JP4320611B2

JP4320611B2 - モータ駆動装置

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Publication number: JP4320611B2
Application number: JP2004101051A
Authority: JP
Inventors: 芳道原
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2004-03-30
Filing date: 2004-03-30
Publication date: 2009-08-26
Anticipated expiration: 2024-03-30
Also published as: JP2005280615A

Description

本発明は、モータ駆動装置に関するもので、特にモータ駆動装置に用いるスイッチング素子に関するものである。

スイッチング素子を用いてブリッジ回路を構成してモータを駆動するモータを駆動装置において、スイッチング素子がオン状態に固定しオフ状態に戻らないオン故障を起こした場合にモータを含む閉回路が形成されて制動回路として作用することを防止するため、電源とモータ駆動回路との間にスイッチ手段としてリレー回路を介装する方法を用いた電動パワーステアリング装置が考案されているが、リレー回路は機械部品であるため開閉回数に限界があり故障もしやすいと同時に、半導体に比べて高価で大型化するという問題がある。また、大型化すると熱容量が大きくなり、現在主流となっている配線基板へのリフローはんだ付による表面実装も困難となる。

このため、上記スイッチ手段として電界効果トランジスタを用いて構成する方法を用いた電動パワーステアリング装置が考案されている（特許文献１参照）。

特許第３３７５５０２号公報

特許文献１の例では、該電界効果トランジスタがオン状態に固着するオン故障を起こした場合、ブリッジ回路とモータを含む閉回路が形成され該閉回路が制動回路として作用しモータの回転を阻害するという問題がある。そこで、２個のスイッチング素子が直列接続して構成され、一方のスイッチング素子にはダイオードが電源に対して逆方向となるように並列接続されてモータに電流を供給し、他方のスイッチング素子にはダイオードが電源に対して順方向となるように並列接続されてモータに供給している電流を遮断するスイッチング素子を含むモータ駆動装置という構成が考えられる。

しかし、スイッチング素子を２個の電界効果トランジスタ（以下、ＦＥＴ：Field Effect Transistorと略称することもある）を直列接続して構成した場合、リレー回路を代替した電界効果トランジスタは２個削減できるものの、スイッチング素子に用いる電界効果トランジスタは４個から８個に増加するため、基板上の実装スペースの増大による装置の大型化や部品組付工数の増加による製造コストの上昇するという問題がある。また、電界効果トランジスタはスイッチングによって発熱するため、放熱板を大きくしたりモータ駆動装置の取り付け位置も放熱を行ないやすい場所にする必要がある。

上記問題を背景として、本発明の課題は、電界効果トランジスタの個数削減、および電界効果トランジスタにより構成されるスイッチング素子を小型化できるモータ駆動装置を提供することを目的とする。

課題を解決するための手段および発明の効果

本発明は、上記課題を解決するためのモータ駆動装置を提供するものである。即ち、寄生ダイオードが電源に対して逆方向となるように配置された第１の電界効果トランジスタおよび、寄生ダイオードが電源に対して順方向となるように配置された第２の電界効果トランジスタとを直列接続して形成されたスイッチング素子を含むブリッジ回路によってモータを駆動するモータ駆動装置であって、第１の電界効果トランジスタおよび第２の電界効果トランジスタのドレイン端子を共通として、これら２つの電界効果トランジスタを同一パッケージ内に形成することを特徴とする。
より具体的には、２つの電界効果トランジスタのドレイン電極が１つの放熱フィンに導通可能に固着され、その放熱フィンに、これら２つの電界効果トランジスタに共通のドレイン端子が接続されていることを特徴とする。

上記構成によって、スイッチング素子に用いる電界効果トランジスタは４個のままとなり、組付け工数は従来と変わらない。また、電界効果トランジスタを８個に増加する場合に比べ、基板上の実装スペースは減少し、製造コストも低減される。

