JP7221098B2

JP7221098B2 - 電源供給回路

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Publication number: JP7221098B2
Application number: JP2019050922A
Authority: JP
Inventors: 彰雄塩畑
Original assignee: Mitsuba Corp
Current assignee: Mitsuba Corp
Priority date: 2019-03-19
Filing date: 2019-03-19
Publication date: 2023-02-13
Anticipated expiration: 2039-03-19
Also published as: JP2020156168A

Description

本発明は、負荷装置に対し電力を供給するための電源供給回路に関し、特に、負荷装置に対し複数の電源から電力を供給する電源供給システムに適用して有効な電源供給回路に関する。

従来より、航空機や自動車などにおいては、システム障害に対するバックアップとして、電気系統や油圧系統の二重化等、種々の冗長化が図られている。このうち、自動車においては、近年、電動装置の増大に伴い、複数電源による電力供給など各種電装品の冗長化が進んでいる。例えば、電動パワーステアリング装置（ＥＰＳ）に使用されるモータにおいても、ロータの位置を検出するＭＲセンサ（磁気抵抗センサ）に対し複数の電源から電力を供給するなどの冗長化が行われている。

図２は、ＥＰＳ用モータにおける冗長化の一例を示す説明図であり、ＭＲセンサに対する電源供給システムの構成を示している。図２に示すように、ＥＰＳ用のブラシレスモータでは、ロータの位置を検出するために３つのＭＲセンサ５１ａ～５１ｃが使用されており、これらのＭＲセンサ５１ａ～５１ｃには、２つのバッテリ（電源）５２ａ,５２ｂから電力が供給される。ここでは、ＭＲセンサ５１ａにはバッテリ５２ａから、また、ＭＲセンサ５１ｂにはバッテリ５２ｂからそれぞれ電力が供給される。一方、ＭＲセンサ５１ｃには、両方のバッテリ５２ａ,５２ｂから電力が供給され、冗長化が図られている。これにより、例えば、バッテリ５２ａ側に何らかの障害が発生しても、バッテリ５２ｂから２つのＭＲセンサ５１ｂ,５１ｃに電力が供給され、モータの回転動作を維持できるようになっている。

特開２００８－７７９２０号公報

しかしながら、図２のような電源供給システムでは、ＭＲセンサ５１ｃに電力を供給数する回路に、電流の回り込みを防止するためのダイオード５３ａ,５３ｂが設けられる。このため、電力供給に際し、ダイオードの順方向電圧により、供給する電圧が低下してしまうという問題がある。また、ダイオードの順方向電圧の分だけ損失が生じるため、その分、電源効率が悪化するという問題もあった。

本発明の目的は、電圧降下が小さく、損失も少ない、冗長系に好適な電源供給回路を提供することにある。

本発明の電源供給回路は、負荷に対し２つの異なる電源から電力を供給する電源供給回路であって、該電源供給回路は、第１電源から前記負荷に対し電力を供給する第１電源回路と、第２電源から前記負荷に対し電力を供給する第２電源回路と、を備え、前記第１電源回路は、前記第１電源と接続され前記第１電源が投入されるとオンされる第１スイッチング素子と、前記第１電源と前記負荷との間に配され、前記第１スイッチング素子がオンされるとオンとなり、前記第１電源と前記負荷を電気的に接続する第２スイッチング素子と、を有し、前記第２電源回路は、前記第２電源と接続され前記第２電源が投入されるとオンされる第１スイッチング素子と、前記第２電源と前記負荷との間に配され、前記第１スイッチング素子がオンされるとオンとなり、前記第２電源と前記負荷を電気的に接続する第２スイッチング素子と、を有し、前記第１電源回路と前記第２電源回路との間に、前記第１電源回路の第１スイッチング素子と第２スイッチング素子との間と前記第２電源と前記第２電源回路の第１スイッチング素子との間を接続する第１連絡線と、前記第２電源回路の第１スイッチング素子と第２スイッチング素子との間と前記第１電源と前記第１電源回路の第１スイッチング素子との間を接続する第２連絡線と、を配したことを特徴とする電源供給回路。

