KR20140133596A - 인버터 장치 및 파워 스티어링 장치 - Google Patents

인버터 장치 및 파워 스티어링 장치 Download PDF

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신 구마가이
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미노루 아와즈
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가부시끼가이샤 도시바
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Abstract

실시 형태의 인버터 장치는, 직류 전원(4)과 인버터 회로(1) 사이를 전기적으로 개폐하도록, 2개의 N 채널형 반도체 스위칭 소자(6a, 6b)를 역방향으로 직렬 접속하여 구성되는 스위치 회로(5)를 구비하며, 상기 인버터 회로(1)의 스위칭을 제어하는 제어 신호를 출력하고, 동작 조건이 성립하면, 상기 제어 신호의 출력을 정지하여 상기 인버터 회로(5)를 구성하는 스위칭 소자(6a, 6b)를 모두 오프시키고, 또한 상기 스위치 회로(5)를 오프하는 보호 동작을 행하는 제어 회로(35)를 구비하고, 상기 보호 동작에 있어서, 상기 제어 신호의 출력을 정지한 후에 상기 스위치 회로(5)를 오프하는 것이다.

Description

인버터 장치 및 파워 스티어링 장치{INVERTER DEVICE AND POWER STEERING DEVICE}
본 발명의 실시 형태는, 직류 전원과 인버터 회로 사이를 전기적으로 개폐하도록, 2개의 N 채널형 반도체 스위칭 소자를 역방향으로 직렬 접속하여 구성되는 스위치 회로를 구비하는 인버터 장치 및 상기 인버터 장치를 구비하는 파워 스티어링 장치에 관한 것이다.
전동 파워 스티어링 장치는, 드라이버의 조작에 의해 핸들을 통하여 부여되는 조타 입력 토크를 조타 토크 센서에 의해 검지하고, 조타 토크 센서의 출력 신호에 기초하여 제어 장치가 모터의 출력 크기와 방향을 결정한다. 그리고, 인버터 회로를 통하여 모터를 구동하고, 그 모터의 동력을 스티어링계에 전달하여 조타 토크의 경감을 도모하는 것이다.
종래의 전동 파워 스티어링 장치에서는, 전원인 배터리와 인버터 회로 사이에 릴레이를 사용하여 구성한 개폐기가 삽입되어 있다. 제어 장치는 과전류 상태나 PWM 제어의 이상을 검출하면, 개폐기를 개방하여 인버터 회로, 모터에의 급전(給電)을 차단하여, 모터로부터 원하지 않는 보조 조타력이 발생하는 것을 방지하고 있다. 그러나, 릴레이를 사용하여 구성한 개폐기는, 조타 보조 토크를 발생시키기 위해서 수10A 내지 100A 정도의 대전류를 모터에 공급할 필요가 있다. 이러한 대전류를 개폐할 수 있는 릴레이는 대형이기 때문에, 전동 파워 스티어링 장치가 대형으로 된다. 따라서, 릴레이 대신에 FET 등의 반도체 스위칭 소자를 사용한 스위치 회로를 사용하는 것이 고려되고 있다.
일본 특허 공개 제2004-168124호 공보 일본 특허 공개 평10-167085호 공보
이 경우에 상정되는 구성의 일례를 도 11에 도시한다. 인버터 회로(1)는 6개의 파워 MOSFET(N 채널)(2)(U 내지 W, X 내지 Z)를 3상 브릿지 접속하여 구성되어 있고, 각 상 출력 단자에는 모터(3)의 각 상 권선(도시 생략)이 접속되어 있다. 모터(3)는 예를 들면 브러시리스 DC 모터이다. 차량의 배터리(4)의 플러스측 단자는, 스위치 회로(5)를 통하여 인버터 회로(1)의 플러스측 직류 모선에 접속되어 있고, 마이너스측 단자(바디 어스)는 마이너스측 직류 모선에 접속되어 있다.
스위치 회로(5)는, 2개의 N 채널 MOSFET(6a, 6b)를, 서로의 소스를 공통으로 접속하여 구성되어 있다. N 채널 MOSFET(6a)의 드레인은, 배터리(4)의 플러스측 단자에 접속되어 있고, N 채널 MOSFET(6b)의 드레인이 인버터 회로(1)의 플러스측 직류 모선에 접속되어 있다. 양쪽 게이트는 공통으로 접속되고, 소스와의 사이에는 저항 소자(7)가 접속되어 있다.
