WO2014167804A1 - モータ駆動装置およびそれを備えたモータ - Google Patents
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Definitions
- the present invention particularly relates to a level shift circuit used as a high voltage IC (High Voltage IC).
- the level shift circuit is used for a control electrode included in a controllable semiconductor.
- Controllable semiconductors are used in bridge circuits that are used to reversely convert power.
- the controllable semiconductor is used in particular for the upper arm semiconductor switch constituting the bridge circuit.
- the reverse conversion of electric power is performed by, for example, a PWM inverter or a motor driving device.
- the control electrode included in the controllable semiconductor has an electrode serving as a potential reference for the input control signal.
- An electrode serving as a potential reference is an emitter, a source, or the like.
- the electrode serving as a reference for potential varies with respect to a common potential such as ground.
- a control signal for turning on / off the controllable semiconductor is transmitted to the control electrode included in the controllable semiconductor.
- the level shift circuit transmits a control signal to the control electrode included in the controllable semiconductor without insulating the potential from the circuit connected to the common potential.
- a bridge circuit is used when power is reversely converted by a PWM inverter or the like.
- the semiconductor switch constitutes the upper arm of the bridge circuit.
- Power reverse conversion is to convert direct current into alternating current.
- a level shift circuit is used as a circuit for turning on / off a semiconductor switch. In the level shift circuit, potential insulation is not performed by a transformer, a photocoupler, or the like. If a level shift circuit is used, cost can be reduced.
- FIG. 6 is a configuration diagram of a conventional motor driving device.
- a level shift circuit is used in a conventional motor driving device.
- an IGBT 17 that is an upper arm and an IGBT 18 that is a lower arm are connected in series.
- the bridge circuit for one phase is formed by the IGBT 17 and the IGBT 18.
- the bridge circuit for one phase is located between the main DC power supply Vdc and the common potential COM.
- the DC power supply Vdc is also referred to as the positive electrode side
- the common potential COM is also referred to as the negative electrode side.
- a high voltage of 400 V is applied to the DC power supply Vdc.
- the output terminal 104 is a connection point between the emitter of the IGBT 17 and the collector of the IGBT 18. When the IGBT 17 and the IGBT 18 are alternately turned on / off, AC power is generated. AC power is output to the output terminal 104 as the generated output voltage OUT.
- the auxiliary DC power supply E2 has a negative electrode connected to the common potential COM.
- the DC power supply E2 is also called a driver power supply.
- the DC power supply E2 supplies a voltage of 15V, for example.
- the driver 20 turns on / off the IGBT 18 of the lower arm.
- the driver 20 is located between the DC power supply E2 and the common potential COM.
- FIG. 6 shows a level shift circuit.
- the level shift circuit turns on / off the IGBT 17 of the upper arm.
- the level shift circuit includes a high voltage MOSFET 1 and a high voltage MOSFET 2.
- the input terminal 25 of the high voltage MOSFET 1 receives an ON signal generated by another circuit.
- the high voltage MOSFET 1 receives the ON signal
- the high voltage MOSFET 1 is turned on.
- a voltage drop occurs in the load resistor 3.
- the IGBT 17 is turned on using a voltage drop generated in the load resistor 3 as a signal.
- the input terminal 26 of the high voltage MOSFET 2 receives an off signal generated by another circuit as described above.
- the high voltage MOSFET 2 receives the off signal, the high voltage MOSFET 2 is turned off.
- the high voltage MOSFET 2 is turned off, a voltage drop occurs in the load resistor 4.
- the IGBT 17 is turned off with the voltage drop generated in the load resistor 4 as a signal.
- the high voltage MOSFET 1 and the high voltage MOSFET 2 are configured to be equal to each other.
- the load resistor 3 and the load resistor 4 are configured to be equal to each other.
- a constant voltage diode 5 is connected to the load resistor 3 in parallel.
- a constant voltage diode 6 is connected to the load resistor 4 in parallel.
- the load resistor 3 and the load resistor 4 protect the NOT circuit 8 and the NOT circuit 9 described later by limiting the occurrence of an excessive voltage drop.
- the level shift circuit has a circuit portion including a high voltage MOSFET 1 and a high voltage MOSFET 2 and a circuit portion surrounded by a broken line.
- a signal having a common potential COM as a reference potential is input to a circuit portion including the high voltage MOSFET 1 and the high voltage MOSFET 2.
- the common potential COM is stationary.
- the circuit portion surrounded by the broken line operates using the output voltage OUT generated at the output terminal 104 as a reference potential.
- the reference potential varies.
- the output voltage OUT of the output terminal 104 changes. That is, the potential of the output voltage OUT alternately follows the common potential COM and the potential Vdc of the main DC power supply.
- An auxiliary DC power supply E1 exists in the circuit surrounded by the broken line. Similar to the DC power supply E2, the DC power supply E1 is also called a driver power supply.
- the DC power supply E1 has a positive electrode connected to line Vcc1 and a negative electrode connected to output terminal 104.
- the DC power supply E1 supplies a voltage of 15V, for example.
- the DC power supply E1 is a power supply for the NOT circuit 8, the NOT circuit 9, the low-pass filter circuit (Low-Pass Filter) 30, the low-pass filter circuit 31, the RS flip-flop circuit (Reset Set Flip-Flop circuit) 15, the driver 16, and the like. .
- the low-pass filter circuits 30 and 31 are sometimes referred to as LPFs.
- the RS flip-flop circuit 15 is also referred to as an RS latch circuit (Reset Set Latch circuit) or RS-FF.
- FIG. 7 is a time chart showing the operation of the conventional motor drive device.
- the time chart indicated by HIN shows an on / off command signal for the IGBT 17 that is the upper arm.
- the time chart indicated by LIN an on / off command signal of the IGBT 18 which is the lower arm is shown.
- Both HIN and LIN are signals indicating that the H level is on and the L level is off.
- pulse signals received by the input terminals 25 and 26 are shown.
- the pulse signal is generated by a pulse generator.
- the pulse signals received by the input terminals 25 and 26 are generated by other circuits not shown in FIG.
- the pulse signal indicated by 25 in the time chart is transmitted to the high voltage MOSFET 1 as a signal having a certain time width when the HIN signal rises.
- the pulse signal indicated by 26 in the time chart is transmitted to the high voltage MOSFET 2 as a signal having a certain time width when the HIN signal falls.
- the RS flip-flop circuit 15 constituting the level shift circuit receives the set signal S and the reset signal R.
- a set signal S is shown.
- a reset signal R is shown.
- An ON signal of the input terminal 25 is transmitted to the input terminal 25 as a set signal S through the high voltage MOSFET 1.
- the off signal of the input terminal 26 is transmitted to the input terminal 26 as the reset signal R through the high voltage MOSFET 2.
- the RS flip-flop circuit 15 transmits an output signal Q.
- an output signal Q is shown.
- the output signal Q is transmitted at the H level by the set signal S.
- the output signal Q is transmitted at the L level by the reset signal R.
- the output signal Q also reflects the previous output state.
- the time chart indicated by 17 indicates the on / off state of the IGBT 17 that is the upper arm.
- the time chart indicated by 18 shows the on / off state of the IGBT 18 which is the lower arm.
- the H level indicates the on state.
- the L level indicates an off state.
- the output voltage is shown in the time chart indicated by OUT.
- the H level indicates a state in which the DC voltage Vdc is output.
- the L level indicates a state in which GND is output.
- HIN is switched from L level to H level.
- the high voltage MOSFET 1 receives a pulse signal having a time width ⁇ t shown by a time chart of 25.
- the pulse signal transmits the set signal S to the input terminal of the RS flip-flop circuit 15 via the NOT circuit 8 or the like.
- the output signal Q transmits the H level as the output of the RS flip-flop circuit 15. Therefore, the IGBT 17 is turned on.
- HIN is switched from H level to L level.
- the high voltage MOSFET 2 receives a pulse signal having a time width ⁇ t shown in the time chart of 26.
- the pulse signal transmits the reset signal R to the input terminal of the RS flip-flop circuit 15 via the NOT circuit 9 or the like.
- the output signal Q transmits L level. Therefore, the IGBT 17 is turned off.
- the motor drive device targeted by the present invention forms a totem pole type circuit by connecting a high-side switch and a low-side switch in series to a DC power supply.
- the motor drive device also includes a control unit that transmits a high-side switch command signal for turning on / off the high-side switch and a low-side switch command signal for turning on / off the low-side switch.
