WO2021246481A1 - 駆動装置 - Google Patents

Abstract

駆動装置（１）は、インバータ部（６５）と、チャージポンプ回路（３０、３５）と、を備える。インバータ部（６５）は、上アーム素子（６５１）および下アーム素子（６５２）を有し、負荷に供給される電力を変換する。チャージポンプ回路（３０、３５）は、上アーム素子（６５１）にゲート電圧を供給する。チャージポンプ回路（３０）の出力電圧は、インバータ入力配線（６０１）からインバータ部（６５）の高電位側に入力されるインバータ入力電圧に応じて可変である。

Description

駆動装置 関連出願の相互参照

　本出願は、２０２０年６月４日に出願された特許出願番号２０２０－０９７７５２号に基づくものであり、ここにその記載内容を援用する。

　本開示は、駆動装置に関する。

　従来、モータ等の負荷を駆動する駆動回路が知られている。例えば特許文献１では、昇圧回路は、昇圧電圧が目標値となるように、フィードバック制御を行う。

特開２０１５－８９２６８号公報

　ドライバ電源生成回路がチャージポンプ回路である場合、チャージポンプ回路を常時駆動して出力可能な電圧が目標とする昇圧電圧より大きい場合、チャージポンプ回路を間欠動作させることで、目標の電圧を出力することができる。また、チャージポンプ回路の出力電圧をスイッチング素子のゲートに供給する場合、チャージポンプ回路の出力電圧とスイッチング素子のソースの電圧とが異なり、ソース－ゲート間電圧が耐圧を越えると、スイッチング素子が破損する虞がある。

　そのため、バッテリ電圧の低下によりスイッチング素子のソース側の電圧が低下した場合、チャージポンプ回路を間欠動作させることで、チャージポンプ回路の出力電圧を下げ、ソース－ゲート間電圧を耐圧以下にすることができる。しかしながら、差電圧によっては、チャージポンプ回路の間欠動作におけるスイッチング周波数が可聴域になり、コンデンサの音鳴りが発生する虞がある。本開示の目的は、スイッチング素子を適切に保護可能な駆動装置を提供することにある。

　本開示の駆動装置は、インバータ部と、チャージポンプ回路と、を備える。インバータ部は、上アーム素子および下アーム素子を有し、負荷に供給される電力を変換する。チャージポンプ回路は、上アーム素子のゲート電圧を供給する。チャージポンプ回路の出力電圧は、インバータ入力配線からインバータ部の高電位側に入力されるインバータ入力電圧に応じて可変である。これにより、上アーム素子を適切に保護することができる。

　本開示についての上記目的及びその他の目的、特徴や利点は、添付の図面を参照しながら下記の詳細な記述により、より明確になる。その図面は、
図１は、第１実施形態による駆動装置を示す回路図であり、 図２は、第１実施形態による昇圧回路を示す回路図であり、 図３は、第１実施形態によるプリチャージ回路を示す回路図であり、 図４は、第１実施形態によるチャージポンプドライバ回路を示す回路図であり、 図５は、第１実施形態による始動時の電圧の変化を説明するタイムチャートであり、 図６は、第２実施形態による駆動装置を示す回路図であり、 図７は、第２実施形態によるチャージポンプドライバ回路を示す回路図である。

　以下、本開示による駆動装置を図面に基づいて説明する。以下、複数の実施形態において、実質的に同一の構成には同一の符号を付して説明を省略する。

　　　（第１実施形態）
　第１実施形態を図１～図５に示す。駆動装置１は、昇圧回路１０、プリチャージ回路２０、チャージポンプ回路３０、ゲート駆動回路４１～４４、電圧監視回路５０、および、インバータ部６５等を有し、バッテリ９０から供給される電力をインバータ部６５で変換することで、図示しない負荷を駆動する。負荷は例えばモータであって、電動パワーステアリング装置に適用される。

