JP6005451B2 - 電圧制御回路 - Google Patents

Description

本発明は、電圧制御回路に関する。

モータの駆動制御を行うインバータ回路にはスイッチング素子としてＦＥＴ（電界効果トランジスタ）等の半導体が実装されている。しかしながら、ＦＥＴ等の半導体は、所定の温度以上になると損傷するおそれがある。モータの駆動制御用のインバータ回路では素子の温度を感知し、素子の温度が所定の閾値を超えた場合には、制御対象であるモータに供給する電流のパルスのデューティ比を低下させてモータの回転数を低下させる制御をする。モータに供給する電流のパルスのデューティ比を低下させることにより、インバータ回路の素子に流れる電流が抑制されるので、素子の過熱を防止することが可能となる。

特許文献１には、温度検出用のサーミスタが実装された基板を組み込んだモータのコントロールユニットが開示されている。

特開２００６−１０８３９８号公報

しかしながら、モータの駆動制御を行うインバータ回路にはモータに供給する電力をスイッチングするインバータ回路に設けられたインバータＦＥＴのほかに、回路保護用に設けられている逆接防止ＦＥＴがある。逆接防止ＦＥＴも、インバータ回路が動作中は、インバータＦＥＴと同様に発熱源となる。さらに、モータの駆動制御を行うインバータ回路には、ノイズ除去用のコイルが設けられている場合があり、かかるコイルもインバータ回路が動作中は発熱源となる。

インバータ回路の過熱を防止する制御を行うには、インバータＦＥＴ、逆接防止ＦＥＴ及びコイルの各々の温度を感知する必要がある。しかしながら、複数の温度検出用のセンサをインバータ回路に設けることはインバータ回路を用いたモータの駆動制御装置のコスト高を招くという問題があった。

本発明は上記に鑑みてなされたもので、単一の温度計測に係る手段によって、回路を構成する各素子の過熱を防止できる電圧制御回路を提供することを目的とする。

前記課題を解決するために、請求項１に記載の電圧制御回路は、電力の供給対象へ供給する電力を調節する第１の素子と、誤接続による回路の損傷を防止する第２の素子とを備えた回路と、前記第１の素子及び前記第２の素子から離れた位置に設けられ、設けられた位置で前記第１の素子及び前記第２の素子の過熱状態を計測する単一の過熱状態計測手段と、前記過熱状態計測手段にて計測された過熱状態が、印加された電源電圧に応じて定められる過熱状態判定閾値を超えた場合に、前記第１の素子が出力する電力を制限するように制御する制御手段と、を備えている。

この電圧制御回路は、制御手段が、回路に印加された電圧に応じて過熱状態判定閾値を設定し、過熱状態計測手段にて計測された過熱状態が過熱状態判定閾値を超えた場合に、回路が出力する電圧を制限（抑制）させる。

また、この電圧制御回路は、回路に印加された電圧に応じて過熱状態判定閾値が設定されるので、回路に印加される電圧によって過熱度合いが異なる複数種類の素子の過熱を単一の温度計測に係る手段によって防止できる。

請求項２に記載の電圧制御回路は、請求項１に記載の電圧制御回路において、前記第１の素子は、インバータ回路を構成する電界効果トランジスタであり、前記第２の素子は、前記電圧を印加する電源と前記第１の素子との間に設けられ、前記インバータ回路を構成する逆接防止電界効果トランジスタ及びノイズ除去用コイルである。

この電圧制御回路によれば、単一の温度計測に係る手段によって、インバータ回路を構成する異種類の素子の過熱を防止できる。

請求項３に記載の電圧制御回路は、請求項１または請求項２に記載の電圧制御回路において、前記制御手段は、前記回路が出力する電圧のデューティ比を低下することにより前記回路が出力する電圧を低下する。