本発明にあっては、第１及び第２連絡線によって電源同士の衝突を回避しつつ、２系統の電源から負荷に電源が供給される。また、一方の電源に支障が生じた場合には、他方の電源回路に電力の供給系統が切り替わり、他系統の電源から電力が供給され、システムの信頼性向上が図られる。

前記電源供給回路において、前記第１スイッチング素子と前記第２スイッチング素子として、オンオフ動作の形態を異にするタイプのスイッチング素子を使用しても良い。その場合、前記第１スイッチング素子をＮｃｈ型のＦＥＴ、前記第２スイッチング素子をＰｃｈ型のＦＥＴとしても良い。回路内のスイッチング素子として、ＦＥＴを使用することにより、従来のダイオードを用いた並列回路に比して電圧降下を小さくできると共に、電力損失も少なくでき、発熱や消費電力を低減することも可能となる。

また、前記負荷がＭＲセンサであっても良く、このＭＲセンサに対し、並列配置された前記第１及び第２電源から、当該電源供給回路により電力を供給しても良い。この場合、前記ＭＲセンサが複数配置されているシステムに当該電源供給回路を使用し、これらのＭＲセンサの少なくとも１つに対し当該電源供給回路により電力を供給するようにしても良い。さらに、ＭＲセンサが電動パワーステアリング装置用モータに使用されるものであっても良く、当該電源供給回路により、電動パワーステアリング装置用モータのＭＲセンサに対し電力を供給しても良い。

本発明の電源供給回路によれば、負荷に対し２つの異なる電源から電力を供給する電源供給回路において、第１電源から負荷に対し電力を供給する第１電源回路と、第２電源から負荷に対し電力を供給する第２電源回路と、を設け、第１及び第２電源回路にそれぞれ、第１・第２電源と接続され電源が投入されるとオンされる第１・第２スイッチング素子と、第１・第２電源と負荷との間に配され第１・第２スイッチング素子がオンされるとオンとなる第２スイッチング素子と、を配し、さらに、第１電源回路と第２電源回路との間に第１・第２連絡線を設けたので、第１及び第２連絡線によって電源同士の衝突を回避しつつ、２系統の電源から負荷に電源を供給することができ、一方の電源に支障が生じた場合には、他方の電源回路に電力の供給系統を切り替え、他系統の電源から負荷に電力を供給することが可能となる。

本発明の一実施形態である電源供給システムの構成を示す説明図である。ＥＰＳ用モータにおける冗長化の一例を示す説明図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。図１は、本発明の一実施形態である電源供給回路の構成を示す説明図である。図１の電源供給回路１は、ＥＰＳ用モータ１０に使用される３つのＭＲセンサのうち、２つの異なる電源から電力が供給されるセンサに用いられる。図１に示すように、ＭＲセンサ（負荷）２ａには、電源１（第１電源）と電源２（第２電源）から電力が供給される。電源１にはバッテリ３ａ、電源２にはバッテリ３ｂがそれぞれ接続されており、電源供給回路１は、２系統から電源を供給する冗長回路となっている。ＥＰＳ用モータ１０には、ＭＲセンサ２ａの他に２つのＭＲセンサが２ｂ,２ｃが使用されており、それぞれのセンサには、バッテリ３ａ（電源１）、バッテリ３ｂ（電源２）から個別に電力が供給される。

電源供給回路１の電源１側と電源２側は同様の構成となっており、ＭＲセンサ２ａを中心に対称の回路構成となっている。電源供給回路１の電源１側には、Ｎｃｈ型のＭＯＳＦＥＴ４ａ（第１スイッチング素子）とＰｃｈ型のＭＯＳＦＥＴ５ａ（第２スイッチング素子）を備えた第１電源回路６ａが設けられている。一方、電源２側には、Ｎｃｈ型のＭＯＳＦＥＴ４ｂとＰｃｈ型のＭＯＳＦＥＴ５ｂを備えた第２電源回路６ｂが設けられている。第１電源回路６ａと第２電源回路６ｂは、別個の電源回路として形成されているが、内部の回路構成は同一となっている。