　インバータ部６５は、上アーム素子６５１および下アーム素子６５２を有する。上アーム素子６５１および下アーム素子６５２は、例えばＭＯＳＦＥＴであるが、ＩＧＢＴやサイリスタ等を用いてもよい。リレー素子６３１、６３２も同様である。図１では、１組の上アーム素子６５１および下アーム素子６５２を記載しているが、インバータ部６５に接続される負荷が３相モータであれば、上アーム素子６５１および下アーム素子６５２が３組並列に接続される。

　電源リレー部６３は、バッテリ９０とインバータ部６５との間に設けられ、リレー素子６３１、６３２を有する。リレー素子６３１、６３２は、例えばＭＯＳＦＥＴであって、寄生ダイオードの向きが逆向きとなるように直列に接続される。

　インバータ部６５には、平滑コンデンサ６９が並列に接続される。バッテリ９０とインバータ部６５とを接続する配線をインバータ入力配線６０１とする。本実施形態では、インバータ入力配線６０１には、プリチャージ回路２０が接続されており、平滑コンデンサ６９は、電源リレー部６３がオフの状態にて、プリチャージ回路２０を経由してプリチャージ可能である。また、インバータ入力配線６０１の電圧はプリチャージ電圧ＰＲＥとなる。

　図２に示すように、昇圧回路１０は、チョッパ型であって、スイッチング素子１１、抵抗１２、ゲート抵抗１３、可変抵抗１４、および、ゲート駆動部１５を有する。昇圧回路１０の昇圧電圧ＶＳは、プリチャージ回路２０、チャージポンプ回路３０に供給される。昇圧回路１０は、車両のイグニッションスイッチ等である始動スイッチ（以下適宜「ＩＧ」とする。）がオンされている期間、昇圧電圧ＶＳが設定値Ｖｘ（例えば１６［Ｖ］）となるように常時駆動される。

　スイッチング素子１１のドレインは、入力端子１０１およびコイル６１を経由してバッテリ９０に接続される。スイッチング素子１１のソースは、抵抗１２およびグランド端子１０２を経由してグランドに接続される。抵抗１３の高電位側は、出力端子１０３およびダイオード６２を経由し、コイル６１と入力端子１０１との間に接続される。ダイオード６２は、アノードがコイル６１と入力端子１０１との中点側、カソードが出力端子１０３側となるように接続される。抵抗１３の低電位側は、可変抵抗１４を経由して、グランドに接続される。スイッチング素子１１のゲートには、ゲート駆動部１５を経由して、抵抗１３、１４の間からゲート電圧が供給される。

　図３に示すように、プリチャージ回路２０は、抵抗２１、スイッチング素子２２、２３、および、ダイオード２４を有し、ＩＧがオンされた後にオンされ、電源リレー部６３がオンされた後にオフされる。スイッチング素子２２のドレインには、端子２０１から抵抗２１を経由して昇圧電圧ＶＳが供給される。スイッチング素子２２のソースは、グランドに接続される。

　スイッチング素子２３のゲートは、抵抗２１とスイッチング素子２２との間に接続される。スイッチング素子２３のソースには、端子２０１から昇圧電圧ＶＳが供給される。スイッチング素子２３のドレインは、ダイオード２４を経由して、端子２０２と接続される。ダイオード２４は、アノードがスイッチング素子２３側、カソードが端子２０２側となるように接続される。端子２０２の電圧をプリチャージ電圧ＰＲＥとする。スイッチング素子２３をオンにすることで、電源リレー部６３をオフの状態にて、平滑コンデンサ６９を充電可能である。昇圧回路１０およびプリチャージ回路２０は、昇圧機能やプリチャージ機能を実現できれば、回路構成は異なっていてもよい。

　図１に示すように、チャージポンプ回路３０は、チャージポンプドライバ回路３１、コンデンサ３２、および、ダイオード３３、３４等を有する。図４に示すように、チャージポンプドライバ回路３１は、定電流源３１１、３１４、スイッチ３１２、３１５、スイッチング素子３１７の破壊防止のためのツェナーダイオード３１３、抵抗３１６、スイッチング素子３１７、３１８を有する。

