JP7243689B2 - 駆動装置 - Google Patents

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Description

本発明は、駆動装置に関する。
従来、モータ等の負荷を駆動する駆動回路が知られている。例えば特許文献1では、昇圧回路は、昇圧電圧が目標値となるように、フィードバック制御を行う。
特開2015-89268号公報
ドライバ電源生成回路がチャージポンプ回路である場合、チャージポンプ回路を常時駆動して出力可能な電圧が目標とする昇圧電圧より大きい場合、チャージポンプ回路を間欠動作させることで、目標の電圧を出力することができる。また、チャージポンプ回路の出力電圧をスイッチング素子のゲートに供給する場合、チャージポンプ回路の出力電圧とスイッチング素子のソースの電圧とが異なり、ソース-ゲート間電圧が耐圧を越えると、スイッチング素子が破損する虞がある。
そのため、バッテリ電圧の低下によりスイッチング素子のソース側の電圧が低下した場合、チャージポンプ回路を間欠動作させることで、チャージポンプ回路の出力電圧を下げ、ソース-ゲート間電圧を耐圧以下にすることができる。しかしながら、差電圧によっては、チャージポンプ回路の間欠動作におけるスイッチング周波数が可聴域になり、コンデンサの音鳴りが発生する虞がある。
本発明は、上述の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、スイッチング素子を適切に保護可能な駆動装置を提供することにある。
本発明の駆動装置は、インバータ部(65)と、チャージポンプ回路(30、35)と、を備える。インバータ部は、上アーム素子(651)および下アーム素子(652)を有し、負荷に供給される電力を変換する。チャージポンプ回路は、上アーム素子のゲート電圧を供給する。チャージポンプ回路の出力電圧は、インバータ入力配線(601)からインバータ部の高電位側に入力されるインバータ入力電圧に応じて可変である。
第1態様では、チャージポンプ回路は、ドライバスイッチング素子(317、318)を有するドライバ回路(31、36)を有する。ドライバ回路の出力は、インバータ入力電圧に応じて可変である。
第2態様では、駆動装置は、バッテリ(90)の電圧を昇圧してチャージポンプ回路に供給する昇圧回路(10)と、インバータ入力配線(601)に設けられる電源リレー部(63)と、電源リレー部の下流側に昇圧回路の昇圧電圧を供給可能なプリチャージ回路(20)と、をさらに備える。
第3態様では、駆動装置は、チャージポンプ回路の出力電圧とインバータ入力電圧との差を監視する電圧監視回路(50)をさらに備える。
これにより、上アーム素子を適切に保護することができる。
第1実施形態による駆動装置を示す回路図である。 第1実施形態による昇圧回路を示す回路図である。 第1実施形態によるプリチャージ回路を示す回路図である。 第1実施形態によるチャージポンプドライバ回路を示す回路図である。 第1実施形態による始動時の電圧の変化を説明するタイムチャートである。 第2実施形態による駆動装置を示す回路図である。 第2実施形態によるチャージポンプドライバ回路を示す回路図である。
以下、本発明による駆動装置を図面に基づいて説明する。以下、複数の実施形態において、実質的に同一の構成には同一の符号を付して説明を省略する。
(第1実施形態)
第1実施形態を図1~図5に示す。駆動装置1は、昇圧回路10、プリチャージ回路20、チャージポンプ回路30、ゲート駆動回路41~44、電圧監視回路50、および、インバータ部65等を有し、バッテリ90から供給される電力をインバータ部65で変換することで、図示しない負荷を駆動する。負荷は例えばモータであって、電動パワーステアリング装置に適用される。