스위치 회로(5)를 구동하는 구동 회로(8)는, 인버터 회로(1)를 제어하는 IC인 MCU(Micro Control Unit; 마이크로컴퓨터) 등의 주변 회로로서 구성되어 있다. 구동 회로(8)의 전원은 배터리(4)로부터 다이오드(15)를 통하여 직접 공급되고 있고, 회로 접지는 인버터 회로(1)의 마이너스측 직류 모선에 접속되어 있다. 그리고, 스위치 회로(5)를 구동하기 위한 구동용 전원을 생성하는 전원 생성 회로(9)의 출력 단자와 접지 사이에는, 2개의 N 채널 MOSFET(10 및 11)의 직렬 회로가 접속되어 있다. 이들 FET(10 및 11)의 게이트에는, 상기 MCU로부터 출력되는 구동 신호가 하프 브릿지(H/B) 구동 회로(12)를 통하여 개별로 출력된다. 또한, N 채널 MOSFET(10 및 11)에는, 보호용 다이오드(13 및 14)가 각각 병렬로 접속되어 있다.
MOSFET(10 및 11)의 공통 접속점(소스 및 드레인)은, 스위치 회로(5)를 구성하는 N 채널 MOSFET(6a, 6b)의 게이트에 접속되어 있다. H/B 구동 회로(12)는, MCU로부터의 구동 신호에 따라서 스위치 회로(5)를 온하는 경우에는, N 채널 MOSFET(10)는 온, N 채널 MOSFET(11)를 오프하여 N 채널 MOSFET(6a, 6b)의 게이트 전위를 하이 레벨로 한다. 또한, 스위치 회로(5)를 오프하는 경우에는, N 채널 MOSFET(10)를 오프, N 채널 MOSFET(11)를 온하여 N 채널 MOSFET(6a, 6b)의 게이트 전위를 로우 레벨로 한다.
이상과 같이, 차량에 탑재되어 배터리(4)로부터 전원 공급을 받는 장치에 대해서는, 인버터 회로(1)를 구성하는 파워 MOSFET(2)가 단락 고장나면, 배터리(4)로부터 과대한 전류가 인버터 회로(1)측에 유입되려고 한다. 그 상태를 피하기 위해서는, N 채널 MOSFET(6a 및 6b)를 신속하게 오프하여 전류를 차단할 필요가 있다. 이때, N 채널 MOSFET(6a 및 6b)를 오프하기 이전에 흐르고 있는 전류가 크면, N 채널 MOSFET(6)의 드레인-소스간 전압 Vds 및 드레인 전류 Id의 변화가 급격해져, 이들이 MOSFET의 안전 동작 영역을 벗어나 버릴 가능성이 있다.
예를 들면 도 12는, 차량 탑재용 전자 기기에 사용되고 있는 MOSFET의 안전 동작 영역을 실선으로 나타냄과 함께, N 채널 MOSFET(6a 및 6b)의 오프 타이밍이, 인버터 회로(1)의 정지 타이밍보다도 빠른 경우의 전압ㆍ전류 특성(흰 도트가 6a, 검은 도트가 6b)을 나타내고 있다. 도 12에 도시한 바와 같이, 일부에서 안전 동작 영역을 벗어나는 동작으로 되는 경우가 있어, N 채널 MOSFET(6a 및 6b)가 파괴될 우려도 있다.
따라서, 인버터 회로에 단락 전류가 흐른 경우에도, MOSFET로 구성되는 스위치 회로를 안전하게 오프할 수 있는 인버터 장치 및 파워 스티어링 장치를 제공한다.
실시 형태의 인버터 장치에 의하면, 직류 전원과 인버터 회로 사이에 접속되는 스위치 회로를, 2개의 N 채널형 반도체 스위칭 소자를 역방향으로 직렬 접속하여 구성하고, 제어 회로는 인버터 회로의 스위칭을 제어하는 제어 신호를 출력하고, 동작 조건이 성립하면 제어 신호의 출력을 정지하여 인버터 회로를 구성하는 스위칭 소자를 모두 오프시키고, 또한 스위치 회로를 오프하는 보호 동작을 행한다. 그리고, 그 보호 동작에 있어서는, 인버터 회로에 대한 제어 신호의 출력을 정지한 후에 스위치 회로를 오프한다.
또한, 실시 형태에 의하면, 파워 스티어링 장치는, 차량의 스티어링의 조타력을 보조하는 보조 조타력을 발생시키는 모터와, 이 모터를 제어하는 청구항 1 내지 5 중 어느 하나에 기재된 인버터 장치를 구비한다.
실시 형태의 인버터 장치에 의하면, N 채널형 반도체 스위칭 소자의 도통 단자간 전압 및 상기 단자간을 흐르는 전류의 변화를 완만하게 하여, 이들이 당해 스위칭 소자의 안전 동작 영역을 벗어나는 것을 방지할 수 있다.
도 1은 제1 실시 형태이며, 스위치 구동 회로의 내부 구성을 도시하는 도면.
도 2는 모터 구동 제어부의 내부 구성을 도시하는 기능 블록도.
