JP7389701B2 - 電源回路、電源供給方法 - Google Patents

Description

本発明は、電源回路、電源供給方法に関する。

小型なブラシレスモーターでの車輪駆動装置の電源スイッチとして、リレー（コンタクター）が用いられた電源供給装置がある。また、このような電源供給装置には、三相ブリッジ回路と、三相ブリッジ回路に流れる電流のリップルを吸収するコンデンサ（キャパシタ）が接続される。このような電源供給装置では、電源投入時において、このコンデンサへの突入電流が流れるため、配慮が必要である。
例えば、突入電流を防止するために、予め抵抗器などを介してプリチャージを行うモータ制御装置もある（例えば、特許文献１を参照）。

特開２００１－０６５４３７号公報

しかしながら、リレーを用いた電源供給装置においては、以下の懸念がある。
１）電源投入時、突入電流が流れると、バッテリー側の過電流保護が働き、モータ側に給電されず、その結果、動作しない恐れがある。

２）電源投入時、突入電流がリレーを介して流れると、その電流が大きいためリレーの接点が溶着してしまう恐れがある。そのため、プリチャージ抵抗をリレーに対して並列に設けることで、突入電流を低減する構成もある。しかし、プリチャージ抵抗をリレー接点に対して並列に設けられると、不要な電流がプリチャージ抵抗を介して流れてしまうため、バッテリーの電力が消費されてしまう。その結果、バッテリー上がりとなる可能性がある。また、プリチャージ抵抗に電流が流れることで熱が発生するため、この熱を抑えようとすると、プリチャージ抵抗が大型化してしまう。また、このプリチャージ回路を追加する方法では、プリチャージを行ってから各機器が起動するため、機器起動時間が長びく問題がある。

３）モータに過負荷が生じると、バッテリーから供給される電流が大きくなり、その一方でバッテリーの内部抵抗も影響し、バッテリーの電圧が低下する。その際、リレーがオフになり、その後バッテリーの電圧が復帰し、再度リレーがオンになるが、モータの過負荷のため再度リレーがオフになることを繰り返す、いわゆるチャタリングが発生する。また、使用電圧を変える場合、リレー感動電圧が合わなくなり、リレー設計変更が必要となってしまう。例えば、バッテリーが２４Ｖの場合に用いられるリレーとバッテリーが１２Ｖの場合に用いられるリレーとでは、コイル仕様（感動電圧、復帰電圧）が異なるため、機器側の調整が必要となり、設計における難点となる。
上記のように制約があるため、プリチャージ抵抗とリレーとを用いる方法は、モータ駆動装置には必ずしも適さない場合がある。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、その目的は、大きなプリチャージ抵抗を用いることなく、起動時間が長引くことを抑制しつつ、突入電流を低減することができる電源回路、電源供給方法を提供することにある。

上述した課題を解決するために、本発明の一態様は、ブラシレスモーターに接続されるブリッジ回路と、前記ブレシレスモーターに電力を供給するバッテリーと、前記バッテリーから前記ブリッジ回路に供給される電流を平滑化する平滑用コンデンサとに接続され、前記ブラシレスモーターに電力を供給する電源回路であって、前記バッテリーと前記ブリッジ回路との間に設けられる半導体スイッチと、前記バッテリーから平滑用コンデンサに対するプリチャージ中の電圧が基準電圧値に到達すると、前記プリチャージを終了させ、前記バッテリーから前記ブリッジ回路に対して電圧を供給するように半導体スイッチを切り替えるパワー電源供給部と、前記パワー電源供給部によって前記半導体スイッチに供給される電圧の立ち上がりを緩和する立ち上がり緩和回路と、前記ブラシレスモーターの各相の端子電圧を検出する端子電圧監視部と、前記検出された端子電圧と、前記平滑用コンデンサにプリチャージされる電圧との関係に基づいて、故障が生じているか否かを判定する判定部と、を有し、パワー電源供給部は、前記故障が生じていると判定された場合に、前記ブリッジ回路に対する電圧の供給を行わないことを特徴とする電源回路である。

上述した課題を解決するために、本発明の一態様は、ブラシレスモーターに接続されるブリッジ回路と、前記ブレシレスモーターに電力を供給するバッテリーと、前記バッテリーから前記ブリッジ回路に供給される電流を平滑化する平滑用コンデンサとに接続され、前記ブラシレスモーターに電力を供給する電源装置における電源供給方法であって、前記バッテリーと前記ブリッジ回路との間に半導体スイッチを設け、前記バッテリーから平滑用コンデンサに対するプリチャージ中の電圧が基準電圧値に到達すると、前記プリチャージを終了させ、バッテリーから前記ブリッジ回路に対して電圧を供給するように半導体スイッチを切り替え、立ち上がり緩和回路によって前記半導体スイッチに供給される電圧の立ち上がりを緩和し、前記ブラシレスモーターの各相の端子電圧を検出し、前記検出された端子電圧と、前記平滑用コンデンサにプリチャージされる電圧との関係に基づいて、故障が生じているか否かを判定し、前記故障が生じていると判定された場合に、前記ブリッジ回路に対する電圧の供給を行わない電源供給方法である。

以上説明したように、この発明によれば、大きなプリチャージ抵抗を用いることなく、起動時間が長引くことを抑制しつつ、突入電流を低減することができる。

この発明の一実施形態によるモータ駆動システム１の構成を示す概略ブロック図である。 モータ駆動システム１のタイミングチャートである。 時刻ｔ６の前後におけるバッテリー電圧及び平滑用コンデンサの電圧の波形の一部を拡大した図である。 下段ＦＥＴが故障している場合における波形図である。 上段ＦＥＴが故障している場合における波形図である。 Ｕ相に断線が生じている場合における波形図である。 Ｖ相に断線が生じている場合における波形図である。 Ｗ相に断線が生じている場合における波形図である。