この電圧制御回路によれば、回路が出力する電圧のデューティ比を低下させることにより、回路を構成する素子の負荷を低下させ、各素子の過熱を防止できる。

請求項４に記載の電圧制御回路は、請求項１〜請求項３のいずれか１項記載の電圧制御回路において、前記回路は、モータの駆動を制御するモータ駆動制御回路である。

この電圧制御回路によれば、上述のように基板に実装された素子の過熱を防止できるので、モータの駆動を継続する制御が可能となる。

本発明の実施の形態に係る電圧制御回路を用いたモータユニットの構成を示す概略図である。 本発明の実施の形態に係る電圧制御回路の基板の一例を示す図である。 本発明の実施の形態に係る電圧制御回路の概略を示す図である。 本発明の実施の形態に係る電圧制御回路のインバータ回路から出力されるパルスの変化の一例を示す図である。 本発明の実施の形態に係る電圧制御回路を用いたモータ駆動制御装置の制御の一例を示すフローチャートである。 本発明の実施の形態に係る電圧制御回路における電源電圧と過熱状態判定閾値との対応関係の一例を示す図である。

図１は、本実施の形態に係る電圧制御回路を用いたモータユニット１０の構成を示す概略図である。図１の本実施の形態に係るモータユニット１０は、一例として車載用エアコンの送風に用いられる、いわゆるブロアモータのユニットである。

本実施の形態に係るモータユニット１０は、ステータ１４の外側にロータ１２が設けられた、アウターロータ構造の三相モータに係るものである。ステータ１４はコア部材に導線が巻かれた電磁石であって、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の三相を構成している。

ステータ１４のＵ相、Ｖ相、Ｗ相の各々は、後述するモータ駆動制御装置２０の制御により、電磁石で発生する磁界の極性が切り替えられることにより、いわゆる回転磁界を発生する。

ロータ１２の内側（図示せず）にはロータマグネットが設けられており、ロータマグネットは、ステータ１４で生じた回転磁界に対応することにより、ロータ１２を回転させる。

ロータ１２にはシャフト１１が設けられており、ロータ１２と一体になって回転する。図１には示していないが、本実施の形態ではシャフト１１には、いわゆるシロッコファン等の多翼ファンが設けられ、当該多翼ファンがシャフト１１と共に回転することにより、車載用エアコンにおける送風が可能となる。

ステータ１４は、上ケース１３を介して、モータ駆動制御装置２０に取り付けられる。モータ駆動制御装置２０は、電圧制御回路の基板２２と、基板２２上の素子から生じる熱を放散するヒートシンク２１とを備えている。

ロータ１２、ステータ１４及びモータ駆動制御装置２０を含んで構成されるモータユニット１０には、下ケース５０が取り付けられる。

続いて、図２を用いて、本実施の形態に係る電圧制御回路の基板について説明する。図２は、本発明の実施の形態に係る電圧制御回路の基板２２の一例を示す図である。図２において、基板２２には、車載バッテリから電力が供給されると共に、車載用エアコンに係る制御の信号がＥＣＵ（Electronic Control Unit）等の制御装置を介して入力される外部接続コネクタ２３が設けられている。

基板２２には、ステータ１４のＵ相、Ｖ相、Ｗ相に供給する電力を制御するためのインバータ回路４０が実装されている。本実施の形態に係るモータ駆動制御装置２０のインバータ回路４０は、直流側の回路に大容量のコンデンサ４２Ａ、４２Ｂ、４２Ｃ、４２Ｄが並列に接続され、電圧源として動作する電圧形インバータである。

インバータ回路４０は、スイッチング素子として、インバータＦＥＴ４１Ａ、４１Ｂ、４１Ｃ、４１Ｄ、４１Ｅ、４１Ｆを備えている。インバータＦＥＴ４１Ａ、４１ＤはＵ相に、インバータＦＥＴ４１Ｂ、４１ＥはＶ相に、インバータＦＥＴ４１Ｃ、４１ＦはＷ相に、各々供給する電力のスイッチングを行う。インバータＦＥＴ４１Ａ〜４１Ｆのスイッチングによって制御された電力は、電力供給端子２４Ａ、２４Ｂ、２４Ｃを介してステータ１４に供給される。