インバータ部65は、上アーム素子651および下アーム素子652を有する。上アーム素子651および下アーム素子652は、例えばMOSFETであるが、IGBTやサイリスタ等を用いてもよい。リレー素子631、632も同様である。図1では、1組の上アーム素子651および下アーム素子652を記載しているが、インバータ部65に接続される負荷が3相モータであれば、上アーム素子651および下アーム素子652が3組並列に接続される。
電源リレー部63は、バッテリ90とインバータ部65との間に設けられ、リレー素子631、632を有する。リレー素子631、632は、例えばMOSFETであって、寄生ダイオードの向きが逆向きとなるように直列に接続される。
インバータ部65には、平滑コンデンサ69が並列に接続される。バッテリ90とインバータ部65とを接続する配線をインバータ入力配線601とする。本実施形態では、インバータ入力配線601には、プリチャージ回路20が接続されており、平滑コンデンサ69は、電源リレー部63がオフの状態にて、プリチャージ回路20を経由してプリチャージ可能である。また、インバータ入力配線601の電圧はプリチャージ電圧PREとなる。
図2に示すように、昇圧回路10は、チョッパ型であって、スイッチング素子11、抵抗12、ゲート抵抗13、可変抵抗14、および、ゲート駆動部15を有する。昇圧回路10の昇圧電圧VSは、プリチャージ回路20、チャージポンプ回路30に供給される。昇圧回路10は、車両のイグニッションスイッチ等である始動スイッチ(以下適宜「IG」とする。)がオンされている期間、昇圧電圧VSが設定値Vx(例えば16[V])となるように常時駆動される。
スイッチング素子11のドレインは、入力端子101およびコイル61を経由してバッテリ90に接続される。スイッチング素子11のソースは、抵抗12およびグランド端子102を経由してグランドに接続される。抵抗13の高電位側は、出力端子103およびダイオード62を経由し、コイル61と入力端子101との間に接続される。ダイオード62は、アノードがコイル61と入力端子101との中点側、カソードが出力端子103側となるように接続される。抵抗13の低電位側は、可変抵抗14を経由して、グランドに接続される。スイッチング素子11のゲートには、ゲート駆動部15を経由して、抵抗13、14の間からゲート電圧が供給される。
図3に示すように、プリチャージ回路20は、抵抗21、スイッチング素子22、23、および、ダイオード24を有し、IGがオンされた後にオンされ、電源リレー部63がオンされた後にオフされる。スイッチング素子22のドレインには、端子201から抵抗21を経由して昇圧電圧VSが供給される。スイッチング素子22のソースは、グランドに接続される。
スイッチング素子23のゲートは、抵抗21とスイッチング素子22との間に接続される。スイッチング素子23のソースには、端子201から昇圧電圧VSが供給される。スイッチング素子23のドレインは、ダイオード24を経由して、端子202と接続される。ダイオード24は、アノードがスイッチング素子23側、カソードが端子202側となるように接続される。端子202の電圧をプリチャージ電圧PREとする。スイッチング素子23をオンにすることで、電源リレー部63をオフの状態にて、平滑コンデンサ69を充電可能である。昇圧回路10およびプリチャージ回路20は、昇圧機能やプリチャージ機能を実現できれば、回路構成は異なっていてもよい。
図1に示すように、チャージポンプ回路30は、チャージポンプドライバ回路31、コンデンサ32、および、ダイオード33、34等を有する。図4に示すように、チャージポンプドライバ回路31は、定電流源311、314、スイッチ312、315、スイッチング素子317の破壊防止のためのツェナーダイオード313、抵抗316、スイッチング素子317、318を有する。
定電流源311には、チャージポンプ電圧VRGが入力される。スイッチ312は、定電流源311から電流が供給され、ツェナーダイオード313を経由してグランドと接続される。定電流源314には、昇圧電圧VSが入力される。スイッチ315は、定電流源314から電流が供給され、抵抗316を経由してグランドと接続される。