以下、本発明の一実施形態によるモータ駆動システム１について図面を参照して説明する。図１は、この発明の一実施形態によるモータ駆動システム１の構成を示す概略ブロック図である。

《モータ駆動システム》
モータ駆動システム１は、バッテリーＢＡＴ、電源装置１０、三相ブリッジ回路２０、平滑用コンデンサ３０、モータ４０を含むとともに、その他必要な機能を有する。
このモータ駆動システム１は、車両に搭載される。車両は、たとえば、二輪車または四輪車である。

《バッテリーＢＡＴ》
バッテリーＢＡＴは、モータ駆動システム１の各部に電源を供給する。
バッテリーＢＡＴが出力する電圧は、２４Ｖである場合について説明するが、１２Ｖであってもよい。

《電源装置１０》
電源装置１０は、バッテリーＢＡＴから得られる電力をモータ４０に供給する。
電源装置１０は、イグニッションスイッチ部１１、制御系電源回路１２、プリチャージ回路１３、チャージポンプ電源起動回路１４、モータ端子監視部１５、第１ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）１６、チャージポンプ回路１７、第２ＣＰＵ１８、パワー電源供給回路１９を含む。

《イグニッションスイッチ部１１》
イグニッションスイッチ部１１は、車両のエンジンを起動するスイッチであり、オンしたときにエンジン起動信号を制御系電源回路１２、第１ＣＰＵ１６等に出力する。

《制御系電源回路１２》
制御系電源回路１２は、エンジン起動信号が入力されることに応じて、第１ＣＰＵ１６、第２ＣＰＵ１８、プリチャージ回路１３、チャージポンプ電源起動回路１４等に電源を供給する。

《プリチャージ回路１３》
プリチャージ回路１３は、第１ＣＰＵ１６からプリチャージ起動信号が入力されると、平滑用コンデンサ３０にプリチャージを行う。また、プリチャージ回路１３は、プリチャージ終了信号が第１ＣＰＵ１６から入力されると、プリチャージを停止（終了）する。

《チャージポンプ電源起動回路１４》
チャージポンプ電源起動回路１４は、プリチャージ起動信号が第１ＣＰＵ１６からプリチャージ回路１３に供給されると、プリチャージ起動信号に同期してＯＮになり、チャージポンプ回路１７に昇圧開始を指示する。

《モータ端子監視部１５》
モータ端子監視部１５は、モータ４０の各相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）の端子電圧を検出し、検出結果を第１ＣＰＵ１６に出力する。モータ端子監視部１５のｕ相検出端子は、スイッチング素子Ｍ３とスイッチング素子Ｍ６とＵ相巻線４０ｕとの接続点に接続され、ｖ相検出端子は、スイッチング素子Ｍ２とスイッチング素子Ｍ５とＶ相巻線４０ｖとの接続点に接続され、ｗ相検出端子は、スイッチング素子Ｍ１とスイッチング素子Ｍ４とＷ相巻線４０ｗとの接続点に接続される。

《第１ＣＰＵ１６》
第１ＣＰＵ１６は、モータ端子監視部１５の検出結果を取得し、検出結果に応じて、第２ＣＰＵ１８を起動をするか否かを制御する。
第１ＣＰＵ１６は、バッテリーが接続されると起動し、プリジャージ回路にプリチャージ起動信号を出力することで、プリチャージを開始させる。
第１ＣＰＵ１６は、モータ端子監視部１５から得られる端子電圧を参照し、プリチャージ電圧が所定の電圧まで到達したか否かを判定し、所定の電圧に到達したと判定した場合に、プリチャージ終了信号をプリチャージ回路１３に出力する。これにより、プリチャージを停止させる。
第１ＣＰＵ１６は、平滑用コンデンサ３０の電圧を監視する機能を有しており、平滑用コンデンサに対するプリチャージ中の電圧が基準電圧値（プリチャージ目標電圧とも称する）に到達すると第２ＣＰＵ１８に対してＣＰＵパワー電源起動信号を出力する。この基準電圧値は、プリチャージが行われる前の電圧から平滑用コンデンサ３０が満充電となるまでの間のいずれかの電圧であればよく、例えば、満充電の半分程度の電圧が用いることができる。
また、第１ＣＰＵ１６は、モータ端子監視部１５によって検出された端子電圧と、平滑用コンデンサ３０にプリチャージされる電圧との関係に基づいて、故障が生じているか否かを判定する。
第１ＣＰＵ１６は、チャージポンプ回路を起動させる。

《チャージポンプ回路１７》
チャージポンプ回路１７は、バッテリーＢＡＴから供給される電圧を昇圧し、昇圧した電圧をパワー電源供給回路１９に供給する。ここで、パワー電源供給回路１９には、２つのＦＥＴ（ＦｉｅｌｄＥｆｆｅｃｔｉｖｅＴｒａｎｓｉｓｔｏｒ；電界効果トランジスタ）のスイッチが設けられている。この２つのＦＥＴがいずれもｎ型チャネルのＦＥＴであっても、チャージポンプ回路１７が昇圧してＦＥＴに電圧を供給することができるため、２４Ｖまたは１２Ｖのバッテリーを電源とする場合であっても、バッテリー電圧よりも高い電圧を２つのＦＥＴに印加することで、これらＦＥＴをオンにすることができる。
例えば、一般に、車両に用いられるバッテリーの電圧は、２４Ｖまたは１２Ｖであり、そのままの電圧では、第１スイッチ１９１と第２スイッチ１９２を介して電源を供給すると、バッテリー電圧よりも低い電圧が三相ブリッジ回路２０側に出力されることがある。そのため、パワー電源供給回路１９から出力される電圧が所定の電圧となるように、チャージポンプ回路１７によって予め昇圧した上で、パワー電源供給部１９０に電源を供給する。