第１,第２電源回路６ａ,６ｂのＦＥＴ４ａ,４ｂは、各ゲート（Ｇ）が電源１,２と接続されており、電源１,２が投入されるとＦＥＴ４ａ,４ｂはオン状態となる。また、ＦＥＴ４ａ,４ｂのソース（Ｓ）側は接地（ＧＮＤ）されている。さらに、ＦＥＴ４ａ,４ｂのドレイン（Ｄ）側は、ＦＥＴ５ａ,５ｂのゲートと接続されている。ＦＥＴ５ａ,５ｂは、電源１,２とＭＲセンサ２ａとの間に配置されており、ＦＥＴ５ａ,５ｂのドレイン側はそれぞれ電源１,２と接続されている。また、ＦＥＴ５ａ,５ｂのソース側は電源供給回路１の出力となり、ＭＲセンサ２ａに接続されている。

電源供給回路１ではさらに、第１電源回路６ａと第２電源回路６ｂとの間に連絡線７ａ,７ｂが配されている。この場合、連絡線７ａ（第１連絡線）は、第１電源回路６ａの点Ｐａと第２電源回路６ｂの点Ｐｂを接続し、連絡線７ｂ（第２連絡線）は、第１電源回路６ａの点Ｑａと第２電源回路６ｂの点Ｑｂを接続している。この場合、点Ｐａは、ＦＥＴ４ａのドレインとＦＥＴ５ａのゲートとの間に配され、点Ｐｂは、電源２とＦＥＴ４ｂのゲートとの間に配される。一方、点Ｑａは、電源１とＦＥＴ４ａのゲートとの間に配され、点Ｑｂは、ＦＥＴ４ｂのドレインとＦＥＴ５ｂのゲートとの間に配される。したがって、連絡線７ａは第１電源回路６ａの点ＰａとＦＥＴ４ｂのゲート、連絡線７ｂは第２電源回路６ｂの点ＱｂとＦＥＴ４ａのゲートとの間を接続する形となる。

このような電源供給回路１は、次のような動作によってＭＲセンサ２ａに電力を供給する。ここではまず、電源１側が電源２側に先行して投入された場合における電源供給回路１の動作を説明する。電源１側が電源２側より先にオンされると、第１電源回路６ａ側には、電源１により、ＦＥＴ４ａのゲートに電圧が印加される。ＦＥＴ４ａは、ゲートの電圧がソースより上がるとオン（導通）するタイプのＦＥＴ（Ｎｃｈ型）であり、電源１に電圧が印加されるとオンとなる。ＦＥＴ４ａがオンされると、ＦＥＴ４ａのＳ－Ｄ間が導通し、それに伴いＦＥＴ５ａのソースとゲートに電位差が生じた状態となる。

点Ｐａの電圧Ｖｇが０Ｖ状態となると、電源１側の電圧が印加されているソース電圧Ｖｓとの間に電位差が生じる（Ｖｇ＜Ｖｓ）。ＦＥＴ５ａは、ゲート電圧がソースより下がるとオンするタイプのＦＥＴ（Ｐｃｈ型）であり、ＦＥＴ４ａがオンし、ＦＥＴ５ａのゲートが下がるとＦＥＴ５ａがオンとなる。ＦＥＴ５ａがオンされると、ＦＥＴ５ａのＳ－Ｄ間が導通し、電源１の電圧が第１電源回路６ａの出力として点Ｘに現れる。これにより、電源１とＭＲセンサ２ａが電気的に接続され、ＭＲセンサ２ａに電力が供給される。なお、ＦＥＴ５ａ（５ｂ）のオン電圧は、抵抗８ａ（８ｂ）の両端の電圧により定められる。また、抵抗８ａ（８ｂ）により、ＦＥＴ５ａ（５ｂ）のゲート電圧が吊り上げられる（プルアップされる）ため、ＦＥＴ５ａ（５ｂ）が不用意にオンすることが防止される。

