JP7047844B2 - 電力変換装置、モータモジュールおよび電動パワーステアリング装置 - Google Patents

電力変換装置、モータモジュールおよび電動パワーステアリング装置 Download PDF

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Description

本開示は、電源からの電力を電動モータに供給する電力に変換する電力変換装置、モータモジュールおよび電動パワーステアリング装置に関する。
近年、電動モータ（以下、単に「モータ」と表記する。）およびＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）が一体化された機電一体型モータが開発されている。特に車載分野において、安全性の観点から高い品質保証が要求される。そのため、部品の一部が故障した場合でも安全動作を継続できる冗長設計が取り入れられている。冗長設計の一例として、１つのモータに対して２つのインバータを設けることが検討されている。他の一例として、メインのマイクロコントローラにバックアップ用マイクロコントローラを設けることが検討されている。
特許文献１は、制御部と、２つのインバータとを有し、電源からの電力を三相モータに供給する電力に変換する電力変換装置を開示している。２つのインバータの各々は電源およびグランド（以下、「ＧＮＤ」と表記する。）に接続される。一方のインバータは、モータの三相の巻線の一端に接続され、他方のインバータは、三相の巻線の他端に接続される。各インバータは、各々がハイサイドスイッチ素子およびローサイドスイッチ素子を含む３つのレグから構成されるブリッジ回路を有する。制御部は、２つのインバータにおけるスイッチ素子の故障を検出した場合、モータ制御を正常時の制御から異常時の制御に切替える。正常時の制御では、例えば、２つのインバータのスイッチ素子をスイッチングすることによりモータが駆動される。異常時の制御では、例えば、故障したインバータにおける巻線の中性点を用いて、故障していないインバータによってモータが駆動される。
特開２０１４－１９２９５０号公報
上述した従来の技術では、インバータの周辺回路が故障した場合の制御のさらなる向上が求められていた。ここで、周辺回路は、インバータを駆動するために必要な回路であり、例えば、後述するコントローラ、プリドライバおよび電源回路などを備える。周辺回路の故障とは、例えばプリドライバまたは電源回路が故障することを意味する。特許文献１の回路構成において、インバータのスイッチ素子の故障に加え、制御部にも故障が発生した場合、モータ駆動を継続させることは困難となる。
本開示の実施形態は、インバータの周辺回路に故障が生じた場合においても中性点を用いたモータ駆動を継続させることが可能な電力変換装置、当該電力変換装置を備えるモータモジュールおよび当該モータモジュールを備える電動パワーステアリング装置を提供する。
本開示の例示的な電力変換装置は、電源からの電力を、ｎ相（ｎは３以上の整数）の巻線を有するモータに供給する電力に変換する電力変換装置であって、前記モータの各相の巻線の一端に接続される第１インバータであって、各々がローサイドスイッチ素子およびハイサイドスイッチ素子を有するｎ個のレグを備える第１インバータと、前記各相の巻線の他端に接続される第２インバータであって、各々がローサイドスイッチ素子およびハイサイドスイッチ素子を有するｎ個のレグを備える第２インバータと、前記第１インバータの前記ｎ個のローサイドスイッチ素子および前記第２インバータの前記ｎ個のローサイドスイッチ素子に接続された駆動回路であって、前記モータの前記第１インバータ側で故障が発生したとき、前記第１インバータの前記ｎ個のローサイドスイッチ素子をオンにする制御信号を前記ｎ個のローサイドスイッチ素子に与え、前記モータの前記第２インバータ側で故障が発生したとき、前記第２インバータの前記ｎ個のローサイドスイッチ素子をオンにする制御信号を前記ｎ個のローサイドスイッチ素子に与える駆動回路と、前記第１インバータおよび前記第２インバータの各々における前記ｎ個のローサイドスイッチ素子および前記ｎ個のハイサイドスイッチ素子のスイッチング動作を制御し、かつ、前記駆動回路を制御する制御回路と、を備え、前記モータの前記第２インバータ側で故障が発生したとき、前記モータの前記第１インバータ側で生成される第１電源電圧が前記駆動回路に供給され、かつ、前記モータの前記第１インバータ側で故障が発生したとき、前記モータの前記第２インバータ側で生成される第２電源電圧が前記駆動回路に供給される。
本開示の例示的な実施形態によると、インバータの周辺回路に故障が生じた場合において中性点を用いたモータ駆動を継続させることが可能な電力変換装置、当該電力変換装置を備えるモータモジュールおよび当該モータモジュールを備える電動パワーステアリング装置が提供される。
図１は、例示的な実施形態１によるモータモジュール２０００のブロック構成を示し、主として電力変換装置１０００のブロック構成を示す模式図である。 図２Ａは、第１駆動回路４４０Ａの機能ブロックを示すブロック図である。 図２Ｂは、第２駆動回路４４０Ｂの機能ブロックを示すブロック図である。 図３は、第１周辺回路４００Ａの中の第１駆動回路４４０Ａの回路構成を例示する回路図である。 図４は、例示的な実施形態１の変形例による電力変換装置１０００のブロック構成例を示す模式図である。 図５Ａは、例示的な実施形態１の変形例による電力変換装置１０００のさらなるブロック構成例を示す模式図である。 図５Ｂは、例示的な実施形態１の変形例による電力変換装置１０００のさらなるブロック構成例を示す模式図である。 図６は、三相通電制御に従って電力変換装置１０００を制御したときにモータ２００のＵ相、Ｖ相およびＷ相の各巻線に流れる電流値をプロットして得られる電流波形（正弦波）を例示するグラフである。 図７は、図６に示す電流波形の電気角２７０°において２つのインバータに流れる電流の様子を例示する模式図である。 図８は、例示的な実施形態２によるモータモジュール２０００Ａのブロック構成を示し、主として電力変換装置１０００Ａのブロック構成を示す模式図である。 図９は、駆動回路４４０およびその周辺の機能ブロックを示すブロック図である。 図１０は、例示的な実施形態３による電動パワーステアリング装置３０００の典型的な構成を示す模式図である。
以下、添付の図面を参照しながら、本開示の電力変換装置、モータモジュールおよび電動パワーステアリング装置の実施形態を詳細に説明する。但し、以下の説明が不必要に冗長になるのを避け、当業者の理解を容易にするため、必要以上に詳細な説明は省略する場合がある。例えば、既によく知られた事項の詳細説明や実質的に同一の構成に対する重複説明を省略する場合がある。
本明細書において、電源からの電力を、三相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）の巻線を有する三相モータに供給する電力に変換する電力変換装置を例にして、本開示の実施形態を説明する。ただし、電源からの電力を、四相または五相などのｎ相（ｎは４以上の整数）の巻線を有するｎ相モータに供給する電力に変換する電力変換装置も本開示の範疇である。
（実施形態１） 〔１－１．電力変換装置１０００およびモータモジュール２０００の構造〕 図１は、本実施形態によるモータモジュール２０００のブロック構成を模式的に示し、主として電力変換装置１０００のブロック構成を模式的に示している。本明細書では、説明の便宜上、ブロック図におけるモータ２００の左側の構成要素を、第１インバータ１００Ａおよび第１周辺回路４００Ａなどと表記し、右側の構成要素を、第２インバータ１００Ｂおよび第２周辺回路４００Ｂなどと表記する。
モータモジュール２０００は、モータ２００および電力変換装置１０００を備える。モータモジュール２０００は、モジュール化されて、例えば、モータ、センサ、プリドライバおよびコントローラを備える機電一体型モータとして製造および販売され得る。
電力変換装置１０００は、第１インバータ１００Ａ、第２インバータ１００Ｂ、第１から第６スイッチ素子３１１、３１２、３１３、３１４、３１５、３１６、第１周辺回路４００Ａ、第２周辺回路４００Ｂ、コントローラ４１０および電源回路４３０を備える。
