JPWO2018180237A1 - 電力変換装置、モータ駆動ユニットおよび電動パワーステアリング装置 - Google Patents

電力変換装置、モータ駆動ユニットおよび電動パワーステアリング装置 Download PDF

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Abstract

電力変換装置は、第１インバータと、第２インバータと、第１スイッチ素子および第２スイッチ素子を有する切替回路と、を備え、第１インバータにおいて、ハイサイド側の第１ノードと、ローサイド側の第２ノードとの電位を等しくし、かつ、ｎ（ｎは２以上の整数）相の巻線のうちの二相の巻線の一端の電位を等しくした状態で、切替回路における第１および第２スイッチ素子を所定のデューティ比でスイッチングしながら、第２インバータのｎ個のレグのうちの、二相の巻線の他端に接続される２個のレグを用いて二相の巻線を通電する。

Description

本開示は、電動モータに供給する電力を変換する電力変換装置、モータ駆動ユニット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。）、電力変換装置およびＥＣＵ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つの電力変換装置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する。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、巻線が故障したときの異常時の制御のさらなる向上が求められていた。巻線に故障が生じた場合、故障したインバータにおける巻線の中性点を用いて、故障していない二相の巻線を通電することを考える。その場合、中性点がフローティングであるために、モータを駆動することは困難である。
本開示の実施形態は、二相の巻線を通電することによってモータを駆動す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駆動ユニット、および、当該モータ駆動ユニット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２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含むｎ個のレグを有する第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含むｎ個のレグを有する第２インバータと、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、および、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２スイッチ素子を有する切替回路と、を備え、前記第１インバータにおいて、前記ｎ個のレグを接続するハイサイド側の第１ノードと、前記ｎ個のレグを接続するローサイド側の第２ノードとの電位を等しくし、かつ、前記ｎ相の巻線のうちの二相の巻線の一端の電位を等しくした状態で、前記切替回路における前記第１および第２スイッチ素子を所定のデューティ比でスイッチングしながら、前記第２インバータの前記ｎ個のレグのうちの、前記二相の巻線の他端に接続される２個のレグを用いて前記二相の巻線を通電する。
本開示の例示的な実施形態によると、故障したインバータにおけるノードの電位が等しい状態で、二相の巻線を通電することによってモータを駆動す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駆動ユニット、および、当該モータ駆動ユニット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による電力変換装置１００の回路構成を模式的に示す回路図である。 図２は、例示的な実施形態１による電力変換装置１００の他の回路構成を模式的に示す回路図である。 図３は、電力変換装置１００を備えるモータ駆動ユニット４００の典型的なブロック構成を模式的に示すブロック図である。 図４は、三相通電制御に従って電力変換装置１００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５は、第１インバータ１２０のハイサイドスイッチ素子が故障した場合の、第１インバータ１２０および切替回路１１０の中の各スイッチ素子のオン・オフ状態を例示する図である。 図６Ａは、モータ２００の巻線に故障が生じた場合の、第１インバータ１２０および切替回路１１０の中の各スイッチ素子のオン・オフ状態を例示する図である。 図６Ｂは、モータ２００の巻線に故障が生じた場合の、第１インバータ１２０および切替回路１１０の中の各スイッチ素子のオン・オフ状態を例示する図である。 図６Ｃは、モータ２００の巻線に故障が生じた場合の、第１インバータ１２０および切替回路１１０の中の各スイッチ素子のオン・オフ状態を例示する図である。 図７は、二相通電制御に従って電力変換装置１００を制御したときにモータ２００のＵ相、Ｖ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を例示するグラフである。 図８は、巻線Ｍ１が断線した場合、二相通電制御に従って電力変換装置１００を制御したときにモータ２００のＶ相、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を例示するグラフである。 図９は、巻線Ｍ２が断線した場合、二相通電制御に従って電力変換装置１００を制御したときにモータ２００のＵ相、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を例示するグラフである。 図１０Ａは、第１インバータ１２０が故障し、かつ、モータ２００の巻線に故障が生じた場合の、第１インバータ１２０における各スイッチ素子のオン・オフ状態を例示する図である。 図１０Ｂは、第１インバータ１２０が故障し、かつ、モータ２００の巻線に故障が生じた場合の、第１インバータ１２０における各スイッチ素子のオン・オフ状態を例示する図である。 図１０Ｃは、第１インバータ１２０が故障し、かつ、モータ２００の巻線に故障が生じた場合の、第１インバータ１２０における各スイッチ素子のオン・オフ状態を例示する図である。 図１０Ｄは、第１インバータ１２０が故障し、かつ、モータ２００の巻線に故障が生じた場合の、第１インバータ１２０における各スイッチ素子のオン・オフ状態を例示する図である。 図１０Ｅは、第１インバータ１２０が故障し、かつ、モータ２００の巻線に故障が生じた場合の、第１インバータ１２０における各スイッチ素子のオン・オフ状態を例示する図である。 図１１は、実施形態１のバリエーションによる電力変換装置１００Ａの回路構成を模式的に示す回路図である。 図１２は、例示的な実施形態２による電力変換装置１００Ｂの回路構成を模式的に示す回路図である。 図１３は、例示的な実施形態２のバリエーションによる電力変換装置１００Ｃの回路構成を模式的に示す回路図である。 図１４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２０００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、モータ駆動ユニット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）

図１は、本実施形態による電力変換装置１００の回路構成を模式的に示す。
電力変換装置１００は、切替回路１１０、第１インバータ１２０および第２インバータ１３０を備える。電力変換装置１００は、電源１０１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および第２インバータ１２０、１３０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１２０と第２インバータ１３０とに接続される。具体的に説明すると、第１インバータ１２０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１３０は各相の巻線の他端に接続される。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１２０は、各相に対応した端子Ｕ＿Ｌ、Ｖ＿ＬおよびＷ＿Ｌを有する。第２インバータ１３０は、各相に対応した端子Ｕ＿Ｒ、Ｖ＿ＲおよびＷ＿Ｒを有する。第１インバータ１２０の端子Ｕ＿Ｌは、Ｕ相の巻線Ｍ１の一端に接続され、端子Ｖ＿Ｌは、Ｖ相の巻線Ｍ２の一端に接続され、端子Ｗ＿Ｌは、Ｗ相の巻線Ｍ３の一端に接続される。第１インバータ１２０と同様に、第２インバータ１３０の端子Ｕ＿Ｒは、Ｕ相の巻線Ｍ１の他端に接続され、端子Ｖ＿Ｒは、Ｖ相の巻線Ｍ２の他端に接続され、端子Ｗ＿Ｒは、Ｗ相の巻線Ｍ３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。
切替回路１１０は、第１から第４スイッチ素子１１１、１１２、１１３および１１４を有する。電力変換装置１００において、第１および第２インバータ１２０、１３０は、切替回路１１０によって電源１０１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１１１は、第１インバータ１２０とＧＮＤとの接続・非接続を切替える。第２スイッチ素子１１２は、電源１０１と第１インバータ１２０との接続・非接続を切替える。第３スイッチ素子１１３は、第２インバータ１３０とＧＮＤとの接続・非接続を切替える。第４スイッチ素子１１４は、電源１０１と第２インバータ１３０との接続・非接続を切替える。