基板２２上のインバータ回路４０の直流側には、ノイズ除去用のコイル４３が設けられると共に、逆接防止ＦＥＴ４４及び大容量のコンデンサ４２Ｅが設けられている。また、基板２２には、インバータ回路４０を制御するためのマイコン３１が実装されている。逆接防止ＦＥＴは、車両のバッテリを反対の極性で接続した場合にインバータ回路４０を保護するためのＦＥＴである。

図２に示した基板２２において、インバータＦＥＴ４１Ａ〜４１Ｆ、コイル４３及び逆接防止ＦＥＴ４４は、動作時の発熱が著しい。本実施の形態では、動作時の発熱が著しい素子が実装されている箇所の裏側に固定ボルト２９によってヒートシンク２１が取り付けられている。

基板２２には、基板の温度を感知する温度センサであるサーミスタ４６がインバータＦＥＴ４１Ｂの近くに実装されている。本実施の形態では、素子の温度が所定の閾値以上となるおそれがある場合には、インバータ回路４０から出力される電圧のデューティ比を小さくして、熱による素子の損傷を防止する。

図３は、本実施の形態に係る電圧制御回路の概略を示す図である。インバータＦＥＴ４１は、モータ１６のステータ１４のコイルに供給する電力をスイッチングする。例えば、インバータＦＥＴ４１Ａ、４１ＤはＵ相のコイル１４Ｕに、インバータＦＥＴ４１Ｂ、４１ＥはＶ相のコイル１４Ｖに、インバータＦＥＴ４１Ｃ、４１ＦはＷ相のコイル１４Ｗに、各々供給する電力のスイッチングを行う。

インバータＦＥＴ４１Ａ、４１Ｂ、４１Ｃの各々のドレインは、ノイズ除去用のコイル４３を介して車載のバッテリ８０の正極に接続されている。また、インバータＦＥＴ４１Ｄ、４１Ｅ、４１Ｆの各々のソースは、逆接防止ＦＥＴ４４を介してバッテリ８０の負極に接続されている。

本実施の形態では、電源であるバッテリ８０とインバータＦＥＴ４１との間に逆接防止ＦＥＴ４４及びコイル４３が設けられている。

また本実施の形態では、シャフト１１と同軸に設けられたセンサマグネット１２Ａの磁界をホール素子１２Ｂが検出する。マイコン３１は、検出された磁界に基づいてロータ１２の位置（回転位置）を検出し、ロータ１２の回転位置に応じてインバータＦＥＴ４１のスイッチングの制御を行う。

さらにマイコン３１には、エアコンを制御するエアコンＥＣＵからの制御信号、及びサーミスタ４６による抵抗値の信号が入力され、これら入力された信号にも基づいて、インバータＦＥＴ４１のスイッチングを制御する。

図４は、インバータ回路４０から出力されるパルスの変化の一例を示す図である。素子が過熱していない場合は、図４（Ａ）に示したデューティ比のパルスを出力する。図４（Ａ）に示す正弦波６０は、図４（Ａ）に示したパルスの平均電圧及び周波数を示している。

素子が過熱するおそれがある場合は、図４（Ｂ）のように、図４（Ａ）の場合よりもデューティ比を小さくしたパルスを出力する。図４（Ｂ）に示す正弦波６２は、図４（Ｂ）に示したパルスの平均電圧及び周波数であり、図４（Ａ）の場合よりも、平均電圧及び周波数が低下している。

インバータ回路４０から出力されるパルスのデューティ比を小さくして、パルスの平均電圧及び周波数を低下させると、スイッチング素子であるインバータＦＥＴ４１Ａ〜４１Ｆを流れる電流は低下するので、インバータＦＥＴ４１Ａ〜４１Ｆの過熱を防止できる。

また、バッテリを搭載した車両では、バッテリの充電の状態等によって、本来１２Ｖであるべき電圧が変動する場合がある。本実施の形態に係るモータ駆動制御装置のインバータ回路４０の素子は、バッテリから外部接続コネクタ２３を介して供給される電力の電圧に依存して、発熱量が変化する。例えば、インバータＦＥＴ４１Ａ〜４１Ｆはバッテリの電圧が略１６Ｖの高電圧の場合に高温になりやすく、逆接防止ＦＥＴ４４及びコイル４３は、バッテリの電圧が８〜１１Ｖの低電圧の場合に高温になりやすい。