スイッチング素子317、318は直列に接続される。高電位側のスイッチング素子317のドレインにはプリチャージ電圧PREが入力され、ソースはスイッチング素子318のドレインと接続される。スイッチング素子318のソースはグランドと接続される。スイッチング素子317のゲートはスイッチ312とツェナーダイオード313との間に接続され、スイッチング素子318のゲートはスイッチ315と抵抗316との間に接続される。
スイッチング素子317をオンにするとき、スイッチ312をオン、スイッチ315をオフにする。スイッチング素子318をオンにするとき、スイッチ312をオフ、スイッチ315をオンにする。スイッチング素子317、318の中点は、ドライバ出力端子319に接続される。
図1および図4に示すように、コンデンサ32は、ドライバ出力端子319と、ダイオード33、34の中点とに接続される。ダイオード33、34は、アノードが昇圧回路10側、カソードがゲート駆動回路41~43側となるように直列接続される。チャージポンプ回路30の出力端子301は、ゲート駆動回路41~43と接続される。図1では、煩雑になることを避けるため、出力端子301とゲート駆動回路41、42との接続線は省略した。また、出力端子301は、コンデンサ64を経由してインバータ入力端子655に接続される。
本実施形態では、チャージポンプドライバ回路31にプリチャージ電圧PREが供給されており、ドライバ電源がプリチャージ電圧PREであるので、チャージポンプ回路30の出力電圧であるチャージポンプ電圧VRGは、式(1)のようになる。式(1)中の2Vfは、ダイオード33、34の電圧降下である。
VRG=(VS-2Vf)+PRE ・・・(1)
ゲート駆動回路41、42はリレー素子631、632のゲートと接続され、ゲート駆動回路43は上アーム素子651のゲートと接続され、ゲート駆動回路44は下アーム素子652のゲートと接続される。ゲート駆動回路41~43にはチャージポンプ電圧VRGが供給され、ゲート駆動回路44には昇圧電圧VSが供給される。
電圧監視回路50は、チャージポンプ電圧VRGとプリチャージ電圧PREとの差である差電圧ΔVを監視する(式(2)参照)。差電圧ΔVは、上アーム素子651のゲート-ソース間電圧Vgsと略等しい。そのため、差電圧ΔVが大きくなると、上アーム素子651のゲート-ソース間電圧Vgsも大きくなる。上アーム素子651のゲート-ソース間電圧Vgsが耐圧を越えないように、差電圧ΔVを監視し、差電圧ΔVが停止判定閾値を超えた場合、チャージポンプ回路30を停止する。また例えば、昇圧電圧VSの上昇等により、差電圧ΔVが停止判定閾値より小さい値に設定される間欠判定閾値を超えた場合には、音鳴り防止よりも上アーム素子651の保護を優先し、チャージポンプ回路30を間欠動作させる。
ΔV=VRG-PRE ・・・(2)
参考例として、例えばチャージポンプドライバ回路31にバッテリ90の電圧が供給される場合、チャージポンプ電圧VRGは式(3-1)、上アーム素子651のゲート-ソース間電圧Vgsは式(3-2)となる。
VRG=2VS-2Vf ・・・(3-1)
Vgs=VRG-PRE=2VS-2Vf-PRE ・・・(3-2)
この場合、プリチャージ電圧PREが低下すると、ゲート-ソース間電圧Vgsが上アーム素子651の耐圧を越える虞がある。例えば、差電圧ΔVを監視し、チャージポンプドライバ回路31を間欠動作させることで、ゲート-ソース間電圧Vgsが耐圧を越えないようにすることができる。しかしながら、間欠動作のスイッチング周波数が可聴域となると、コンデンサ32の音鳴りが発生する。そこで本実施形態では、チャージポンプドライバ回路31にプリチャージ電圧PREを供給する。本実施形態のゲート-ソース間電圧Vgsは、式(4)となる。
Vgs=VS-2Vf ・・・(4)