また、ＦＥＴ４ａがオンとなると、連絡線７ａを介して、ＦＥＴ４ｂのゲート側が接地状態となる。このため、電源１側がオンされた後、電源２側がオンされても、第２電源回路６ｂのＦＥＴ４ｂのゲートに電源２の電圧が印加されない。つまり、電源１側が先にオンされると、その後に電源２側がオンされてもＦＥＴ４ｂはオンされなくなる。したがって、電源供給回路１においては、電源１が電源２側に先行して投入されると、ＦＥＴ５ｂはオンされず、ＦＥＴ５ａのみがオンされるため、電源１側からのみＭＲセンサ２ａに電力が供給される。

一方、上述の場合とは逆に電源２が電源１に先行して投入された場合は、第１電源回路６ａと第２電源回路６ｂの動作が入れ替わる形で同様の動作が行われる。すなわち、電源２側が電源１側より先にオンされると、ＦＥＴ４ｂがオンとなり、それに伴ってＦＥＴ５ｂがオンとなる。これにより、電源２の電圧が第２電源回路６ｂの出力として点Ｘに現れ、電源２からＭＲセンサ２ａに電力が供給される。また、ＦＥＴ４ｂオンにより、連絡線７ｂを介してＦＥＴ４ａのゲートが接地状態となる。このため、電源２側の後に電源１側がオンされても、第１電源回路６ａのＦＥＴ４ａがオンされなくなり、電源２側からのみＭＲセンサ２ａに電力が供給される。

このような動作を行う電源供給回路１では、一方の電源にトラブルがあると、電源供給系統が切り替わり、他方の電源からＭＲセンサ２ａに電力が供給される。例えば、電源１側から電力が供給されているとき、電源１側に障害が発生し電源を喪失すると、それまでオン状態にあったＦＥＴ４ａがオフとなる。すると、連絡線７ａを介して接地状態となっていたＦＥＴ４ｂのゲートには、電源２からＦＥＴ４ｂのゲートに電圧が印加され、ＦＥＴ４ｂがオンとなる。これにより、ＦＥＴ５ｂがオンとなり、電源２の電圧が第２電源回路６ｂの出力として点Ｘに現れ、電源１に代わり、直ちに電源２からＭＲセンサ２ａに電力が供給される。また、電源２側に障害が発生した場合も、同様に、直ちに電源１からＭＲセンサ２ａに電力が供給される。すなわち、ＭＲセンサ２ａの電源は、電源１,２によって相互にバックアップされる。

このように、電源供給回路１は、ＦＥＴ４ａ,５ａを備えた第１電源回路６ａと、ＦＥＴ４ｂ,５ｂを備えた第２電源回路６ｂを連絡線７ａ,７ｂにて接続することにより、インターロック回路を構成する。そして、両回路のＦＥＴの相互作用によって電源同士の衝突を回避しつつ、２系統からＭＲセンサ２ａに電源を供給し、さらに、一方の電源がダウンした場合には、スムーズかつ速やかに他方の電源回路に電力の供給系統が切り替わる。これにより、１系統の電源を喪失しても、３つあるＭＲセンサのうちの２つに他系統の電源から電力を供給し、モータ動作を維持させることが可能となり、システムの信頼性向上が図られる。

また、回路内のスイッチング素子として、ＭＯＳＦＥＴを使用しているため、ダイオードを用いた図２のような従来の並列回路に比して、電圧降下を小さくすることができる。また、回路中の電力損失を少なくすることもでき、発熱や消費電力を低減することも可能となる。