- the high side switch includes a first terminal, a second terminal, and a third terminal.
- the first terminal is connected to the positive electrode side of the DC power supply.
- the second terminal is connected to the low side switch.
- the third terminal receives a high-side switch command signal for turning on / off between the first terminal and the second terminal.
- the low-side switch includes a fourth terminal, a fifth terminal, and a sixth terminal.
- the fourth terminal is connected to the second terminal.
- the fifth terminal is connected to the negative electrode side of the DC power supply.
- the sixth terminal receives a low-side switch command signal for turning on / off between the fourth terminal and the fifth terminal.
- the control unit includes a high side switch command signal output terminal and a low side switch command signal output terminal.
- the high side switch command signal output terminal transmits a high side switch command signal toward the third terminal.
- the low side switch command signal output terminal transmits a low side switch command signal to the sixth terminal.
- the level shift circuit is located between the third terminal and the high side switch command signal output terminal.
- the level shift circuit When the low-side switch command signal output terminal transmits a low-side switch command signal for turning on the low-side switch, the level shift circuit outputs the level-shifted high-side switch command signal for turning off the high-side switch. Send to terminal.
- FIG. 1 is a configuration diagram of a motor drive device according to Embodiment 1 of the present invention.
- FIG. 2 is a time chart for explaining the operation of the motor drive apparatus according to Embodiment 1 of the present invention.
- FIG. 3 is a configuration diagram of the motor drive device according to the second embodiment of the present invention.
- FIG. 4 is a time chart for explaining the operation of the motor drive apparatus according to Embodiment 2 of the present invention.
- FIG. 5 is a cross-sectional view of a main part of the motor according to Embodiment 3 of the present invention.
- FIG. 6 is a configuration diagram of a conventional motor driving device.
- FIG. 7 is a time chart showing the operation of the conventional motor drive device.
- the motor driving apparatus turns off the high-side switch regardless of the state when the low-side switch is turned on by the configuration described later. Therefore, it can be prevented that the high side switch and the low side switch are simultaneously turned on. As a result, the high-side switch and the low-side switch are simultaneously turned on, so that it is possible to prevent the motor drive device from being broken due to the short circuit between the main DC power supply and the common potential.
- the motor drive apparatus includes a pulse generator and an RS flip-flop circuit as level shift circuits, as will be described later.
- the motor driving apparatus can improve reliability by preventing the high-side switch and the low-side switch from being turned on simultaneously.
- the potential may suddenly increase at the output terminal that is the contact point between the high-side switch and the low-side switch.
- an erroneous input side signal that erroneously turns on the high side switch may be induced. Due to this erroneous input signal, the high-side switch may be erroneously turned on.
- the low side switch is subsequently turned on, the high side switch and the low side switch are simultaneously turned on. If the high side switch and the low side switch are turned on simultaneously, the DC power supply is short-circuited. This prevents the high-side switch from being erroneously turned on. That is, it is possible to prevent the high side switch and the low side switch from being turned on at the same time.
- FIG. 1 is a configuration diagram of a motor drive device according to Embodiment 1 of the present invention.
- FIG. 2 is a time chart for explaining the operation of the motor drive apparatus according to Embodiment 1 of the present invention.
- the motor driving apparatus 100 forms a totem pole type circuit by connecting a high-side switch 19 and a low-side switch 21 in series to a main power supply 7 which is a DC power supply.
- the motor drive device 100 includes a control unit 102 that transmits a high-side switch command signal for turning on / off the high-side switch 19 and a low-side switch command signal for turning on / off the low-side switch 21.
- the high-side switch 19 includes a first terminal 19a, a second terminal 19b, and a third terminal 19c.
- the first terminal 19a is connected to the positive side of the main power supply 7 which is a DC power supply.
- the second terminal 19 b is connected to the low side switch 21.
- the third terminal 19c receives a high-side switch command signal for turning on / off between the first terminal 19a and the second terminal 19b.
- the low-side switch 21 includes a fourth terminal 21a, a fifth terminal 21b, and a sixth terminal 21c.
- the fourth terminal 21a is connected to the second terminal 19b.
- the fifth terminal 21b is connected to the negative electrode side of the main power supply 7 which is a DC power supply.
- the sixth terminal 21c receives a low-side switch command signal for turning on / off between the fourth terminal 21a and the fifth terminal 21b.
- the control unit 102 includes a high side switch command signal output terminal 102a and a low side switch command signal output terminal 102b.
- the high-side switch command signal output terminal 102a transmits a high-side switch command signal toward the third terminal 19c.
- the low-side switch command signal output terminal 102b transmits a low-side switch command signal toward the sixth terminal 21c.
- the level shift circuit 13 is located between the third terminal 19c and the high side switch command signal output terminal 102a.
- the low-side switch command signal output terminal 102b transmits a low-side switch command signal that turns on the low-side switch 21
- the level shift circuit 13 turns off the high-side switch 19 and outputs a level-shifted high-side switch command signal.
- the third terminal 19c To the third terminal 19c.
- a high-side switch 19 and a low-side switch 21 are connected in series in a totem pole type between the positive terminal and the negative terminal of the main power supply 7.
- a portion where the second terminal 19 b of the high-side switch 19 and the fourth terminal 21 a of the low-side switch 21 are connected forms an output terminal 104.
- the output voltage of the output terminal 104 is denoted as OUT.
- the output terminal 104 is connected to one end of the motor winding 12.
- the high side switch command signal HIN transmitted from the high side switch command signal output terminal 102a is received by the first hysteresis comparator 10.
- the first hysteresis comparator 10 transmits the received high side switch command signal HIN to the level shift circuit 13.
- the signal transmitted by the level shift circuit 13 is received by the gate which is the third terminal 19 c of the high side switch 19.
- the low-side switch command signal LIN transmitted from the low-side switch command signal output terminal 102 b is received by the second hysteresis comparator 11.
- the second hysteresis comparator 11 transmits the received low-side switch command signal LIN toward the gate which is the sixth terminal 21 c of the low-side switch 21.
- FIG. 1 shows only one phase of a motor driving device having a plurality of phases of motor windings.
- the time chart indicated by HIN shows a high side switch command signal for turning on / off the high side switch 19.
- a low side switch command signal for turning on / off the low side switch 21 is shown.
- Both the high-side switch command signal HIN and the low-side switch command signal LIN are signals that indicate that the H level is on and the L level is off.
- the on / off state of the high side switch 19 is shown.
- the on / off state of the low-side switch 21 is shown.
- the on / off states of the high-side switch 19 and the low-side switch 21 indicate that the H level is on and the L level is off.
- the output voltage of the output terminal 104 that is a contact point between the second terminal 19b of the high-side switch 19 and the fourth terminal 21a of the low-side switch 21 is shown.
- the high side switch command signal HIN is at L level.
- the low side switch command signal LIN is at the H level.
- the high side switch 19 is off.
- the low side switch 21 is on.
- the output voltage OUT of the output terminal 104 is at the GND level.
- the low side switch command signal LIN is switched from the H level to the L level. Therefore, the low side switch 21 is turned off from on. As a result, the output voltage OUT of the output terminal 104 increases rapidly from the GND level to the Vdc level.
- the high side switch command signal HIN is switched from the L level to the H level.
- the level shift circuit 13 acts so that the high side switch 19 is turned on.
- the high side switch command signal HIN is switched from the H level to the L level.
- the level shift circuit 13 operates so that the high-side switch 19 is turned off.
- the low side switch 21 is turned off. It is assumed that when the low side switch 21 is turned off, the output voltage OUT of the output terminal 104 is affected by a sudden change, and the high side switch 19 is turned on.
- FIG. 3 is a configuration diagram of the motor drive device according to the second embodiment of the present invention.
- FIG. 4 is a time chart for explaining the operation of the motor drive apparatus according to Embodiment 2 of the present invention.
- the same components as those described in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and the description is incorporated.
- the level shift circuit 13 includes a pulse generator 24 that is a pulse generator and an RS flip-flop circuit 15.
- the pulse generator 24 which is a pulse generator, transmits a set pulse when the high-side switch command signal transmitted from the high-side switch command signal output terminal 102a switches from off to on.
- the pulse generator 24 transmits a reset pulse when the high-side switch command signal transmitted from the high-side switch command signal output terminal 102a is switched from on to off.