第１から第４スイッチ素子１１１、１１２、１１３および１１４のオン・オフは、例えばマイクロコントローラまたは専用ドライバによって制御され得る。第１から第４スイッチ素子１１１、１１２、１１３および１１４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１１１、１１２、１１３および１１４として、例えば、サイリスタ、アナログスイッチＩＣ、または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）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。ダイオードおよび絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）などの組み合わせを用いても構わない。本明細書の図面には、第１から第４スイッチ素子１１１、１１２、１１３および１１４として、ＭＯＳＦＥＴを用いる例を例示する。以降、第１から第４スイッチ素子１１１、１１２、１１３および１１４を、ＳＷ１１１、１１２、１１３および１１４とそれぞれ表記する場合がある。
ＳＷ１１１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１２０に向けて流れるよう配置される。ＳＷ１１２は、寄生ダイオードに順方向電流が電源１０１に向けて流れるよう配置される。ＳＷ１１３は、寄生ダイオードに順方向電流が第２インバータ１３０に向けて流れるよう配置される。ＳＷ１１４は、寄生ダイオードに順方向電流が電源１０１に向けて流れるよう配置される。
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。
図２は、本実施形態による電力変換装置１００の他の回路構成を模式的に示す。
切替回路１１０は、逆接続保護用の第５および第６スイッチ素子１１５、１１６をさらに有していてもよい。第５および第６スイッチ素子１１５、１１６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１１５は、ＳＷ１１２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１２０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１１６は、ＳＷ１１４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１３０に向けて順方向電流が流れるよう配置される。電源１０１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。
再び図１を参照する。
電源１０１は所定の電源電圧（例えば、１２Ｖ）を生成する。電源１０１として、例えば直流電源が用いられる。ただし、電源１０１は、ＡＣ−ＤＣコンバータおよびＤＣ−ＤＣコンバータであってもよいし、バッテリー（蓄電池）であっても良い。
電源１０１は、第１および第２インバータ１２０、１３０に共通の単一電源であってもよいし、図２に示すように、第１インバータ１２０用の第１電源１０１Ａおよび第２インバータ１３０用の第２電源１０１Ｂを備えていてもよい。
電源１０１と切替回路１１０との間にコイル１０２が設けられている。コイル１０２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１０１側に流出させないように平滑化する。また、各インバータの電源端子には、コンデンサ１０３が接続される。コンデンサ１０３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１０３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インバータ１２０（「ブリッジ回路Ｌ」と表記する場合がある。）は、３個のレグを有するブリッジ回路を備える。各レグは、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。Ｕ相用レグは、ローサイドスイッチ素子１２１Ｌおよびハイサイドスイッチ素子１２１Ｈを有する。Ｖ相用レグは、ローサイドスイッチ素子１２２Ｌおよびハイサイドスイッチ素子１２２Ｈを有する。Ｗ相用レグは、ローサイドスイッチ素子１２３Ｌおよびハイサイドスイッチ素子１２３Ｈを有する。スイッチ素子として、例えばＦＥＴまたはＩＧＢＴ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１２１Ｌ、１２２Ｌおよび１２３Ｌは、ＳＷ１２１Ｌ、１２２Ｌおよび１２３Ｌと表記される。
第１インバータ１２０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（図３を参照）として、３個のシャント抵抗１２１Ｒ、１２２Ｒおよび１２３Ｒを備える。電流センサ１５０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。例えば、シャント抵抗１２１Ｒ、１２２Ｒおよび１２３Ｒは、第１インバータ１２０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。具体的には、シャント抵抗１２１ＲはＳＷ１２１ＬとＳＷ１１１との間に電気的に接続され、シャント抵抗１２２ＲはＳＷ１２２ＬとＳＷ１１１との間に電気的に接続され、シャント抵抗１２３ＲはＳＷ１２３ＬとＳＷ１１１との間に電気的に接続される。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１３０（「ブリッジ回路Ｒ」と表記する場合がある。）は、第１インバータ１２０と同様に、３個のレグを有するブリッジ回路を備える。Ｕ相用レグは、ローサイドスイッチ素子１３１Ｌおよびハイサイドスイッチ素子１３１Ｈを有する。Ｖ相用レグは、ローサイドスイッチ素子１３２Ｌおよびハイサイドスイッチ素子１３２Ｈを有する。Ｗ相用レグは、ローサイドスイッチ素子１３３Ｌおよびハイサイドスイッチ素子１３３Ｈを有する。また、第２インバータ１３０は、３個のシャント抵抗１３１Ｒ、１３２Ｒおよび１３３Ｒ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。第１および第２インバータ１２０、１３０の各ＳＷは、例えばマイクロコントローラまたは専用ドライバによって制御され得る。
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。
上述したように、第２インバータ１３０は、第１インバータ１２０の構造と実質的に同じ構造を備える。本明細書において、第１および第２インバータ１２０、１３０は、電力変換装置１００の構成要素として区別なく用いられ得る。
図３は、電力変換装置１００を備えるモータ駆動ユニット４００の典型的なブロック構成を模式的に示す。
モータ駆動ユニット４００は、電力変換装置１００、モータ２００および制御回路３００を備える。
モータ駆動ユニット４００は、モジュール化され、例えば、モータ、センサ、ドライバおよびコントローラを有するモータモジュールとして製造および販売され得る。本明細書では、構成要素としてモータ２００を備えるシステムを例に、モータ駆動ユニット４００を説明する。ただし、モータ駆動ユニット４００は、構成要素としてモータ２００を備えない、モータ２００を駆動するためのシステムであってもよい。
制御回路３００は、例えば、電源回路３１０と、角度センサ３２０と、入力回路３３０と、マイクロコントローラ３４０と、駆動回路３５０と、ＲＯＭ３６０とを備える。制御回路３００は、電力変換装置１００に接続され、電力変換装置１００を制御することによりモータ２００を駆動する。
具体的には、制御回路３００は、目的とするロータの位置、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。なお、制御回路３００は、角度センサ３２０に代えてトルクセンサを備えてもよい。この場合、制御回路３００は、目的とするモータトルクを制御することができる。
電源回路３１０は、回路内の各ブロックに必要なＤＣ電圧（例えば３Ｖ、５Ｖ）を生成する。角度センサ３２０は、例えばレゾルバまたはホールＩＣである。または、角度センサ３２０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も実現される。角度センサ３２０は、モータ２００のロータの回転角（以下、「回転信号」と表記する。）を検出し、回転信号をマイクロコントローラ３４０に出力する。
入力回路３３０は、電流センサ１５０によって検出されたモータ電流値（以下、「実電流値」と表記する。）を受け取って、実電流値のレベルをマイクロコントローラ３４０の入力レベルに必要に応じて変換し、実電流値をマイクロコントローラ３４０に出力する。入力回路３３０は、例えばアナログデジタル変換回路である。
マイクロコントローラ３４０は、電力変換装置１００の第１および第２インバータ１２０、１３０における各ＳＷのスイッチング動作（ターンオンまたはターンオフ）を制御する。マイクロコントローラ３４０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信号を生成し、それを駆動回路３５０に出力する。また、マイクロコントローラ３４０は、電力変換装置１００の切替回路１１０における各ＳＷのオン・オフを制御することができる。
駆動回路３５０は、典型的にはゲートドライバである。駆動回路３５０は、第１および第２インバータ１２０、１３０における各ＳＷのＭＯＳＦＥＴ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。また、駆動回路３５０は、切替回路１１０における各ＳＷのオン・オフを制御する制御信号を、マイクロコントローラ３４０からの指示に従って生成することができる。マイクロコントローラ３４０に駆動回路３５０の機能が実装されていてもよい。その場合、例えば、マイクロコントローラ３４０は、専用のポートを介して、切替回路１１０のＳＷのオン・オフおよび各インバータのＳＷのスイッチング動作を直接制御することが可能である。
ＲＯＭ３６０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。ＲＯＭ３６０は、マイクロコントローラ３４０に電力変換装置１００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。
電力変換装置１００には正常時および異常時の制御がある。制御回路３００（主としてマイクロコントローラ３４０）は、電力変換装置１００の制御を正常時の制御から異常時の制御に切替えることができる。モータ２００の巻線および各インバータ内のＳＷの故障パターンに従って、切替回路１１０における各ＳＷのオン・オフ状態が決定される。また、故障したインバータにおける各ＳＷのオン・オフ状態も決定される。
（１．正常時の制御）