本発明は前記実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることは言うまでもない。
例えば、前述の実施形態では、２つの電源が共に鉛蓄電池やリチウムイオン電池などのバッテリであるシステムについて説明したが、一方がバッテリ、他方が燃料電池のような異なる種類の２系統電源からの電力供給システムにも本発明は適用可能である。また、前述の実施形態では、ＦＥＴ４ａ,４ｂ、ＦＥＴ５ａ,５ｂにオンオフ動作の形態を異にするタイプのものを使用しているが（ＦＥＴ４ａ,４ｂ：Ｎｃｈ型、ＦＥＴ５ａ,５ｂ：Ｐｃｈ型）、両者を同じタイプのＦＥＴとしても良い。ただし、例えば、ＦＥＴ５ａ,５ｂをＦＥＴ４ａ,４ｂと同じＮｃｈ型とすると、ＦＥＴ５ａ,５ｂのゲートに電源１,２よりも高い電圧を印加する必要が生じ、そのための回路が別途必要になることから、両ＦＥＴは前述のようなタイプの組み合わせが好ましい。

前述の実施の形態では、本発明の電源供給回路を、ＥＰＳ用モータに使用されるＭＲセンサの電力供給に適用した例を示したが、その適用対象はこれには限定されず、例えば、電気自動車における電力供給システムなどにも適用可能である。

１電源供給回路
２ａ～２ｃＭＲセンサ
３ａ,３ｂバッテリ
４ａ,４ｂＦＥＴ
５ａ,５ｂＦＥＴ
６ａ第１電源回路
６ｂ第２電源回路
７ａ,７ｂ連絡線
８ａ,８ｂ抵抗
１０ＥＰＳ用モータ
５１ａ～５１ｃＭＲセンサ
５２ａ,５２ｂバッテリ
５３ａ,５３ｂダイオード

Claims

負荷に対し２つの異なる電源から電力を供給する電源供給回路であって、
該電源供給回路は、
第１電源から前記負荷に対し電力を供給する第１電源回路と、
第２電源から前記負荷に対し電力を供給する第２電源回路と、を備え、
前記第１電源回路は、前記第１電源と接続され前記第１電源が投入されるとオンされる第１スイッチング素子と、前記第１電源と前記負荷との間に配され、前記第１スイッチング素子がオンされるとオンとなり、前記第１電源と前記負荷を電気的に接続する第２スイッチング素子と、を有し、
前記第２電源回路は、前記第２電源と接続され前記第２電源が投入されるとオンされる第１スイッチング素子と、前記第２電源と前記負荷との間に配され、前記第１スイッチング素子がオンされるとオンとなり、前記第２電源と前記負荷を電気的に接続する第２スイッチング素子と、を有し、
前記第１電源回路と前記第２電源回路との間に、前記第１電源回路の第１スイッチング素子と第２スイッチング素子との間と前記第２電源と前記第２電源回路の第１スイッチング素子との間を接続する第１連絡線と、前記第２電源回路の第１スイッチング素子と第２スイッチング素子との間と前記第１電源と前記第１電源回路の第１スイッチング素子との間を接続する第２連絡線と、を配したことを特徴とする電源供給回路。
請求項１記載の電源供給回路において、
前記第１スイッチング素子と前記第２スイッチング素子は、オンオフ動作の形態を異にするタイプのスイッチング素子であることを特徴とする電源供給回路。
請求項２記載の電源供給回路において、
前記第１スイッチング素子はＮｃｈ型のＦＥＴであり、前記第２スイッチング素子はＰｃｈ型のＦＥＴであることを特徴とする電源供給回路。
請求項１～３の何れか１項に記載の電源供給回路において、
前記負荷はＭＲセンサであり、
該ＭＲセンサに対し、並列配置された前記第１及び第２電源から、当該電源供給回路により電力を供給することを特徴とする電源供給回路。
請求項４記載の電源供給回路において、
前記ＭＲセンサは複数配置され、該ＭＲセンサの少なくとも１つに対し当該電源供給回路により電力を供給することを特徴とする電源供給回路。
請求項４又は５記載の電源供給回路において、
当該電源供給回路は、電動パワーステアリング装置用モータに使用されるＭＲセンサに対し電力を供給することを特徴とする電源供給回路。