また、本発明のモータ駆動装置は運転者のステアリング動作に基づいて、モータを駆動してステアリング機構に操舵補助トルクを与える車両の電動パワーステアリング装置におけるモータを駆動する構成をとる。よって、本発明のモータ駆動装置を用いてモータを駆動すれば、上述した効果によりモータ駆動部を小型軽量化することが可能となり、電界効果トランジスタの放熱効率も向上する。よって、車両の従来は取り付けできなかった位置にも収納することができ、車両の空きスペースを有効活用できる。

電界効果トランジスタの個数削減、および電界効果トランジスタにより構成されるスイッチング素子を小型化できるモータ駆動装置を、スイッチング素子を構成する第１の電界効果トランジスタおよび第２の電界効果トランジスタを同一パッケージ内に形成することにより実現した。

以下、本発明のモータ駆動装置を車両の電動パワーステアリング装置（以下、ＥＰＳと略称することもある、ＥＰＳ：Electronic Power Steering）に応用した一実施例について、図面を用いて説明する。なお、本発明のモータ駆動装置の適用範囲を車両の電動パワーステアリング装置に限定するものではない。

図１は電動パワーステアリング装置１０１の概略構成図である。操舵ハンドル１１０が操舵軸１１２ａに接続されて、この操舵軸１１２ａの下端は運転者の操舵ハンドル１１０の動きを検出するトルクセンサ１１１に接続されており、ピニオンシャフト１１２ｂの上端がトルクセンサ１１１に接続されている。また、ピニオンシャフト１１２ｂの下端には、ピニオン（図示せず）が設けられ、このピニオンがステアリングギヤボックス１１６内においてラックバー１１８に噛合されている。更に、ラックバー１１８の両端には、それぞれタイロッド１２０の一端が接続されると共に各タイロッド１２０の他端にはナックルアーム１２２を介して操舵輪１２４が接続されている。また、ピニオンシャフト１１２ｂには三相ブラシレスモータであるモータ１１５が歯車（図示せず）を介して取り付けられている。なお、モータ１１５はラックバー１１８に同軸的に取り付ける方法を採ってもよい。

操舵軸１１２ａとピニオンシャフト１１２ｂとの間にはトルクセンサ１１１が設けられ、トルクセンサ１１１は図示しない周知のトーションバーおよびその軸線方向に離間して設置された一対のレゾルバを備えている。トーションバーにトルクが印加され、その両端の角度差をレゾルバが検知すると、レゾルバで計測された角度差とトーションバーのばね定数とからトーションバーに印加されたトルクが検出される。検出されたトルクの情報は操舵制御部１３０に送られる。

操舵制御部１３０は周知のＣＰＵ１３１，ＲＡＭ１３２，ＲＯＭ１３３，入出力インターフェースであるＩ／Ｏ１３４およびこれらの構成を接続するバスライン１３５が備えられている。ＣＰＵ１３１は、ＲＯＭ１３３およびＲＡＭ１３２に記憶されたプログラムおよびデータにより制御を行なう。ＲＯＭ１３３は、プログラム格納領域１３３ａとデータ記憶領域１３３ｂとを有している。プログラム格納領域１３３ａにはＥＰＳ制御プログラム１３３ｐが格納される。データ記憶領域１３３ｂにはＥＰＳ制御プログラム１３３ｐの動作に必要なデータが格納されている。

操舵制御部１３０においてＣＰＵ１３１がＲＯＭ１３３に格納されたＥＰＳ制御プログラムを実行することにより、トルクセンサ１１１で検出されたトルクに対応してモータ１１５で発生させるべき駆動トルクを算出し、モータドライバ１１４を介してモータ１１５に、算出した駆動トルクを発生させるための電圧を印加する。このとき、レゾルバ１０９によってモータ１１５の回転角度を検出し、電流センサ１０８（１０８ｕ，１０８ｖ，１０８ｗ）によりモータ１１５に流れる電流を検出することにより、駆動トルクに対応した回転を行なっているかを調べ、その結果に応じてモータ１１５に印加する電圧を求める。