先ず、電力変換装置１００の正常時の制御方法の具体例を説明する。正常とは、第１および第２インバータ１２０、１３０の各ＳＷは故障しておらず、かつ、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状態を指す。
正常時において、制御回路３００は、切替回路１１０のＳＷ１１１、１１２、１１３および１１４を全てオンする。これにより、電源１０１と第１インバータ１２０とが電気的に接続され、かつ、電源１０１と第２インバータ１３０とが電気的に接続される。また、第１インバータ１２０とＧＮＤとが電気的に接続され、かつ、第２インバータ１３０とＧＮＤとが電気的に接続される。この接続状態において、制御回路３００は、第１および第２インバータ１２０、１３０の両方を用いて三相の巻線Ｍ１、Ｍ２およびＭ３を通電することによりモータ２００を駆動する。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」と呼び、二相の巻線を通電することを「二相通電制御」と呼ぶ場合がある。
図４は、三相通電制御に従って電力変換装置１００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。横軸は、モータ電気角（ｄｅｇ）を示し、縦軸は電流値（Ａ）を示す。図４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４の正弦波において電気角毎に、各インバータの端子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１２０（ブリッジ回路Ｌ）の端子Ｕ＿Ｌ、Ｖ＿ＬおよびＷ＿Ｌに流れる、電気角３０°毎の電流値、および、第２インバータ１３０（ブリッジ回路Ｒ）の端子Ｕ＿Ｒ、Ｖ＿ＲおよびＷ＿Ｒに流れる、電気角３０°毎の電流値を示す。ここで、ブリッジ回路Ｌに対しては、ブリッジ回路Ｌの端子からブリッジ回路Ｒの端子に流れる電流方向を正の方向と定義する。図４に示される電流の向きはこの定義に従う。また、ブリッジ回路Ｒに対しては、ブリッジ回路Ｒの端子からブリッジ回路Ｌの端子に流れる電流方向を正の方向と定義する。従って、ブリッジ回路Ｌの電流とブリッジ回路Ｒ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 2018180237