昇圧回路10の昇圧電圧VSは設定値Vxで略一定であるので、プリチャージ電圧PREによらず、ゲート-ソース間電圧Vgsも略一定に保たれる。これにより、プリチャージ電圧PRE低下時においても、ゲート-ソース間電圧Vgsを上アーム素子651の耐圧以下とすることができる。これにより、通常時において、チャージポンプ回路30を常時駆動とすることで、ポンピング容量の音鳴りを防止しつつ、上アーム素子651を保護することができる。
図5は、車両の始動スイッチがオンされたときの電圧の変化を説明するタイムチャートである。図5では、上段に各種電圧、中段に差電圧ΔV(=VRG-PRE)、下段にチャージポンプドライバ回路31のドライバ出力電圧CM(図4参照)およびプリチャージ電圧PREを示す。図中のPIGは、バッテリ90の電圧である。
時刻x10にて始動スイッチがオンされると、昇圧回路10が昇圧駆動される。また、プリチャージ回路20を駆動し、平滑コンデンサ69をプリチャージする。時刻x11にてチャージポンプ回路30を駆動させると、チャージポンプ電圧VRGが上昇し、時刻x12にて、差電圧ΔVが所定値Va(例えば16[V])で安定する。時刻x13にて、電源リレー部63をオンにすると、プリチャージ電圧PREとバッテリ電圧PIGとが一致する。
時刻x14にて、クランキングが開始されると、バッテリ電圧PIGの低下に伴い、プリチャージ電圧PREが低下する。本実施形態では、チャージポンプドライバ回路31の電源をプリチャージ電圧PREとしているため、チャージポンプ電圧VRGは、チャージポンプ回路30を常時駆動していても、プリチャージ電圧PREに応じて変動する。そのため、チャージポンプ電圧VRGとプリチャージ電圧PREとの差である差電圧ΔVは、略一定に保たれる。
したがって、上アーム素子651のゲート-ソース間電圧Vgsは、チャージポンプ回路30の常時駆動を継続しても、プリチャージ電圧PREの変動によらず、略一定に保たれる。これにより、クランキング等によるプリチャージ電圧PREの低下時において、ゲート-ソース間電圧Vgsを耐圧以下に抑えるための間欠動作が不要となり、音鳴りの発生を防ぐことができる。また、例えばツェナーダイオード等の保護素子を別途に設ける必要がなく、部品点数を低減することができる。
時刻x14から時刻x17はクランキング期間であって、バッテリ電圧PIG、プリチャージ電圧PREおよびチャージポンプ電圧VRGが低下し、時刻x15にて下限値Vloとなり、時刻x16から上昇する。時刻x17にて、クランキングが完了すると、バッテリ電圧PIGは初期値(例えば14[V])で安定する。
以上説明したように、駆動装置1は、インバータ部65と、チャージポンプ回路30と、を備える。インバータ部65は、上アーム素子651および下アーム素子652を有し、負荷に供給される電力を変換する。チャージポンプ回路30は、上アーム素子651にゲート電圧を供給する。チャージポンプ回路30の出力電圧であるチャージポンプ電圧VRGは、インバータ入力配線601からインバータ部65の高電位側に入力されるインバータ入力電圧に応じて可変である。本実施形態のインバータ入力電圧は、プリチャージ電圧PREである。
ドライバ出力電圧CMをインバータ入力電圧と同程度とすることで、クランキング等によりバッテリ電圧が変動した場合であっても、上アーム素子651のゲート-ソース間電圧Vgsを耐圧以下に抑えることができ、上アーム素子を適切に保護することができる。
チャージポンプ回路30は、スイッチング素子317、318を有するチャージポンプドライバ回路31を有する。チャージポンプドライバ回路31の出力は、インバータ入力電圧に応じて可変である。本実施形態では、ドライバスイッチング素子317の高電位側は、インバータ入力配線と同電位に接続される。ここで同電位とは、配線抵抗等による電圧差程度は許容される。これにより、チャージポンプ電圧VRGをインバータ入力電圧に応じて可変とすることができる。
駆動装置1は、バッテリ90の電圧を昇圧してチャージポンプ回路30に供給する昇圧回路10をさらに備える。これにより、バッテリ電圧が低下したとしても、上アーム素子651のゲート-ソース間電圧Vgsを確保することができる。