図２にモータドライバ１１４（即ち、本発明のモータ駆動装置）の詳細を示す。モータ１１５は周知の三相ブラシレスモータであるが、本発明のモータ駆動装置を適用可能であれば特に種類を問わない。４２から５３はＦＥＴ（電界効果トランジスタ）であり、４２ａから５３ａはそれぞれのＦＥＴに並列に接続される形で含まれる寄生ダイオードである。ＦＥＴ４２と４３，ＦＥＴ４４と４５，ＦＥＴ４６と４７，ＦＥＴ４８と４９，ＦＥＴ５０と５１，およびＦＥＴ５２と５３は互いのドレイン端子同士が接続されて直列回路を構成し、１つのモータ駆動素子（スイッチング素子）として周知の三相ブリッジ構成にしてモータドライバ１１４を形成する。

また、ＦＥＴ４３，ＦＥＴ４５，ＦＥＴ４７，ＦＥＴ４９，ＦＥＴ５１，およびＦＥＴ５３（本発明の第２の電界効果トランジスタ）は、各々の寄生ダイオード４３ａ，４５ａ，４７ａ，４９ａ，５１ａ，および５３ａが電源に対して逆方向となるよう配置され、モータ１１５に電流を供給する役割を果たす。一方、ＦＥＴ４２，ＦＥＴ４４，ＦＥＴ４６，ＦＥＴ４８，ＦＥＴ５０，およびＦＥＴ５２（本発明の第１の電界効果トランジスタ）は、各々の寄生ダイオード４２ａ，４４ａ，４６ａ，４８ａ，５０ａ，および５２ａが電源に対して順方向となるよう配置され、モータ１１５に供給している電流を遮断する役割を果たす。

１１４ａはＦＥＴ４２から５３を駆動するためのドライブ回路であり、ＣＰＵ１３１からのモータ駆動信号に応じてＦＥＴ４２から５３へのゲート駆動信号を出力する。５９はモータ駆動回路に電源を供給するバッテリ等の直流電源であり、６０は電源ヒューズである。

１０８（１０８ｕ，１０８ｖ，１０８ｗ）は、モータ１１５の各相に流れる電流を検出する周知のシャント抵抗を含む電流検出回路である。検出された電流値信号はＣＰＵ１３１に送られる。この値はＣＰＵ１３１で周知のアナログ／ディジタル変換されて制御演算に用いられる。

次に、モータ駆動回路の駆動方法を説明する。１２個の電界効果トランジスタのうち、寄生ダイオードが電源に対して順方向となっているＦＥＴ４２，ＦＥＴ４４，ＦＥＴ４６，ＦＥＴ４８，ＦＥＴ５０，およびＦＥＴ５２は通常時には常にオン状態とし、対をなすＦＥＴ４３，ＦＥＴ４５，ＦＥＴ４７，ＦＥＴ４９，ＦＥＴ５１，およびＦＥＴ５３に常時電流が流れるようにしておく。そして、ＦＥＴ４３，ＦＥＴ４５，ＦＥＴ４７，ＦＥＴ４９，ＦＥＴ５１，およびＦＥＴ５３は、ドライブ回路１１４ａからの例えばＰＷＭ（Pulse Width Modulation：パルス幅変調）によるデューティ駆動信号によってオン状態およびオフ状態が切り換えられ、そのデューティ比に応じた電圧をモータ１１５に印加し、モータ１１５に流れる電流を制御する。

上記の構成で、ＦＥＴ４２とＦＥＴ４３，ＦＥＴ４４とＦＥＴ４５，ＦＥＴ４６とＦＥＴ４７，ＦＥＴ４８とＦＥＴ４９，ＦＥＴ５０とＦＥＴ５１，およびＦＥＴ５２とＦＥＴ５３が同一パッケージ内に形成されている。

なお、ＦＥＴ等のスイッチング素子をブリッジ型に構成してモータを駆動させるための回路構成および動作自体は通常のものであり、周知であるので詳細の説明については割愛する。