도 3은 MCU가 보호 동작을 행하는 경우의 각 신호 파형을 도시하는 타이밍 차트.
도 4는 MOSFET의 안전 동작 영역을 도시하는 도면.
도 5는 파워 스티어링 장치 전체의 구성을 도시하는 도면.
도 6은 제2 실시 형태를 도시하는 도 1에 상당하는 도면.
도 7은 도 3에 상당하는 도면.
도 8은 제3 실시 형태를 도시하는 도 1에 상당하는 도면.
도 9는 도 3에 상당하는 도면.
도 10은 제4 실시 형태를 도시하는 도 8에 상당하는 도면.
도 11은 종래 기술을 도시하는 도 1에 상당하는 도면.
도 12는 도 4에 상당하는 도면.
(제1 실시 형태)
이하, 제1 실시 형태에 대하여 도 1 내지 도 5를 참조하여 설명한다. 또한, 도 11과 동일 부분에는 동일 부호를 붙여 설명을 생략하고, 이하 상이한 부분에 대하여 설명한다. 도 5는 파워 스티어링 장치(100) 전체의 구성을 도시한다. 스티어링 샤프트(22)는, 그 일단부가 차 실내에 배치되어 있는 조타 핸들(21)에 고정되어 있다. 스티어링 샤프트(22)의 회전력은, 랙 피니언 기구(23)에 의해, 랙축의 양단부에 연결 기구(24)를 통하여 설치된 차륜(25)의 방향을 바꾸는 힘으로서 전달된다. 스티어링 샤프트(22)에는, 회전력을 보조하기 위한 3상의 브러시리스 DC 모터(3)가 배치되어 있고, 모터(3)와 샤프트(22)는 감속 기구(26)를 통하여 연결되어 있다.
배터리(4)의 전원 전압은 배선(27a, 27b)을 경유하여 모터 구동 제어부(28)에 공급된다. 모터 구동 제어부(28)는, 모터(3)의 근방에 인접 또는 밀착하여 배치되어 있고, 모터(3)에 대한 통전을 PWM 제어한다. 모터 구동 제어부(28)에는, 제어 전원용으로서 배터리 전압이 배선(27)을 통하여 공급됨과 함께, 스티어링 샤프트(22)에 가해지는 토크를 검출하는 토크 센서(29)의 신호선(30)이나, 모터(3)의 회전 위치를 검출하는 리졸버(resolver)(31)의 신호선(32)이 접속되어 있다.
도 2는 모터 구동 제어부(28)의 내부 구성을 도시하는 기능 블록도이다. 배터리(4)의 마이너스측 단자(기준 전위점)와 인버터 회로(1)의 마이너스측 직류 모선 사이에는, 전류 검출기(33)(예를 들면 저항 소자, 전류 검출 수단)가 접속되어 있고, 전류 검출기(33)에 의해 얻어지는 전류 신호는 A/D 변환 회로(34)에 입력되고 있다. 또한, 전류 검출 회로(33)에는, 전류에 의해 발생하는 자계를 검출함으로써 전류를 검출하는 전류 프로브를 사용해도 된다. A/D 변환 회로(34)는, 입력된 전류 신호를 A/D 변환한 데이터를 MCU(35)(제어 회로)에 출력한다.
입력 I/F(인터페이스) 회로(36)에는, 토크 센서(29)로부터의 조타 각도 신호와, 리졸버(31)로부터의 조타각 신호가 공급되고 있으며, 입력 I/F 회로(36)는 각 입력 신호에 따른 전압 신호를 MCU(35)에 입력한다. MCU(35)는 마이크로컴퓨터 등으로 구성되어 있고, 각 입력 신호에 따라서 인버터 회로(1)를 구성하는 각 FET(2)를 제어하기 위한 3상 PWM 신호(스위칭 제어 신호)를 생성하여 브릿지용 게이트 구동 회로(37)에 출력한다. 또한, MCU(35)는 스위치 구동 회로(38)를 통하여 스위치 회로(5)에 구동 신호(온 오프 제어 신호)를 출력한다. 그리고, 이들 각 회로에는, 도시하지 않은 차량의 이그니션 스위치가 온되면, 배터리(4)로부터의 전원이 공급된다.
스위치 회로(5)를 구성하는 N 채널 MOSFET(6b)의 게이트에는, 저항 소자(39)가 삽입되어 있다. 또한, 스위치 구동 회로(38)와 N 채널 MOSFET(6a 및 6b)의 게이트 사이에는, 온 오프 시간 조정 회로(40)(저항값 전환 수단)가 접속되어 있다. 온 오프 시간 조정 회로(40)는, 순방향의 다이오드(41) 및 저항 소자(42)의 직렬 회로와, 이 직렬 회로와 병렬로 접속되어 있는 저항 소자(43)로 구성되어 있다. 이에 의해, 스위치 회로(5)를 온하는 경우의 신호 경로는, 다이오드(41)가 온됨으로써 저항 소자(42 및 43)가 병렬로 되어 저항값이 낮아진다. 한편, 스위치 회로(5)를 오프하는 경우의 신호 경로는 저항 소자(43)를 통한 경로만으로 되어, 저항값이 높아진다.