　定電流源３１１には、チャージポンプ電圧ＶＲＧが入力される。スイッチ３１２は、定電流源３１１から電流が供給され、ツェナーダイオード３１３を経由してグランドと接続される。定電流源３１４には、昇圧電圧ＶＳが入力される。スイッチ３１５は、定電流源３１４から電流が供給され、抵抗３１６を経由してグランドと接続される。

　スイッチング素子３１７、３１８は直列に接続される。高電位側のスイッチング素子３１７のドレインにはプリチャージ電圧ＰＲＥが入力され、ソースはスイッチング素子３１８のドレインと接続される。スイッチング素子３１８のソースはグランドと接続される。スイッチング素子３１７のゲートはスイッチ３１２とツェナーダイオード３１３との間に接続され、スイッチング素子３１８のゲートはスイッチ３１５と抵抗３１６との間に接続される。

　スイッチング素子３１７をオンにするとき、スイッチ３１２をオン、スイッチ３１５をオフにする。スイッチング素子３１８をオンにするとき、スイッチ３１２をオフ、スイッチ３１５をオンにする。スイッチング素子３１７、３１８の中点は、ドライバ出力端子３１９に接続される。

　図１および図４に示すように、コンデンサ３２は、ドライバ出力端子３１９と、ダイオード３３、３４の中点とに接続される。ダイオード３３、３４は、アノードが昇圧回路１０側、カソードがゲート駆動回路４１～４３側となるように直列接続される。チャージポンプ回路３０の出力端子３０１は、ゲート駆動回路４１～４３と接続される。図１では、煩雑になることを避けるため、出力端子３０１とゲート駆動回路４１、４２との接続線は省略した。また、出力端子３０１は、コンデンサ６４を経由してインバータ入力端子６５５に接続される。

　本実施形態では、チャージポンプドライバ回路３１にプリチャージ電圧ＰＲＥが供給されており、ドライバ電源がプリチャージ電圧ＰＲＥであるので、チャージポンプ回路３０の出力電圧であるチャージポンプ電圧ＶＲＧは、式（１）のようになる。式（１）中の２Ｖｆは、ダイオード３３、３４の電圧降下である。

　　ＶＲＧ＝（ＶＳ－２Ｖｆ）＋ＰＲＥ　　・・・（１）

　ゲート駆動回路４１、４２はリレー素子６３１、６３２のゲートと接続され、ゲート駆動回路４３は上アーム素子６５１のゲートと接続され、ゲート駆動回路４４は下アーム素子６５２のゲートと接続される。ゲート駆動回路４１～４３にはチャージポンプ電圧ＶＲＧが供給され、ゲート駆動回路４４には昇圧電圧ＶＳが供給される。

　電圧監視回路５０は、チャージポンプ電圧ＶＲＧとプリチャージ電圧ＰＲＥとの差である差電圧ΔＶを監視する（式（２）参照）。差電圧ΔＶは、上アーム素子６５１のゲート－ソース間電圧Ｖｇｓと略等しい。そのため、差電圧ΔＶが大きくなると、上アーム素子６５１のゲート－ソース間電圧Ｖｇｓも大きくなる。上アーム素子６５１のゲート－ソース間電圧Ｖｇｓが耐圧を越えないように、差電圧ΔＶを監視し、差電圧ΔＶが停止判定閾値を超えた場合、チャージポンプ回路３０を停止する。また例えば、昇圧電圧ＶＳの上昇等により、差電圧ΔＶが停止判定閾値より小さい値に設定される間欠判定閾値を超えた場合には、音鳴り防止よりも上アーム素子６５１の保護を優先し、チャージポンプ回路３０を間欠動作させる。