（構成例１）
図３および図４を用いて、本発明のＦＥＴ４２〜５３の第１の構成例について説明する。本発明の構成に用いられるＦＥＴは周知のパワーＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor）であるが、ＦＥＴの種類に特に制約を設けるものではない。また、ＦＥＴのほかにトランジスタ等のスイッチング素子を用いてもよい。

図３はＦＥＴチップ３６の断面図である。ドレイン電極７０をもつ低抵抗のｎ+型の半導体基板６１の上に、高抵抗のｎ^-層６２をもち、ｎ^-層６２上にゲート酸化膜６５，ゲート電極３８，絶縁膜６７の３層からなる絶縁ゲートが等間隔に形成されている。これらの絶縁ゲートをマスクとしてｐ型不純物例えばボロンをイオン注入し、ｐウエル層６３が形成されている。絶縁ゲートの両端部の側面の全てには、不純物を含む絶縁膜６９が設けられており、この不純物を含む絶縁膜６９から膜中に含む不純物例えばリンをｐウエル層６３中に拡散し、ｎ+層６４が形成されている。ソース電極３７は、ｎ+層６４の横方向の拡散領域とｐウエル層６３を短絡している。不純物を含む絶縁膜６９はｎ+層６４を形成後、そのままゲート電極３８とソース電極３７の絶縁に用いられる。

図４は２つのＦＥＴ（ここではＦＥＴ４２とＦＥＴ４３を例に挙げる）を同一パッケージ内に形成したもので、図４（ａ）は斜め上方から見た俯瞰図、図４（ｂ）は直上から見た図である。図２の通りＦＥＴ４２のドレイン端子とＦＥＴ４３のドレイン端子が接続されていてＦＥＴのチップ裏面がドレイン電極７０となる構造となっているため、２つのＦＥＴチップ３６を共通の放熱フィン３５上に実装しドレイン端子３３を共通として１つのパッケージに形成することができる。ＦＥＴ４２に相当する部分はドレイン電極７０が放熱フィン３５に導通可能に固着され、放熱フィン３５にドレイン端子３３が接続されている。ゲート電極３８はボンディングワイヤ３９を介してゲート端子３２に接続され、ソース電極３７はボンディングワイヤ４０を介してソース端子３１に接続される。ＦＥＴ４３に相当する部分についても同様の構成をとる。そして、ＦＥＴ４２，ＦＥＴ４３，放熱フィン３５と、ソース端子３１と，ゲート端子３２およびドレイン端子３３の一部がその周囲を樹脂パッケージ３４によって覆われる。

上記構成で、ＦＥＴ４２を常時オン状態とし、ＦＥＴ４３をドライブ回路１１４ａからの例えばＰＷＭ（Pulse Width Modulation：パルス幅変調）によるデューティ駆動信号によってオン状態およびオフ状態が切り換える（スイッチング）駆動方式をとると、ＦＥＴ４３には自身のオン抵抗と電流による発熱とスイッチングによる発熱の和が発生するが、ＦＥＴ４２はスイッチングによる発熱がほとんどないため、ＦＥＴ４２に相当するＦＥＴチップ３６をＦＥＴ４３より小型のものを使うことができ、放熱フィン３５および樹脂パッケージ３４を小型化できる。

また、ＦＥＴ４４とＦＥＴ４５，ＦＥＴ４６とＦＥＴ４７，ＦＥＴ４８とＦＥＴ４９，ＦＥＴ５０とＦＥＴ５１，およびＦＥＴ５２とＦＥＴ５３も同様の構成であるため、説明を割愛する。

（構成例２）
図５を用いて、本発明のＦＥＴ４２〜５３の第２の構成例について説明する。なお、本構成例は上述した第１の構成例の変形例であるため、第１の構成例と同じ符号を用いて説明する。また、ＦＥＴチップの構造は図３に準ずるものとする。