駆動装置1は、電源リレー部63と、プリチャージ回路20と、を備える。電源リレー部63は、インバータ入力配線601に設けられる。電源リレー部63の下流側に昇圧回路10の昇圧電圧VSを供給可能である。これにより、電源リレー部63を設けても、電源リレー部63がオンになるまでの間、プリチャージ回路20を経由して、チャージポンプ回路30を適切に作動させることができる。
駆動装置1は、チャージポンプ電圧VRGとインバータ入力電圧との差を監視する電圧監視回路50を備える。これにより、昇圧電圧VSが上昇する故障が発生した場合であっても、上アーム素子651のゲート-ソース間電圧Vgsを耐圧以下とすることができる。
(第2実施形態)
第2実施形態を図6および図7に示す。本実施形態のチャージポンプ回路35は、チャージポンプドライバ回路36が上記実施形態と異なる。本実施形態では、チャージポンプドライバ回路36には、電源として昇圧電圧VSが供給され、出力がプリチャージ電圧PRE付近にクランプされる。
本実施形態のチャージポンプドライバ回路36を図7に示す。チャージポンプドライバ回路36では、スイッチング素子317のゲートは、ダイオード361、362を経由してプリチャージ回路20のプリチャージ端子202と接続される。ダイオード361、362は、アノードがスイッチング素子317のゲート側、カソードがプリチャージ端子202側となるように、直列に接続される。スイッチング素子317のゲートとプリチャージ端子202とをダイオード361、362を経由して接続することで、プリチャージ電圧PREが低下すると、スイッチング素子317のゲート電圧が低下し、ドライバ出力電圧CMが低下する。
例えば、昇圧電圧VS=16[V]、チャージポンプ電圧VRG=30[V]とする。プリチャージ電圧PREが16[V]のとき、スイッチング素子317のゲートからプリチャージ端子202側に電流が流れない。ここで、Vtをスイッチング素子317のソース-ゲート間電圧(=1[V])とすると、ゲート電圧Vg_cpは式(5)となり、ドライバ出力電圧CMは、昇圧電圧VSおよびプリチャージ電圧PREと等しくなる。
Vg_cp=VS+Vt=17[V] ・・・(5)
一方、プリチャージ電圧PREが低下し、例えばプリチャージ電圧PREが4[V]のとき、スイッチング素子317のゲートからプリチャージ端子202側に電流が流れ、スイッチング素子317のゲート電圧Vg_cpが低下する(式(6-1)参照)。また、ドライバ出力電圧CMは、式(6-2)となる。式中の2×Vf_cpはダイオード361、362の電圧降下(=2×1[V])とする。
Vg_cp=PRE+2×Vf_cp=6[V] ・・・(6-1)
CM=Vg_cp-Vt ・・・(6-2)
すなわち、プリチャージ電圧PREの低下時には、ドライバ出力電圧CMはプリチャージ電圧PREに応じて低下するため、プリチャージ電圧PREによらず、上アーム素子651のゲート-ソース間電圧Vgsが略一定に保たれる。
本実施形態では、高電位側のスイッチング素子317のゲートは、ダイオード361、362を経由してインバータ入力配線601と同電位に接続される。これにより、チャージポンプ電圧VRGをインバータ入力電圧に応じて可変とすることができる。なお、スイッチング素子317のソース-ゲート間電圧Vtに応じてダイオードの数は調整してもよい。また、上記実施形態と同様の効果を奏する。
実施形態では、スイッチング素子317、318が「ドライバスイッチング素子」に対応し、プリチャージ電圧PREが「インバータ入力電圧」に対応する。
(他の実施形態)
上記実施形態では、チャージポンプ回路は1段である。他の実施形態では、チャージポンプ回路を2段以上としてもよい。段数がN段の場合、ダイオードでの電圧降下分を考慮しないとすれば、チャージポンプ電圧を(インバータ入力電圧/N)程度とすればよい。