《第２ＣＰＵ１８》
第２ＣＰＵ１８は、第１ＣＰＵ１６からＣＰＵパワー電源起動信号が出力されると、パワー電源供給部１９０に対してＣＰＵパワー電源起動信号を出力する。

《パワー電源供給回路１９》
パワー電源供給回路１９は、パワー電源供給部１９０、第１スイッチ１９１、第２スイッチ１９２、ゲート信号入力端子１９３、抵抗１９４、逆接続防止用ダイオード１９５、立ち上がり緩和回路１９６、を含む。
パワー電源供給回路１９は、内部に設けられた半導体スイッチ（第１スイッチ１９１と第２スイッチ１９２）のオンにすることで、モータ４０に対する電源を投入する。

パワー電源供給部１９０は、平滑用コンデンサ３０に対するプリチャージ中の電圧が基準電圧値に到達するとバッテリーＢＡＴからブリッジ回路に対して電圧を供給するように半導体スイッチ（第１スイッチ１９１と第２スイッチ１９２）をオンに切り替える。
パワー電源供給部１９０は、第１ＣＰＵ１６の判定結果において故障が生じていると判定された場合に、半導体スイッチ（第１スイッチ１９１と第２スイッチ１９２）をオフにし、三相ブリッジ回路２０に対して電源の供給を行わない。

第１スイッチ１９１と第２スイッチ１９２は、それぞれ半導体のスイッチング素子が用いられる。ここでは、第１スイッチ１９１と第２スイッチ１９２は、それぞれＦＥＴを用いることができる。また、この実施形態では、第１スイッチ１９１と第２スイッチ１９２は、ｎ型チャネルのＦＥＴが用いられている。
第１スイッチ１９１と第２スイッチ１９２は、直列に接続され、バッテリーＢＡＴと三相ブリッジ回路２０との間に接続される。
第１スイッチ１９１は、ドレインがパワー電源供給部１９０の第１端子に接続され、ゲートが抵抗１９４の他方の端子と逆接続防止用ダイオード１９５のアノードに接続され、ソースが第２スイッチ１９２のソースに接続される。
第２スイッチ１９２は、ソースが第１スイッチ１９１のソースに接続され、ゲートが抵抗１９４の他方の端子と逆接続防止用ダイオード１９５のアノードに接続され、ドレインが三相ブリッジ回路２０に接続される。

ゲート信号入力端子１９３は、第２ＣＰＵ１８から出力されるゲート信号が入力される。
抵抗１９４は、一方の端子がパワー電源供給部１９０の第２端子に接続され、他方の端子が第１スイッチ１９１のゲートと第２スイッチ１９２のゲートに接続される。

逆接続防止用ダイオード１９５は、バッテリーＢＡＴが逆接続された場合に発生する異常電流を防止する。逆接続とは、バッテリーＢＡＴのプラス端子とマイナス端子が、電源装置１０に対して逆の極性で接続されることである。
仮に、バッテリーＢＡＴが電源装置１０に対して逆の極性で接続された場合には、逆接続防止用ダイオード１９５は、コンデンサ１９８を介して第１スイッチ１９１と第２スイッチ１９２側に電流が流れてしまうことを防止する。また、ここでは第２スイッチ１９２は、図示しないボディダイオードを有しているため、バッテリーＢＡＴが逆の極性で接続され三相ブリッジ回路２０側から電圧が印加されたとしても、このボディダイオードによって電流が流れてしまうことを防止することができる。また、第１スイッチ１９１は、図示しないボディダイオードを有しているため、オフの状態において、ドレイン側に電圧が印加されたとしても、ゲート信号が入力されていない場合には、電流を流さないようにすることができる。

立ち上がり緩和回路１９６は、パワー電源供給部１９０によって半導体スイッチ（第１スイッチ１９１と第２スイッチ１９２）に供給される電圧の立ち上がりを緩和する。

立ち上がり緩和回路１９６は、抵抗１９７と、コンデンサ１９８と、を含む。
抵抗１９７は、一方の端子がパワー電源供給部１９０の第３端子に接続され、他方の端子がコンデンサ１９８の第１端子と逆接続防止用ダイオード１９５のカソードに接続される。
コンデンサ１９８は、一方の端子が抵抗１９７と逆接続防止用ダイオード１９５のカソードとの間の接続点に接続され、他方の端子がグラウンドに接続されている。

《三相ブリッジ回路２０》
三相ブリッジ回路２０は、モータ４０に接続され、モータ４０に相電流を供給する。
三相ブリッジ回路２０は、３相ブリッジ接続された６つのスイッチング素子Ｍ１、Ｍ２，Ｍ３、Ｍ４、Ｍ５及びＭ６を備える。以下、説明の簡単のため、スイッチング素子Ｍ１、Ｍ２，Ｍ３、Ｍ４、Ｍ５及びＭ６がｎ型チャネルのＦＥＴであると仮定する。なお、スイッチング素子Ｍ１、Ｍ２，Ｍ３、Ｍ４、Ｍ５及びＭ６は必ずしもｎ型チャネルのＦＥＴでなくてもよい。スイッチング素子Ｍ１、Ｍ２，Ｍ３、Ｍ４、Ｍ５及びＭ６は、例えば、ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ ｇａｔｅ ｂｉｐｏｌａｒ ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）やＢＪＴ（ｂｉｐｏｌａｒ ｊｕｎｃｔｉｏｎ ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）であってもよい。