- the RS flip-flop circuit 15 When receiving the set pulse transmitted from the pulse generator 24, the RS flip-flop circuit 15 transmits a level-shifted high-side switch command signal that turns on the high-side switch 22. When receiving the reset pulse transmitted from the pulse generator 24, the RS flip-flop circuit 15 transmits a level-shifted high-side switch command signal that turns off the high-side switch 22.
- the pulse generator 24 transmits a reset pulse.
- a high-side switch 22, a low-side switch 23, and a current detection resistor 27 are connected in series in a totem pole type between the positive terminal and the negative terminal of the main power supply 7.
- a location where the second terminal 22 b of the high-side switch 22 and the fourth terminal 23 a of the low-side switch 23 are connected forms an output terminal 104.
- the first terminal 22 a of the high side switch 22 is connected to the positive terminal of the main power supply 7.
- the fifth terminal 23 b of the low side switch 23 is connected to the negative terminal of the main power supply 7 through the current detection resistor 27.
- the output voltage of the output terminal 104 is denoted as OUT.
- the output terminal 104 is connected to one end of the motor winding 12.
- the high side switch 22 and the low side switch 23 can be configured by MOSFETs.
- the high-side switch command signal HIN transmitted from the high-side switch command signal output terminal 102a is received by the first hysteresis comparator 10.
- the first hysteresis comparator 10 transmits the received high-side switch command signal HIN to the input terminal 124 of the pulse generator 24 that constitutes the level shift circuit 13.
- the output terminal 125 of the pulse generator 24 is connected to the gate of the first high voltage MOSFET 1.
- the output terminal 126 of the pulse generator 24 is connected to the gate of the second high voltage MOSFET 2.
- the drain of the first high voltage MOSFET 1 is connected to the load resistor 3.
- the drain of the first high voltage MOSFET 1 is connected to the set input terminal 127 of the RS flip-flop circuit 15.
- the drain of the second high voltage MOSFET 2 is connected to the load resistor 4.
- the drain of the second high voltage MOSFET 2 is connected to the reset input terminal 128 of the RS flip-flop circuit 15.
- the output terminal 129 of the RS flip-flop circuit 15 is connected to the gate which is the third terminal 22 c of the high-side switch 22 through the first amplifier 28.
- the pulse generator 24, the first high breakdown voltage MOSFET 1, the second high breakdown voltage MOSFET 2, the load resistors 3 and 4, the RS flip-flop circuit 15, and the first amplifier 28 constitute a level shift circuit 13. Is an element.
- the low side switch command signal LIN transmitted from the low side switch command signal output terminal 102b is received by the second hysteresis comparator 11.
- the second hysteresis comparator 11 transmits the received low-side switch command signal LIN to the reset input terminal 130 of the pulse generator 24 constituting the level shift circuit 13.
- the second hysteresis comparator 11 transmits the received low-side switch command signal LIN toward the gate, which is the sixth terminal 23 c of the low-side switch 23, via the second amplifier 29.
- FIG. 3 shows only one phase of the motor driving device 100 having the motor windings 12 having a plurality of phases.
- the time chart indicated by HIN shows a high side switch command signal for turning on / off the high side switch 22.
- the time chart indicated by LIN shows a low side switch command signal for turning on / off the low side switch 23.
- Both the high-side switch command signal HIN and the low-side switch command signal LIN are signals that indicate that the H level is on and the L level is off.
- a pulse signal OUT1 transmitted from the output terminal 125 of the pulse generator 24 is shown.
- a pulse signal OUT2 transmitted from the output terminal 126 of the pulse generator 24 is shown.
- the high side switch command signal HIN rises, a pulse signal OUT1 having a certain time width is transmitted from the output terminal 125.
- the pulse signal OUT1 transmitted from the output terminal 125 is received by the high voltage MOSFET 1.
- a pulse signal OUT2 having a certain time width is transmitted from the output terminal 126.
- the pulse signal OUT2 transmitted from the output terminal 126 is received by the high voltage MOSFET 2.
- a time chart indicated by S is a set pulse received by the set input terminal 127 included in the RS flip-flop circuit 15.
- the set pulse is transmitted through the high voltage MOSFET 1 as a pulse signal OUT1 transmitted from the pulse generator 24.
- a time chart indicated by R is a reset pulse received by the reset input terminal 128 included in the RS flip-flop circuit 15.
- the reset pulse is transmitted through the high voltage MOSFET 2 as the pulse signal OUT2 transmitted from the pulse generator 24.
- the RS flip-flop circuit 15 is an element constituting the level shift circuit 13.
- the time chart indicated by Q indicates the output signal Q transmitted from the output terminal 129 included in the RS flip-flop circuit 15.
- the H level is output as the output signal Q.
- the reset input terminal 128 receives the reset pulse, the L level is output as the output signal Q.
- the time chart indicated by 22 shows the on / off state of the high-side switch 22.
- the on / off state of the low-side switch 23 is shown.
- the on / off states of the high-side switch 22 and the low-side switch 23 indicate that the H level is on and the L level is off.
- the output voltage of the output terminal 104 which is a contact point between the second terminal 22b of the high-side switch 22 and the fourth terminal 23a of the low-side switch 23, is shown.
- the low side switch command signal LIN is transmitted to the gate which is the sixth terminal 23 c included in the low side switch 23 via the second amplifier 29.
- the low side switch command signal LIN is also input to a reset input terminal 130 included in the pulse generator 24.
- a reset pulse is transmitted as the pulse signal OUT2 from the output terminal 126 of the pulse generator 24.
- the high side switch command signal HIN is at L level.
- the low side switch command signal LIN is at the H level.
- the high side switch 22 is off.
- the low side switch 23 is on.
- the output voltage OUT of the output terminal 104 is at the GND level.
- the low side switch command signal LIN is switched from the H level to the L level. Therefore, the low side switch 23 is turned off from on. As a result, the output voltage OUT of the output terminal 104 increases rapidly from the GND level to the Vdc level.
- the high side switch command signal HIN is switched from the L level to the H level.
- a set pulse having a time width ⁇ t is transmitted from the output terminal 125 of the pulse generator 24.
- the set pulse is transmitted to the set input terminal 127 of the RS flip-flop circuit 15 via the high voltage MOSFET 1 or the like.
- the output terminal 129 of the RS flip-flop circuit 15 is switched to the H level.
- the high side switch 22 acts to be turned on.
- the high side switch command signal HIN is switched from the H level to the L level.
- a reset pulse having a time width ⁇ t is transmitted from the output terminal 126 of the pulse generator 24.
- the reset pulse is transmitted to the reset input terminal 128 of the RS flip-flop circuit 15 through the high voltage MOSFET 2 or the like.
- the output terminal 129 of the RS flip-flop circuit 15 is switched to the L level.
- the high side switch 22 acts to be turned off.
- the low-side switch command signal LIN is switched from the L level to the H level.
- the low side switch command signal LIN is transmitted to the sixth terminal 23 c of the low side switch 23 through the second amplifier 29.
- the low side switch 23 is switched from off to on.
- the low side switch command signal LIN transmitted from the low side switch command signal output terminal 102 b is transmitted to the reset input terminal 130 of the pulse generator 24 via the second hysteresis comparator 11.
- a reset pulse is transmitted from the output terminal 126 of the pulse generator 24.
- the low side switch 23 is turned off.
- the output voltage OUT of the output terminal 104 is affected by a sudden change, and an erroneous pulse may be induced at the set input terminal 127 of the RS flip-flop circuit 15.
- the erroneous pulse is not caused by the high side switch command signal HIN. Due to the influence of the erroneous pulse, the output terminal 129 of the RS flip-flop circuit 15 is switched to the H level. Therefore, it is assumed that the high side switch 22 is erroneously turned on.
- the low side switch command signal LIN rises, the low side switch command signal LIN is also transmitted to the reset input terminal of the pulse generator 24. Therefore, a reset pulse is transmitted from the output terminal 126 of the pulse generator 24. The transmitted reset pulse resets the RS flip-flop circuit 15.
- the output terminal 129 of the RS flip-flop circuit 15 is switched from the H level to the L level. That is, the high-side switch 22 that has been erroneously turned on is turned off.
- the high-side switch 22 and the low-side switch 23 are not turned on at the same time. Therefore, since the high side switch 22 and the low side switch 23 are not turned on at the same time, the main power supply 7 is not short-circuited. That is, the motor drive device is not destroyed.