MCU(35)는, 전원이 공급되면 우선 스위치 회로(5)에 차단 지령(OFF) 신호를 출력하고, 자신의 초기화 처리가 종료되면 스위치 회로(5)에 폐로(ON) 신호를 출력한다. 이에 의해 인버터 회로(1)에 배터리(4)의 전력이 공급된다. MCU(35)는, 조타 토크 신호, 조타 회전 속도를 도입하여, 모터(3)로부터 조타 보조력(토크)을 공급할 필요가 있는지 여부를 판단한다. 그리고, 조타 보조력을 공급할 필요가 있으면, MCU(35)는 조타 토크, 조타 회전 속도에 기초하여 모터(3)의 회전 방향과 모터(3)로부터 공급하는 조타 보조력을 구하고, 그들에 기초하여 PWM 신호를 생성하여 출력한다.
브릿지용 게이트 구동 회로(37)는, 인버터 회로(1)를 구성하는 상부 아암측의 FET(2U 내지 2W)를 도통 상태로 제어하기 위한 게이트 공급 전압을 발생하는 승압 회로와, 복수의 레벨 시프트 회로를 구비한다(모두 도시 생략). 게이트 구동 회로(37)는, MCU(35)로부터 출력되는 PWM 신호에 기초하여 각 FET(2)의 게이트에 게이트 전압 신호를 공급한다. MCU(35)는, 전류 검출기(33)에 의해 검출한 전류값 신호에 기초하여 인버터 회로(1)를 흐르는 전류를 감시하고 있다. 그리고, 인버터 회로(1)를 흐르는 전류가 미리 설정한 허용 전류를 초과함으로써 동작 조건이 성립하면, MCU(35)는 모터(3)의 구동을 정지함과 함께, 스위치 회로(5)에의 통전을 차단함으로써 인버터 회로(1)에의 급전을 차단하는 보호 동작을 행한다.
도 1은 스위치 구동 회로(38)의 내부 구성을 도시하는 도 11에 상당하는 도면이다. 도 11에 도시한 구동 회로(8)에서는, 그 회로 접지는 인버터 회로(1)의 마이너스측 직류 모선에 직접 접속되어 있었다. 이에 반해, 본 실시 형태의 스위치 구동 회로(38)에서는, 양자의 사이에 순방향의 다이오드(44)(전류 저지용 다이오드)가 삽입되어 있다. 이에 의해, 배터리(4)가 역극성으로 접속된 경우라도, 스위치 구동 회로(38)를 통하여 전류가 흐른 결과, 온된 FET(6b)와, FEWT(6a)의 기생 다이오드를 통하여 스위치 회로(5)에 과전류가 흐르는 것이 방지된다.
다음에, 본 실시 형태의 작용에 대하여 도 3 및 도 4도 참조하여 설명한다. 도 3은 MCU(35)가 상술한 보호 동작을 행하는 경우의 각 신호 파형을 도시하는 타이밍차트이다. 도 3의 (a)는 MCU(35)가 내부에서 사용하는 보호 신호이며, 과전류를 검출한 경우에 하이 레벨로 된다. 그렇게 하면, MCU(35)는 PMW 신호의 출력을 정지함과 함께(도 3의 (b), (c) 참조), 구동 신호를 로우 레벨로 하여 전력 차단 신호를 게이트 구동 회로(38)에 출력한다(도 3의 (d) 참조).
상기의 전력 차단 신호는, 온 오프 시간 조정 회로(40)를 통하여 스위치 회로(5)를 구성하는 N 채널 MOSFET(6a 및 6b)의 게이트에 출력된다. 이때, 상기 게이트는 하이 레벨로 되어 있어 게이트 용량이 충전되어 있는 상태로부터, 스위치 구동 회로(38)의 출력 단자 방향으로 충전 전하가 방전되어 로우 레벨로 이행하여, 스위치 회로(5)를 오프시킨다. 이 경우는, 상술한 바와 같이 저항 소자(43)를 통한 신호 경로로 되기 때문에, 온 시의 신호 경로에 비해 저항값이 높아져, 스위치 회로(5)의 오프 타이밍은 지연된다. 또한, N 채널 MOSFET(6b)는, 게이트에 저항 소자(39)가 삽입되어 있음으로써, 그 오프 타이밍은 N 채널 MOSFET(6a)의 오프 타이밍보다도 더욱 지연된다.