スイッチング素子Ｍ１とＭ４とは、互いに直列接続されており、一のスイッチングレグを構成する。スイッチング素子Ｍ１は、上アームのスイッチング素子（以下、「上アームスイッチング素子」という。）である。一方、スイッチング素子Ｍ４は、下アームのスイッチング素子（以下、「下アームスイッチング素子」という。）である。

スイッチング素子Ｍ１は、ドレインが第２スイッチ１９２のソースに接続され、ソースがスイッチング素子Ｍ４のドレインに接続される。スイッチング素子Ｍ４のソースは、抵抗を介してグラウンドに接続される。スイッチング素子Ｍ１及びＭ４の各ゲートは、第１ＣＰＵ１６に接続されている。また、スイッチング素子Ｍ１のソースとスイッチング素子Ｍ４のドレインとの接続点である中性点はＷ相巻線４０ｗの一端に接続される。

スイッチング素子Ｍ２とＭ５とは、互いに直列接続されており、一のスイッチングレグを構成する。スイッチング素子Ｍ２は、上アームスイッチング素子である。一方、スイッチング素子Ｍ５は、下アームスイッチング素子である。

スイッチング素子Ｍ２は、ドレインが第２スイッチ１９２のソースに接続され、ソースがスイッチング素子Ｍ５のドレインに接続される。スイッチング素子Ｍ５のソースは、抵抗を介してグラウンドに接続される。スイッチング素子Ｍ２及びＭ５の各ゲートは、第１ＣＰＵ１６接続されている。また、スイッチング素子Ｍ２のソースとスイッチング素子Ｍ５のドレインとの接続点である中性点は、Ｖ相巻線４０ｖの一端に接続される。

スイッチング素子Ｍ３とＭ６とは、互いに直列接続されており、一のスイッチングレグを構成する。スイッチング素子Ｍ３は、上アームスイッチング素子である。一方、スイッチング素子Ｍ６は、下アームスイッチング素子である。

スイッチング素子Ｍ３は、ドレインが第２スイッチ１９２のソースに接続され、ソースがスイッチング素子Ｍ６のドレインに接続される。スイッチング素子Ｍ６のソースは、抵抗を介してグラウンドに接続される。スイッチング素子Ｍ３及びＭ６の各ゲートは、第１ＣＰＵ１６接続される。また、スイッチング素子Ｍ３のソースとスイッチング素子Ｍ６のドレインとの接続点である中性点は、Ｕ相巻線４０ｕの一端に接続される。

《平滑用コンデンサ３０》
平滑用コンデンサ３０は、一方の端子が第２スイッチ１９２の第２端子と三相ブリッジ回路２０との接続点に接続され、もう一方の端子がグラウンドに接続されている。この平滑用コンデンサ３０は、例えば、並列に接続された４つの電解コンデンサ（電解コンデンサ３０ａ、電解コンデンサ３０ｂ、電解コンデンサ３０ｃ、電解コンデンサ３０ｄ）を有する。
この平滑用コンデンサ３０は、バッテリーＢＡＴからパワー電源供給回路１９を介して三相ブリッジ回路２０に供給される電流を平滑化することで、リップルを吸収する。

《モータ４０》
モータ４０は、３相（Ｕ、Ｖ、Ｗ）のブラシレスモーターである。具体的には、モータ４０は、永久磁石を有するロータと、３相（Ｕ、Ｖ、Ｗ）それぞれに対応するＵ相巻線４０ｕ、Ｖ相巻線４０ｖ、Ｗ相巻線４０ｗがロータの回転方向に順に巻装されているステータとを備えている。各相のＵ相巻線４０ｕ、Ｖ相巻線４０ｖ、Ｗ相巻線４０ｗのそれぞれの一端は、三相ブリッジ回路２０に接続され、他端は、互いに接続される。
このモータ４０は、例えば、車両に搭載されるブラシレスモーター（車両駆動用、開閉体を開閉させるモータ等）として用いられる。

上述の電源装置１０においては、フュエールセーフリレーの代わりのバッテリー電源供給用のＦＥＴを用いることによって、安全で駆動できる回路を構築した。

次に、上述したモータ駆動システム１の動作を説明する。
図２は、モータ駆動システム１のタイミングチャートである。このタイミングチャートにおいては、上段から、バッテリー電圧及び平滑用コンデンサの電圧、バッテリー電流、イグニッションスイッチ部１１及びＣＰＵプリチャージ起動信号、Ｕ相端子電圧、ｖ相端子電圧、Ｗ相端子電圧、第２ＣＰＵ電源を示す波形である。
《時刻ｔ１》
時刻ｔ１において、バッテリーＢＡＴが電源装置１０接続されると、電源装置１０に対して印加され、第１ＣＰＵ１６が起動する。
第１ＣＰＵ１６が起動した後、モータ端子監視部１５は、モータ４０のＵ相、Ｖ相、Ｗ相の各相の端子電圧の監視を開始する。この時刻ｔ１の時点において、モータ４０のＵ相、Ｖ相、Ｗ相の各相の端子電圧は、いずれも０Ｖ程度である。