- FIG. 5 is a cross-sectional view of a main part of the motor according to Embodiment 3 of the present invention.
- the motor 50 includes a rotor 60 and a stator 70 inside a housing 52.
- the shaft 60 is attached to the rotor 60 so as to penetrate the rotor core 62.
- the shaft 64 is rotatable by a pair of bearings 66.
- a winding 74 is wound around a stator core 72.
- a control current is passed through the winding 74, a magnetic field is generated in the stator core 72.
- the rotor 60 is rotated by this magnetic field.
- a control board 54 is attached inside the casing 52.
- a circuit that realizes the motor driving device described in the first and second embodiments is mounted on the control board 54.
- the motor drive device of the present invention has a level shift circuit to protect the high-side switch and the low-side switch forming the totem pole type circuit from malfunction caused by the operation of each switch. That is, it can be avoided that the high-side switch and the low-side switch connected in series are simultaneously turned on. Therefore, an extremely reliable motor driving device can be provided.
- the present invention can be applied not only to a motor drive device but also to drive devices for various inverter devices that can use a level shift circuit.
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Abstract
本発明のモータ駆動装置(100)は、直流電源(7)にハイサイドスイッチ(19)とロウサイドスイッチ(21)とを直列に接続してトーテムポール型回路を形成する。モータ駆動装置(100)は、ハイサイドスイッチ(19)をオン/オフするハイサイドスイッチ指令信号とロウサイドスイッチ(21)をオン/オフするロウサイドスイッチ指令信号とを送信する制御部(102)を有する。レベルシフト回路(13)は、第3の端子(19c)とハイサイドスイッチ指令信号出力端子(102a)との間に位置する。レベルシフト回路(13)は、ロウサイドスイッチ指令信号出力端子(102b)がロウサイドスイッチ(21)をオンするロウサイドスイッチ指令信号を送信したとき、ハイサイドスイッチ(19)をオフする、レベルシフトされたハイサイドスイッチ指令信号を、第3の端子(19c)に送信する。
Description
本発明は、特に、高耐圧IC(High Voltage IC)として利用されるレベルシフト回路に関する。レベルシフト回路は、可制御半導体が含む制御電極に用いられる。
可制御半導体は、電力を逆変換する際に用いられる、ブリッジ回路に使用される。可制御半導体は、特に、ブリッジ回路を構成する上側アームの半導体スイッチに用いられる。電力を逆変換することは、例えば、PWMインバータやモータ駆動装置などで行われる。可制御半導体が含む制御電極は、入力される制御信号について、電位の基準となる電極を有する。電位の基準となる電極とは、エミッタやソースなどである。電位の基準となる電極は、グランドなどの共通電位に対して変動する。可制御半導体が含む制御電極には、可制御半導体をオン/オフする制御信号が伝達される。レベルシフト回路は、可制御半導体が含む制御電極に対して、共通電位に接続された回路から電位を絶縁することなく、制御信号が伝達される。
従来、ブリッジ回路は、PWMインバータ等で電力を逆変換する際に用いられる。半導体スイッチは、ブリッジ回路の上側アームを構成する。電力逆変換とは、直流を交流へ変換することである。近年、特許文献1のように、半導体スイッチをオン/オフする回路には、レベルシフト回路が使用される。レベルシフト回路は、トランスやフォトカプラ等による電位絶縁が行われない。レベルシフト回路を用いれば、コストが低減できる。
図6は、従来のモータ駆動装置の構成図である。従来のモータ駆動装置には、レベルシフト回路が用いられる。図6に示すように、電力逆変換に用いられるブリッジ回路は、上側アームであるIGBT17と、下側アームであるIGBT18と、が直列に接続される。一相分のブリッジ回路は、IGBT17とIGBT18とで形成される。一相分のブリッジ回路は、主たる直流電源Vdcと共通電位COMとの間に位置する。直流電源Vdcを正極側、共通電位COMを負極側ともいう。直流電源Vdcは、例えば、400Vの高電圧が印加される。
出力端子104は、IGBT17のエミッタと、IGBT18のコレクタとの接続点である。IGBT17とIGBT18とが交互にオン/オフすれば、交流電力が生成される。出力端子104には、生成された出力電圧OUTとして交流電力が出力される。
補助となる直流電源E2は、負極が共通電位COMに接続される。直流電源E2は、ドライバ電源ともいう。直流電源E2は、例えば、15Vの電圧を供給する。ドライバ20は、下側アームのIGBT18をオン/オフする。ドライバ20は、直流電源E2と共通電位COMとの間に位置する。
その他、図6には、レベルシフト回路が示される。レベルシフト回路は、上側アームのIGBT17をオン/オフする。レベルシフト回路は、高耐圧MOSFET1と高耐圧MOSFET2とを含む。
高耐圧MOSFET1の入力端子25は、他の回路で生成されたオン信号を受信する。高耐圧MOSFET1がオン信号を受信すると、高耐圧MOSFET1は、オンになる。高耐圧MOSFET1がオンになれば、負荷抵抗3には電圧降下が生じる。負荷抵抗3に生じた電圧降下を信号として、IGBT17がオンになる。
高耐圧MOSFET2の入力端子26は、上記と同様、他の回路で生成されたオフ信号を受信する。高耐圧MOSFET2がオフ信号を受信すると、高耐圧MOSFET2は、オフになる。高耐圧MOSFET2がオフになれば、負荷抵抗4には電圧降下が生じる。負荷抵抗4に生じた電圧降下を信号として、IGBT17がオフになる。
通常、高耐圧MOSFET1と高耐圧MOSFET2とは、互いに等しく構成される。同様に、負荷抵抗3と負荷抵抗4も、互いに等しく構成される。負荷抵抗3には、定電圧ダイオード5が並列に接続される。同様に、負荷抵抗4には、定電圧ダイオード6が並列に接続される。負荷抵抗3と負荷抵抗4とは、過大な電圧降下の発生を制限することで、後述するNOT回路8とNOT回路9などを保護する。
図6に示すように、レベルシフト回路は、高耐圧MOSFET1と高耐圧MOSFET2とを含む回路部分と、破線で囲まれた回路部分とを有する。
高耐圧MOSFET1と高耐圧MOSFET2とを含む回路部分は、共通電位COMを基準の電位とする信号が入力される。共通電位COMは、静止している。
破線で囲まれた回路部分は、出力端子104に生じる出力電圧OUTを、基準の電位として動作する。破線で囲まれた回路部分は、基準の電位が変動する。IGBT17とIGBT18とがオン/オフすれば、出力端子104の出力電圧OUTは変動する。すなわち、出力電圧OUTの電位は、共通電位COMと主たる直流電源の電位Vdcとに、交互に追従する。
破線で囲まれた回路内に、補助となる直流電源E1が存在する。直流電源E2と同様、直流電源E1は、ドライバ電源ともいう。