따라서, 도 3의 (c), (e), (f)에 도시한 바와 같이, 인버터 회로(1)를 구성하는 파워 MOSFET(2U 내지 2Z)가 모두 오프되는 시점 A로부터, N 채널 MOSFET(6a)의 게이트 전위가 임계값 전압을 하회하여 오프되는 시점 B는 보다 후의 타이밍으로 된다. 또한, N 채널 MOSFET(6b)의 게이트 전위가 임계값 전압을 하회하여 오프되는 시점 C는, 시점 B보다 후의 타이밍으로 된다. 도 4는 도 12에 상당하는 도면이며, MOSFET(6a, 6b)의 어느 것에 대해서도 안전 동작 영역 내에서 동작하는 것이 도시되어 있다.
이상과 같이 본 실시 형태에 의하면, 2개의 N 채널 MOSFET(6a, 6b)(N 채널형 반도체 스위칭 소자)를 역방향으로 직렬 접속하여 구성되는 스위치 회로(5)를, 배터리(4)와 인버터 회로(1) 사이에 배치한다. 그리고, 스위치 구동 회로(38)는, 기준 전위점을 인버터 회로(1)와 공통으로 하여 스위치 회로(5)에 온 오프 제어 신호를 출력함으로써, 스위치 회로(5)를 개폐시킨다.
MCU(35)는, 인버터 회로(1)의 스위칭을 제어하는 PWM 신호를 출력하고, 동작 조건이 성립하면 제어 신호의 출력을 정지하여 인버터 회로(1)를 구성하는 파워 MOSFET(2)를 모두 오프시키고, 또한 스위치 회로(5)를 오프하는 보호 동작을 행한다. 그리고, 그 보호 동작에 있어서는, 인버터 회로(1)에 대한 PWM 신호의 출력을 정지한 후에 스위치 회로(5)를 오프한다. 따라서, N 채널 MOSFET(6)의 드레인-소스간 전압 Vds 및 드레인 전류 Id의 변화를 완만하게 하여, 이들이 MOSFET의 안전 동작 영역을 벗어나는 것을 방지할 수 있다.
그리고, 스위치 구동 회로(38)와 스위치 회로(5) 사이에 온 오프 시간 조정 회로(40)를 접속하고, 스위치 회로(5)를 온하는 경우의 신호 경로의 저항값과, 오프하는 경우의 신호 경로의 저항값을 변화시키도록 하였다. 구체적으로는, 온 오프 시간 조정 회로(40)를, 다이오드(41) 및 저항 소자(42)의 직렬 회로와, 이 직렬 회로와 병렬로 접속되는 저항 소자(43)로 구성하였다. 즉, 다이오드(41)에 의해 온 시, 오프 시의 신호 경로를 변화시켜 저항값을 변화시킬 수 있다.
또한, N 채널 MOSFET(6b)의 게이트에 저항 소자(39)를 삽입함으로써, 당해 게이트 저항값을 N 채널 MOSFET(6a)측보다도 크게 설정하여, 스위치 회로(5)를 오프하는 경우에는, N 채널 MOSFET(6a)를 먼저 오프시키도록 하였다. 즉, 모터(3)에 전류가 흐르고 있는 상태에서 인버터 회로(1)를 구성하는 MOSFET(2)가 오프되면, 모터(3)의 인덕턴스와 전류의 변화에 의해 큰 서지 전압이 인버터 회로(1)에 발생하려고 한다. 본 실시 형태와 같이 스위치 회로(5)가 존재하지 않는 경우, 서지 전압은 배터리(4)측에 흡수되므로 문제는 없다.
그러나, 본 실시 형태와 같이 스위치 회로(5)가 존재하고, 서지 전압이 발생하였을 때 N 채널 MOSFET(6b)가 먼저 오프되면, 배터리(4)측에 전류를 흘려 서지 전압을 흡수하는 경로가 끊어지기 때문에, 인버터 회로(1)의 전압이 급격하게 상승하여, MOSFET(3)가 파괴될 가능성이 있다. 또한, N 채널 MOSFET(6a 및 6b)의 양쪽이 오프되는 시간을 지연시키면, 스위치 회로(5)를 신속하게 오프할 수 없다. 따라서, N 채널 MOSFET(6a)를 먼저 오프시키고, N 채널 MOSFET(6b)를 그 후에 오프 시킴으로써, 서지 전압이 발생한 경우에 배터리(4)측에 흡수시키는 경로를 확보하면서 스위치 회로(5)를 오프시켜, 배터리(4)와 인버터 회로(1)의 접속을 신속하게 차단할 수 있다.