上記実施形態では、負荷はモータであって、電動パワーステアリング装置に適用される。他の実施形態では、モータをブレーキ、ブロワ、パワーウィンド、ワイパ等の電動パワーステアリング装置以外の車載装置、あるいは、車載以外の装置に適用してもよい。また、負荷は、モータ以外のものであってもよい。以上、本発明は、上記実施形態になんら限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の形態で実施可能である。
1・・・駆動装置
10・・・昇圧回路
20・・・プリチャージ回路
30、35・・・チャージポンプ回路
31、36・・・チャージポンプドライバ回路(ドライバ回路)
317、318・・・スイッチング素子(ドライバスイッチング素子)
63・・・電源リレー部
65・・・インバータ部
651・・・上アーム素子 652・・・下アーム素子

Claims (8)

  1. 負荷を駆動する駆動装置であって、
    上アーム素子(651)および下アーム素子(652)を有し、前記負荷に供給される電力を変換するインバータ部(65)と、
    前記上アーム素子にゲート電圧を供給するチャージポンプ回路と(30、35)と、
    を備え、
    前記チャージポンプ回路の出力電圧は、インバータ入力配線(601)から前記インバータ部の高電位側に入力されるインバータ入力電圧に応じて可変であり、
    前記チャージポンプ回路は、ドライバスイッチング素子(317、318)を有するドライバ回路(31、36)を有し、
    前記ドライバ回路の出力は、前記インバータ入力電圧に応じて可変である駆動装置。
  2. 前記ドライバスイッチング素子(317)の高電位側は、前記インバータ入力配線に続される請求項に記載の駆動装置。
  3. 高電位側の前記ドライバスイッチング素子のゲートは、ダイオード(361、362)を経由して前記インバータ入力配線に接続される請求項に記載の駆動装置。
  4. バッテリ(90)の電圧を昇圧して前記チャージポンプ回路に供給する昇圧回路(0)をさらに備える請求項1~のいずれか一項に記載の駆動装置。
  5. 前記インバータ入力配線に設けられる電源リレー部(63)と、
    前記電源リレー部の下流側に前記昇圧回路の昇圧電圧を供給可能なプリチャージ回路(20)と、
    をさらに備える請求項に記載の駆動装置。
  6. 負荷を駆動する駆動装置であって、
    上アーム素子(651)および下アーム素子(652)を有し、前記負荷に供給される電力を変換するインバータ部(65)と、
    前記上アーム素子にゲート電圧を供給するチャージポンプ回路と(30、35)と、
    バッテリ(90)の電圧を昇圧して前記チャージポンプ回路に供給する昇圧回路(10)と、
    インバータ入力配線(601)に設けられる電源リレー部(63)と、
    前記電源リレー部の下流側に前記昇圧回路の昇圧電圧を供給可能なプリチャージ回路(20)と、
    を備え、
    前記チャージポンプ回路の出力電圧は、前記インバータ入力配線から前記インバータ部の高電位側に入力されるインバータ入力電圧に応じて可変である駆動装置。
  7. 前記チャージポンプ回路の出力電圧と前記インバータ入力電圧との差を監視する電圧監視回路(50)をさらに備える請求項1~6のいずれか一項に記載の駆動装置。
  8. 負荷を駆動する駆動装置であって、
    上アーム素子(651)および下アーム素子(652)を有し、前記負荷に供給される電力を変換するインバータ部(65)と、
    前記上アーム素子にゲート電圧を供給するチャージポンプ回路と(30、35)と、
    前記チャージポンプ回路の出力電圧とインバータ入力電圧との差を監視する電圧監視回路(50)と、
    を備え、
    前記チャージポンプ回路の出力電圧は、インバータ入力配線(601)から前記インバータ部の高電位側に入力される前記インバータ入力電圧に応じて可変である駆動装置。
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