バッテリの電圧が高い場合は、インバータＦＥＴ４１Ａ〜４１Ｆにバッテリの電圧が低い場合よりも大きな負荷がかかり、インバータＦＥＴ４１Ａ〜４１Ｆが高温になりやすい。特に、バッテリの電圧が１６Ｖの場合には、電圧の高さに加えて、インバータＦＥＴ４１Ａ〜４１Ｆによるスイッチング損失に係る発熱が影響して、インバータＦＥＴ４１Ａ〜４１Ｆは最も高温になる。

なお、バッテリの電圧が１６Ｖを超えた場合は、モータに供給する電流を制限するためにインバータＦＥＴ４１Ａ〜４１Ｆが通電を休止する時間が長くなるので、インバータＦＥＴ４１Ａ〜４１Ｆに流れる電流が減少し、インバータＦＥＴ４１Ａ〜４１Ｆの温度はバッテリの電圧が１６Ｖの場合よりも低くなる。

バッテリの電圧が低い場合は、モータに供給する電流を大きくするため、インバータＦＥＴ４１Ａ〜４１Ｆはフルオン状態となる。その結果、インバータＦＥＴ４１Ａ〜４１Ｆのスイッチング損失はなくなり、バッテリから供給される電力の電圧の低さも影響して、インバータＦＥＴ４１Ａ〜４１Ｆはバッテリの電圧が高い場合に比べて低温となる。

また、逆接防止ＦＥＴ４４は、バッテリの極性が正しく接続されている場合、オン状態となっている。しかしながら、バッテリから供給される電圧が高い場合は、モータに供給する電流を制限するためにインバータＦＥＴ４１Ａ〜４１Ｆが通電を休止する。インバータＦＥＴ４１Ａ〜４１Ｆが通電を休止している間は、逆接防止ＦＥＴ４４にも電流は流れないので、逆接防止ＦＥＴ４４の発熱が抑制される。

また、インバータＦＥＴ４１Ａ〜４１Ｆが通電を休止している間は、コイル４３にも電流は流れないので、バッテリから供給される電圧が高い場合は、コイル４３の発熱が抑制される。

バッテリの電圧が低い場合には、インバータＦＥＴ４１Ａ〜４１Ｆはフルオン状態となり、逆接防止ＦＥＴ４４には電流が流れ続けるので、逆接防止ＦＥＴ４４の発熱が促進される。

インバータＦＥＴ４１Ａ〜４１Ｆがフルオン状態の場合は、コイル４３にも電流が流れ続けるので、バッテリから供給される電圧が低い場合は、コイル４３の発熱が促進される。

図５は、本実施の形態に係る電圧制御回路を用いたモータ駆動制御装置の制御の一例を示すフローチャートである。

本実施の形態では、図５のステップ５００でマイコン３１が、外部接続コネクタ２３を介して供給される電力の電圧に基づいて、過熱状態判定閾値を設定する。過熱状態判定閾値は、例えば、図６に示したように電源電圧に対して変化する閾値である。図６は、本実施の形態に係る電圧制御回路における電源電圧と過熱状態判定閾値との対応関係の一例を示す図である。

本実施の形態では、図６のような電源電圧と閾値との対応関係を基板２２に実装されたメモリに予め記憶しておき、測定された電源電圧を当該対応関係に当てはめて、過熱状態判定閾値を設定する。なお過熱状態判定閾値は、インバータ回路の構成によって差異が生じ得る。例えば、電源電圧と過熱状態判定閾値との対応関係は、基板２２における各素子とサーミスタ４６との相対的な位置関係等に影響を受ける場合がある。そのため、コンピュータを用いたシミュレーション又は試作品を用いたテストを通じて電源電圧と過熱状態判定閾値との対応関係を決定することが好ましい。

バッテリから供給される電力の電圧値は、車載の電圧計測手段（図示せず）によって計測されたものを外部接続コネクタ２３を介して取得するが、基板２２に電圧計測手段を設け、この電圧計測手段が計測した電圧値でもよい。

