を出力する貫通電流検知用比較回路と、
前記貫通電流検知用比較回路から貫通電流検知信号が出力されている時間長を測定するための時間長測定回路と、
零よりも大きくかつ前記オフセット電圧よりも小さな所定の第２の基準電圧と、前記増幅回路の出力電圧とを比較し、その比較結果に応じた増幅回路故障判定信号を出力する増幅回路故障判定回路と、
前記時間長測定回路の出力および前記増幅回路故障判定回路の出力が入力される制御装置とを含み、
前記制御装置は、前記増幅回路故障判定回路の出力に基づいて前記増幅回路にＬｏｗ固着故障が発生しているか否かを判定する、過電流保護装置。
前記時間長測定回路は、
常時はオフで、前記貫通電流検知用比較回路から貫通電流検知信号が出力されているときにオンされる第１のスイッチと、
前記第１のスイッチの一方の端子に一方の電極が接続され、他方の電極が接地されたコンデンサと、
前記第１のスイッチの他方の端子に接続され、前記コンデンサを充電するための充電用電源とを含み、
前記コンデンサの端子間電圧が出力されるように構成されている、請求項１に記載の過電流保護装置。
任意のタイミングで、前記増幅回路から前記第１の基準電圧よりも大きな電圧を強制的に出力させるための貫通電流模擬回路をさらに含み、
前記貫通電流模擬回路は、所定の直流電源と前記増幅回路の入力端子との間に接続された第２のスイッチを含む、請求項１または２に記載の過電流保護装置。