直流電源E1は、正極がラインVcc1に接続され、負極が出力端子104に接続される。直流電源E1は、例えば、15Vの電圧を供給する。直流電源E1は、NOT回路8、NOT回路9、ローパスフィルタ回路(Low-Pass Filter)30、ローパスフィルタ回路31、RSフリップフロップ回路(Reset Set Flip-Flop circuit)15、ドライバ16などの電源である。ローパスフィルタ回路30、31は、LPFということもある。RSフリップフロップ回路15は、RSラッチ回路(Reset Set Latch circuit)、RS-FFともいう。
図7は、従来のモータ駆動装置の動作を示すタイムチャートである。図7に示すように、HINで示すタイムチャートには、上側アームであるIGBT17のオン/オフ指令信号が示される。LINで示されるタイムチャートには、下側アームであるIGBT18のオン/オフ指令信号が示される。HINおよびLINとも、Hレベルがオン、Lレベルがオフ、を指示する信号である。
25、26で示すタイムチャートには、入力端子25、26が受信するパルス信号が示される。パルス信号は、パルスジェネレータが発生する。入力端子25、26が受信するパルス信号は、図6に示されない、他の回路で生成される。タイムチャートの25で示されるパルス信号は、HIN信号の立ち上がり時に、一定の時間幅を有する信号として、高耐圧MOSFET1に伝達される。同様に、タイムチャートの26で示されるパルス信号は、HIN信号の立ち下がり時に、一定の時間幅を有する信号として、高耐圧MOSFET2に伝達される。
レベルシフト回路を構成する、RSフリップフロップ回路15は、セット信号Sと、リセット信号Rとを受信する。Sで示すタイムチャートには、セット信号Sが示される。Rで示すタイムチャートには、リセット信号Rが示される。入力端子25のオン信号が、高耐圧MOSFET1を介して、セット信号Sとして、入力端子25に伝達される。入力端子26のオフ信号が、高耐圧MOSFET2を介して、リセット信号Rとして、入力端子26に伝達される。RSフリップフロップ回路15は、出力信号Qを送信する。Qで示すタイムチャートには、出力信号Qが示される。出力信号Qは、セット信号SによりHレベルが送信される。出力信号Qは、リセット信号RによりLレベルが送信される。出力信号Qには、直前の出力状態も反映される。
図7中、17で示すタイムチャートには、上側アームであるIGBT17のオン/オフ状態が示される。18で示すタイムチャートには、下側アームであるIGBT18のオン/オフ状態が示される。Hレベルはオン状態を示す。Lレベルはオフ状態を示す。
OUTで示すタイムチャートには、出力電圧が示される。Hレベルは、直流電圧Vdcが出力される状態を示す。Lレベルは、GNDが出力される状態を示す。
図7に示すように、時刻t=0における各部の状態は、以下のとおりである。すなわち、HINがLレベルであるため、IGBT17はオフとなる。LINがHレベルであるため、IGBT18はオンとなる。このとき、出力端子104の出力電圧OUTの電位は、GNDレベルとなる。
次に、図7に示すように、時刻t=t1において、LINが、HレベルからLレベルに切り替えられる。この結果、IGBT18は、オンからオフに変化する。よって、出力端子104の出力電圧OUTの電位は、GNDレベルからVdcに、急激に高くなる。
次に、図7に示すように、時間t=t2において、HINが、LレベルからHレベルに切り替えられる。高耐圧MOSFET1は、25のタイムチャートで示される時間幅△tのパルス信号を受信する。パルス信号は、NOT回路8などを介してRSフリップフロップ回路15が有する入力端子へセット信号Sを伝達する。この結果、RSフリップフロップ回路15の出力として、出力信号Qは、Hレベルを送信する。よって、IGBT17はオンとなる。
次に、図7に示すように、時間t=t3において、HINが、HレベルからLレベルに切り替えられる。高耐圧MOSFET2は、26のタイムチャートで示される時間幅△tのパルス信号を受信する。パルス信号は、NOT回路9などを介してRSフリップフロップ回路15が有する入力端子へリセット信号Rを伝達する。この結果、RSフリップフロップ回路15の出力として、出力信号Qは、Lレベルを送信する。よって、IGBT17はオフとなる。
以上のような動作が、HINとLINで示される信号のレベルが、切り替えられる毎に行われる。
本発明が対象とするモータ駆動装置は、直流電源にハイサイドスイッチとロウサイドスイッチとを直列に接続してトーテムポール型回路を形成する。また、モータ駆動装置は、ハイサイドスイッチをオン/オフするハイサイドスイッチ指令信号とロウサイドスイッチをオン/オフするロウサイドスイッチ指令信号とを送信する制御部を有する。
特に、ハイサイドスイッチは、第1の端子と、第2の端子と、第3の端子と、を含む。第1の端子は、直流電源の正極側と接続する。第2の端子は、ロウサイドスイッチと接続する。第3の端子は、第1の端子と第2の端子との間をオン/オフするハイサイドスイッチ指令信号を受信する。
ロウサイドスイッチは、第4の端子と、第5の端子と、第6の端子と、を含む。第4の端子は、第2の端子と接続する。第5の端子は、直流電源の負極側と接続する。第6の端子は、第4の端子と第5の端子との間をオン/オフするロウサイドスイッチ指令信号を受信する。
制御部は、ハイサイドスイッチ指令信号出力端子と、ロウサイドスイッチ指令信号出力端子と、を含む。ハイサイドスイッチ指令信号出力端子は、第3の端子に向けてハイサイドスイッチ指令信号を送信する。ロウサイドスイッチ指令信号出力端子は、第6の端子に向けてロウサイドスイッチ指令信号を送信する。
レベルシフト回路は、第3の端子とハイサイドスイッチ指令信号出力端子との間に位置する。レベルシフト回路は、ロウサイドスイッチ指令信号出力端子がロウサイドスイッチをオンするロウサイドスイッチ指令信号を送信したとき、ハイサイドスイッチをオフする、レベルシフトされたハイサイドスイッチ指令信号を、第3の端子に送信する。
本発明の実施の形態であるモータ駆動装置は、後述する構成により、ロウサイドスイッチがオンするときには、その状態によらず、ハイサイドスイッチをオフする。よって、ハイサイドスイッチとロウサイドスイッチとが、同時にオンする状態が発生することを防止できる。この結果、ハイサイドスイッチとロウサイドスイッチとが同時にオンすることで、主たる直流電源と共通電位とが短絡されることで生じていたモータ駆動装置の破壊を防止できる。
特に、本発明の実施の形態であるモータ駆動装置は、後述するように、レベルシフト回路として、パルス発生器と、RSフリップフロップ回路と、を有する。
本構成により、パルス発生器において、ロウサイドスイッチがオンするときには、ハイサイドスイッチはオフするリセットパルスが送信される。よって、ハイサイドスイッチは、その状態によらず、オフすることになる。この結果、ハイサイドスイッチとロウサイドスイッチとが同時にオンすることを防止できる。従って、主たる直流電源と共通電位とが短絡されることで生じていたモータ駆動装置の破壊を防止できる。
つまり、本発明の実施の形態であるモータ駆動装置は、ハイサイドスイッチとロウサイドスイッチとが同時にオンすることを防止することにより、信頼性を高めることができる。
ところで、従来のモータ駆動装置には、つぎの改善すべき点があった。すなわち、図7に示すように、時刻t=t4において、LINが、HレベルからLレベルに切り替えられると、IGBT18はオフする。IGBT18がオフすることで出力端子104に出力電圧OUTの電位が急激に高くなると、RSフリップフロップ回路15のS端子には、HINによらない誤パルスが誘起されることがある。誘起された誤パルスにより、RSフリップフロップ回路15の出力として、出力信号Qは、Hレベルが出力される。出力信号QとしてHレベルが出力されるため、IGBT17が誤オンする。
その後、時刻t=t5において、LINが、再び、LレベルからHレベルに切り替えられると、再び、IGBT18はオンする。この結果、IGBT17とIGBT18とが、上下アームで同時にオンとなる。つまり、直流電源Vdcと共通電位COMとを短絡することになるため、過大な電流が、IGBT17とIGBT18とに流れる。よって、IGBT17とIGBT18が破壊される。あるいは、IGBT17やIGBT18の周辺を構成する要素まで、破壊されることがあった。
そこで、後述する本発明の実施の形態であるモータ駆動装置により、トーテムポール型回路に直列に接続されたハイサイドスイッチとロウサイドスイッチとが保護される。
具体的には、ロウサイドスイッチがオフするとき、ハイサイドスイッチとロウサイドスイッチとの接点である出力端子において、電位が急激に高くなることがある。出力側の電位が急激に高くなると、ハイサイドスイッチを誤オンさせるような、誤った入力側の信号が誘起されることがある。この誤った入力側の信号により、ハイサイドスイッチが誤オンすることがある。この状態で、その後、ロウサイドスイッチがオンされると、ハイサイドスイッチとロウサイドスイッチとが同時にオンされる。ハイサイドスイッチとロウサイドスイッチとが同時に、オンすれば、直流電源を短絡することになる。このハイサイドスイッチの誤オン状態が発生することを防止する。つまり、ハイサイドスイッチとロウサイドスイッチとが、同時にオンとなる状態の発生を防止する。