電気角０°において、Ｕ相の巻線Ｍ１には電流は流れない。Ｖ相の巻線Ｍ２にはブリッジ回路Ｒからブリッジ回路Ｌに大きさＩ１の電流が流れ、Ｗ相の巻線Ｍ３にはブリッジ回路Ｌからブリッジ回路Ｒに大きさＩ１の電流が流れる。
電気角３０°において、Ｕ相の巻線Ｍ１にはブリッジ回路Ｌからブリッジ回路Ｒに大きさＩ２の電流が流れ、Ｖ相の巻線Ｍ２にはブリッジ回路Ｒからブリッジ回路Ｌに大きさＩｐｋの電流が流れ、Ｗ相の巻線Ｍ３にはブリッジ回路Ｌからブリッジ回路Ｒに大きさＩ２の電流が流れる。
電気角６０°において、Ｕ相の巻線Ｍ１にはブリッジ回路Ｌからブリッジ回路Ｒに大きさＩ１の電流が流れ、Ｖ相の巻線Ｍ２にはブリッジ回路Ｒからブリッジ回路Ｌに大きさＩ１の電流が流れる。Ｗ相の巻線Ｍ３には電流は流れない。
電気角９０°において、Ｕ相の巻線Ｍ１にはブリッジ回路Ｌからブリッジ回路Ｒに大きさＩｐｋの電流が流れ、Ｖ相の巻線Ｍ２にはブリッジ回路Ｒからブリッジ回路Ｌに大きさＩ２の電流が流れ、Ｗ相の巻線Ｍ３にはブリッジ回路Ｒからブリッジ回路Ｌに大きさＩ２の電流が流れる。
電気角１２０°において、Ｕ相の巻線Ｍ１にはブリッジ回路Ｌからブリッジ回路Ｒに大きさＩ１の電流が流れ、Ｗ相の巻線Ｍ３にはブリッジ回路Ｒからブリッジ回路Ｌに大きさＩ１の電流が流れる。Ｖ相の巻線Ｍ２には電流は流れない。
電気角１５０°において、Ｕ相の巻線Ｍ１にはブリッジ回路Ｌからブリッジ回路Ｒに大きさＩ２の電流が流れ、Ｖ相の巻線Ｍ２にはブリッジ回路Ｌからブリッジ回路Ｒに大きさＩ２の電流が流れ、Ｗ相の巻線Ｍ３にはブリッジ回路Ｒからブリッジ回路Ｌに大きさＩｐｋの電流が流れる。
電気角１８０°において、Ｕ相の巻線Ｍ１には電流は流れない。Ｖ相の巻線Ｍ２にはブリッジ回路Ｌからブリッジ回路Ｒに大きさＩ１の電流が流れ、Ｗ相の巻線Ｍ３にはブリッジ回路Ｒからブリッジ回路Ｌに大きさＩ１の電流が流れる。
電気角２１０°において、Ｕ相の巻線Ｍ１にはブリッジ回路Ｒからブリッジ回路Ｌに大きさＩ２の電流が流れ、Ｖ相の巻線Ｍ２にはブリッジ回路Ｌからブリッジ回路Ｒに大きさＩｐｋの電流が流れ、Ｗ相の巻線Ｍ３にはブリッジ回路Ｒからブリッジ回路Ｌに大きさＩ２の電流が流れる。
電気角２４０°において、Ｕ相の巻線Ｍ１にはブリッジ回路Ｒからブリッジ回路Ｌに大きさＩ１の電流が流れ、Ｖ相の巻線Ｍ２にはブリッジ回路Ｌからブリッジ回路Ｒに大きさＩ１の電流が流れる。Ｗ相の巻線Ｍ３には電流は流れない。
電気角２７０°において、Ｕ相の巻線Ｍ１にはブリッジ回路Ｒからブリッジ回路Ｌに大きさＩｐｋの電流が流れ、Ｖ相の巻線Ｍ２にはブリッジ回路Ｌからブリッジ回路Ｒに大きさＩ２の電流が流れ、Ｗ相の巻線Ｍ３にはブリッジ回路Ｌからブリッジ回路Ｒに大きさＩ２の電流が流れる。
電気角３００°において、Ｕ相の巻線Ｍ１にはブリッジ回路Ｒからブリッジ回路Ｌに大きさＩ１の電流が流れ、Ｗ相の巻線Ｍ３にはブリッジ回路Ｌからブリッジ回路Ｒに大きさＩ１の電流が流れる。Ｖ相の巻線Ｍ２には電流は流れない。
電気角３３０°において、Ｕ相の巻線Ｍ１にはブリッジ回路Ｒからブリッジ回路Ｌに大きさＩ２の電流が流れ、Ｖ相の巻線Ｍ２にはブリッジ回路Ｒからブリッジ回路Ｌに大きさＩ２の電流が流れ、Ｗ相の巻線Ｍ３にはブリッジ回路Ｌからブリッジ回路Ｒに大きさＩｐｋの電流が流れる。
図４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１００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、制御回路３００は、図４に示される電流波形が得られるＰＷＭ制御によって第１および第２インバータ１２０、１３０の各スイッチ素子のスイッチング動作を制御する。
（２．異常時の制御）

異常とは、主として、（１）各インバータのスイッチ素子の故障、および、（２）モータ２００の巻線の故障を意味する。（１）各インバータのスイッチ素子の故障には、大きく分けて「オープン故障」と「ショート故障」とがある。「オープン故障」は、ＦＥＴのソース−ドレイン間が開放する故障（換言すると、ソース−ドレイン間の抵抗ｒｄｓがハイインピーダンスになること）を指し、「ショート故障」は、ＦＥＴのソース−ドレイン間が短絡する故障を指す。また、（２）モータ２００の巻線の故障は、例えば、巻線の断線を意味する。
再び図１を参照する。
電力変換装置１００の動作時において、通常は、１６個のＳＷの中から１つのＳＷがランダムに故障するランダム故障が発生すると考えられる。本開示は、主としてランダム故障が発生した場合における電力変換装置１００の制御方法を対象としている。ただし、本開示は、複数のＳＷが連鎖的に故障した場合などの電力変換装置１００の制御方法も対象とする。連鎖的な故障とは、例えば１つのレグの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に同時に発生する故障を意味する。
電力変換装置１００を長期間使用すると、ランダム故障が起こる可能性がある。さらに、巻線が断線する可能性がある。これらのランダム故障および巻線の断線は、製造時に発生し得る製造故障とは異なる。２つのインバータの複数のスイッチ素子のうちの１つでも故障すると、正常時の三相通電制御は不可能となる。また、三相の巻線Ｍ１、Ｍ２およびＭ３のうちの１つでも断線すると、正常時の三相通電制御は不可能となる。
故障検知の一例として、駆動回路３５０は、スイッチ素子（ＭＯＳＦＥＴ）のドレイン−ソース間の電圧Ｖｄｓを監視し、所定の閾値電圧とＶｄｓとを比較することによって、スイッチ素子の故障を検知する。閾値電圧は、例えば外部ＩＣ（不図示）とのデータ通信および外付け部品によって駆動回路３５０に設定される。駆動回路３５０は、マイクロコントローラ３４０のポートと接続され、故障検知信号をマイクロコントローラ３４０に通知する。例えば、駆動回路３５０は、スイッチ素子の故障を検知すると、故障検知信号をアサートする。マイクロコントローラ３４０は、アサートされた故障検知信号を受信すると、駆動回路３５０の内部データを読み出して、複数のスイッチ素子の中でどのスイッチ素子が故障しているのかを判別する。
故障検知の他の一例として、マイクロコントローラ３４０は、モータ２００の実電流値と目標電流値との差に基づいてスイッチ素子の故障を検知することも可能である。さらに、マイクロコントローラ３４０は、例えば、モータ２００の実電流値と目標電流値との差に基づいて、モータ２００の巻線が断線したかどうかを検知することも可能である。ただし、故障検知は、これらの手法に限られず、故障検知に関する公知の手法を広く用いることができる。
マイクロコントローラ３４０は、故障検知信号がアサートされると、電力変換装置１００の制御を正常時の制御から異常時の制御に切替える。例えば、正常時から異常時に制御を切替えるタイミングは、故障検知信号がアサートされてから１０ｍｓｅｃ〜３０ｍｓｅｃ程度である。
（２−１．インバータのスイッチ素子の故障）