또한, 전원 생성 회로(9)와 상기 기준 전위점 사이에, 2개의 N 채널 MOSFET(10 및 11)(반도체 스위칭 소자)를 직렬 접속한 하프 브릿지 회로를 갖고, 이들 FET(10 및 11)에는, 각각 병렬로 보호용 다이오드(13, 14)를 접속한다. 그리고, 배터리(4)가 인버터 회로(1)에 대하여 역극성으로 접속된 경우에, 기준 전위점으로부터, 자신을 경유하여 스위치 회로(5)측으로 유출하려고 하는 전류를 저지하기 위한 다이오드(44)를 구비하였다.
따라서, 대전력용 릴레이와 비교하여 소형으로 구성할 수 있는 스위치 회로(5)를 사용할 수 있어, 파워 스티어링 장치(100)의 소형화를 도모할 수 있다. 그리고, 배터리(4)가 역극성으로 접속된 경우라도, FET(6a)의 기생 다이오드와 스위치 구동 회로(38) 내의 보호용 다이오드(14)에 의해 역전류가 흐르는 것을 저지하여, 인버터 회로(1)나 모터(3)를 보호하고, 단락 고장을 방지할 수 있다.
(제2 실시 형태)
도 6 및 도 7은 제2 실시 형태이며, 제1 실시 형태와 동일 부분에는 동일 부호를 붙여 설명을 생략하고, 이하 상이한 부분에 대하여 설명한다. 제2 실시 형태는, 제1 실시 형태와 마찬가지로 인버터 회로(1)에 대한 PWM 신호의 출력을 정지한 후에 스위치 회로(5)를 오프하는 보호 동작을 행하는 경우, MCU(35)가 전력 차단 신호를 출력하는 타이밍을, 인버터 회로(1)에 대한 PWM 신호의 출력을 정지시킨 타이밍보다도 지연시킨다. 따라서, 도 6에 도시한 바와 같이, 온 오프 시간 조정 회로(40)는 삭제되어 있다.
다음에, 제2 실시 형태의 작용에 대하여 도 7을 참조하여 설명한다. 도 7의 (b)에 도시한 바와 같이, MCU(35)는, 먼저 PWM 신호의 출력을 정지시키고 나서, 도 7의 (c)에 도시한 바와 같이 전력 차단 신호를 지연된 타이밍에서 출력한다. 그렇게 하면, N 채널 MOSFET(6a)는 상기의 타이밍보다 약간 지연되어 오프되고(도 7의 (d) 참조), N 채널 MOSFET(6b)는 저항 소자(39)의 저항값분만큼 더욱 지연된 타이밍에서 오프된다(도 7의 (e) 참조).
이상과 같이 제2 실시 형태에 의하면, MCU(35)는, 보호 동작을 행하는 경우에, 스위치 회로(5)에 대하여 전력 차단 신호를 출력하는 타이밍을, 인버터 회로(1)에 대한 PWM 신호의 출력을 정지시킨 타이밍보다도 지연시키므로, MCU(35)의 소프트웨어에 의한 제어에 의해, 인버터 회로(1)의 정지 타이밍과 스위치 회로(5)의 오프 타이밍을 조정할 수 있다.
(제3 실시 형태)
도 8 및 도 9는 제3 실시 형태이며, 제2 실시 형태와 상이한 부분에 대하여 설명한다. 제3 실시 형태는, 제2 실시 형태와 마찬가지로, MCU(35)가 보호 동작을 행하는 경우에 인버터 회로(1)의 정지 타이밍과 스위치 회로(5A)의 오프 타이밍을 제어한다. 단, 스위치 회로(5A)에 대해서는 N 채널 MOSFET(6a, 6b)의 게이트 신호를 개별로 출력한다.
도 8에 도시한 바와 같이, 스위치 구동 회로(38a, 38b)가, N 채널 MOSFET(6a, 6b)에 대응하여 각각 설치되어 있다. 스위치 구동 회로(38a)는, 제2 실시 형태의 스위치 구동 회로(38)에 대응하지만, 스위치 구동 회로(38b)에 대해서는, 게이트 드라이버 전원 생성 회로(9)를 구비하고 있지 않아, 스위치 구동 회로(38a)로부터 게이트 드라이버 전원의 공급을 받는다. 그리고, N 채널 MOSFET(6a, 6b)의 게이트는, 각각 스위치 구동 회로(38a, 38b)의 출력 단자에 접속되어 있다. 또한, 저항 소자(7) 대신에, 저항 소자(7a, 7b)가, 각각, N 채널 MOSFET(6a, 6b)의 소스-게이트간에 접속되어 있고, 저항 소자(39)는 삭제되어 있다.