よって、ハイサイドスイッチとロウサイドスイッチとを破壊から防ぐ、信頼性の高いモータ駆動装置が提供できる。
以下、本発明の実施の形態について、図面及び表を用いて説明する。なお、以下の実施の形態は、本発明を具体化した一例であって、本発明の技術範囲を限定するものではない。
(実施の形態1)
図1は、本発明の実施の形態1におけるモータ駆動装置の構成図である。図2は、本発明の実施の形態1におけるモータ駆動装置の動作を説明するタイムチャートである。
図1は、本発明の実施の形態1におけるモータ駆動装置の構成図である。図2は、本発明の実施の形態1におけるモータ駆動装置の動作を説明するタイムチャートである。
図1に示すように、モータ駆動装置100は、直流電源である主電源7にハイサイドスイッチ19とロウサイドスイッチ21とを直列に接続してトーテムポール型回路を形成する。また、モータ駆動装置100は、ハイサイドスイッチ19をオン/オフするハイサイドスイッチ指令信号とロウサイドスイッチ21をオン/オフするロウサイドスイッチ指令信号とを送信する制御部102を有する。
特に、ハイサイドスイッチ19は、第1の端子19aと、第2の端子19bと、第3の端子19cと、を含む。第1の端子19aは、直流電源である主電源7の正極側と接続される。第2の端子19bは、ロウサイドスイッチ21と接続される。第3の端子19cは、第1の端子19aと第2の端子19bとの間をオン/オフするハイサイドスイッチ指令信号を受信する。
ロウサイドスイッチ21は、第4の端子21aと、第5の端子21bと、第6の端子21cと、を含む。第4の端子21aは、第2の端子19bと接続される。第5の端子21bは、直流電源である主電源7の負極側と接続される。第6の端子21cは、第4の端子21aと第5の端子21bとの間をオン/オフするロウサイドスイッチ指令信号を受信する。
制御部102は、ハイサイドスイッチ指令信号出力端子102aと、ロウサイドスイッチ指令信号出力端子102bと、を含む。ハイサイドスイッチ指令信号出力端子102aは、第3の端子19cに向けてハイサイドスイッチ指令信号を送信する。ロウサイドスイッチ指令信号出力端子102bは、第6の端子21cに向けてロウサイドスイッチ指令信号を送信する。
レベルシフト回路13は、第3の端子19cとハイサイドスイッチ指令信号出力端子102aとの間に位置する。レベルシフト回路13は、ロウサイドスイッチ指令信号出力端子102bがロウサイドスイッチ21をオンするロウサイドスイッチ指令信号を送信したとき、ハイサイドスイッチ19をオフする、レベルシフトされたハイサイドスイッチ指令信号を、第3の端子19cに送信する。
さらに、図1を用いて、詳細に説明する。
主電源7の正極側端子と負極側端子との間に、ハイサイドスイッチ19とロウサイドスイッチ21とが、トーテムポール型に直列接続される。ハイサイドスイッチ19の第2の端子19bとロウサイドスイッチ21の第4の端子21aとが接続される箇所は、出力端子104を成す。この出力端子104の出力電圧をOUTと示す。出力端子104は、モータ巻線12の一端に接続される。ハイサイドスイッチ指令信号出力端子102aから送信された、ハイサイドスイッチ指令信号HINは、第1のヒステリシスコンパレータ10に受信される。第1のヒステリシスコンパレータ10は、受信したハイサイドスイッチ指令信号HINを、レベルシフト回路13に向けて送信する。
レベルシフト回路13が送信する信号は、ハイサイドスイッチ19の第3の端子19cであるゲートに受信される。ロウサイドスイッチ指令信号出力端子102bから送信された、ロウサイドスイッチ指令信号LINは、第2のヒステリシスコンパレータ11に受信される。第2のヒステリシスコンパレータ11は、受信したロウサイドスイッチ指令信号LINを、ロウサイドスイッチ21の第6の端子21cであるゲートに向けて送信する。
図1には、複数相のモータ巻線を有するモータ駆動装置について、1相分のみ図示している。
以上のように構成されたモータ駆動装置について、図2に示すタイムチャートを用いて、動作や作用について説明する。なお、モータ駆動装置を構成する要素については、図1で示した符号を付す。
図2に示すように、HINで示すタイムチャートには、ハイサイドスイッチ19をオン/オフする、ハイサイドスイッチ指令信号が示される。LINで示すタイムチャートには、ロウサイドスイッチ21をオン/オフする、ロウサイドスイッチ指令信号が示される。ハイサイドスイッチ指令信号HIN、ロウサイドスイッチ指令信号LINとも、Hレベルがオン、Lレベルがオフ、を指示する信号である。
19で示すタイムチャートには、ハイサイドスイッチ19のオン、オフ状態が示される。21で示すタイムチャートには、ロウサイドスイッチ21のオン、オフ状態が示される。ハイサイドスイッチ19、ロウサイドスイッチ21のオン/オフ状態は、Hレベルがオン、Lレベルがオフ、を示す。OUTで示すタイムチャートには、ハイサイドスイッチ19の第2の端子19bとロウサイドスイッチ21の第4の端子21aとの接点である出力端子104の出力電圧が示される。
まず、時刻t=0における各部の状態は、以下のとおりである。ハイサイドスイッチ指令信号HINはLレベルである。ロウサイドスイッチ指令信号LINはHレベルである。ハイサイドスイッチ19はオフである。ロウサイドスイッチ21はオンである。出力端子104の出力電圧OUTはGNDレベルである。
次に、時刻t=t1において、ロウサイドスイッチ指令信号LINが、HレベルからLレベルに切り替えられる。よって、ロウサイドスイッチ21が、オンからオフになる。この結果、出力端子104の出力電圧OUTは、GNDレベルからVdcレベルへ急激に高くなる。
次に、時刻t=t2において、ハイサイドスイッチ指令信号HINが、LレベルからHレベルに切り替えられる。このとき、レベルシフト回路13は、ハイサイドスイッチ19がオンとなるように作用する。
次に、時刻t=t3において、ハイサイドスイッチ指令信号HINが、HレベルからLレベルに切り替えられる。このとき、レベルシフト回路13は、ハイサイドスイッチ19がオフとなるように作用する。
ハイサイドスイッチ指令信号HINとロウサイドスイッチ指令信号LINのレベルが切り替えられるたびに、以上の動作が繰り返される。
ところで、図2に示す、時刻t=t4において、ロウサイドスイッチ指令信号LINが、HレベルからLレベルに切り替えられると、ロウサイドスイッチ21はオフする。ロウサイドスイッチ21がオフするとき、出力端子104の出力電圧OUTが急激に変化した影響を受け、ハイサイドスイッチ19がオンしたと仮定する。
しかし、次の時刻t=t5において、ロウサイドスイッチ指令信号LINが、LレベルからHレベルへ切り替えられると、ロウサイドスイッチ21がオンする。さらに、レベルシフト回路13の作用により、同時に、ハイサイドスイッチ19はオフする。この結果、ハイサイドスイッチ19とロウサイドスイッチ21とが、同時にオンする状態は発生しない。よって、ハイサイドスイッチ19とロウサイドスイッチ21とが同時にオンしないため、主電源7が短絡されることはない。つまり、モータ駆動装置が破壊されることはない。
(実施の形態2)
図3は、本発明の実施の形態2におけるモータ駆動装置の構成図である。図4は、本発明の実施の形態2におけるモータ駆動装置の動作を説明するタイムチャートである。各図において、実施の形態1で説明した構成要素と同じものについては、同一の符号を付し、説明を援用する。
図3は、本発明の実施の形態2におけるモータ駆動装置の構成図である。図4は、本発明の実施の形態2におけるモータ駆動装置の動作を説明するタイムチャートである。各図において、実施の形態1で説明した構成要素と同じものについては、同一の符号を付し、説明を援用する。
図3に示すように、レベルシフト回路13は、パルス発生器であるパルスジェネレータ24と、RSフリップフロップ回路15とを含む。
パルス発生器であるパルスジェネレータ24は、ハイサイドスイッチ指令信号出力端子102aが送信するハイサイドスイッチ指令信号が、オフからオンに切り替わるときには、セットパルスを送信する。パルスジェネレータ24は、ハイサイドスイッチ指令信号出力端子102aが送信するハイサイドスイッチ指令信号が、オンからオフに切り替わるときには、リセットパルスを送信する。
RSフリップフロップ回路15は、パルスジェネレータ24が送信したセットパルスを受信したとき、ハイサイドスイッチ22をオンする、レベルシフトされたハイサイドスイッチ指令信号を送信する。RSフリップフロップ回路15は、パルスジェネレータ24が送信したリセットパルスを受信したとき、ハイサイドスイッチ22をオフする、レベルシフトされたハイサイドスイッチ指令信号を送信する。