図５は２つのＦＥＴ（ここではＦＥＴ４２とＦＥＴ４３を例に挙げる）を同一パッケージ内に形成したもので、図５（ａ）は斜め上方から見た俯瞰図、図５（ｂ）は直上から見た図である。図２の通りＦＥＴ４２のドレイン端子とＦＥＴ４３のドレイン端子が接続されていてＦＥＴのチップ裏面がドレイン電極７０となる構造となっているため、２つのＦＥＴを１つのチップ（すなわち、１つのパッケージ）に形成することができる。４１はＦＥＴチップ３６にゲート電極３８およびソース電極３７を２組形成したものである。ＦＥＴ４２に相当する部分はドレイン電極７０が放熱フィン３５に導通可能に固着され、放熱フィン３５にドレイン端子３３が接続されている。ゲート電極３８はボンディングワイヤ３９を介してゲート端子３２に接続され、ソース電極３７はボンディングワイヤ４０を介してソース端子３１に接続される。ＦＥＴ４３に相当する部分についても同様の構成をとる。そして、ＦＥＴ４２とＦＥＴ４３，放熱フィン３５と、ソース端子３１，ゲート端子３２およびドレイン端子３３の一部がその周囲を樹脂パッケージ３４によって覆われる。

上記構成で、ＦＥＴ４２を常時オン状態とし、ＦＥＴ４３をドライブ回路１１４ａからの例えばＰＷＭ（Pulse Width Modulation：パルス幅変調）によるデューティ駆動信号によってオン状態およびオフ状態が切り換える（スイッチング）駆動方式をとると、ＦＥＴ４３には自身のオン抵抗と電流による発熱とスイッチングによる発熱の和が発生するが、ＦＥＴ４２はスイッチングによる発熱がほとんどないため、ＦＥＴ４２に相当するチップ部分の面積をＦＥＴ４３より面積を小さくすることができ、ＦＥＴチップ４１，放熱フィン３５および樹脂パッケージ３４をさらに小型化できる。

以上、本発明の実施の形態を説明したが、これらはあくまで例示にすぎず、本発明はこれらに限定されるものではなく、特許請求の範囲の趣旨を逸脱しない限りにおいて、当業者の知識に基づく種々の変更が可能である。

電動パワーステアリング装置の全体構成を示す図。電動パワーステアリング装置におけるモータドライバの詳細を示す図。ＦＥＴチップの構造を示す図。本発明のＦＥＴの構成を示す図。（構成例１）本発明のＦＥＴの構成を示す図。（構成例２）

符号の説明

３１ソース端子
３２ゲート端子
３３ドレイン端子
３４樹脂パッケージ
３５放熱フィン
３６ＦＥＴチップ
３７ソース電極
３８ゲート電極
３９ボンディングワイヤ
４０ボンディングワイヤ
４１ＦＥＴチップ
４２，４４，４６，４８，５０，５２電界効果トランジスタ（第２の電界効果トランジスタ）
４３，４５，４７，４９，５１，５３電界効果トランジスタ（第１の電界効果トランジスタ）
７０ドレイン電極
１０１電動パワーステアリング装置
１０８電流検出回路
１１４モータドライバ
１１４ａドライブ回路
１１５モータ

Claims

寄生ダイオードが電源に対して逆方向となるように配置された第１の電界効果トランジスタおよび、寄生ダイオードが電源に対して順方向となるように配置された第２の電界効果トランジスタとを直列接続して形成されたスイッチング素子を含むブリッジ回路によってモータを駆動するモータ駆動装置であって、前記第１の電界効果トランジスタおよび前記第２の電界効果トランジスタのドレイン端子を共通として、これら２つの電界効果トランジスタを同一パッケージ内に形成することを特徴とするモータ駆動装置。
前記２つの電界効果トランジスタのドレイン電極が１つの放熱フィンに導通可能に固着され、その放熱フィンに、これら２つの電界効果トランジスタに共通のドレイン端子が接続されていることを特徴とする請求項１に記載のモータ駆動装置。
運転者のステアリング動作に基づいて、モータを駆動してステアリング機構に操舵補助トルクを与える車両の電動パワーステアリング装置において、前記モータを駆動することを特徴とする請求項１または請求項２に記載のモータ駆動装置。