ステップ５０２では、サーミスタ４６が検知した温度が過熱状態判定閾値以上か否かを判定する。

ステップ５０２で肯定判定の場合は、基板２２に実装されているインバータＦＥＴ４１Ａ〜４１Ｆ、逆接防止ＦＥＴ４４又はコイル４３が過熱するおそれがある状態である。ステップ５０４ではインバータ回路４０から出力される電圧のデューティ比を図４（Ｂ）に示したように低下させる、又はインバータ回路４０の出力を停止して、素子を過熱から保護する。

ステップ５０４で過熱からインバータＦＥＴ４１Ａ〜４１Ｆ、逆接防止ＦＥＴ４４又はコイル４３を保護する制御を行った後は、手順をステップ５００に戻し、ステップ５００及び５０２の手順を繰り返す。

ステップ５０２で否定判定の場合は、インバータＦＥＴ４１Ａ〜４１Ｆ、逆接防止ＦＥＴ４４及びコイル４３は過熱のおそれがないので、ステップ５０６ではデューティ比を低下させずにインバータ回路４０の通常の制御を行う。

以上、説明したように、本実施の形態によれば、インバータ回路に供給される電力の電圧値に応じて過熱状態判定閾値を設定し、基板上に設けられた温度測定手段であるサーミスタが感知した温度が、電力の電圧値に応じて設定された過熱状態判定閾値以上か否かを判定する。その結果、単一の温度測定手段によって、発熱が電圧に依存する各素子の過熱を防止するインバータ回路の制御が可能となる。

１０・・・モータユニット、１１・・・シャフト、１２・・・ロータ、１２Ａ・・・センサマグネット、１２Ｂ・・・ホール素子、１３・・・上ケース、１４・・・ステータ、１４Ｕ、１４Ｖ、１４Ｗ・・・コイル、１６・・・モータ、２０・・・モータ駆動制御装置、２１・・・ヒートシンク、２１Ａ・・・突起、２２・・・基板、２３・・・外部接続コネクタ、２４Ａ、２４Ｂ、２４Ｃ・・・電力供給端子、２５・・・グラウンド電位領域、２６・・・絶縁用部材、２７、２８・・・突起、２９・・・固定ボルト、３１・・・マイコン、４０・・・インバータ回路、４１Ａ、４１Ｂ、４１Ｃ、４１Ｄ、４１Ｅ、４１Ｆ・・・インバータＦＥＴ、４２Ａ、４２Ｂ、４２Ｃ、４２Ｄ、４２Ｅ・・・コンデンサ、４３・・・コイル、４４・・・逆接防止ＦＥＴ、４６・・・サーミスタ、５０・・・下ケース、６０、６２・・・正弦波、８０・・・バッテリ、８２・・・エアコンＥＣＵ

Claims (4)

1. 電力の供給対象へ供給する電力を調節する第１の素子と、誤接続による回路の損傷を防止する第２の素子とを備えた回路と、
   前記第１の素子及び前記第２の素子から離れた位置に設けられ、設けられた位置で前記第１の素子及び前記第２の素子の過熱状態を計測する単一の過熱状態計測手段と、
   前記過熱状態計測手段にて計測された過熱状態が、印加された電源電圧に応じて定められる過熱状態判定閾値を超えた場合に、前記第１の素子が出力する電力を制限するように制御する制御手段と、
   を備えた電圧制御回路。
2. 前記第１の素子は、インバータ回路を構成する電界効果トランジスタであり、前記第２の素子は、前記電圧を印加する電源と前記第１の素子との間に設けられ、前記インバータ回路を構成する逆接防止電界効果トランジスタ及びノイズ除去用コイルである請求項１記載の電圧制御回路。
3. 前記制御手段は、前記回路が出力する電圧のデューティ比を低下することにより前記回路が出力する電圧を低下する請求項１または請求項２記載の電圧制御回路。
4. 前記回路は、モータの駆動を制御するモータ駆動制御回路である請求項１〜請求項３のいずれか１項記載の電圧制御回路。

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