さらに、ロウサイドスイッチ指令信号出力端子102bが、ロウサイドスイッチ23をオフからオンに切り替えるロウサイドスイッチ指令信号を送信したとき、パルスジェネレータ24はリセットパルスを送信する。
さらに、図3を用いて、詳細に説明する。
主電源7の正極側端子と負極側端子との間に、ハイサイドスイッチ22と、ロウサイドスイッチ23と、電流検出抵抗27とが、トーテムポール型に直列接続される。ハイサイドスイッチ22の第2の端子22bとロウサイドスイッチ23の第4の端子23aとが接続される箇所は、出力端子104を成す。ハイサイドスイッチ22の第1の端子22aは、主電源7の正極側端子と接続される。ロウサイドスイッチ23の第5の端子23bは、電流検出抵抗27を介して、主電源7の負極側端子と接続される。この出力端子104の出力電圧をOUTと示す。出力端子104は、モータ巻線12の一端に接続される。ハイサイドスイッチ22とロウサイドスイッチ23は、MOSFETで構成できる。
ハイサイドスイッチ指令信号出力端子102aから送信された、ハイサイドスイッチ指令信号HINは、第1のヒステリシスコンパレータ10に受信される。第1のヒステリシスコンパレータ10は、受信したハイサイドスイッチ指令信号HINを、レベルシフト回路13を構成するパルスジェネレータ24の入力端子124に向けて送信する。パルスジェネレータ24の出力端子125は、第1の高耐圧MOSFET1のゲートに接続される。パルスジェネレータ24の出力端子126は、第2の高耐圧MOSFET2のゲートに接続される。
第1の高耐圧MOSFET1のドレインは、負荷抵抗3に接続される。第1の高耐圧MOSFET1のドレインは、RSフリップフロップ回路15のセット入力端子127に接続される。第2の高耐圧MOSFET2のドレインは、負荷抵抗4に接続される。第2の高耐圧MOSFET2のドレインは、RSフリップフロップ回路15のリセット入力端子128に接続される。
RSフリップフロップ回路15の出力端子129は、第1の増幅器28を介して、ハイサイドスイッチ22の第3の端子22cであるゲートに接続される。
パルスジェネレータ24と、第1の高耐圧MOSFET1と、第2の高耐圧MOSFET2と、負荷抵抗3、4と、RSフリップフロップ回路15と、第1の増幅器28とは、レベルシフト回路13を構成する要素である。
ロウサイドスイッチ指令信号出力端子102bから送信された、ロウサイドスイッチ指令信号LINは、第2のヒステリシスコンパレータ11に受信される。第2のヒステリシスコンパレータ11は、受信したロウサイドスイッチ指令信号LINを、レベルシフト回路13を構成するパルスジェネレータ24のリセット入力端子130に向けて送信する。また、第2のヒステリシスコンパレータ11は、受信したロウサイドスイッチ指令信号LINを、第2の増幅器29を介して、ロウサイドスイッチ23の第6の端子23cであるゲートに向けて送信する。
図3には、複数相のモータ巻線12を有するモータ駆動装置100について、1相分のみ図示している。
以上のように構成されたモータ駆動装置について、図4に示すタイムチャートを用いて、動作や作用について説明する。なお、モータ駆動装置を構成する要素については、図3で示した符号を付す。
図4に示すように、HINで示すタイムチャートには、ハイサイドスイッチ22をオン/オフする、ハイサイドスイッチ指令信号が示される。LINで示すタイムチャートには、ロウサイドスイッチ23をオン/オフする、ロウサイドスイッチ指令信号が示される。ハイサイドスイッチ指令信号HIN、ロウサイドスイッチ指令信号LINとも、Hレベルがオン、Lレベルがオフ、を指示する信号である。
125で示すタイムチャートには、パルスジェネレータ24の出力端子125から送信されるパルス信号OUT1が示される。126で示すタイムチャートには、パルスジェネレータ24の出力端子126から送信されるパルス信号OUT2が示される。ハイサイドスイッチ指令信号HINが立ち上がるとき、出力端子125から一定の時間幅を有するパルス信号OUT1が送信される。出力端子125から送信されたパルス信号OUT1は、高耐圧MOSFET1に受信される。ハイサイドスイッチ指令信号HINが立ち下がるとき、出力端子126から一定の時間幅を有するパルス信号OUT2が送信される。出力端子126から送信されたパルス信号OUT2は、高耐圧MOSFET2に受信される。
Sで示すタイムチャートは、RSフリップフロップ回路15が含むセット入力端子127が受信するセットパルスである。セットパルスは、パルスジェネレータ24から送信されたパルス信号OUT1を、高耐圧MOSFET1を介して伝達される。
Rで示すタイムチャートは、RSフリップフロップ回路15が含むリセット入力端子128が受信するリセットパルスである。リセットパルスは、パルスジェネレータ24から送信されたパルス信号OUT2を、高耐圧MOSFET2を介して伝達される。RSフリップフロップ回路15は、レベルシフト回路13を構成する要素である。
Qで示すタイムチャートは、RSフリップフロップ回路15が含む出力端子129から送信される出力信号Qが示される。セット入力端子127がセットパルスを受信すれば、出力信号QとしてHレベルが出力される。リセット入力端子128がリセットパルスを受信すれば、出力信号QとしてLレベルが出力される。
22で示すタイムチャートには、ハイサイドスイッチ22のオン、オフ状態が示される。23で示すタイムチャートには、ロウサイドスイッチ23のオン、オフ状態が示される。ハイサイドスイッチ22、ロウサイドスイッチ23のオン/オフ状態は、Hレベルがオン、Lレベルがオフ、を示す。
OUTで示すタイムチャートには、ハイサイドスイッチ22の第2の端子22bとロウサイドスイッチ23の第4の端子23aとの接点である出力端子104の出力電圧が示される。
また、ロウサイドスイッチ指令信号LINは、第2の増幅器29を介して、ロウサイドスイッチ23が含む第6の端子23cであるゲートへ伝達される。ロウサイドスイッチ指令信号LINは、パルスジェネレータ24が含むリセット入力端子130にも入力される。ロウサイドスイッチ指令信号LINが、LレベルからHレベルへ立ち上がるとき、パルスジェネレータ24の出力端子126からパルス信号OUT2としてリセットパルスが送信される。
図4に示すように、時刻t=0における各部の状態は、以下のとおりである。ハイサイドスイッチ指令信号HINはLレベルである。ロウサイドスイッチ指令信号LINはHレベルである。ハイサイドスイッチ22はオフである。ロウサイドスイッチ23はオンである。出力端子104の出力電圧OUTはGNDレベルである。
次に、時刻t=t1において、ロウサイドスイッチ指令信号LINが、HレベルからLレベルに切り替えられる。よって、ロウサイドスイッチ23が、オンからオフになる。この結果、出力端子104の出力電圧OUTは、GNDレベルからVdcレベルへ急激に高くなる。
次に、時刻t=t2において、ハイサイドスイッチ指令信号HINが、LレベルからHレベルに切り替えられる。このとき、パルスジェネレータ24の出力端子125から、時間幅Δtを有するセットパルスが送信される。セットパルスは、高耐圧MOSFET1などを介して、RSフリップフロップ回路15のセット入力端子127へ伝達される。セット入力端子127がセットパルスを受信すると、RSフリップフロップ回路15の出力端子129は、Hレベルに切り替えられる。この結果、ハイサイドスイッチ22はオンとなるように作用する。
次に、時刻t=t3において、ハイサイドスイッチ指令信号HINが、HレベルからLレベルに切り替えられる。このとき、パルスジェネレータ24の出力端子126から、時間幅Δtを有するリセットパルスが送信される。リセットパルスは、高耐圧MOSFET2などを介して、RSフリップフロップ回路15のリセット入力端子128へ伝達される。リセット入力端子128がリセットパルスを受信すると、RSフリップフロップ回路15の出力端子129は、Lレベルに切り替えられる。この結果、ハイサイドスイッチ22はオフとなるように作用する。
続いて、時刻t=t3aにおいて、ロウサイドスイッチ指令信号LINが、LレベルからHレベルに切り替えられる。ロウサイドスイッチ指令信号LINは、第2の増幅器29を介して、ロウサイドスイッチ23の第6の端子23cに伝達される。ロウサイドスイッチ23は、オフからオンに切り替えられる。併せて、ロウサイドスイッチ指令信号出力端子102bから送信されたロウサイドスイッチ指令信号LINは、第2のヒステリシスコンパレータ11を介して、パルスジェネレータ24のリセット入力端子130に伝達される。リセット入力端子130がロウサイドスイッチ指令信号LINを受信すれば、パルスジェネレータ24の出力端子126からリセットパルスが送信される。
ハイサイドスイッチ指令信号HINとロウサイドスイッチ指令信号LINのレベルが切り替えられるたびに、以上の動作が繰り返される。