　　ΔＶ＝ＶＲＧ－ＰＲＥ　　・・・（２）

　参考例として、例えばチャージポンプドライバ回路３１にバッテリ９０の電圧が供給される場合、チャージポンプ電圧ＶＲＧは式（３－１）、上アーム素子６５１のゲート－ソース間電圧Ｖｇｓは式（３－２）となる。

　　ＶＲＧ＝２ＶＳ－２Ｖｆ　　・・・（３－１）
　　Ｖｇｓ＝ＶＲＧ－ＰＲＥ＝２ＶＳ－２Ｖｆ－ＰＲＥ　・・・（３－２）

　この場合、プリチャージ電圧ＰＲＥが低下すると、ゲート－ソース間電圧Ｖｇｓが上アーム素子６５１の耐圧を越える虞がある。例えば、差電圧ΔＶを監視し、チャージポンプドライバ回路３１を間欠動作させることで、ゲート－ソース間電圧Ｖｇｓが耐圧を越えないようにすることができる。しかしながら、間欠動作のスイッチング周波数が可聴域となると、コンデンサ３２の音鳴りが発生する。そこで本実施形態では、チャージポンプドライバ回路３１にプリチャージ電圧ＰＲＥを供給する。本実施形態のゲート－ソース間電圧Ｖｇｓは、式（４）となる。

　　Ｖｇｓ＝ＶＳ－２Ｖｆ　　・・・（４）

　昇圧回路１０の昇圧電圧ＶＳは設定値Ｖｘで略一定であるので、プリチャージ電圧ＰＲＥによらず、ゲート－ソース間電圧Ｖｇｓも略一定に保たれる。これにより、プリチャージ電圧ＰＲＥ低下時においても、ゲート－ソース間電圧Ｖｇｓを上アーム素子６５１の耐圧以下とすることができる。これにより、通常時において、チャージポンプ回路３０を常時駆動とすることで、ポンピング容量の音鳴りを防止しつつ、上アーム素子６５１を保護することができる。

　図５は、車両の始動スイッチがオンされたときの電圧の変化を説明するタイムチャートである。図５では、上段に各種電圧、中段に差電圧ΔＶ（＝ＶＲＧ－ＰＲＥ）、下段にチャージポンプドライバ回路３１のドライバ出力電圧ＣＭ（図４参照）およびプリチャージ電圧ＰＲＥを示す。図中のＰＩＧは、バッテリ９０の電圧である。

　時刻ｘ１０にて始動スイッチがオンされると、昇圧回路１０が昇圧駆動される。また、プリチャージ回路２０を駆動し、平滑コンデンサ６９をプリチャージする。時刻ｘ１１にてチャージポンプ回路３０を駆動させると、チャージポンプ電圧ＶＲＧが上昇し、時刻ｘ１２にて、差電圧ΔＶが所定値Ｖａ（例えば１６［Ｖ］）で安定する。時刻ｘ１３にて、電源リレー部６３をオンにすると、プリチャージ電圧ＰＲＥとバッテリ電圧ＰＩＧとが一致する。

　時刻ｘ１４にて、クランキングが開始されると、バッテリ電圧ＰＩＧの低下に伴い、プリチャージ電圧ＰＲＥが低下する。本実施形態では、チャージポンプドライバ回路３１の電源をプリチャージ電圧ＰＲＥとしているため、チャージポンプ電圧ＶＲＧは、チャージポンプ回路３０を常時駆動していても、プリチャージ電圧ＰＲＥに応じて変動する。そのため、チャージポンプ電圧ＶＲＧとプリチャージ電圧ＰＲＥとの差である差電圧ΔＶは、略一定に保たれる。

　したがって、上アーム素子６５１のゲート－ソース間電圧Ｖｇｓは、チャージポンプ回路３０の常時駆動を継続しても、プリチャージ電圧ＰＲＥの変動によらず、略一定に保たれる。これにより、クランキング等によるプリチャージ電圧ＰＲＥの低下時において、ゲート－ソース間電圧Ｖｇｓを耐圧以下に抑えるための間欠動作が不要となり、音鳴りの発生を防ぐことができる。また、例えばツェナーダイオード等の保護素子を別途に設ける必要がなく、部品点数を低減することができる。