《時刻ｔ２》
時刻ｔ２において、イグニッションスイッチ部１１のイグニッションスイッチがオンにされると、第１ＣＰＵ１６は、イグニッションスイッチ部１１がオンにされたことを検出する。

《時刻ｔ３》
時刻ｔ３において、第１ＣＰＵ１６は、イグニッションスイッチ部１１がオンにされたことを検出すると、ＣＰＵプリチャージ起動信号をプリチャージ回路１３に出力する。プリチャージ回路１３は、プリチャージ起動信号を受けると、平滑用コンデンサ３０にプリチャージを開始する。
プリチャージを開始すると、第１ＣＰＵ１６は、平滑用コンデンサ３０の電圧を監視し、基準電圧値に到達したか否かを判定する。この時刻ｔ３の直後において、第１ＣＰＵ１６は、平滑用コンデンサ３０の電圧が基準電圧値に到達していないと判定し、プリチャージを継続する。
〈平滑用コンデンサ３０の電圧〉
プリチャージが行われることで、平滑用コンデンサ３０の電圧は、時刻ｔ３から時間が経過することに応じて上昇する。ここでは、時刻ｔ３から時刻ｔ４にかけて、１２Ｖ程度まで上昇する。
〈相電圧〉
モータ端子監視部１５は、継続してＵ相、Ｖ相、Ｗ相の各相の端子電圧を監視しており、平滑用コンデンサ３０にプリチャージが行われることで、平滑用コンデンサ３０の電圧が、０Ｖ付近から上昇し始める。
ここでは、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の各相におけるいずれの端子電圧についても、時刻ｔ３から時刻ｔ４までの間において、充電カーブに応じた電圧が検出される。ここでは、時刻ｔ３から時刻ｔ４にかけて、１２Ｖ程度まで上昇する。

《時刻ｔ４》
時刻ｔ４において、第１ＣＰＵ１６は、監視している平滑用コンデンサ３０の電圧が、プリチャージ目標電圧に到達したか否かを判定し、平滑用コンデンサ３０の電圧がプリチャージ目標電圧に到達したと判定すると、プリチャージ回路１３に対するＣＰＵプリチャージ起動信号の出力を停止する。これにより、プリチャージ回路１３は、プリチャージを停止する。ここでは、平滑用コンデンサ３０の電圧が半分程度（１２Ｖ）に到達した段階で、プリチャージが停止される。
ここでは、２４Ｖ用のバッテリーＢＡＴを用いている場合、平滑用コンデンサ３０に対して半分程度の充電をしてプリチャージを停止するため、平滑用コンデンサ３０の電圧は１２Ｖ程度であり、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の各相の端子電圧は１２ｖ程度に到達した時点でプリチャージが停止する。プリチャージが停止すると、平滑用コンデンサ３０の電圧は、プリチャージが停止した時点の電圧が維持され、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の各相の端子電圧は、プリチャージが停止した時点の電圧から半分程度の電圧である中間電圧まで低下したあと、維持される。ここでは、モータ４０と三相ブリッジ回路２０とが正常である場合、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の各相の端子電圧は、中間電圧として６Ｖ程度の電圧が検出される。

《時刻ｔ５》
時刻ｔ５において、第１ＣＰＵ１６は、モータ端子監視部１５によって検出されたＵ相、Ｖ相、Ｗ相の各相の端子電圧を読み出し、各相の電圧が電圧規定値に到達しているか否かを判定する。電圧規定値は、例えば、バッテリーＢＡＴの出力可能な電圧（２４ｖ）の１／４程度の電圧であり、ここでは５Ｖ～６Ｖ程度の電圧値が用いられる。
ここでは、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の各相の端子電圧がいずれも６Ｖ程度であるため、第１ＣＰＵ１６は、いずれの相についても電圧規定値に到達していると判定する。

《時刻ｔ６》
第１ＣＰＵ１６は、平滑用コンデンサ３０の電圧が基準電圧値に到達しており、かつ、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の各相の端子電圧が、いずれも中間電位（電圧規定値）に到達していると判定すると、正常にプリチャージが終了したと判定し、第２ＣＰＵ１８に対して、ＣＰＵパワー電源起動信号を出力する。

第２ＣＰＵ１８は、第１ＣＰＵ１６からＣＰＵパワー電源起動信号が入力されることで起動する。第２ＣＰＵ１８は、起動すると、第１スイッチ１９１と第２スイッチ１９２をオンにする。すなわち、抵抗１９４を介して、第１スイッチ１９１と第２スイッチ１９２とのそれぞれにゲート信号を供給する。第１スイッチ１９１と第２スイッチ１９２は、パワー電源供給部１９０からゲート信号が入力されることでオンとなる。

ここで、図３を用いて、バッテリー電圧及び平滑用コンデンサの電圧についてさらに説明する。図３は、図２における時刻ｔ６の前後におけるバッテリー電圧及び平滑用コンデンサの電圧の波形の一部を拡大した図である。
第１スイッチ１９１と第２スイッチ１９２がオンとなる際、パワー電源供給部１９０から出力されるゲート信号は、抵抗１９４と逆接続防止用ダイオード１９５を介して立ち上がり緩和回路１９６のコンデンサ１９８に供給され、コンデンサ１９８に充電される。そのため、パワー電源供給部１９０から第１スイッチ１９１と第２スイッチ１９２とのゲートに対して供給される電圧は、抵抗１９７とコンデンサ１９８とによって決まる時定数に応じて、上昇する。そのため、ゲート信号が出力されることで第１スイッチ１９１と第２スイッチ１９２とがオンになったとしても、第１スイッチ１９１と第２スイッチ１９２を介して平滑用コンデンサ３０に供給される電流は、急激に流れるのではなく、ある程度の時間をかけて満充電に到達するように流れる。ここでは、時刻ｔ６においてゲート信号が供給された場合、平滑用コンデンサ３０は、直ちに満充電となるのではなく、時刻ｔ６からある程度の時間が経過した時刻ｔ６ａにおいて満充電に到達するようにできる。このように、立ち上がり緩和回路１９６を有することで、平滑用コンデンサ３０に流れる電流を緩和することで、突入電流を低減することができる。