以下、第１インバータ１２０が故障した場合のモータ制御方法を例示する。
本明細書では、第１インバータ１２０においてスイッチ素子に故障が生じた場合の異常時の制御を例示する。第２インバータ１３０においてスイッチ素子に故障が生じた場合も、当然に、以下で説明する手法をその異常時の制御に適用することができる。以下、各インバータにおいてスイッチ素子が故障することを、「インバータが故障する」と表記する場合がある。
図５は、第１インバータ１２０のハイサイドスイッチ素子が故障した場合の、第１インバータ１２０および切替回路１１０の中の各スイッチ素子のオン・オフ状態を例示する。
例えば、第１インバータ１２０のＳＷ１２１Ｈがオープン故障したとする。その場合、制御回路３００は、第１インバータ１２０におけるＳＷ１２１Ｈ以外のハイサイドスイッチ素子１２２Ｈ、１２３Ｈをオフし、かつ、３個のローサイドスイッチ素子１２１Ｌ、１２２Ｌおよび１２３Ｌをオンする。これにより、例えば特許文献１と同様に、３個のレグを接続するローサイド側のノードＮ１＿Ｌを中性点として機能させることができる。例えば、制御回路３００は、切替回路１１０の中のＳＷ１１３、１１４をオンにして、ＳＷ１１１、１１２をオフする。これにより、第１インバータ１２０は、電源１０１およびＧＮＤから電気的に分離される。
例えば、制御回路３００は、第１インバータ１２０の中性点を利用して、図３に示される電流波形が得られるＰＷＭ制御で第２インバータ１３０の各スイッチ素子のスイッチング動作を制御することによって、巻線Ｍ１、Ｍ２およびＭ３を通電することができる。例えば、正常時の制御と同様に、三相通電制御を行うことにより、モータトルクを維持しつつモータ駆動を継続させることができる。
第１インバータ１２０のローサイドスイッチ素子、例えばＳＷ１２１Ｌがオープン故障した場合（不図示）、制御回路３００は、例えば、第１インバータ１２０におけるＳＷ１２１Ｌ以外のローサイドスイッチ素子１２２Ｌ、１２３Ｌをオフし、かつ、３個のハイサイドスイッチ素子１２１Ｈ、１２２Ｈおよび１２３Ｈをオンする。これにより、３個のレグを接続するハイサイド側のノードＮ１＿Ｈを中性点として機能させることができる。制御回路３００は、第１インバータ１２０の中性点を利用して、図３に示される電流波形が得られるＰＷＭ制御で第２インバータ１３０の各スイッチ素子のスイッチング動作を制御することによって、巻線Ｍ１、Ｍ２およびＭ３を通電することができる。
（２−２．モータ２００の巻線の故障）