　時刻ｘ１４から時刻ｘ１７はクランキング期間であって、バッテリ電圧ＰＩＧ、プリチャージ電圧ＰＲＥおよびチャージポンプ電圧ＶＲＧが低下し、時刻ｘ１５にて下限値Ｖｌｏとなり、時刻ｘ１６から上昇する。時刻ｘ１７にて、クランキングが完了すると、バッテリ電圧ＰＩＧは初期値（例えば１４［Ｖ］）で安定する。

　以上説明したように、駆動装置１は、インバータ部６５と、チャージポンプ回路３０と、を備える。インバータ部６５は、上アーム素子６５１および下アーム素子６５２を有し、負荷に供給される電力を変換する。チャージポンプ回路３０は、上アーム素子６５１にゲート電圧を供給する。チャージポンプ回路３０の出力電圧であるチャージポンプ電圧ＶＲＧは、インバータ入力配線６０１からインバータ部６５の高電位側に入力されるインバータ入力電圧に応じて可変である。本実施形態のインバータ入力電圧は、プリチャージ電圧ＰＲＥである。

　ドライバ出力電圧ＣＭをインバータ入力電圧と同程度とすることで、クランキング等によりバッテリ電圧が変動した場合であっても、上アーム素子６５１のゲート－ソース間電圧Ｖｇｓを耐圧以下に抑えることができ、上アーム素子を適切に保護することができる。

　チャージポンプ回路３０は、スイッチング素子３１７、３１８を有するチャージポンプドライバ回路３１を有する。チャージポンプドライバ回路３１の出力は、インバータ入力電圧に応じて可変である。本実施形態では、ドライバスイッチング素子３１７の高電位側は、インバータ入力配線と同電位に接続される。ここで同電位とは、配線抵抗等による電圧差程度は許容される。これにより、チャージポンプ電圧ＶＲＧをインバータ入力電圧に応じて可変とすることができる。

　駆動装置１は、バッテリ９０の電圧を昇圧してチャージポンプ回路３０に供給する昇圧回路１０をさらに備える。これにより、バッテリ電圧が低下したとしても、上アーム素子６５１のゲート－ソース間電圧Ｖｇｓを確保することができる。

　駆動装置１は、電源リレー部６３と、プリチャージ回路２０と、を備える。電源リレー部６３は、インバータ入力配線６０１に設けられる。電源リレー部６３の下流側に昇圧回路１０の昇圧電圧ＶＳを供給可能である。これにより、電源リレー部６３を設けても、電源リレー部６３がオンになるまでの間、プリチャージ回路２０を経由して、チャージポンプ回路３０を適切に作動させることができる。

　駆動装置１は、チャージポンプ電圧ＶＲＧとインバータ入力電圧との差を監視する電圧監視回路５０を備える。これにより、昇圧電圧ＶＳが上昇する故障が発生した場合であっても、上アーム素子６５１のゲート－ソース間電圧Ｖｇｓを耐圧以下とすることができる。

　　　（第２実施形態）
　第２実施形態を図６および図７に示す。本実施形態のチャージポンプ回路３５は、チャージポンプドライバ回路３６が上記実施形態と異なる。本実施形態では、チャージポンプドライバ回路３６には、電源として昇圧電圧ＶＳが供給され、出力がプリチャージ電圧ＰＲＥ付近にクランプされる。

　本実施形態のチャージポンプドライバ回路３６を図７に示す。チャージポンプドライバ回路３６では、スイッチング素子３１７のゲートは、ダイオード３６１、３６２を経由してプリチャージ回路２０のプリチャージ端子２０２と接続される。ダイオード３６１、３６２は、アノードがスイッチング素子３１７のゲート側、カソードがプリチャージ端子２０２側となるように、直列に接続される。スイッチング素子３１７のゲートとプリチャージ端子２０２とをダイオード３６１、３６２を経由して接続することで、プリチャージ電圧ＰＲＥが低下すると、スイッチング素子３１７のゲート電圧が低下し、ドライバ出力電圧ＣＭが低下する。