電力変換装置１０００は、モータ２００に接続され、かつ、コイル６００を介して電源５００に接続される。電力変換装置１０００は、電源５００からの電力を、モータ２００に供給する電力に変換することができる。例えば、第１インバータ１００Ａおよび第２インバータ１００Ｂは、直流電力を、Ｕ相、Ｖ相およびＷ相の擬似正弦波である三相交流電力に変換することが可能である。
モータ２００は、例えば、三相交流モータである。モータ２００は、Ｕ相の巻線Ｍ１、Ｖ相の巻線Ｍ２およびＷ相の巻線Ｍ３を備え、第１インバータ１００Ａと第２インバータ１００Ｂとに接続される。具体的に説明すると、第１インバータ１００Ａはモータ２００の各相の巻線の一端に接続され、第２インバータ１００Ｂは各相の巻線の他端に接続される。このようなモータ結線は、いわゆるスター結線およびデルタ結線とは異なる。本明細書において、部品（構成要素）同士の間の「接続」は、主に電気的な接続を意味する。
第１インバータ１００Ａは、各々がローサイドスイッチ素子およびハイサイドスイッチ素子を有する３個のレグを備える。Ｕ相用レグは、ローサイドスイッチ素子１０１Ａ＿Ｌおよびハイサイドスイッチ素子１０１Ａ＿Ｈを有する。Ｖ相用レグは、ローサイドスイッチ素子１０２Ａ＿Ｌおよびハイサイドスイッチ素子１０２Ａ＿Ｈを有する。Ｗ相用レグは、ローサイドスイッチ素子１０３Ａ＿Ｌおよびハイサイドスイッチ素子１０３Ａ＿Ｈを有する。
スイッチ素子として、例えば、寄生ダイオードが内部に形成された電界効果トランジスタ（典型的にはＭＯＳＦＥＴ）または絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）とそれに並列接続された還流ダイオードとの組み合わせを用いることができる。以下、スイッチ素子としてＭＯＳＦＥＴを用いる例を説明し、スイッチ素子をＳＷと表記する場合がある。例えば、スイッチ素子１０１Ａ＿Ｌ、１０２Ａ＿Ｌおよび１０３Ａ＿Ｌは、ＳＷ１０１Ａ＿Ｌ、１０２Ａ＿Ｌおよび１０３Ａ＿Ｌと表記される。
第１インバータ１００Ａは、Ｕ相、Ｖ相およびＷ相の各相の巻線に流れる電流を検出するための電流センサとして、３個のシャント抵抗１００Ａ＿Ｒを備える。電流センサは、各シャント抵抗に流れる電流を検出する電流検出回路（不図示）を含む。図示されるように、例えば、３個のシャント抵抗１００Ａ＿Ｒは、第１インバータ１００Ａの３個のレグに含まれる３個のローサイドスイッチ素子とＧＮＤとの間にそれぞれ接続される。シャント抵抗の抵抗値は、例えば０．５ｍΩ～１．０ｍΩ程度である。
第２インバータ１００Ｂは、第１インバータ１００Ａと同様に、各々がローサイドスイッチ素子およびハイサイドスイッチ素子を有する３個のレグを備える。Ｕ相用レグは、ローサイドスイッチ素子１０１Ｂ＿Ｌおよびハイサイドスイッチ素子１０１Ｂ＿Ｈを有する。Ｖ相用レグは、ローサイドスイッチ素子１０２Ｂ＿Ｌおよびハイサイドスイッチ素子１０２Ｂ＿Ｈを有する。Ｗ相用レグは、ローサイドスイッチ素子１０３Ｂ＿Ｌおよびハイサイドスイッチ素子１０３Ｂ＿Ｈを有する。また、第２インバータ１００Ｂは、３個のシャント抵抗１００Ｂ＿Ｒを備える。それらのシャント抵抗は、３個のレグに含まれる３個のローサイドスイッチ素子とＧＮＤとの間に接続される。
各インバー
タに対し、シャント抵抗の数は３つに限られない。例えば、Ｕ相、Ｖ相用の２つのシャント抵抗、Ｖ相、Ｗ相用の２つのシャント抵抗、および、Ｕ相、Ｗ相用の２つのシャント抵抗を用いることが可能である。使用するシャント抵抗の数およびシャント抵抗の配置は、製品コストおよび設計仕様などを考慮して適宜決定される。
電力変換装置１０００において、第１インバータ１００Ａおよび第２インバータ１００Ｂは、第１から第４スイッチ素子３１１、３１２、３１３および３１４によって電源５００とＧＮＤとに電気的にそれぞれ接続可能である。具体的に説明すると、第１スイッチ素子３１１は、第１インバータ１００ＡとＧＮＤとの接続・非接続を切替える。第２スイッチ素子３１２は、第２インバータ１００ＢとＧＮＤとの接続・非接続を切替える。第３スイッチ素子３１３は、電源５００と第１インバータ１００Ａとの接続・非接続を切替える。第４スイッチ素子３１４は、電源５００と第２インバータ１００Ｂとの接続・非接続を切替える。
第１から第４スイッチ素子３１１、３１２、３１３および３１４は、双方向の電流を遮断することが可能である。第１から第４スイッチ素子３１１、３１２、３１３および３１４として、例えば、サイリスタ、アナログスイッチＩＣ、またはＭＯＳＦＥＴなどの半導体スイッチ、および、メカニカルリレーなどを用いることができる。ダイオードおよびＩＧＢＴなどの組み合わせを用いても構わない。本明細書において、第１から第４スイッチ素子３１１、３１２、３１３および３１４を、ＳＷ３１１、３１２、３１３および３１４とそれぞれ表記する場合がある。ＳＷ３１１、３１２、３１３および３１４をＭＯＳＦＥＴとして説明する。
ＳＷ３１１は、内部の寄生ダイオードに順方向電流が第１インバータ１００Ａに向けて流れるよう配置される。ＳＷ３１２は、寄生ダイオードに順方向電流が第２インバータ１００Ｂに向けて流れるよう配置される。ＳＷ３１３は、寄生ダイオードに順方向電流が電源５００に向けて流れるよう配置される。ＳＷ３１４は、寄生ダイオードに順方向電流が電源５００に向けて流れるよう配置される。
電力変換装置１０００は、図示されるように、逆接続保護用の第５および第６スイッチ素子３１５、３１６をさらに有していても構わない。第５および第６スイッチ素子３１５、３１６は、典型的に、寄生ダイオードを有するＭＯＳＦＥＴの半導体スイッチである。第５スイッチ素子３１５は、ＳＷ３１３に直列に接続され、寄生ダイオードにおいて第１インバータ１００Ａに向けて順方向電流が流れるよう配置される。第６スイッチ素子３１６は、ＳＷ３１４に直列に接続され、寄生ダイオードにおいて第２インバータ１００Ｂに向けて順方向電流が流れるよう配置される。電源５００が逆向きに接続された場合でも、逆接続保護用の２つのスイッチ素子によって逆電流を遮断することができる。
図示する例に限られず、使用するスイッチ素子の個数は、設計仕様などを考慮して適宜決定される。特に車載分野においては、安全性の観点から高い品質保証が要求されるので、各インバータ用として複数のスイッチ素子を設けておくことが好ましい。
電源５００は所定の電源電圧（例えば、１２Ｖ）を生成する。電源５００として、例えば直流電源が用いられる。ただし、電源５００は、ＡＣ－ＤＣコンバータまたはＤＣ－ＤＣコンバータであってもよいし、バッテリー（蓄電池）であってもよい。
電源５００は、図示するように、第１インバータ１００Ａおよび第２インバータ１００Ｂに共通の単一電源であってもよいし、第１インバータ１００Ａ用の第１電源および第２インバータ１００Ｂ用の第２電源を備えていてもよい。
電源５００と電力変換装置１０００の各インバータとの間にコイル６００が設けられている。コイル６００は、ノイズフィルタとして機能し、各インバータに供給する電圧波形に含まれる高周波ノイズ、または各インバータで発生する高周波ノイズを電源５００側に流出させないように平滑化する。
各インバータの電源端子には、コンデンサ（不図示）が接続される。コンデンサは、いわゆるバイパスコンデンサであり、電圧リプルを抑制する。コンデンサは、例えば電解コンデンサであり、容量および使用する個数は設計仕様などによって適宜決定される。
第１周辺回路４００Ａは、第１インバータ１００Ａの駆動を制御するための回路である。第１周辺回路４００Ａは、例えば、第１プリドライバ４２０Ａ、第１駆動回路４４０Ａおよび第１サブドライバ４５０Ａを備える。
第２周辺回路４００Ｂは、第２インバータ１００Ｂの駆動を制御するための回路である。第２周辺回路４００Ｂは、第１周辺回路４００Ａと同様に、例えば、第２プリドライバ４２０Ｂ、第２駆動回路４４０Ｂおよび第２サブドライバ４５０Ｂを備える。
第２周辺回路４００Ｂは、典型的に、第１周辺回路４００Ａと実質的に同じ構造および機能を備える。より詳細には、個々の部品同士は実質的に同じ構造および機能を備える。
コントローラ４１０は、電力変換装置１０００の全体を制御する集積回路であり、例えば、マイクロコントローラまたはＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｇａｔｅ Ａｒｒａｙ）である。