다음에, 제3 실시 형태의 작용에 대하여 도 9를 참조하여 설명한다. 제2 실시 형태와 마찬가지로, MCU(35)는, 먼저 PWM 신호의 출력을 정지시키고(도 9의 (b) 참조), 그것보다 지연된 타이밍에서 스위치 회로(5A)를 오프시키지만, 우선, 전력 차단 신호(제1 온 오프 제어 신호)를 출력하여, 기생 다이오드의 캐소드가 전원측으로 되는 N 채널 MOSFET(6a)를 먼저 오프시킨다(도 9의 (c), (d) 참조). 그리고, MCU(35)는, 상기 오프의 시점으로부터 더욱 지연된 타이밍에서 역접 방지 제어 신호(제2 온 오프 제어 신호)를 출력하고, 기생 다이오드의 애노드가 전원측으로 되는 N 채널 MOSFET(6b)를 오프시킨다(도 9의 (e), (f) 참조).
이상과 같이 제3 실시 형태에 의하면, N 채널 MOSFET(6a, 6b)에 대응하여 스위치 구동 회로(38a, 38b)를 개별로 설치하고, MCU(35)는, 인버터 회로(1)를 정지시킨 후, N 채널 MOSFET(6a)를 오프시키는 제어 신호를 출력하고, 그 후에 N 채널 MOSFET(6a)를 오프시키는 제어 신호를 출력한다. 따라서, MCU(35)의 소프트웨어에 의한 제어에 의해, N 채널 MOSFET(6a, 6b)의 오프 타이밍을 조정할 수 있어, N 채널 MOSFET(6a)를 먼저 오프시켜 인버터 회로(1)측으로의 전류 유출을 방지할 수 있다.
(제4 실시 형태)
도 10은 제4 실시 형태이며, 제3 실시 형태와 상이한 부분만 설명한다. 제4실시 형태의 스위치 회로(51)는, 제3 실시 형태의 스위치 회로(5A)에 있어서의 N 채널 MOSFET(6a, 6b)의 드레인을 공통으로 접속하여 구성되어 있다. 이와 같은 구성에 있어서 제3 실시 형태와 마찬가지의 목적을 달성하기 위해서는, 기생 다이오드의 캐소드가 전원측으로 되는 N 채널 MOSFET(6b)를 먼저 오프시키고, 기생 다이오드의 애노드가 전원측으로 되는 N 채널 MOSFET(6a)를 그 후에 오프시키면 된다. 따라서, 스위치 구동 회로(38b)에 전원 차단 제어 신호를 출력하고, 스위치 구동 회로(38a)에 역접 방지 제어 신호를 출력하면, 제3 실시 형태와 마찬가지의 효과가 얻어진다.
본 발명의 몇 가지의 실시 형태를 설명하였지만, 이들 실시 형태는 예로서 제시한 것이며, 발명의 범위를 한정하는 것은 의도하고 있지 않다. 이들 신규의 실시 형태는, 그 밖의 다양한 형태로 실시되는 것이 가능하고, 발명의 요지를 일탈하지 않는 범위에서 다양한 생략, 치환, 변경을 행할 수 있다. 이들 실시 형태나 그 변형은 발명의 범위나 요지에 포함됨과 함께, 특허 청구 범위에 기재된 발명과 그 균등 범위에 포함된다.
저항 소자(39)는 필요에 따라서 설치하면 된다. 즉, 서지 전압의 영향이 작은 경우에는 삭제해도 된다.
또한, 저항 소자(42)에 대해서도, 온측과 오프측의 저항값의 차, 즉 온 오프 시간차를 충분히 확보할 수 있는 경우에는 삭제해도 된다.
보호 동작을 개시하는 조건은, 과전류 검출에 한하지 않고, 그 밖에 예를 들면 과전압이나 과승온을 검출한 것을 조건으로 해도 된다.
N 채널 MOSFET(10) 대신에, P 채널 MOSFET를 사용해도 된다. 또한, 인버터 회로(1)의 상부 아암에 P 채널 MOSFET를 사용해도 된다.
다이오드(44) 대신에 N 채널 MOSFET(11)의 소스와 회로 접지 사이, 보호 다이오드(14)의 애노드와 회로 접지 사이에, 각각 전류 저지용 다이오드를 삽입해도 된다. 또한, 전류 저지용 다이오드를, N 채널 MOSFET(10)의 소스와 N 채널 MOSFET(11)의 드레인 사이, 보호 다이오드(13)의 애노드와 보호 다이오드(14)의 캐소드 사이에 배치해도 된다.
또한, 배터리(4)가 역접속된 경우에 대한 대책이 불필요하면, 다이오드(44)를 삭제해도 된다.
제4 실시 형태의 스위치 회로(51)에 대하여, 제1, 제2 실시 형태의 제어를 적용해도 된다.
파워 스티어링 장치에 한하지 않고, 직류 전원과 인버터 회로 사이에 N 채널형 반도체 스위칭 소자를 사용하여 구성되는 스위치 회로를 구비하는 것이면 적용이 가능하다.