　例えば、昇圧電圧ＶＳ＝１６［Ｖ］、チャージポンプ電圧ＶＲＧ＝３０［Ｖ］とする。プリチャージ電圧ＰＲＥが１６［Ｖ］のとき、スイッチング素子３１７のゲートからプリチャージ端子２０２側に電流が流れない。ここで、Ｖｔをスイッチング素子３１７のソース－ゲート間電圧（＝１［Ｖ］）とすると、ゲート電圧Ｖｇ＿ｃｐは式（５）となり、ドライバ出力電圧ＣＭは、昇圧電圧ＶＳおよびプリチャージ電圧ＰＲＥと等しくなる。

　　Ｖｇ＿ｃｐ＝ＶＳ＋Ｖｔ＝１７［Ｖ］　　・・・（５）

　一方、プリチャージ電圧ＰＲＥが低下し、例えばプリチャージ電圧ＰＲＥが４［Ｖ］のとき、スイッチング素子３１７のゲートからプリチャージ端子２０２側に電流が流れ、スイッチング素子３１７のゲート電圧Ｖｇ＿ｃｐが低下する（式（６－１）参照）。また、ドライバ出力電圧ＣＭは、式（６－２）となる。式中の２×Ｖｆ＿ｃｐはダイオード３６１、３６２の電圧降下（＝２×１［Ｖ］）とする。

　　Ｖｇ＿ｃｐ＝ＰＲＥ＋２×Ｖｆ＿ｃｐ＝６［Ｖ］　　・・・（６－１）
　　ＣＭ＝Ｖｇ＿ｃｐ－Ｖｔ　　・・・（６－２）

　すなわち、プリチャージ電圧ＰＲＥの低下時には、ドライバ出力電圧ＣＭはプリチャージ電圧ＰＲＥに応じて低下するため、プリチャージ電圧ＰＲＥによらず、上アーム素子６５１のゲート－ソース間電圧Ｖｇｓが略一定に保たれる。

　本実施形態では、高電位側のスイッチング素子３１７のゲートは、ダイオード３６１、３６２を経由してインバータ入力配線６０１と同電位に接続される。これにより、チャージポンプ電圧ＶＲＧをインバータ入力電圧に応じて可変とすることができる。なお、スイッチング素子３１７のソース－ゲート間電圧Ｖｔに応じてダイオードの数は調整してもよい。また、上記実施形態と同様の効果を奏する。

　実施形態では、スイッチング素子３１７、３１８が「ドライバスイッチング素子」に対応し、プリチャージ電圧ＰＲＥが「インバータ入力電圧」に対応する。

　　　（他の実施形態）
　上記実施形態では、チャージポンプ回路は１段である。他の実施形態では、チャージポンプ回路を２段以上としてもよい。段数がＮ段の場合、ダイオードでの電圧降下分を考慮しないとすれば、チャージポンプ電圧を（インバータ入力電圧／Ｎ）程度とすればよい。

　上記実施形態では、負荷はモータであって、電動パワーステアリング装置に適用される。他の実施形態では、モータをブレーキ、ブロワ、パワーウィンド、ワイパ等の電動パワーステアリング装置以外の車載装置、あるいは、車載以外の装置に適用してもよい。また、負荷は、モータ以外のものであってもよい。以上、本開示は、上記実施形態になんら限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の形態で実施可能である。

　本開示は、実施形態に準拠して記述された。しかしながら、本開示は当該実施形態および構造に限定されるものではない。本開示は、様々な変形例および均等の範囲内の変形をも包含する。また、様々な組み合わせおよび形態、さらには、それらに一要素のみ、それ以上、あるいはそれ以下、を含む他の組み合わせおよび形態も、本開示の範疇および思想範囲に入るものである。

Claims (7)

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

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