コントローラ４１０は、第１周辺回路４００Ａおよび第２周辺回路４００Ｂを制御する。具体的には、コントローラ４１０は、第１インバータ１００Ａおよび第２インバータ１００Ｂの各々における３個のローサイドスイッチ素子および３個のハイサイドスイッチ素子のスイッチング動作を制御する。例えば、コントローラ４１０は、第１プリドライバ４２０Ａが故障した場合、第１駆動回路４４０Ａを制御し、第２プリドライバ４２０Ｂが故障した場合、第２駆動回路４４０Ｂを制御する。
コントローラ４１０は、目的とするモータ２００のロータの位置、回転速度、および電流などを制御してクローズドループ制御を実現することができる。そのため、コントローラ４１０は、典型的に、ロータの位置を検出する位置センサ７００からの出力信号を入力する入力ポートを備える。
位置センサ７００は、例えば、レゾルバ、ホールＩＣ、または、磁気抵抗（ＭＲ）素子を有するＭＲセンサとセンサマグネットとの組み合わせによって実現される。位置センサ７００は、ロータの位置（以下、「回転信号」と表記する。）を検出し、コントローラ４１０に回転信号を出力する。
コントローラ４１０は、位置センサ７００用の入力ポートに代えて、またはその入力ポートと共に、トルクセンサ８００からの出力信号を入力する入力ポートを備えていてもよい。この場合、コントローラ４１０は、目的とするモータトルクを制御することができる。また、コントローラ４１０は、例えば車載のコントロールエリアネットワーク（ＣＡＮ）に接続するための専用ポートなどを備えることができる。
センサの冗長性を考慮して、例えば２個の位置センサ７００および２個のトルクセンサ８００（図４を参照）を設けるようにしてもよい。２個のセンサのうちの１個が故障した場合でも、故障していないセンサを用いてモータ制御を継続することができる。
コントローラ４１０は、上述した電流センサから出力される電流信号を入力する入力ポートをさらに備えることができる。コントローラ４１０は、実電流値として、外付けのＡＤ（アナログ－デジタル）コンバータによって変換されたデジタル信号を受け取ってもよいし、電流センサからアナログ信号をそのまま受け取り、コントローラ４１０の内部でデジタル信号に変換してもよい。
コントローラ４１０は、実電流値およびロータの回転信号などに従って目標電流値を設定してＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）信号を生成し、それらを第１プリドライバ４２０Ａおよび第２プリドライバ４２０Ｂに出力する。また、本実施形態では、コントローラ４１０は、ＳＷ３１１のオン・オフを制御する制御信号を第１サブドライバ４５０Ａに出力し、ＳＷ３１２のオン・オフを制御する制御信号を第２サブドライバ４５０Ｂに出力する。
プリドライバは、ゲートドライバとも呼ばれる。第１プリドライバ４２０Ａおよび第２プリドライバ４２０Ｂとして、汎用のプリドライバを広く用いることができる。
第１プリドライバ４２０Ａは、コントローラ４１０と第１インバータ１００Ａとの間に接続されている。第１プリドライバ４２０Ａは、第１インバータ１００Ａにおける３個のローサイドスイッチ素子および３個のハイサイドスイッチ素子のスイッチング動作を制御する制御信号をコントローラ４１０の制御の下で生成し、それらのスイッチ素子に与える。具体的には、第１プリドライバ４２０Ａは、第１インバータ１００Ａにおける各ＳＷのスイッチング動作を制御する制御信号（ゲート制御信号）を、コントローラ４１０からのＰＷＭ信号に従って生成し、各ＳＷのゲートに制御信号を与える。
第２プリドライバ４２０Ｂは、コントローラ４１０と第２インバータ１００Ｂとの間に接続されている。第２プリドライバ４２０Ｂは、第２インバータ１００Ｂにおける３個のローサイドスイッチ素子および３個のハイサイドスイッチ素子のスイッチング動作を制御する制御信号をコントローラ４１０の制御の下で生成し、それらのスイッチ素子に与える。具体的には、第２プリドライバ４２０Ｂは、第２インバータ１００Ｂにおける各ＳＷのスイッチング動作を制御するゲート制御信号を、コントローラ４１０からのＰＷＭ信号に従って生成し、各ＳＷのゲートに制御信号を与える。
第１プリドライバ４１０Ａは、電源５００の電圧（例えば１２Ｖ）よりも大きい電圧ＣＰ＿Ｐｒ１を生成することが可能である。第２プリドライバ４１０Ｂは、電源５００の電圧よりも大きい電圧ＣＰ＿Ｐｒ２を生成することが可能である。昇圧電圧ＣＰ＿Ｐｒ１、ＣＰ＿Ｐｒ２は、例えば１８Ｖまたは２４Ｖである。各プリドライバはチャージポンプ方式である。
本実施形態では、電源回路４３０は、第１周辺回路４００Ａおよび第２周辺回路４００Ｂに共通の電源回路であり、例えば電源ＩＣである。電源５００から電源回路４３０に、例えば１２Ｖの電源が供給される。電源回路４３０は、第１周辺回路４００Ａおよび第２周辺回路４００Ｂの各ブロックに必要な電源電圧を各々に供給する。図１において、電源回路４３０を２つの機能ブロックで示しているが、それは、物理的に分離された個別の電源回路を意図しているわけではない。
電源回路４３０は、例えば５．０Ｖまたは３．３Ｖの電源電圧ＶＣＣをコントローラ４１０、第１プリドライバ４２０Ａおよび第２プリドライバ４２０Ｂに供給する。本実施形態では、電源回路４３０は、ＳＷ３１３、３１４、３１５および３１６のオン・オフを制御する制御信号をそれらに与えることが可能である。
電源回路４３０は、電源５００の電圧よりも大きい電圧ＣＰ＿ＰＭを生成することが可能である。昇圧電圧ＣＰ＿ＰＭは、例えば１８Ｖまたは２４Ｖである。
本実施形態では、電源５００の電圧よりも大きい電圧が必要になる。そのため、上述したとおり、第１プリドライバ４２０Ａ、第２プリドライバ４２０Ｂおよび電源回路４３０を用いてそのような大きい電圧は生成される。電源５００の電圧を昇圧するブロックは、各周辺回路に少なくとも１つあればよい。
ここで、第１駆動回路４４０Ａおよび第２駆動回路４４０Ｂを説明する前に、第１プリドライバ４２０Ａおよび第２プリドライバ４２０Ｂにより生成されるゲート制御信号を説明する。以下、第１プリドライバ４２０Ａを例にしてゲート制御信号を説明する。
本明細書において、電力変換装置１０００に故障が生じていないときの電力変換装置１０００の制御を「正常時の制御」と表記し、故障が生じたときの制御を「異常時の制御」
と表記することとする。
正常時の制御では、ＳＷ３１１、３１２、３１３、３１４、３１５および３１６はオン状態である。従って、第１インバータ１００ＡにおけるＳＷ１０１Ａ＿Ｌ、１０２Ａ＿Ｌおよび１０３Ａ＿Ｌを接続するノードＮＡ＿Ｌの電位は、ＧＮＤ電位となる。そのため、ＳＷ１０１Ａ＿Ｌ、１０２Ａ＿Ｌおよび１０３Ａ＿Ｌのゲートの基準電位、つまり、ソース電位は低電位となる。その場合、ＳＷのゲートに与えられるゲート制御信号の電圧レベルは比較的低くてもよく、ローサイドスイッチ素子のスイッチング動作を問題なく制御することが可能である。以下、ゲート制御信号の電圧を「ゲート電圧」と表記する場合がある。
一方、第１インバータ１００Ａの３個のＳＷ１０１Ａ＿Ｈ、１０２Ａ＿Ｈおよび１０３Ａ＿Ｈの基準電位は、ローサイドスイッチ素子とハイサイドスイッチ素子の間のノードＮＡ＿１、ＮＡ＿２およびＮＡ＿３の電位、つまり、各相の巻線Ｍ１、Ｍ２およびＭ３に供給される駆動電圧となるために高い。ハイサイドスイッチ素子をオンするためには、ローサイドスイッチ素子に与えるゲート電圧よりも高いゲート電圧をハイサイドスイッチ素子に与える必要がある。
既に説明したように、第１プリドライバ４２０Ａは、例えば１２Ｖの電圧を昇圧して１８Ｖの電圧を生成し、高電圧をＳＷ１０１Ａ＿Ｈ、１０２Ａ＿Ｈおよび１０３Ａ＿Ｈに与えることができる。その結果、スイッチング動作においてハイサイドスイッチ素子を適切にオンすることが可能となる。このように、第１プリドライバ４２０Ａは、正常時の制御において、ローサイドスイッチ素子に与えるゲート電圧よりも高いゲート電圧をハイサイドスイッチ素子に与える。ローサイドスイッチ素子に与えるゲート電圧は、例えば１２Ｖであり、ハイサイドスイッチ素子に与えるゲート電圧は、例えば１８Ｖである。
電力変換装置１０００に故障が発生した場合を考える。「故障」とは、主に周辺回路内で発生する故障を意味する。モータ２００の第１インバータ１００Ａ側で故障が発生するとは、第１周辺回路４００Ａ内で故障が発生することを意味し、より詳細には、例えば第１プリドライバ４２０Ａが故障して動作不能になることを意味する。第２インバータ１００Ｂ側で故障が発生するとは、第２周辺回路４００Ｂ内で故障が発生することを意味し、より詳細には、例えば第２プリドライバ４２０Ｂが故障して動作不能になることを意味する。