ところで、図4に示す、時刻t=t4において、ロウサイドスイッチ指令信号LINが、HレベルからLレベルに切り替えられると、ロウサイドスイッチ23はオフする。ロウサイドスイッチ23がオフするとき、出力端子104の出力電圧OUTが急激に変化した影響を受け、RSフリップフロップ回路15のセット入力端子127に誤パルスが誘起されることがある。誤パルスは、ハイサイドスイッチ指令信号HINに起因するものではない。誤パルスの影響により、RSフリップフロップ回路15の出力端子129は、Hレベルに切り替えられる。よって、ハイサイドスイッチ22が誤オンしたと仮定する。
次に、時刻t=t5において、再び、ロウサイドスイッチ指令信号LINが、LレベルからHレベルへ切り替えられると、ロウサイドスイッチ23がオンする。
ところで、ロウサイドスイッチ指令信号LINが立ち上がるとき、ロウサイドスイッチ指令信号LINは、パルスジェネレータ24のリセット入力端子にも伝達される。よって、パルスジェネレータ24の出力端子126からリセットパルスが送信される。送信されたリセットパルスは、RSフリップフロップ回路15をリセットする。RSフリップフロップ回路15がリセットされると、RSフリップフロップ回路15の出力端子129は、HレベルからLレベルに切り替えられる。つまり、誤オンしていたハイサイドスイッチ22がオフする。
この結果、ハイサイドスイッチ22とロウサイドスイッチ23が、同時にオンする状態は発生しない。よって、ハイサイドスイッチ22とロウサイドスイッチ23とが同時にオンしないため、主電源7が短絡されることはない。つまり、モータ駆動装置が破壊されることはない。
(実施の形態3)
図5は、本発明の実施の形態3におけるモータの要部断面図である。
図5は、本発明の実施の形態3におけるモータの要部断面図である。
図5に示すように、モータ50は、筐体52の内部に、回転子60と、固定子70とを有する。
回転子60は、回転子コア62を貫通するようにシャフト64が取り付けられる。シャフト64は、一対の軸受66により、回転自在となる。
固定子70は、固定子コア72に巻線74が巻き回される。巻線74に制御電流が流されると、固定子コア72に磁界が発生する。この磁界により、回転子60が回転する。
筐体52の内部には、制御基板54が取り付けられる。制御基板54には、実施の形態1、2で説明したモータ駆動装置を実現する回路が実装される。
本構成によれば、実施の形態1、2で説明した作用効果を奏するモータを実現できる。
本発明のモータの駆動装置は、レベルシフト回路を有することにより、トーテムポール型回路を形成するハイサイドスイッチとロウサイドスイッチを、各スイッチの動作に起因する誤動作から保護する。つまり、直列に接続されたハイサイドスイッチとロウサイドスイッチとが、同時にオンすることを回避できる。よって、極めて信頼性の高いモータ駆動装置を提供できる。本発明は、モータ駆動装置以外にも、レベルシフト回路が使用できる様々なインバータ機器の駆動装置にも適用できる。
1 高耐圧MOSFET
2 高耐圧MOSFET
3,4 負荷抵抗
5,6 定電圧ダイオード
7 主電源(直流電源)
8,9 NOT回路
10 第1のヒステリシスコンパレータ
11 第2のヒステリシスコンパレータ
12 モータ巻線
13 レベルシフト回路
15 RSフリップフロップ回路
16,20 ドライバ
17,18 IGBT
19,22 ハイサイドスイッチ
19a,22a 第1の端子
19b,22b 第2の端子
19c,22c 第3の端子
21,23 ロウサイドスイッチ
21a,23a 第4の端子
21b,23b 第5の端子
21c,23c 第6の端子
24 パルスジェネレータ(パルス発生器)
25,26,124 入力端子
27 電流検出抵抗
28 第1の増幅器
29 第2の増幅器
30,31 ローパスフィルタ回路
50 モータ
52 筐体
54 制御基板
60 回転子
62 回転子コア
64 シャフト
66 軸受
70 固定子
72 固定子コア
74 巻線
100 モータ駆動装置
102 制御部
102a ハイサイドスイッチ指令信号出力端子
102b ロウサイドスイッチ指令信号出力端子
104,125,126,129 出力端子
127 セット入力端子
128,130 リセット入力端子
2 高耐圧MOSFET
3,4 負荷抵抗
5,6 定電圧ダイオード
7 主電源(直流電源)
8,9 NOT回路
10 第1のヒステリシスコンパレータ
11 第2のヒステリシスコンパレータ
12 モータ巻線
13 レベルシフト回路
15 RSフリップフロップ回路
16,20 ドライバ
17,18 IGBT
19,22 ハイサイドスイッチ
19a,22a 第1の端子
19b,22b 第2の端子
19c,22c 第3の端子
21,23 ロウサイドスイッチ
21a,23a 第4の端子
21b,23b 第5の端子
21c,23c 第6の端子
24 パルスジェネレータ(パルス発生器)
25,26,124 入力端子
27 電流検出抵抗
28 第1の増幅器
29 第2の増幅器
30,31 ローパスフィルタ回路
50 モータ
52 筐体
54 制御基板
60 回転子
62 回転子コア
64 シャフト
66 軸受
70 固定子
72 固定子コア
74 巻線
100 モータ駆動装置
102 制御部
102a ハイサイドスイッチ指令信号出力端子
102b ロウサイドスイッチ指令信号出力端子
104,125,126,129 出力端子
127 セット入力端子
128,130 リセット入力端子
Claims (3)
- 直流電源にハイサイドスイッチとロウサイドスイッチとを直列に接続してトーテムポール型回路を形成し、前記ハイサイドスイッチをオン/オフするハイサイドスイッチ指令信号と前記ロウサイドスイッチをオン/オフするロウサイドスイッチ指令信号とを送信する制御部を有するモータ駆動装置であって、
前記ハイサイドスイッチは、前記直流電源の正極側と接続する第1の端子と、前記ロウサイドスイッチと接続する第2の端子と、前記第1の端子と前記第2の端子との間をオン/オフする前記ハイサイドスイッチ指令信号を受信する第3の端子と、を含み、
前記ロウサイドスイッチは、前記第2の端子と接続する第4の端子と、前記直流電源の負極側と接続する第5の端子と、前記第4の端子と前記第5の端子との間をオン/オフする前記ロウサイドスイッチ指令信号を受信する第6の端子と、を含み、
前記制御部は、前記第3の端子に向けて前記ハイサイドスイッチ指令信号を送信するハイサイドスイッチ指令信号出力端子と、前記第6の端子に向けて前記ロウサイドスイッチ指令信号を送信するロウサイドスイッチ指令信号出力端子と、を含み、
前記第3の端子と前記ハイサイドスイッチ指令信号出力端子との間に位置し、前記ロウサイドスイッチ指令信号出力端子が前記ロウサイドスイッチをオンする前記ロウサイドスイッチ指令信号を送信したとき、前記ハイサイドスイッチをオフする、レベルシフトされたハイサイドスイッチ指令信号を、前記第3の端子に送信するレベルシフト回路を有するモータ駆動装置。 - 前記レベルシフト回路は、
前記ハイサイドスイッチ指令信号出力端子が送信する前記ハイサイドスイッチ指令信号が、オフからオンに切り替わるときにはセットパルスを送信するとともに、オンからオフに切り替わるときにはリセットパルスを送信する、パルス発生器と、
前記パルス発生器が送信した前記セットパルスを受信したとき前記ハイサイドスイッチをオンし、前記パルス発生器が送信した前記リセットパルスを受信したとき前記ハイサイドスイッチをオフする、前記レベルシフトされたハイサイドスイッチ指令信号を送信するRSフリップフロップ回路と、
を含み、
前記ロウサイドスイッチ指令信号出力端子が、前記ロウサイドスイッチをオフからオンに切り替える前記ロウサイドスイッチ指令信号を送信したとき、前記パルス発生器は前記リセットパルスを送信する、請求項1に記載のモータ駆動装置。 - 請求項1または2に記載のモータ駆動装置を備えたモータ。
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Family Applications (1)
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---|---|---|---|
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- 2013-04-09 JP JP2013080943A patent/JP2016115951A/ja active Pending
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2014
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Patent Citations (4)
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