さらに、ここでは、平滑用コンデンサ３０にある程度（半分程度）充電された上で、緩和回路によって緩和されつつ電流が供給される。そのため、第１スイッチ１９１と第２スイッチ１９２とがオンになり、平滑用コンデンサ３０に対して電流が流れたとしても、平滑用コンデンサ３０が満充電となるまでの残りの空き容量が少なくなっているため、大電流が流れないようにすることができ、突入電流を抑制することができる。また、ここでは、平滑用コンデンサ３０をプリチャージしている途中（半分程度）の段階で、第１スイッチ１９１と第２スイッチ１９２とをオンにするため、平滑用コンデンサ３０が満充電になるまでの期間を待つことなく、パワー電源供給回路１９から電源を供給することができる。

なお、上述した実施形態において、第１スイッチ１９１と第２スイッチ１９２とをオンにする場合について説明したが、これらスイッチをオフにする場合、ゲート信号をオフにするとともに、パワー電源供給部１９０は、コンデンサ１９８に充電された電圧を抵抗１９７を介してパワー電源供給部１９０側に放電させる。これにより、コンデンサ１９８に蓄積された電荷が放出されるため、次回ゲート信号が印加された場合であっても、平滑用コンデンサ３０に突入電流が流れることを防止することができる。

《Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相のいずれかに故障が発生した場合》
次に、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相のいずれかに故障が発生した場合について説明する。
第１ＣＰＵ１６は、モータ端子監視部１５からの検出結果に基づいて、プリチャージの状態が正常ではないと判定された場合には、第２ＣＰＵ１８に対するＣＰＵパワー電源起動信号の出力は行わない。これにより、三相ブリッジ回路２０のいずれかのＦＥＴがショートしている等の不具合が生じている場合には、その不具合を検出することで、パワー電源供給回路１９から三相ブリッジ回路２０に対して電源の供給が行われないようにすることができる。
ここで、不具合としては、三相ブリッジ回路２０に不具合が生じる場合と、モータ４０に不具合が生じる場合とが挙げられる。

〈三相ブリッジ回路２０の上段ＦＥＴまたは下段ＦＥＴが故障しているとき〉
第１ＣＰＵ１６は、三相ブリッジ回路２０の上段ＦＥＴまたは下段ＦＥＴが故障している場合には、以下のような状態であることを検出することができる。

〈三相ブリッジ回路２０の下段ＦＥＴが故障しているとき〉
図４は、下段ＦＥＴが故障している場合における波形図である。ここでいう下段ＦＥＴとは、三相ブリッジ回路２０の下アームのスイッチング素子であり、具体的には、スイッチング素子Ｍ４、Ｍ５、Ｍ６である。
下段ＦＥＴがオン故障している場合には、時刻ｔ３においてプリチャージ回路１３を起動したとしても、時刻ｔ４において、モータ端子監視部１５は、プリチャージされたにも関わらず電圧が増加しないため、平滑用コンデンサ３０の電圧、Ｕ相の端子電圧、Ｖ相の端子電圧、Ｗ相の端子電圧のいずれについても０Ｖ付近のままの状態であることを検出する。このような場合、第１ＣＰＵ１６は、不具合が発生していると判定し、第２ＣＰＵ１８に対するＣＰＵパワー電源起動信号の出力は行わない。
なお、図４に示す波形は、ｕ相、ｖ相、ｗ相のいずれの相の下段ＦＥＴが故障した場合であっても、概ね同様な波形が得られる。

〈三相ブリッジ回路２０の下段ＦＥＴが故障しているとき〉
図５は、上段ＦＥＴが故障している場合における波形図である。
上段ＦＥＴがオン故障している場合には、モータ端子監視部１５は、プリチャージ期間が終了した後（時刻ｔ４の後のプリチャージ停止期間）であっても、電圧が下がらないため中間電位とならず、プリチャージ後の電位が維持されていることを検出する。このような場合、第１ＣＰＵ１６は、正常時とは異なる状態であることを検出し、ＣＰＵパワー電源起動信号を出力しない。
なお、図５に示す波形は、ｕ相、ｖ相、ｗ相のいずれの相の上段ＦＥＴが故障した場合であっても、概ね同様な波形が得られる。