例えば、第１プリドライバ４２０Ａが故障したとする。その場合、第１プリドライバ４２０Ａは、当然に、コントローラ４１０の制御を受けて、第１インバータ１００Ａを駆動することはできなくなる。しかし、第１インバータ１００Ａにおけるローサイド側のノードＮＡ＿Ｌを中性点として機能させることができれば、この中性点を用いて第２インバータ１００Ｂを駆動させることによりモータ２００の駆動を継続させることができる。
本実施形態では、例えば第１プリドライバ４２０Ａが故障した場合、第１インバータ１００Ａのローサイド側のノードＮＡ＿Ｌを中性点として機能させる。このとき、コントローラ４１０は電流制御を適切に行えるよう第１スイッチ素子３１１をオフにする。これにより、中性点はＧＮＤから電気的に切り離される。その結果、ローサイド側のノードＮＡ＿Ｌの電位はＧＮＤ電位ではなくなり、その電位よりも高い電位となる。換言すると、ＳＷ１０１Ａ＿Ｌ、１０２Ａ＿Ｌおよび１０３Ａ＿Ｌのゲートの基準電位は、フローティング状態になる。その状態で、正常時の制御におけるゲート電圧（例えば１２Ｖ）と同じ大きさのゲート電圧をローサイドスイッチ素子に与えた場合、ゲート－ソース間電圧は、正常時の制御のそれと比較して小さくなる。
ゲート－ソース間電圧が小さくなると、ＳＷ１０１Ａ＿Ｌ、１０２Ａ＿Ｌおよび１０３Ａ＿Ｌのソース－ドレイン間のオン抵抗値が大きくなったり、ＳＷ１０１Ａ＿Ｌ、１０２Ａ＿Ｌおよび１０３Ａ＿Ｌが意図せずにオフ状態になったりすることが発生し得る。第１インバータ１００Ａのローサイド側のノードＮＡ＿Ｌを中性点として機能させるためには、ＳＷ１０１Ａ＿Ｌ、１０２Ａ＿Ｌおよび１０３Ａ＿Ｌを適切にオン状態にしておく必要がある。従って、ＳＷ１０１Ａ＿Ｌ、１０２Ａ＿Ｌおよび１０３Ａ＿Ｌに与えられるゲート電圧は、正常時の制御のそれらよりも大きくしておく必要がある。
上述した問題点を踏まえ、本開示による電力変換装置１０００は、第１駆動回路４４０Ａおよび第２駆動回路４４０Ｂを備える。第２駆動回路４４０Ｂの回路構造および機能は、第１駆動回路４４０Ａのそれらと実質的に同じであるので、以下、第１駆動回路４４０Ａを例に回路構造および機能を主に説明する。
第１駆動回路４４０Ａは、第１インバータ１００Ａの３個のローサイドスイッチ素子に接続されている。第１駆動回路４４０Ａは、モータ２００の第１インバータ１００Ａ側で故障が発生したとき、第１インバータ１００ＡにおけるＳＷ１０１Ａ＿Ｌ、１０２Ａ＿Ｌおよび１０３Ａ＿Ｌを常時オン状態にするための専用駆動回路である。第１駆動回路４４０Ａにより、第１インバータ１００Ａのローサイド側のノードＮＡ＿Ｌを中性点として適切に機能させることができる。
第２駆動回路４４０Ｂは、第２インバータ１００Ｂの３個のローサイドスイッチ素子に接続されている。第２駆動回路４４０Ｂは、モータ２００の第２インバータ１００Ｂ側で故障が発生したとき、第２インバータ１００ＢにおけるＳＷ１０１Ｂ＿Ｌ、１０２Ｂ＿Ｌおよび１０３Ｂ＿Ｌを常時オン状態にするための専用駆動回路である。第２駆動回路４４０Ｂにより、第２インバータ１００Ｂのローサイド側のノードＮＢ＿Ｌを中性点として適切に機能させることができる。
正常時の制御では、ローサイドスイッチ素子のゲート制御信号は、第１プリドライバ４２０ＡからＳＷ１０１Ａ＿Ｌ、１０２Ａ＿Ｌ、１０３Ａ＿Ｌに供給される。異常時の制御では、ゲート制御信号は、第１駆動回路４４０ＡからＳＷ１０１Ａ＿Ｌ、１０２Ａ＿Ｌ、１０３Ａ＿Ｌに供給される。
第１駆動回路４４０Ａが第１インバータ１００Ａの３個のローサイドスイッチ素子に与える制御信号の電圧レベルは、第１プリドライバ４２０Ａがそれらのローサイドスイッチ素子に与える制御信号の電圧レベルよりも大きい。本実施形態では、第１駆動回路４４０Ａが第１インバータ１００Ａの３個のローサイドスイッチ素子に与える制御信号の電圧レベルは、第１プリドライバ４２０Ａが第１インバータ１００Ａの３個のハイサイドスイッチ素子に与える制御信号の電圧レベルと等しい。そのゲート電圧は、例えば１８Ｖである。
第２駆動回路４４０Ｂが第２インバータ１００Ｂの３個のローサイドスイッチ素子に与える制御信号の電圧レベルは、第２プリドライバ４２０Ｂがそれらのローサイドスイッチ素子に与える制御信号の電圧レベルよりも大きい。本実施形態では、第２駆動回路４４０Ｂが第２インバータ１００Ｂの３個のローサイドスイッチ素子に与える制御信号の電圧レベルは、第２プリドライバ４２０Ｂが第２インバータ１００Ｂの３個のハイサイドスイッチ素子に与える制御信号の電圧レベルと等しい。そのゲート電圧は、例えば１８Ｖである。
モータ２００の第２インバータ１００Ｂ側で故障が発生したとき、第１インバータ１００Ａ側で生成される第１電源電圧が第２駆動回路４４０Ｂに供給される。第１インバータ１００Ａ側で生成される電圧とは、第１周辺回路４００Ａにおいて生成される電源電圧を意味する。例えば、第１電源電圧は、第１プリドライバ４２０Ａにより生成される昇圧電圧ＣＰ＿Ｐｒ１である。第１電源電圧の大きさは、電源５００の電圧よりも大きく、例えば１８Ｖである。
第１インバータ１００Ａ側で故障が発生したとき、第２インバータ１００Ｂ側で生成される第２電源電圧が第１駆動回路４４０Ａに供給される。第２インバータ１００Ｂ側で生成される電圧とは、第２周辺回路４００Ｂにおいて生成される電源電圧を意味する。例えば、第２電源電圧は、第２プリドライバ４２０Ｂにより生成される昇圧電圧ＣＰ＿Ｐｒ２である。第２電源電圧の大きさは、電源５００の電圧よりも大きく、例えば１８Ｖである。本実施形態では、第１電源電圧の大きさは、第２電源電圧の大きさに等しい。
第１電源電圧および第２電源電圧はそれぞれ、電源回路４３０によって生成される昇圧電圧ＣＰ＿ＰＭであってもよい。例えば、第１プリドライバ４２０Ａが故障した場合、第１駆動回路４４０Ａに、第２電源電圧として昇圧電圧ＣＰ＿ＰＭが供給され得る。例えば、第２プリドライバ４２０Ｂが故障した場合、第２駆動回路４４０Ｂに、第１電源電圧として昇圧電圧ＣＰ＿ＰＭが供給され得る。
第１駆動回路４４０Ａは、モータ２００の第１インバータ１００Ａ側で故障が発生したとき、第２電源電圧を供給することにより、第１インバータ１００Ａの３個のローサイドスイッチ素子をオンにする制御信号をそれらのローサイドスイッチ素子に与える。第２駆動回路４４０Ｂは、第２インバータ１００Ｂ側で故障が発生したとき、第１電源電圧を供給することにより、第２インバータ１００Ｂの３個のローサイドスイッチ素子をオンにする制御信号をそれらのローサイドスイッチ素子に与える。
図２Ａは、第１駆動回路４４０Ａの機能ブロックを模式的に示し、図２Ｂは、第２駆動回路４４０Ｂの機能ブロックを模式的に示している。
第２電源電圧は、電源電圧４４３として第１駆動回路４４０Ａに供給される。第２電源電圧は、例えば昇圧電圧ＣＰ＿Ｐｒ２である。第１電源電圧は、電源電圧４４３として第２駆動回路４４０Ｂに供給される。第１電源電圧は、例えば昇圧電圧ＣＰ＿Ｐｒ１である。ローサイドスイッチ素子のゲート－ソース間電圧が耐圧よりも大きくならないよう電源電圧４４３を設定することに留意されたい。
第１駆動回路４４０Ａおよび第２駆動回路４４０Ｂの各々は、スイッチ４４１および４４２を有する。正常時の制御では、スイッチ４４１および４４２はオフである。
モータ２００の第１インバータ１００Ａ側で故障が発生したとき、コントローラ４１０は、第１駆動回路４４０Ａのスイッチ４４１をオンする。これにより、電源電圧４４３が、第１インバータ１００Ａの３個のローサイドスイッチ素子にゲート電圧として与えられる。３個のローサイドスイッチ素子は全てオン状態となり、第１インバータ１００Ａのローサイド側のノードＮＡ＿Ｌを中性点として機能させることができる。
例えば、電力変換装置１０００に故障が発生した場合、電力変換装置１０００の動作を強制的に停止させてもよい。その場合、コントローラ４１０は、スイッチ４４２をオンする。ＧＮＤ電位がゲート電圧としてローサイドスイッチ素子に与えられるため、３個のローサイドスイッチ素子はオフ状態となる。ただし、スイッチ４４２は、オプションであり、強制的な停止を必要としない場合など、駆動回路になくてもよい。
図３は、第１周辺回路４００Ａの中の第１駆動回路４４０Ａのブロック構成を模式的に例示している。なお、図３にスイッチ素子３１５を示していない。