以下、モータ２００の巻線Ｍ１、Ｍ２およびＭ３のうちの１つが故障した場合のモータ制御方法を例示する。
図６Ａから図６Ｃは、モータ２００の巻線に故障が生じた場合の、第１インバータ１２０および切替回路１１０の中の各スイッチ素子のオン・オフ状態を例示する。
例えば、モータ２００の巻線Ｍ３が断線したとする。その場合、制御回路３００は、モータ制御を三相通電制御から二相通電制御に切替えることができる。二相通電制御では、第１インバータ１２０において、ハイサイド側の第１ノードＮ１＿Ｈと、ローサイド側の第２ノードＮ１＿Ｌとの電位が等しくなり、かつ、巻線Ｍ１、Ｍ２およびＭ３のうちの二相の巻線Ｍ１、Ｍ２の一端の電位が等しくなるように第１インバータ１２０の各スイッチ素子のオン・オフ状態が決定される。
第１インバータ１２０において、３個のレグのうちの少なくとも１個のレグに含まれる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の両方をオン状態にする。例えば、図６Ａに示されるように、Ｕ相用レグのＳＷ１２１Ｈ、１２１Ｌをオンすることにより、第１ノードＮ１＿Ｈと、第２ノードＮ１＿Ｌとの電位を等しくすることができる。
さらに、制御回路３００は、故障していない二相の巻線Ｍ１、Ｍ２の一端に接続される２個のレグのうちの一方に含まれるハイサイドスイッチ素子をオン状態とし、他方のレグに含まれる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の少なくとも１つをオン状態とする。例えば、図６Ａに示されるように、制御回路３００は、二相の巻線Ｍ１、Ｍ２の一端に接続される２個のレグのうちのＶ相用レグのＳＷ１２２Ｌをオンにして、Ｕ相用レグのＳＷ１２１Ｈ、１２１Ｌをオンする。これにより、巻線Ｍ１、Ｍ２の一端の電位、すなわち、Ｕ相用レグと巻線Ｍ１の一端とを接続するノードＮ１＿１およびＶ相用レグと巻線Ｍ２の一端とを接続するノードＮ１＿２の電位を等しくすることができる。ＳＷ１２２Ｌ、１２３Ｈおよび１２３Ｌのオン・オフ状態は問われない。
制御回路３００は、故障していない二相の巻線Ｍ１、Ｍ２の一端に接続される２個のレグのうちの一方に含まれるローサイドスイッチ素子をオン状態とし、他方のレグに含まれる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の少なくとも１つをオン状態としてもよい。例えば、図６Ｂに示されるように、制御回路３００は、二相の巻線Ｍ１、Ｍ２の一端に接続される２個のレグのうちのＶ相用レグのＳＷ１２２Ｌをオンにして、Ｕ相用レグのＳＷ１２１Ｈ、１２１Ｌをオンすることができる。ＳＷ１２２Ｈ、１２３Ｈおよび１２３Ｌのオン・オフ状態は問われない。
他の一例として、図６Ｃに示されるように、制御回路３００は、Ｗ相用レグのＳＷ１２３Ｈ、１２３Ｌをオンにし、Ｕ相用レグのＳＷ１２１Ｈをオンにし、Ｖ相用レグのＳＷ１２２Ｌをオンすることができる。または、制御回路３００は、Ｕ相用レグのＳＷ１２１Ｌをオンにし、Ｖ相用レグのＳＷ１２２Ｈをオンにしてもよい。これにより、第１インバータ１２０における、第１ノードＮ１＿Ｈと、第２ノードＮ１＿Ｌとの電位を等しくすることができ、かつ、ノードＮ１＿１およびノードＮ１＿２の電位を等しくすることができる。
上述した例において、第１インバータ１２０の中のノードＮ１＿Ｈ、Ｎ１＿Ｌ、Ｎ１＿１およびＮ１＿２の電位は全て等しくなる。制御回路３００は、この状態において、さらに、切替回路１１０における第１および第２スイッチ素子１１１、１１２の両方をスイッチングする。
制御回路３００は、第１および第２スイッチ素子１１１、１１２を所定のデューティ比でスイッチングしながら、第２インバータ１３０の３個のレグのうちの、二相の巻線Ｍ１、Ｍ２の他端に接続される２個のレグを用いて二相の巻線Ｍ１、Ｍ２を通電することが可能である。例えば、制御回路３００は、所定のデューティ比でＳＷ１１１およびＳＷ１１２をスイッチングする。デューティ比は、例えば５０％である。
ＳＷ１１１およびＳＷ１１２のスイッチングのオン・オフは逆になる。ＳＷ１１１がオンのとき、ＳＷ１１２はオフである。ＳＷ１１１がオフのとき、ＳＷ１１２はオンである。ＳＷ１１１およびＳＷ１１２は同時にオンにはならない。ＳＷ１１１およびＳＷ１１２のスイッチング周期は、第２インバータ１３０の各レグに含まれるスイッチ素子のスイッチング周期と同じである。ＳＷ１１１およびＳＷ１１２は、第１インバータ１２０の中のノード電位が等しくなることから、第２インバータ１３０の４番目のレグとして機能する。
電源１０１の電圧は、例えば１２Ｖである。例えば、５０％のデューティ比でＳＷ１１１およびＳＷ１１２をスイッチングすることにより、第１インバータ１２０の中のノードＮ１＿Ｈ、Ｎ１＿Ｌ、Ｎ１＿１およびＮ１＿２の電位を６Ｖ程度にすることができる。デューティ比、具体的には、スイッチング周期におけるオンタイムの時間を調整することにより、第１インバータ１２０の中のノード電位を任意に設定することができる。オンタイム時間が長いほど、第１インバータ１２０の中のノード電位は電源電圧に近づく。
Ｕ相のＨブリッジに着目すると、第１インバータ１２０のノードＮ１＿１の電位に対する、第２インバータ１３０のノードＮ２＿１の電位の大小関係によって、巻線Ｍ１に流れる電流の大きさおよび向きが制御される。Ｖ相のＨブリッジに着目すると、第１インバータ１２０のノードＮ１＿２の電位に対する、第２インバータ１３０のノードＮ２＿２の電位の大小関係によって、巻線Ｍ２に流れる電流の大きさおよび向きが制御される。
図７は、二相通電制御に従って電力変換装置１００を制御したときにモータ２００のＵ相、Ｖ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を例示する。横軸は、モータ電気角（ｄｅｇ）を示し、縦軸は電流値（Ａ）を示す。図７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。図７に示される電流の向きは上述した定義に従う。
表２は、図７の電流波形において電気角毎に、各インバータの端子に流れる電流値を示す。表２に示されるＵ相、Ｖ相の巻線Ｍ１、Ｍ２に流れる電気角毎の電流値は、表１に示される三相通電制御における電気角毎の電流値と同じである。Ｗ相の巻線Ｍ３は通電されないので、表２に示される巻線Ｍ３に流れる電気角毎の電流値は、ゼロである。
Figure 2018180237
参考として、Ｖ相の巻線Ｍ２が断線した場合の二相通電制御で得られる電流波形、およびＷ相の巻線Ｍ３が断線した場合の二相通電制御で得られる電流波形を例示する。図８は、巻線Ｍ１が断線した場合、二相通電制御に従って電力変換装置１００を制御したときにモータ２００のＶ相、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を例示する。図９は、巻線Ｍ２が断線した場合、二相通電制御に従って電力変換装置１００を制御したときにモータ２００のＵ相、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を例示する。
例えば、制御回路３００は、５０％のデューティ比でＳＷ１１１およびＳＷ１１２をスイッチングしながら、図７に示される電流波形が得られるＰＷＭ制御によって第２インバータ１３０のＳＷ１３１Ｈ、１３１Ｌ、１３２Ｈおよび１３２Ｌのスイッチング動作を制御する。これの制御により、巻線Ｍ１、Ｍ２を通電することが可能となる。本開示の二相通電制御によると、モータトルクは低下するもののモータ駆動を継続させることができる。
（２−３．インバータの故障およびモータ２００の巻線の故障）

以下、第１インバータ１２０が故障し、かつ、モータ２００の巻線Ｍ１、Ｍ２およびＭ３のうちの１つが故障した場合のモータ制御方法を例示する。
図１０Ａから図１０Ｅは、第１インバータ１２０が故障し、かつ、モータ２００の巻線に故障が生じた場合の、第１インバータ１２０における各スイッチ素子のオン・オフ状態を例示する。
第１インバータ１２０における１個のローサイドスイッチ素子が故障し、かつ、モータ２００の三相の巻線のうちの一相が故障したとする。図１０Ａには、ＳＷ１２２Ｌがオープン故障し、かつ、巻線Ｍ３が断線した場合の、第１インバータ１２０における各スイッチ素子のオン・オフ状態を例示する。上述したとおり、制御回路３００は、第１インバータ１２０におけるノード電位が等しくなるように各スイッチ素子のオン・オフ状態を決定する。
制御回路３００は、Ｕ相用レグのＳＷ１２１Ｈ、１２１Ｌをオンする。これにより、第１インバータ１２０におけるノードＮ１＿Ｈ、Ｎ１＿Ｌの電位は等しくなる。制御回路３００は、さらに、ＳＷ１２２Ｈをオンする。これにより、第１インバータ１２０におけるノードＮ１＿１およびＮ１＿２の電位は等しくなり、その結果、ノードＮ１＿Ｈ、Ｎ１＿Ｌ、Ｎ１＿１およびＮ１＿２の全ての電位が等しくなる。例えば、制御回路３００は、５０％のデューティ比で切替回路１１０のＳＷ１１１およびＳＷ１１２をスイッチングしながら、第２インバータ１３０のＵ相、Ｖ相用レグの４個のＳＷ１３１Ｈ、１３２Ｈ、１３１Ｌおよび１３２Ｌのスイッチング動作を制御する。この制御により、巻線Ｍ１、Ｍ２を通電することができる。
例えば、ＳＷ１２２Ｌがショート故障し、かつ、巻線Ｍ３が断線した場合を考える。この場合、ＳＷ１２２Ｌは常時オン状態であるので、制御回路３００は、Ｕ相用レグのＳＷ１２２Ｈをオンすることにより、第１インバータ１２０におけるノードＮ１＿Ｈ、Ｎ１＿Ｌの電位を等しくすることが可能となる。このように、ショート故障したスイッチ素子はオン状態にすべきスイッチ素子として扱うことができる。