〈Ｕ相の断線が生じた場合〉
図６は、Ｕ相に断線が生じている場合における波形図である。
Ｕ相が断線している場合、時刻ｔ３においてプリチャージが開始され、時刻ｔ４においてプリチャージが停止された時点において、Ｕ相におけるプリチャージ電圧が発生せず、０Ｖ付近となる。Ｖ相とＷ相とが断線せず正常である場合には、プリチャージ電圧がＶ相とＵ相とに供給されないため、時刻ｔ３と時刻ｔ４の間のある時刻から中間電位が発生する。そのため、モータ端子監視部１５によって検出された電圧に基づいて、第１ＣＰＵ１６は、プリチャージを停止した時点において、プリチャージに応じた電圧規定値まで電圧が到達していない相（ここでは、Ｖ相とＷ相）がある場合に、その相（ここではＶ相とＷ相）がいずれであるかに基づいて、Ｕ相に断線が発生していると判定し、第２ＣＰＵ１８に対し、ＣＰＵパワー電源起動信号を出力しない。
ここでは、コントローラ内部のプリチャージ＝プルアップ抵抗がＵ相端子のみに接続されており、モータコイルを通し、三相ＦＥＴの寄生ダイオードから電源平滑用コンデンサに電荷がチャージされる。従って、断線するモータ側の電線（相）がいずれであるかを判定することで断線した相を検出することができる。
なお、本実施形態におけるモータ４０は、Ｙ結線のモータであり、各相のコイル（Ｕ相コイル、Ｖ相コイル、Ｗ相コイル）のそれぞれの第１端子は、中性点において接続されており、それぞれの第２端子は、ブリッジ回路における各相に対応する所定の端子に接続されている。そのため、Ｕ相断線時においては、コントロール側から見ると、Ｕ相についてはいずれかの位置において断線していたとしても、Ｕ相に接続されたプリチャージ＝プルアップ抵抗に流れる電流が現れるため、プリチャージ電圧が検出される。一方、Ｖ相とＷ相については、Ｕ相側において、プリチャージ＝プルアップ抵抗に対して断線しており、Ｕ相接続のプルアップ抵抗の電流が、モータコイルを通しコントロール側のＶ相端子、Ｗ相端子に現れないため、Ｖ相とＷ相の端子電圧は中間電位となる。

〈Ｖ相の断線が生じた場合〉
図７は、Ｖ相に断線が生じている場合における波形図である。
Ｖ相が断線している場合、時刻ｔ３においてプリチャージが開始され、時刻ｔ４においてプリチャージが停止された時点において、Ｖ相におけるプリチャージ電圧が発生せず、中間電位となる。Ｕ相とＷ相とが断線せず正常である場合には、Ｕ相とＷ相においてプリチャージ電圧が発生する。そのため、モータ端子監視部１５によって検出された電圧に基づいて、第１ＣＰＵ１６は、プリチャージを停止した時点において、プリチャージに応じた電圧規定値まで電圧が到達していない相（ここでは、Ｖ相のみ）がある場合に、その相（ここではＶ相）において断線が発生していると判定し、第２ＣＰＵ１８に対し、ＣＰＵパワー電源起動信号を出力しない。

〈Ｗ相の断線が生じた場合〉
図８は、Ｗ相に断線が生じている場合における波形図である。
Ｗ相が断線している場合、時刻ｔ３においてプリチャージが開始され、時刻ｔ４においてプリチャージが停止された時点において、Ｖ相におけるプリチャージ電圧が発生せず、中間電位となる。Ｕ相とＶ相とが断線せず正常である場合には、Ｕ相とＶ相においてプリチャージ電圧が発生する。そのため、モータ端子監視部１５によって検出された電圧に基づいて、第１ＣＰＵ１６は、プリチャージを停止した時点において、プリチャージに応じた電圧規定値まで電圧が到達していない相（ここでは、Ｗ相のみ）がある場合に、その相（ここではＷ相）において断線が発生していると判定し、第２ＣＰＵ１８に対し、ＣＰＵパワー電源起動信号を出力しない。

このように、三相ブリッジ回路２０の上段ＦＥＴまたは下段ＦＥＴの故障や、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の少なくともいずれかの相における断線が発生している場合には、フェールセーフでパワー電源供給回路１９を駆動させないようにしたので、三相ブリッジ回路２０に電源を投入しないようにすることができ、一方で正常な場合には突入電流を低減することができ、汎用的で安全性を向上したモータードライバーを提供することができる。また、故障検知をした際に、モータ４０に電流が流れないようにすることができるため、発熱の防止や、ヒューズが溶断してしまうことを防止することができる。

上述した実施形態によれば、平滑用コンデンサ３０が満充電になるまでプリチャージを行うのではなく、平滑用コンデンサ３０の電圧が一定程度（例えば半分程度）まで充電された後に、第１スイッチ１９１と第２スイッチ１９２とをオンにするようにした。これにより、平滑用コンデンサ３０が満充電になるまで待つことなく、第２スイッチ１９２とをオンにすることができるため、モータ４０を駆動するまでの時間が長引いてしまうことなく、短縮することができる。
また、第１スイッチ１９１と第２スイッチ１９２とをオンにすることで、平滑用コンデンサ３０の電圧が上がるが、平滑用コンデンサ３０にある程度充電してから第１スイッチ１９１と第２スイッチ１９２とをオンにすることで、突入電流が生じにくい状態にしたあとで、第１スイッチ１９１と第２スイッチ１９２とをオンにすることができ、突入電流が生じることを低減しつつ、電圧を上げることができる。

また、ここでは、プリチャージの途中で第１スイッチ１９１と第２スイッチ１９２とをオンにしたとしても、立ち上がり緩和回路１９６のコンデンサ１９８によってオンの立ち上がりを緩和することができるので、突入電流を低減することができる。
これにより、突入電流を低減することができるため、ヒューズが切断されることを防止することができ、また、バッテリーＢＡＴに対しても過剰の負荷がかからないようにすることができる。また、プリチャージによる満充電を待たずに、途中でパワーオンしても良いため、起動時間が長引いてしまうことを防止し、また、起動時間を調整し易いメリットがある。