第１駆動回路４４０Ａは、オープンコレクタ出力方式の複数のスイッチ素子１０、１１、１２、１３、２０、２１、２２および２３を備える。図示する例では、スイッチ素子１１、１２、１３および２０は、ＰＮＰ型のバイポーラトランジスタである。スイッチ素子１０、２１、２２および２３は、ＮＰＮ型のバイポーラトランジスタである。各相のローサイドスイッチ素子を制御するためのゲート制御信号線に、プッシュプル回路が抵抗を介して接続される。スイッチ４４１および４４２は、複数のトランジスタ１０、１１、１２、１３、２０、２１、２２、２３および複数の抵抗の組み合わせによって構成され得る。
コントローラ４１０がトランジスタ２０をプルすると、トランジス
タ２１、２２および２３はプッシュされる。これにより、第１インバータ１００ＡにおけるＳＷ１０１Ａ＿Ｌ、１０２Ａ＿Ｌおよび１０３Ａ＿Ｌのゲート電位は、ＧＮＤ電位に相当する低レベルとなる。これに対し、コントローラ４１０がトランジスタ１０をプッシュすると、トランジスタ１１、１２および１３はプルされて、ＳＷ１０１Ａ＿Ｌ、１０２Ａ＿Ｌおよび１０３Ａ＿Ｌのゲート電位は、電源電圧４６３に相当する高レベルとなる。
ＳＷ１０１Ａ＿Ｌ、１０２Ａ＿Ｌおよび１０３Ａ＿Ｌのソースとゲートとの間には、抵抗器とダイオードとが並列接続された保護回路３１、３２、３３が接続されている。ＳＷ１０１Ａ＿Ｈ、１０２Ａ＿Ｈおよび１０３Ａ＿Ｈのソースとゲートとの間には、抵抗器とダイオードとが並列接続された保護回路４１、４２および４３が接続されている。
電力変換装置１０００は、第１および第２保護回路を備えることができる。第１保護回路は、保護回路５１、５２および５３を有する。ＳＷ１０１Ａ＿Ｌのゲートに接続される第１プリドライバ４２０Ａの出力端子（図示せず）とＧＮＤとの間に、保護回路５１を接続することが好ましい。これと同様に、ＳＷ１０２Ａ＿Ｌのゲートに接続される第１プリドライバ４２０Ａの出力端子（図示せず）とＧＮＤとの間に、保護回路５２を接続し、ＳＷ１０３Ａ＿Ｌのゲートに接続される第１プリドライバ４２０Ａの出力端子（図示せず）とＧＮＤとの間に、保護回路５３を接続することが好ましい。モータ２００の第２インバータ１００Ｂ側についてもこれと同様に３個の保護回路を有する第２保護回路を設けることが好ましい。
第１駆動回路４４０Ａから第１インバータ１００Ａに、３個のローサイドスイッチ素子をオンする制御信号が出力されるとき、保護回路５１、５２および５３のそれぞれは、第１プリドライバ４２０Ａに規定値（耐圧）以上の電圧レベルの信号が入力することを抑制する。ここでの耐圧は、例えば、正常時の制御においてＳＷ１０１Ａ＿Ｌ、１０２Ａ＿Ｌおよび１０３Ａ＿Ｌ用のゲート制御信号を出力する第１プリドライバ４２０Ａの中の回路素子の耐圧である。
保護回路５１、５２、５３は、例えばツェナーダイオードである。保護回路５１、５２、５３は、第１駆動回路４４０Ａが出力するゲート制御信号の電圧が、耐圧に近い大きさおよび耐圧以上になったときに機能する。例えば、耐圧が１８Ｖの場合、ゲート制御信号の電圧が１７Ｖ以上になったとき、保護回路５１、５２、５３が機能する。これにより、第１プリドライバ４２０Ａの出力端子に供給される電圧を耐圧未満にすることができる。本実施形態では、ＳＷ１０１Ａ＿Ｌ、１０２Ａ＿Ｌおよび１０３Ａ＿Ｌに、正常時の制御よりも高いゲート電圧を供給する。その高いゲート電圧が意図せずに耐圧以上になったとしても、保護回路５１、５２、５３により第１プリドライバ４２０Ａを保護することができる。
第１駆動回路４４０Ａによれば、正常時の制御よりも高いゲート電圧をＳＷ１０１Ａ＿Ｌ、１０２Ａ＿Ｌおよび１０３Ａ＿Ｌに供給することができる。ゲート電圧を高くすることにより、ソース電位が中性点の電位になったとしても、ゲート－ソース間電圧の低下を抑制することができる。ＳＷ１０１Ａ＿Ｌ、１０２Ａ＿Ｌおよび１０３Ａ＿Ｌのソース－ドレイン間のオン抵抗値が大きくなることを抑制することができるとともに、ＳＷ１０１Ａ＿Ｌ、１０２Ａ＿Ｌおよび１０３Ａ＿Ｌが意図せずにオフ状態になることを抑制できる。
電力変換装置１０００は、ＲＯＭ（不図示）を備える。ＲＯＭは、例えば書き込み可能なメモリ（例えばＰＲＯＭ）、書き換え可能なメモリ（例えばフラッシュメモリ）または読み出し専用のメモリである。ＲＯＭは、コントローラ４１０に電力変換装置１０００を制御させるための命令群を含む制御プログラムを格納している。例えば、制御プログラムはブート時にＲＡＭ（不図示）に一旦展開される。
以下、電力変換装置１０００の各部品が実装される回路基板（例えばプリント基板）の電源配線および信号配線について特筆すべき点を説明する。
第１駆動回路４４０Ａには、モータ２００の第２インバータ１００Ｂ側で生成される第２電源電圧が供給される。第２駆動回路４４０Ｂには、モータ２００の第１インバータ１００Ａ側で生成される第１電源電圧が供給される。そのため、第１電源配線および第２電源配線が回路基板に設けられている。例えば、第１電源配線は、第１プリドライバ４２０Ａまたは電源回路４３０から第２駆動回路４４０Ｂに第１電源電圧を供給するための電源配線である。例えば、第２電源配線は、第２プリドライバ４２０Ｂまたは電源回路４３０から第１駆動回路４４０Ａに第２電源電圧を供給するための電源配線である。
コントローラ４１０は、電源回路４３０と互いに通信可能に接続され得る。その通信は、例えばＩ２Ｃなどのシリアル通信を用いて実現し得る。これにより、電源回路４３０は、コントローラ４１０の異常動作を検知することができる。電源回路４３０は、その異常動作を検知した場合、リセット信号を与えてコントローラ４１０を再起動することが可能となる。さらに、コントローラ４１０は、第１プリドライバ４２０Ａおよび第２プリドライバ４２０Ｂの故障を監視することができる。例えば、このような監視は、プリドライバのステータス、具体的には故障を示すステータス信号を各プリドライバからコントローラ４１０に、定期的にまたは故障が発生したタイミングで送信することにより実現され得る。
例えば、コントローラ４１０は、モータ２００の第２インバータ１００Ｂ側における故障を検知したとき、第２駆動回路４４０Ｂに駆動の開始を指示するようにしてもよい。第２駆動回路４４０Ｂは、その駆動の開始の指示に応答して、第２インバータ１００Ｂの３個のローサイドスイッチ素子をオンにする制御信号をそれらのローサイドスイッチ素子に与えることができる。
例えば、コントローラ４１０は、モータ２００の第１インバータ１００Ａ側における故障を検知したとき、第１駆動回路４４０Ａに駆動の開始を指示するようにしてもよい。第１駆動回路４４０Ａは、その駆動の開始の指示に応答して、第１インバータ１００Ａの３個のローサイドスイッチ素子をオンにする制御信号をそれらのローサイドスイッチ素子に与えることができる。
このように、コントローラ４１０からの指示に応答して駆動回路を駆動させることにより、故障が発生したときにだけ、駆動回路を適切に駆動させることができる。その結果、駆動回路を常時駆動させることに比べて低消費電力化できる。
図４および図５を参照して、本実施形態の変形例を説明する。
図４は、本実施形態の変形例による電力変換装置１０００のブロック構成例を模式的に示している。
この変形例による電力変換装置１０００は、第１プリドライバ４２０Ａおよび第２プリドライバ４２０Ｂを備えていない点で図１に示す電力変換装置１０００とは異なる。このとき、コントローラ４１０は、プリドライバを内蔵している場合がある。
モータ駆動には、一般に、インバータのスイッチ素子（パワー素子）を駆動するための大きな電圧および電流が必要とされる。プリドライバは、コントローラからのＰＷＭ制御信号を高電圧および大電流の信号に変換するための回路として用いられる。換言すると、低電圧で駆動可能なモータは、プリドライバを必ずしも必要としない。そのため、プリドライバの機能は、コントローラに実装され得る。本開示において、低電圧で駆動可能なモータ２００に電力を供給する電力変換装置１０００において、コントローラ４１０はプリドライバを内蔵していてもよい。その場合、コントローラ４１０は、第１インバータ１００Ａおよび第２インバータ１００Ｂを直接制御することができる。