第１インバータ１２０における１個のハイサイドスイッチ素子が故障し、かつ、モータ２００の三相の巻線のうちの一相が故障したとする。図１０Ｂには、ＳＷ１２２Ｈがオープン故障し、かつ、巻線Ｍ３が断線した場合の、第１インバータ１２０における各スイッチ素子のオン・オフ状態を例示する。
制御回路３００は、Ｕ相用レグのＳＷ１２１Ｈ、１２１Ｌをオンする。制御回路３００は、さらに、ＳＷ１２２Ｌをオン状態にする。これにより、ノードＮ１＿Ｈ、Ｎ１＿Ｌ、Ｎ１＿１およびＮ１＿２の全ての電位が等しくなる。例えば、制御回路３００は、５０％のデューティ比で切替回路１１０のＳＷ１１１およびＳＷ１１２をスイッチングしながら、第２インバータ１４０のＵ相、Ｖ相用レグの４個のＳＷ１３１Ｈ、１３２Ｈ、１３１Ｌおよび１３２Ｌのスイッチング動作を制御する。
第１インバータ１２０における１個のローサイドスイッチ素子が故障し、かつ、故障したそのスイッチ素子と同じ相の巻線が故障したとする。図１０Ｃには、ＳＷ１２３Ｌがオープン故障し、かつ、巻線Ｍ３が断線した場合の、第１インバータ１２０における各スイッチ素子のオン・オフ状態を例示する。
図１０Ｃに示される例では、Ｗ相の巻線Ｍ３に接続されるＨブリッジに含まれるＳＷ１２３Ｌが故障しているので、制御手法として、巻線Ｍ３が断線した場合の二相通電制御と同じ制御手法を適用することができる。
第１インバータ１２０における２個のローサイドスイッチ素子が故障し、かつ、モータ２００の三相の巻線のうちの一相が故障したとする。図１０Ｄには、ＳＷ１２１Ｌ、１２２Ｌがオープン故障し、かつ、巻線Ｍ３が断線した場合の、第１インバータ１２０における各スイッチ素子のオン・オフ状態を例示する。

制御回路３００は、Ｗ相用レグのＳＷ１２３Ｈ、１２３をオンする。制御回路３００は、さらに、ＳＷ１２１Ｈ、１２２Ｈをオンする。これにより、ノードＮ１＿Ｈ、Ｎ１＿Ｌ、Ｎ１＿１およびＮ１＿２の全ての電位が等しくなる。
第１インバータ１２０における１個のローサイドスイッチ素子および１個のハイサイドスイッチ素子が故障し、かつ、モータ２００の三相の巻線のうちの一相が故障したとする。図１０Ｅには、第１インバータ１２０のＳＷ１２１Ｌ、１２２Ｈがオープン故障し、かつ、巻線Ｍ３が断線した場合の、第１インバータ１２０における各スイッチ素子のオン・オフ状態を例示する。
制御回路３００は、Ｗ相用レグのＳＷ１２３Ｈ、１２３をオンする。制御回路３００は、さらに、例えばＳＷ１２１Ｈ、１２２Ｌをオンする。これにより、ノードＮ１＿Ｈ、Ｎ１＿Ｌ、Ｎ１＿１およびＮ１＿２の全ての電位が等しくなる。
本実施形態によると、三相の巻線のうちの一相が故障した場合、二相通電制御を行うことが可能となり、モータ駆動を継続させることができる。さらに、第１および第２インバータ１２０、１３０の一方の中のスイッチ素子が故障した場合でも、二相通電制御を行うことが可能となり、モータ駆動を継続させることができる。
図１１は、本実施形態のバリエーションによる電力変換装置１００Ａの回路構成を模式的に示す。
電力変換装置１００Ａは、第１および第２スイッチ素子１１１、１１２を有する切替回路１１０を備える。第２インバータ１３０は、切替回路１１０を介さずに電源１０１およびＧＮＤに接続される。このバリエーションによると、例えば、第１インバータ１２０が故障した場合、つまり、切替回路１１０が設けられたインバータが故障した場合、上述した制御手法に従って二相通電制御を行うことによりモータ駆動を継続させることができる。
（実施形態２）

本開示の電力変換装置によると、二相の巻線およびそれらに接続されるインバータの２個のレグを用いることにより二相の巻線を通電することができる。換言すると、インバータが二相用の２個のレグを備えていれば、正常時の制御において二相通電制御が可能となる。
図１２は、本実施形態による電力変換装置１００Ｂの回路構成を模式的に示す。
電力変換装置１００Ｂは、切替回路１１０、第１インバータ１２０および第２インバータ１３０を備える。電力変換装置１００Ｂは、第１インバータ１２０および第２インバータ１３０の各々が、Ｕ相、Ｖ相用の２個のレグを備える点で、実施形態１による電力変換装置１００とは異なる。以下、電力変換装置１００との差異点を中心に説明する。
第１インバータ１２０は、ＳＷ１２１Ｈ、１２１Ｌを含むＵ相用レグおよびＳＷ１２２Ｈ、１２２Ｌを含むＶ相用レグを有する。第２インバータ１３０は、ＳＷ１３１Ｈ、１３１Ｌを含むＵ相用レグおよびＳＷ１３２Ｈ、１３２Ｌを含むＶ相用レグを有する。電力変換装置１００Ｂは、例えば二相交流モータに接続され、正常時および異常時の制御において、実施形態１で説明した二相通電制御を行うことができる。
例えば、電力変換装置１００Ｂの制御回路３００は、正常時の制御において、第１インバータ１２０におけるＵ相用レグのＳＷ１２１Ｈ、１２１Ｌをオンし、かつ、Ｖ相用レグのＳＷ１２２Ｈおよび１２２Ｌの少なくとも１つをオンする。これにより、第１インバータ１２０におけるノードＮ１＿Ｈ、Ｎ１＿Ｌの電位は等しくなり、かつ、ノードＮ１＿１、Ｎ１＿２の電位は等しくなる。例えば、制御回路３００は、５０％のデューティ比で切替回路のＳＷ１１１およびＳＷ１１２をスイッチングしながら、第２インバータ１３０の２個のレグを用いて巻線Ｍ１、Ｍ２を通電することが可能である。
例えば、第１インバータ１２０のＳＷ１２１Ｌが故障したとする。その場合、制御回路３００は、第１インバータ１２０におけるＶ相用レグのＳＷ１２２Ｈ、１２２Ｌをオンし、かつ、Ｕ相用レグのＳＷ１２１Ｈをオンする。これにより、第１インバータ１２０におけるノードＮ１＿Ｈ、Ｎ１＿Ｌの電位は等しくなり、かつ、ノードＮ１＿１、Ｎ１＿２の電位は等しくなる。
図１３は、本実施形態のバリエーションによる電力変換装置１００Ｃの回路構成を模式的に示す。
図１１に示される回路構成と同様に、切替回路１１０は、第１および第２スイッチ素子１１１、１１２を有し、第３および第４スイッチ素子１１３、１１４を有していなくてもよい。
（実施形態３）