이상과 같이, 실시 형태에 따른 인버터 장치 및 파워 스티어링 장치는, 직류 전원과 인버터 회로 사이를 전기적으로 개폐하도록, 2개의 N 채널형 반도체 스위칭 소자를 역방향으로 직렬 접속하여 구성되는 스위치 회로를 구비하는 것에 유용하다.
1 : 인버터 회로
3 : 모터
4 : 배터리(직류 전원)
5 : 스위치 회로
6a, 6b : N 채널 MOSFET(N 채널형 반도체 스위칭 소자)
10, 11 : N 채널 MOSFET(반도체 스위칭 소자)
13, 14 : 보호용 다이오드
35 : MCU(제어 회로)
38 : 스위치 구동 회로
40 : 온 오프 시간 조정 회로(저항값 전환 수단)
39 : 저항 소자
41 : 다이오드
43 : 저항 소자
100 : 파워 스티어링 장치

Claims (6)

  1. 직류 전원(4)과 인버터 회로(1) 사이를 전기적으로 개폐하도록, 2개의 N 채널형 반도체 스위칭 소자(6a, 6b)를 역방향으로 직렬 접속하여 구성되는 스위치 회로(5)를 구비하는 인버터 장치로서,
    상기 인버터 회로(1)의 스위칭을 제어하는 제어 신호를 출력하고, 동작 조건이 성립하면, 상기 제어 신호의 출력을 정지하여 상기 인버터 회로(1)를 구성하는 스위칭 소자(6a, 6b)를 모두 오프시키고, 또한 상기 스위치 회로(5)를 오프하는 보호 동작을 행하는 제어 회로(35)를 구비하고,
    상기 보호 동작에 있어서, 상기 제어 신호의 출력을 정지한 후에, 상기 스위치 회로(5)를 오프하고, 상기 N 채널형 반도체 스위칭 소자(6a, 6b)의 드레인-소스간 전압 Vds 및 드레인 전류 Id의 변화를 완만하게 하는 것을 특징으로 하는 인버터 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 스위치 회로(5)에 온 오프 제어 신호를 출력하기 위해서, 상기 제어 회로(35)와 상기 스위치 회로(5) 사이에 접속되는 스위치 구동 회로(38)와,
    상기 스위치 구동 회로(38)와 상기 스위치 회로(5) 사이에 접속되며, 상기 스위치 회로(5)를 온하는 경우의 신호 경로에 다이오드(41)를 구비하고, 상기 스위치 회로(5)를 온하는 경우의 신호 경로의 저항값보다도, 상기 스위치 회로(5)를 오프하는 경우의 신호 경로의 저항값을 크게 하여, 스위치 회로(5)의 오프 타이밍을 지연시키는 저항값 전환 수단(40)을 구비하고 있는, 인버터 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 보호 동작을 행할 때는, 상기 제어 회로(35)가, 상기 제어 신호의 출력을 정지한 후에, 상기 온 오프 제어 신호를 출력하여 상기 스위치 회로(5)를 오프하는, 인버터 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 스위치 회로(5)를 구성하는 2개의 N 채널형 반도체 스위칭 소자(6a, 6b)에 대하여 각각 독립적으로 온 오프 제어 신호를 출력하기 위해서, 상기 제어 회로(35)와 상기 스위치 회로(5) 사이에 접속되는 2개의 스위치 구동 회로(38a, 38b)를 구비하고,
    상기 제어 회로(35)는, 상기 2개의 N 채널형 반도체 스위칭 소자(6a, 6b) 중, 기생 다이오드의 캐소드가 전원측으로 되는 소자(6a)를 먼저 오프시키고, 기생 다이오드의 애노드가 전원측으로 되는 소자(6b)를 그 후에 오프시키는, 인버터 장치.
  5. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 스위치 회로(5)를 구성하는 2개의 N 채널형 반도체 스위칭 소자(6a, 6b) 중, 기생 다이오드의 애노드가 전원측으로 되는 소자(6b)의 오프 시간을 조정하는 저항값을, 기생 다이오드의 캐소드가 전원측으로 되는 소자(6a)의 오프 시간을 조정하는 저항값보다도 크게 하여, 기생 다이오드의 캐소드가 전원측으로 되는 소자(6a)를 먼저 오프시키고, 기생 다이오드의 애노드가 전원측으로 되는 소자(6b)를 그 후에 오프시킴으로써, 서지 전압을 배터리(4)에 흡수시키는 경로를 확보하면서 스위치 회로(5)를 오프하는, 인버터 장치.
  6. 파워 스티어링 장치로서,
    차량의 스티어링(21)의 조타력을 보조하는 보조 조타력을 발생시키는 모터(3)와,
    상기 모터를 제어하는 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 기재된 인버터 장치를 구비하는 것을 특징으로 하는 파워 스티어링 장치.
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