図４に示すように、電源回路として、第１周辺回路４００Ａに第１電源回路４３０Ａを設け、第２周辺回路４００Ｂに第２電源回路４３０Ｂを設けるようにしてもよい。第１電源回路４３０Ａと第２電源回路４３０Ｂとは個別の電源回路である。第１電源回路４３０Ａは、電源５００の電圧を昇圧して電圧ＣＰ＿ＰＭ１を生成し、第２電源回路４３０Ｂは、電源５００の電圧を昇圧して電圧ＣＰ＿ＰＭ２を生成することができる。
第１電源回路４３０Ａから第２駆動回路４４０Ｂに昇圧電圧ＣＰ＿ＰＭ１は、第１電源電圧として供給され、第２電源回路４３０Ｂから第１駆動回路４４０Ａに昇圧電圧ＣＰ＿ＰＭ２は、第２電源電圧として供給され得る。第１電源回路４３０Ａまたは第２電源回路４３０Ｂからコントローラ４１０に電源電圧ＶＣＣは供給され得る。
このように、２個の電源回路を設けることにより、例えば、第１電源回路４３０Ａが故障しても第２電源回路４３０Ｂによって、コントローラ４１０に電源電圧ＶＣＣを供給し続けることができる。その結果、コントローラ４１０は、第２インバータ１００Ｂのスイッチ素子のスイッチング動作を継続して制御することが可能となる。さらに、第２電源回路４３０Ｂの昇圧電圧ＣＰ＿ＰＭ２を第１駆動回路４４０Ａに供給することにより、第１インバータ１００Ａのローサイド側のノードＮＡ＿Ｌを中性点として機能させることができる。中性点を用いる制御は、後で詳細に説明する。
図５Ａおよび５Ｂは、本実施形態の変形例による電力変換装置１０００のさらなるブロック構成例を模式的に示している。この変形例による電力変換装置１０００は、第１昇圧回路４６０Ａおよび第２昇圧回路４６０Ｂまたは単体の昇圧回路４６０をさらに備えている点で図１に示す電力変換装置１０００とは異なる。
本実施形態では、第１プリドライバ４２０Ａおよび電源回路４３０の少なくとも１つによって第１電源電圧を生成し、第２プリドライバ４２０Ｂおよび電源回路４３０の少なくとも１つによって第２電源電圧を生成する例を説明した。本変形例による電力変換装置１０００は、第１電源電圧および第２電源電圧を生成する、電源回路およびプリドライバとは異なる昇圧回路を備える。
図５Ａに示すように、単体の昇圧回路４６０は、コントローラ４１０に接続され得る。昇圧回路４６０は、電源５００の電圧を昇圧して電圧ＣＰ＿ＰＶを生成する。昇圧電圧ＣＰ＿ＰＶは、例えば１８Ｖである。この変形例では、昇圧回路４６０から第２駆動回路４４０Ｂに昇圧電圧ＣＰ＿ＰＶは、第１電源電圧として供給され、昇圧回路４６０から第１駆動回路４４０Ａに昇圧電圧ＣＰ＿ＰＶは、第２電源電圧として供給され得る。
図５Ｂに示すように、２個の昇圧回路が、コントローラ４１０に接続されていてもよい。第１昇圧回路４６０Ａは、第１周辺回路４００Ａに設けられ、電源５００の電圧を昇圧して電圧ＣＰ＿ＰＶ１を生成する。第２昇圧回路４６０Ｂは、第２周辺回路４００Ｂに設けられ、電源５００の電圧を昇圧して電圧ＣＰ＿ＰＶ２を生成する。昇圧電圧ＣＰ＿ＰＶ１およびＣＰ＿ＰＶ２は、例えば１８Ｖである。この変形例では、昇圧電圧ＣＰ＿ＰＶ１は、第１電源電圧として第２駆動回路４４０Ｂに供給され、昇圧電圧ＣＰ＿ＰＶ２は、第２電源電圧として第１駆動回路４４０Ａに供給され得る。
〔１－２．電力変換装置１０００の動作〕 先ず、電力変換装置１０００の正常時の制御方法の具体例を説明する。正常時において、電力変換装置１０００、モータ２００の三相の巻線Ｍ１、Ｍ２およびＭ３のいずれも故障していない。
コントローラ４１０は、ＳＷ３１１をオンする制御信号を第１サブドライバ４５０Ａに出力し、ＳＷ３１２をオンする制御信号を第２サブドライバ４５０Ｂに出力する。電源回路４３０（図１を参照）は、ＳＷ３１３、３１４、３１５および３１６をオンにする制御信号を出力する。
ＳＷ３１１、３１２、３１３、３１４、３１５および３１６は全てオン状態となる。電源５００と第１インバータ１００Ａとが電気的に
接続され、かつ、電源５００と第２インバータ１００Ｂとが電気的に接続される。また、第１インバータ１００ＡとＧＮＤとが電気的に接続され、かつ、第２インバータ１００ＢとＧＮＤとが電気的に接続される。この接続状態において、コントローラ４１０は、第１インバータ１００Ａおよび第２インバータ１００Ｂのスイッチ素子のスイッチング動作を制御するＰＷＭ信号を第１プリドライバ４２０Ａおよび第２プリドライバ４２０Ｂに出力する。第１インバータ１００Ａおよび第２インバータ１００Ｂのスイッチ素子をスイッチングすることにより、三相の巻線Ｍ１、Ｍ２およびＭ３を通電してモータ２００を駆動することが可能となる。本明細書において、三相の巻線を通電することを「三相通電制御」と呼ぶ場合がある。
図６は、三相通電制御に従って電力変換装置１０００を制御したときにモータ２００のＵ相、Ｖ相およびＷ相の各巻線に流れる電流値をプロットして得られる電流波形（正弦波）を例示している。横軸は、モータ電気角（ｄｅｇ）を示し、縦軸は電流値（Ａ）を示す。図６の電流波形において、電気角３０°毎に電流値をプロットしている。Ｉｐｋは各相の最大電流値（ピーク電流値）を表す。
表１は、図６の正弦波において電気角毎に、各インバータに流れる電流値を示す。具体的には、表１は、第１インバータ１００ＡのノードＮＡ＿１、ＮＡ＿２およびＮＡ＿３（図１を参照）を流れる、電気角３０°毎の電流値、および、第２インバータ１００ＢのノードＮＢ＿１、ＮＢ＿２およびＮＢ＿３（図１を参照）を流れる、電気角３０°毎の電流値を示す。ここで、第１インバータ１００Ａに対しては、第１インバータ１００Ａから第２インバータ１００Ｂに流れる電流方向を正の方向と定義する。図６に示される電流の向きはこの定義に従う。また、第２インバータ１００Ｂに対しては、第２インバータ１００Ｂから第１インバータ１００Ａに流れる電流方向を正の方向と定義する。従って、第１インバータ１００Ａの電流と第２インバータ１００Ｂの電流との位相差は１８０°となる。表１において、電流値Ｉ１の大きさは〔（３）１／２／２〕＊Ｉｐｋであり、電流値Ｉ２の大きさはＩｐｋ／２である。
Figure 0007047844000001
図６に示される電流波形において、電流の向きを考慮した三相の巻線に流れる電流の総和は電気角毎に「０」となる。ただし、電力変換装置１０００の回路構成によれば、三相の巻線に流れる電流を独立に制御することができるため、電流の総和が「０」とはならない制御を行うことも可能である。例えば、コントローラ４１０は、図６に示される電流波形を得るためのＰＷＭ信号を第１プリドライバ４２０Ａおよび第２プリドライバ４２０Ｂに出力する。
次に、第１周辺回路４００Ａにおいて故障が発生した場合を例にして、電力変換装置１０００の異常時の制御方法の具体例を説明する。第２周辺回路４００Ｂにおいて故障が発生した場合も以下で説明する制御方法が適用される。
一例として、第１周辺回路４００Ａにおいて第１プリドライバ４２０Ａが故障した場合を考える。第１プリドライバ４２０Ａは故障しているため、第１インバータ１００Ａは故障していないものの、正常時の制御による三相通電制御は不可能となる。
コントローラ４１０は、第１プリドライバ４２０Ａの故障を検知すると、モータ２００の制御を正常時の制御から異常時の制御に切替える。コントローラ４１０は、第１駆動回路４４０Ａに駆動の開始を指示する。例えば、第２プリドライバ４２０Ｂから第１駆動回路４４０Ａに第２電源電圧は供給されるため、第１プリドライバ４２０Ａの故障は第１駆動回路４４０Ａに影響しない。
第１駆動回路４４０Ａは、コントローラ４１０からの駆動の開始の指示に応答して、第１インバータ１００ＡのＳＷ１０１Ａ＿Ｌ、１０２Ａ＿Ｌおよび１０３Ａ＿Ｌをオンにする制御信号をそれらに与える。コントローラ４１０は、ＳＷ３１１をオフにする制御信号を第１サブドライバ４５０Ａに出力する。その結果、ＳＷ３１１はオフ状態となり、第１インバータ１００Ａは、ＧＮＤから電気的に切り離される。ＳＷ１０１Ａ＿Ｌ、１０２Ａ＿Ｌおよび１０３Ａ＿Ｌは常時オン状態となって、第１インバータ１００Ａのローサイド側のノードＮＡ＿Ｌは中性点として機能することができる。このとき、第１インバータ１００ＡのＳＷ１０１Ａ＿Ｈ、１０２Ａ＿Ｈおよび１０３Ａ＿Ｈはオフ状態である。スイッチ素子３１３および３１５はオン状態であってもオフ状態であっても構わないが、オフ状態であることが好ましい。
図７は、図６に示す電流波形の電気角２７０°において２つのインバータに流れる電流の様子を例示している。