図１４は、本実施形態による電動パワーステアリング装置２０００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２０００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２０００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によるマイクロコントローラ３４０および駆動回路３５０などを有する。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２０００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によるモータ駆動ユニット４００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。
１００：電力変換装置、１０１：電源、１０２：コイル、１０３：コンデンサ、１１０：切替回路、１１１：第１スイッチ素子、１１２：第２スイッチ素子、１１３：第３スイッチ素子、１１４：第４スイッチ素子、１１５：第５スイッチ素子、１１６：第６スイッチ素子、１２０：第１インバータ、１２１Ｈ、１２２Ｈ、１２３Ｈ：ハイサイドスイッチ素子、１２１Ｌ、１２２Ｌ、１２３Ｌ：ローサイドスイッチ素子、１２１Ｒ、１２２Ｒ、１２３Ｒ：シャント抵抗、１３０：第２インバータ、１３１Ｈ、１３２Ｈ、１３３Ｈ：ハイサイドスイッチ素子、１３１Ｌ、１３２Ｌ、１３３Ｌ：ローサイドスイッチ素子、１３１Ｒ、１３２Ｒ、１３３Ｒ：シャント抵抗、１５０：電流センサ、２００：モータ、３００：制御回路、３１０：電源回路、３２０：角度センサ、３３０：入力回路、３４０：マイクロコントローラ、３５０：駆動回路、３６０：ＲＯＭ、４００：モータ駆動ユニット、２０００：電動パワーステアリング装置

Claims (11)

  1. 電源からの電力を、ｎ相（ｎは２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含むｎ個のレグを有する第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含むｎ個のレグを有する第２インバータと、

    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、および、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２スイッチ素子を有する切替回路と、

    を備え、

    前記第１インバータにおいて、前記ｎ個のレグを接続するハイサイド側の第１ノードと、前記ｎ個のレグを接続するローサイド側の第２ノードとの電位を等しくし、かつ、前記ｎ相の巻線のうちの二相の巻線の一端の電位を等しくした状態で、前記切替回路における前記第１および第２スイッチ素子を所定のデューティ比でスイッチングしながら、前記第２インバータの前記ｎ個のレグのうちの、前記二相の巻線の他端に接続される２個のレグを用いて前記二相の巻線を通電する、電力変換装置。
  2. 前記切替回路は、さらに、前記第２インバータとグランドとの接続・非接続を切替える第３スイッチ素子、および、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スイッチ素子を有する、請求項１に記載の電力変換装置。
  3. ｎは３以上の整数であり、

    前記ｎ相の巻線のうちのｎ−２相の巻線が故障した場合、

    前記第１インバータにおいて、前記ハイサイド側の第１ノードと、前記ローサイド側の第２ノードとの電位を等しくし、かつ、前記ｎ相の巻線のうちの故障していない二相の巻線の一端の電位を等しくした状態で、前記第１および第２スイッチ素子を前記所定のデューティ比でスイッチングしながら、前記第２インバータの前記ｎ個のレグのうちの、前記二相の巻線の他端に接続される２個のレグを用いて前記二相の巻線を通電する、請求項１または２に記載の電力変換装置。
  4. 前記ｎ相の巻線のうちのｎ−２相の巻線が故障し、かつ、前記第１インバータが故障したスイッチ素子を含む場合、

    前記第１インバータにおいて、前記ハイサイド側の第１ノードと、前記ローサイド側の第２ノードとの電位を等しくし、かつ、前記ｎ相の巻線のうちの故障していない二相の巻線の一端の電位を等しくした状態で、前記第１および第２スイッチ素子を前記所定のデューティ比でスイッチングしながら、前記第２インバータの前記ｎ個のレグのうちの、前記二相の巻線の他端に接続される２個のレグを用いて前記二相の巻線を通電する、請求項１または２に記載の電力変換装置。
  5. 前記故障していない二相の巻線が通電されるとき、

    前記第１インバータにおいて、前記ｎ個のレグのうちの少なくとも１個のレグに含まれる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の両方がオン状態である、請求項３または４に記載の電力変換装置。
  6. 前記故障していない二相の巻線の一端に接続される２個のレグのうちの一方に含まれるハイサイドスイッチ素子がオン状態であり、他方のレグに含まれる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の少なくとも１つがオン状態である、請求項５に記載の電力変換装置。
  7. 前記故障していない二相の巻線の一端に接続される２個のレグのうちの一方に含まれるローサイドスイッチ素子がオン状態であり、他方のレグに含まれる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の少なくとも１つがオン状態である、請求項５に記載の電力変換装置。
  8. 前記デューティ比は５０％である、請求項１から７のいずれかに記載の電力変換装置。
  9. 前記電源は、前記第１インバータ用の第１電源および前記第２インバータ用の第２電源を含む、請求項１から８のいずれかに記載の電力変換装置。
  10. 前記モータと、

    請求項１から９のいずれかに記載の電力変換装置と、

    前記電力変換装置を制御する制御回路と、

    を備えるモータ駆動ユニット。
  11. 請求項１０に記載のモータ駆動ユニットを備える電動パワーステアリング装置。
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