また、上述した実施形態によれば、半導体スイッチと立ち上がり緩和回路とを用いることで、小型であり、バッテリー過電流保護検出に掛からず、正常時ヒューズ溶断もし難くすることができる。

また、上述した実施形態によれば、電源スイッチとしてリレーの代わりに半導体スイッチを用いるようにした。これにより、電源スイッチとしてリレーを用いた場合であって、モータに過負荷が生じた場合、バッテリーＢＡＴから大電流が流れると、バッテリーＢＡＴの内部抵抗も影響してバッテリー電圧が低下することに伴い、リレー駆動電圧も低下することで、リレーがオフになり、その後、リレーがオフになることでモータに供給される電流が遮断され、バッテリー電圧が復帰すると、再度リレーがオンになる、というチャタリングは生じない。すなわち、モータの過負荷が生じてバッテリー電圧が低下したとしても、半導体スイッチを継続的にオンすることができ、チャタリングが発生することを防止することができる。また、バッテリー電圧が低下しても電源オンを保持し、モータ過負荷付近まで通電能力が延ばすことができる。

《他の実施形態》
上述の実施形態においては、バッテリーＢＡＴが２４Ｖ用である場合について説明したが、１２Ｖ用のバッテリーを用いるようにしてもよい。この場合、第１スイッチ１９１と第２スイッチ１９２は、バッテリーＢＡＴが２４Ｖである場合に比べて、小さな耐圧のＦＥＴを用いることができる。
また、従来のようにリレーを用いた電源装置において、異なる電圧のバッテリーに換えようとすると、この電圧に応じたリレーに換える必要があり、そうすると、リレーの感動電圧、復帰電圧等のコイル仕様も変わるため、機器側の調整が生じてしまう。
これに対し、本実施形態によれば、リレーではなく半導体スイッチを用いているため、感動電圧や復帰電圧等の仕様に基づく仕様変更が不要になるため、電圧が異なるバッテリーを用いる場合であっても、機器側の調整が容易である。

以上、この発明の実施形態について図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計等も含まれる。

１…モータ駆動システム、１０…電源装置、１１…イグニッションスイッチ部、１２…制御系電源回路、１３…プリチャージ回路、１４…チャージポンプ電源起動回路、１５…モータ端子監視部、１６…第１ＣＰＵ、１７…チャージポンプ回路、１８…第２ＣＰＵ、１９…パワー電源供給回路、２０…三相ブリッジ回路、３０…平滑用コンデンサ、３０ａ…電解コンデンサ、３０ｂ…電解コンデンサ、３０ｃ…電解コンデンサ、３０ｄ…電解コンデンサ、４０…モータ、４０ｕ…Ｕ相巻線、４０ｖ…Ｖ相巻線、４０ｗ…Ｗ相巻線、４０Ｗ…Ｗ相巻線、１９０…パワー電源供給部、１９１…第１スイッチ、１９２…第２スイッチ、１９３…ゲート信号入力端子、１９４…抵抗、１９５…逆接続防止用ダイオード、１９６…緩和回路、１９７…抵抗、１９８…コンデンサ

Claims (2)

1. ブラシレスモーターに接続されるブリッジ回路と、
   前記ブラシレスモーターに電力を供給するバッテリーと、
   前記バッテリーから前記ブリッジ回路に供給される電流を平滑化する平滑用コンデンサと
   に接続され、前記ブラシレスモーターに電力を供給する電源回路であって、
   前記バッテリーと前記ブリッジ回路との間に設けられる半導体スイッチと、
   前記バッテリーから平滑用コンデンサに対するプリチャージ中の電圧が基準電圧値に到達すると、前記プリチャージを終了させ、前記バッテリーから前記ブリッジ回路に対して電圧を供給するように半導体スイッチを切り替えるパワー電源供給部と、
   前記パワー電源供給部によって前記半導体スイッチに供給される電圧の立ち上がりを緩和する立ち上がり緩和回路と、
   前記ブラシレスモーターの各相の端子電圧を検出する端子電圧監視部と、
   前記検出された端子電圧と、前記平滑用コンデンサにプリチャージされる電圧との関係に基づいて、故障が生じているか否かを判定する判定部と、を有し、
   パワー電源供給部は、前記故障が生じていると判定された場合に、前記ブリッジ回路に対する電圧の供給を行わない
   ことを特徴とする電源回路。
2. ブラシレスモーターに接続されるブリッジ回路と、
   前記ブラシレスモーターに電力を供給するバッテリーと、
   前記バッテリーから前記ブリッジ回路に供給される電流を平滑化する平滑用コンデンサとに接続され、前記ブラシレスモーターに電力を供給する電源装置における電源供給方法であって、
   前記バッテリーと前記ブリッジ回路との間に半導体スイッチを設け、
   前記バッテリーから平滑用コンデンサに対するプリチャージ中の電圧が基準電圧値に到達すると、前記プリチャージを終了させ、バッテリーから前記ブリッジ回路に対して電圧を供給するように半導体スイッチを切り替え、
   立ち上がり緩和回路によって前記半導体スイッチに供給される電圧の立ち上がりを緩和し、
   前記ブラシレスモーターの各相の端子電圧を検出し、
   前記検出された端子電圧と、前記平滑用コンデンサにプリチャージされる電圧との関係に基づいて、故障が生じているか否かを判定し、
   前記故障が生じていると判定された場合に、前記ブリッジ回路に対する電圧の供給を行わない
   電源供給方法。

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