コントローラ４１０は、第２プリドライバ４２０ＢにＰＷＭ信号を出力することにより、第１インバータ１００Ａの中性点を用いて三相通電制御を継続することができる。例えば、コントローラ４１０は、図６に示される電流波形を得るためのＰＷＭ信号を第２インバータ１００Ｂのスイッチ素子に出力することにより、巻線Ｍ１、Ｍ２およびＭ３を通電することができる。
本実施形態によれば、第１プリドライバ４２０Ａが故障したとしても、第１駆動回路４４０Ａには第２電源電圧が供給されるため、中性点を用いた三相通電制御を継続することが可能となる。
他の一例として、図１に示す構成における電源回路４３０を、図４に示す２つの第１電源回路４３０Ａおよび第２電源回路４３０Ｂに置き換えることが可能である。その場合、第１電源回路４３０Ａが故障すると、第１プリドライバ４２０Ａに電源電圧ＶＣＣを供給できなくなるため、第１インバータ１００Ａを駆動することが不可能となる。
本実施形態によれば、例えば、第２電源回路４３０Ｂによって生成される昇圧電圧ＣＰ＿ＰＭ２または第２プリドライバ４２０Ｂによって生成される昇圧電圧ＣＰ＿Ｐｒ２を第１駆動回路４４０Ａに供給することができる。そのため、第１駆動回路４４０Ａは、第１電源回路４３０Ａの故障の影響を受けずに、第１インバータ１００ＡのＳＷ１０１Ａ＿Ｌ、１０２Ａ＿Ｌおよび１０３Ａ＿Ｌをオンにする制御信号をそれらに与えることができる。
（実施形態２） 図８は、本実施形態によるモータモジュール２０００Ａのブロック構成を模式的に示し、主として電力変換装置１０００Ａのブロック構成を模式的に示している。図９は、駆動回路４４０およびその周辺の機能ブロックを模式的に示している。
電力変換装置１０００Ａは、第１インバータ１００Ａおよび第２インバータ１００Ｂに共通の駆動回路４４０を備えている点で第１実施形態による電力変換装置１０００とは異なる。以下、第１実施形態との差異点を主に説明する。
電力変換装置１０００Ａは、第１インバータ１００Ａおよび第２インバータ１００Ｂに共通の駆動回路４４０、第１スイッチ９００および第２スイッチ９１０を備える。
駆動回路４４０は、第１インバータ１００Ａの３個のローサイドスイッチ素子および第２インバータ１００Ｂの３個のローサイドスイッチ素子に接続されている。駆動回路４４０は、モータ２００の第１インバータ１００Ａ側で故障が発生したとき、第２電源電圧を供給することにより、第１インバータ１００Ａの３個のローサイドスイッチ素子をオンにする制御信号をそれらのローサイドスイッチ素子に与え、かつ、第２インバータ１００Ｂ側で故障が発生したとき、第１電源電圧を供給することにより、第２インバータ１００Ｂの３個のローサイドスイッチ素子をオンにする制御信号をそれらのローサイドスイッチ素子に与える。
駆動回路４４０は、実施形態１による第１駆動回路４４０Ａまたは第２駆動回路４４０Ｂと同様に、スイッチ４４１および４４２を備え、オープンコレクタ出力方式の複数のトランジスタおよび複数の抵抗から構成され得る。駆動回路４４０は、コントローラ４１０によって制御される。
例えば、第１インバータ１００Ａ側で、つまり、第１周辺回路４００Ａ内で故障が発生した場合を考える。例えば、コントローラ４１０は、第１プリドライバ４２０Ａから故障を示すステータス信号を受け取ると、駆動回路４４０の制御を開始する。
第１スイッチ９００は、コントローラ４１０の制御の下で、駆動回路４４０に電源電圧４４３として第１電源電圧を供給することと、駆動回路４４０に電源電圧４４３として第２電源電圧を供給することとを切替える。コントローラ４１０は、第１プリドライバ４２０Ａの故障を検知すると、第１スイッチ９００を制御し、駆動回路４４０に電源電圧４４３として第２電源電圧（例えばＣＰ＿Ｐｒ２）を供給することを決定する。
第２スイッチ９１０は、駆動回路４４０から第１インバータ１００Ａの３個のローサイドスイッチ素子に駆動回路４４０の出力を供給することと、駆動回路４４０から第２インバータ１００Ｂの３個のローサイドスイッチ素子にその出力を供給することを、コントローラ４１０の制御を受けて切替える。コントローラ４１０は、第１プリドライバ４２０Ａの故障を検知すると、第２スイッチ９１０を制御し、第１インバータ１００Ａの３個のローサイドスイッチ素子に駆動回路４４０の出力を供給することを決定する。
本実施形態によると、実施形態１と同様に、第１周辺回路４００Ａまたは第２周辺回路４００Ｂに故障が発生した場合でも、いずれか一方のインバータにおける中性点を用いた三相通電制御を継続することが可能となる。さらに、第１インバータ１００Ａおよび第２インバータ１００Ｂに共通の駆動回路４４０を用いるため、回路面積およびコストの面で有利である。
駆動回路４４０は、実施形態１による、第１駆動回路４４０Ａおよび第２駆動回路４４０Ｂを１チップ化した集積回路などでもよい。このような回路形態も本開示の範疇である。
（実施形態３） 図１０は、本実施形態による電動パワーステアリング装置３０００の典型的な構成を模式的に示す。
自動車等の車両は一般に、電動パワーステアリング（ＥＰＳ）装置を有する。本実施形態による電動パワーステアリング装置３０００は、ステアリングシステム５２０、および補助トルクを生成する補助トルク機構５４０を有する。電動パワーステアリング装置３０００は、運転者がステアリングハンドルを操作することによって発生するステアリングシステムの操舵トルクを補助する補助トルクを生成する。補助トルクにより、運転者の操作の負担は軽減される。
ステアリングシステム５２０は、例えば、ステアリングハンドル５２１、ステアリングシャフト５２２、自在軸継手５２３Ａ、５２３Ｂ、回転軸５２４、ラックアンドピニオン機構５２５、ラック軸５２６、左右のボールジョイント５５２Ａ、５５２Ｂ、タイロッド５２７Ａ、５２７Ｂ、ナックル５２８Ａ、５２８Ｂ、および左右の操舵車輪５２９Ａ、５２９Ｂを備える。
補助トルク機構５４０は、例えば、操舵トルクセンサ５４１、自動車用電子制御ユニット（ＥＣＵ）５４２、モータ５４３および減速機構５４４を備える。操舵トルクセンサ５４１は、ステアリングシステム５２０における操舵トルクを検出する。ＥＣＵ５４２は、操舵トルクセンサ５４１の検出信号に基づいて駆動信号を生成する。モータ５４３は、駆動信号に基づいて操舵トルクに応じた補助トルクを生成する。モータ５４３は、減速機構５４４を介してステアリングシステム５２０に、生成した補助トルクを伝達する。
ＥＣＵ５４２は、例えば、実施形態１による第１周辺回路４００Ａおよび第２周辺回路４００Ｂを有する。自動車ではＥＣＵを核とした電子制御システムが構築される。電動パワーステアリング装置３０００では、例えば、ＥＣＵ５４２、モータ５４３およびインバータ５４５によって、モータ駆
動ユニットが構築される。そのユニットに、実施形態１および２によるモータモジュール２０００、２０００Ａを好適に用いることができる。
本開示の実施形態は、掃除機、ドライヤ、シーリングファン、洗濯機、冷蔵庫および電動パワーステアリング装置などの、各種モータを備える多様な機器に幅広く利用され得る。
１００Ａ ：第１インバータ １００Ｂ ：第２インバータ ２００ ：モータ ３１１、３１２、３１３、３１４、３１５、３１６ ：スイッチ素子 ４００Ａ ：第１周辺回路 ４００Ｂ ：第２周辺回路 ４１０ ：コントローラ ４２０Ａ ：第１プリドライバ ４２０Ｂ ：第２プリドライバ ４３０ ：電源回路 ４３０Ａ ：第１電源回路 ４３０Ｂ ：第２電源回路 ４４０Ａ ：第１駆動回路 ４４０Ｂ ；第２駆動回路 ４５０Ａ ：第１サブドライバ ４５０Ｂ ：第２サブドライバ ４６０ ：昇圧回路 ４６０Ａ ：第１昇圧回路 ４６０Ｂ ：第２昇圧回路 １０００、１０００Ａ ：電力変換装置 ２０００、２０００Ａ ：モータモジュール ３０００ ：電動パワーステアリング装置

Claims (20)

  1. 電源からの電力を、ｎ相（ｎは３以上の整数）の巻線を有するモータに供給する電力に変換する電力変換装置であって、
    前記モータの各相の巻線の一端に接続される第１インバータであって、各々がローサイドスイッチ素子およびハイサイドスイッチ素子を有するｎ個のレグを備える第１インバータと、
    前記各相の巻線の他端に接続される第２インバータであって、各々がローサイドスイッチ素子およびハイサイドスイッチ素子を有するｎ個のレグを備える第２インバータと、
    前記第１インバータの前記ｎ個のローサイドスイッチ素子および前記第２インバータの前記ｎ個のローサイドスイッチ素子に接続された駆動回路であって、
    前記モータの前記第１インバータ側で故障が発生したとき、前記第１インバータの前記ｎ個のローサイドスイッチ素子をオンにする制御信号を前記ｎ個のローサイドスイッチ素子に与え、
    前記モータの前記第２インバータ側で故障が発生したとき、前記第２インバータの前記ｎ個のローサイドスイッチ素子をオンにする制御信号を前記ｎ個のローサイドスイッチ素子に与える駆動回路と、
    前記第１インバータおよび前記第２インバータの各々における前記ｎ個のローサイドスイッチ素子および前記ｎ個のハイサイドスイッチ素子のスイッチング動作を制御し、かつ、前記駆動回路を制御する制御回路と、を備え、
    前記モータの前記第２インバータ側で故障が発生したとき、前記モータの前記第１インバータ側で生成される第１電源電圧が前記駆動回路に供給され、かつ、前記モータの前記第１インバータ側で故障が発生したとき、前記モータの前記第２インバータ側で生成される第２電源電圧が前記駆動回路に供給される、電力変換装置。
  2. 前記駆動回路は、
    前記第１インバータの前記ｎ個のローサイドスイッチ素子に接続され、かつ、前記モータの前記第１インバータ側で故障が発生したとき、前記第２電源電圧を供給することにより、前記第１インバータの前記ｎ個のローサイドスイッチ素子をオンにする前記制御信号を前記ｎ個のローサイドスイッチ素子に与える第１駆動回路と、
    前記第２インバータの前記ｎ個のローサイドスイッチ素子に接続され、かつ、前記モータの前記第２インバータ側で故障が発生したとき、前記第１電源電圧を供給することにより、前記第２インバータの前記ｎ個のローサイドスイッチ素子をオンにする前記制御信号を前記ｎ個のローサイドスイッチ素子に与える第２駆動回路と、を備え、
    前記制御回路は、前記第１駆動回路および前記第２駆動回路を制御する、請求項１に記載の電力変換装置。
  3. 前記第１インバータにおける前記ｎ個のローサイドスイッチ素子および前記ｎ個のハイサイドスイッチ素子のスイッチング動作を制御する制御信号を前記制御回路の制御の下で生成し、前記ｎ個のローサイドスイッチ素子および前記ｎ個のハイサイドスイッチ素子に与える第１プリドライバと、
    前記第２インバータにおける前記ｎ個のローサイドスイッチ素子および前記ｎ個のハイ
    サイドスイッチ素子のスイッチング動作を制御する制御信号を前記制御回路の制御の下で生成し、前記ｎ個のローサイドスイッチ素子および前記ｎ個のハイサイドスイッチ素子に与える第２プリドライバと、をさらに備える、請求項２に記載の電力変換装置。
  4. 前記第２駆動回路には、前記第１プリドライバが生成する前記第１電源電圧が供給され、
    前記第１駆動回路には、前記第２プリドライバが生成する前記第２電源電圧が供給され、
    前記第１電源電圧は、前記電源の電圧よりも大きく、前記第２電源電圧は、前記電源の電圧よりも大きい、請求項３に記載の電力変換装置。
  5. 前記制御回路、前記第１プリドライバおよび前記第２プリドライバに電源電圧を供給する電源回路をさらに備える、請求項４に記載の電力変換装置。
  6. 前記第１プリドライバから前記第２駆動回路に前記第１電源電圧を供給するための第１電源配線と、
    前記第２プリドライバから前記第１駆動回路に前記第２電源電圧を供給するための第２電源配線と、をさらに備える、請求項３から５のいずれかに記載の電力変換装置。
  7. 前記電源の電圧を昇圧して、前記第１電源電圧および前記第２電源電圧を生成する昇圧回路をさらに備え、
    前記第１電源電圧および前記第２電源電圧は、前記電源の電圧よりも大きく、
    前記昇圧回路から前記第２駆動回路に前記第１電源電圧は供給され、前記昇圧回路から前記第１駆動回路に前記第２電源電圧は供給される、請求項３に記載の電力変換装置。
  8. 前記制御回路、前記第１プリドライバおよび前記第２プリドライバに電源電圧を供給する電源回路をさらに備え、
    前記第１駆動回路には、前記電源回路が生成する前記第２電源電圧が供給され、前記第２駆動回路には、前記電源回路が生成する前記第１電源電圧が供給され、
    前記第１電源電圧は、前記電源の電圧よりも大きく、前記第２電源電圧は、前記電源の電圧よりも大きい、請求項３に記載の電力変換装置。
  9. 前記第１電源電圧の大きさは、前記第２電源電圧の大きさに等しい、請求項１から８のいずれかに記載の電力変換装置。
  10. 前記制御回路および前記電源回路は互いに通信可能に接続されている、請求項５または８に記載の電力変換装置。
  11. 前記制御回路が、前記モータの前記第２インバータ側における故障を検知したとき、前記第２駆動回路に駆動の開始を指示し、前記第２駆動回路は、前記駆動の開始の指示に応答して、前記第２インバータの前記ｎ個のローサイドスイッチ素子をオンにする前記制御信号を前記ｎ個のローサイドスイッチ素子に与え、
    前記制御回路が、前記モータの前記第１インバータ側における故障を検知したとき、前
    記第１駆動回路に駆動の開始を指示し、前記第１駆動回路は、前記駆動の開始の指示に応答して、前記第１インバータの前記ｎ個のローサイドスイッチ素子をオンにする前記制御信号を前記ｎ個のローサイドスイッチ素子に与える、請求項１０に記載の電力変換装置。
  12. 前記第１インバータとグランドとの接続・非接続を切替える第１スイッチ素子と、
    前記第２インバータと前記グランドとの接続・非接続を切替える第２スイッチ素子と、
    前記第１インバータと前記電源との接続・非接続を切替える第３スイッチ素子と、
    前記第２インバータと前記電源との接続・非接続を切替える第４スイッチ素子と、
    をさらに備える、請求項１から１１のいずれかに記載の電力変換装置。
  13. 前記第１駆動回路が前記第１インバータの前記ｎ個のローサイドスイッチに与える制御信号の電圧レベルは、前記第１プリドライバが前記第１インバータの前記ｎ個のローサイドスイッチに与える制御信号の電圧レベルよりも大きく、
    前記第２駆動回路が前記第２インバータの前記ｎ個のローサイドスイッチに与える制御信号の電圧レベルは、前記第２プリドライバが前記第２インバータの前記ｎ個のローサイドスイッチに与える制御信号の電圧レベルよりも大きい、請求項３、４、５、６、７、８、１０のいずれかに記載の電力変換装置。
  14. 前記第１駆動回路が前記第１インバータの前記ｎ個のローサイドスイッチに与える制御信号の電圧レベルは、前記第１プリドライバが前記第１インバータの前記ｎ個のハイサイドスイッチに与える制御信号の電圧レベルと等しく、
    前記第２駆動回路が前記第２インバータの前記ｎ個のローサイドスイッチに与える制御信号の電圧レベルは、前記第２プリドライバが前記第２インバータの前記ｎ個のハイサイドスイッチに与える制御信号の電圧レベルと等しい、請求項３、４、５、６、７、８、１０のいずれかに記載の電力変換装置。
  15. 前記第１駆動回路および前記第２駆動回路の各々は、オープンコレクタ出力方式の複数のトランジスタを備える、請求項１３または１４に記載の電力変換装置。
  16. 前記第１駆動回路から前記第１インバータに、前記ｎ個のローサイドスイッチ素子をオンする制御信号が出力されるときに、前記第１プリドライバに規定値以上の電圧レベルの信号が入力することを抑制する第１保護回路と、
    前記第２駆動回路から前記第２インバータに、前記ｎ個のローサイドスイッチ素子をオンする制御信号が出力されるときに、前記第２プリドライバに規定値以上の電圧レベルの信号が入力することを抑制する第２保護回路と、
    をさらに備える、請求項１３から１５のいずれかに記載の電力変換装置。
  17. 前記第１保護回路および前記第２保護回路の各々は、ツェナーダイオードを備える、請求項１６に記載の電力変換装置。
  18. 前記駆動回路に前記第１電源電圧を供給することと、前記駆動回路に前記第２電源電圧を供給することとを、前記制御回路の制御の下で切替えるスイッチをさらに備える、請求項
    １に記載の電力変換装置。
  19. 前記モータと、
    請求項１から１８のいずれかに記載の電力変換装置と、
    を備える、モータモジュール。
  20. 請求項１９に記載のモータモジュールを備える電動パワーステアリング装置。
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