JP6743687B2 - 電力変換装置、モータ駆動ユニット、および電動パワーステアリング装置 - Google Patents

電力変換装置、モータ駆動ユニット、および電動パワーステアリング装置 Download PDF

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Description

本開示は、電動モータに供給する電力を変換する電力変換装置、モータ駆動ユニット、電動パワーステアリング装置およびリレーモジュールに関する。
ブラシレスＤＣモータおよび交流同期モータなどの電動モータ（以下、単に「モータ」と表記する。）は、一般的に三相電流によって駆動される。三相電流の波形を正確に制御するため、ベクトル制御などの複雑な制御技術が用いられる。このような制御技術では、高度な数学的演算が必要であり、マイクロコントローラ（マイコン）などのデジタル演算回路が用いられる。ベクトル制御技術は、モータの負荷変動が大きな用途、例えば、洗濯機、電動アシスト自転車、電動スクータ、電動パワーステアリング装置、電気自動車、産業機器などの分野で活用されている。一方、出力が相対的に小さなモータでは、パルス幅変調（ＰＷＭ）方式などの他のモータ制御方式が採用されている。
車載分野においては、自動車用電子制御ユニット（ＥＣＵ：Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｃｏｎｔｏｒｌ Ｕｎｉｔ）が車両に用いられる。ＥＣＵは、マイクロコントローラ、電源、入出力回路、ＡＤコンバータ、負荷駆動回路およびＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）などを備える。ＥＣＵを核として電子制御システムが構築される。例えば、ＥＣＵはセンサからの信号を処理してモータなどのアクチュエータを制御する。具体的に説明すると、ＥＣＵはモータの回転速度やトルクを監視しながら、電力変換装置におけるインバータを制御する。ＥＣＵの制御の下で、電力変換装置はモータに供給する駆動電力を変換する。
近年、モータ、電力変換装置およびＥＣＵが一体化された機電一体型モータが開発されている。特に車載分野においては、安全性の観点から高い品質保証が要求される。そのため、部品の一部が故障した場合でも安全動作を継続できる冗長設計が取り入れられている。冗長設計の一例として、１つのモータに対して２つの電力変換装置を設けることが検討されている。他の一例として、メインのマイクロコントローラにバックアップ用マイクロコントローラを設けることが検討されている。
例えば特許文献１は、制御部と、２つのインバータとを備え、三相モータに供給する電力を変換する電力変換装置を開示している。２つのインバータの各々は電源およびグランド（以下、「ＧＮＤ」と表記する。）に接続される。一方のインバータは、モータの三相の巻線の一端に接続され、他方のインバータは、三相の巻線の他端に接続される。各インバータは、各々がハイサイドスイッチング素子およびローサイドスイッチング素子を含む３つのレグから構成されるブリッジ回路を備える。制御部は、２つのインバータにおけるスイッチング素子の故障を検出した場合、モータ制御を正常時の制御から異常時の制御に切替える。本願明細書において、「異常」とは、主としてスイッチング素子の故障を意味する。また、「正常時の制御」は、全てのスイッチング素子が正常な状態における制御を意味し、「異常時の制御」は、あるスイッチング素子に故障が生じた状態における制御を意味する。
異常時の制御において、２つのインバータのうちの故障したスイッチング素子を含むインバータ（以下、「故障インバータ」と表記する。）には、スイッチング素子を所定の規則でオンまたはオフすることにより巻線の中性点が構成される。その規則によれば、例えば、ハイサイドスイッチング素子が常時オフとなるオープン故障した場合、インバータのブリッジ回路において、３つのハイサイドスイッチング素子のうちの故障したスイッチング素子以外のものはオフし、かつ、３つのローサイドスイッチング素子はオンする。その場合、中性点はローサイド側に構成される。または、ハイサイドスイッチング素子が常時オンとなるショート故障した場合、インバータのブリッジ回路において、３つのハイサイドスイッチング素子のうちの故障したスイッチング素子以外のものはオンし、かつ、３つのローサイドスイッチング素子はオフする。その場合、中性点はハイサイド側に構成される。特許文献１の電力変換装置によれば、異常時において、三相の巻線の中性点は、故障インバータの中に構成される。スイッチング素子に故障が生じても、正常な方のインバータを用いてモータ駆動を継続させることができる。
特開２０１４−１９２９５０号公報
上述した従来の技術では、正常時および異常時における電流制御のさらなる向上が求められていた。
本開示の実施形態は、正常時および異常時のいずれにおいても適切な電流制御が可能な電力変換装置を提供する。
本開示の例示的な電力変換装置は、電源からの電力を、ｎ相（ｎは３以上の整数）の巻線を有するモータに供給する電力に変換する電力変換装置であって前記モータの各相の巻線の一端に接続される第１インバータと、前記各相の巻線の他端に接続される第２インバータと、前記各相の巻線の一端と前記第１インバータとの接続および非接続を切替える相分離リレー回路と、前記各相の巻線の一端に接続され、かつ、前記各相の巻線の一端同士の接続および非接続を切替える中性点リレー回路と、前記第２インバータと前記電源との接続・非接続を切替える第１スイッチ素子と、前記第２インバータとグランドとの接続・非接続を切替える第２スイッチ素子と、を有する。
本開示の実施形態によると、第１相分離リレー回路、第１中性点リレー回路、第１および第２スイッチ素子によって正常時および異常時のいずれにおいても適切な電流制御が可能となる電力変換装置が提供される。
図１は、例示的な実施形態１による電力変換装置１００の回路構成を示す回路図である。 図２は、例示的な実施形態１による電力変換装置１００の他の回路構成を示す回路図である。 図３は、例示的な実施形態１による電力変換装置１００のさらなる他の回路構成を示す回路図である。 図４は、例示的な実施形態１による、電力変換装置１００を備えるモータ駆動ユニット４００の典型的なブロック構成を示すブロック図である。 図５は、正常時の三相通電制御に従って電力変換装置１００を制御したときにモータ２００のＵ相、Ｖ相およびＷ相の各巻線に流れる電流値をプロットして得られる電流波形（正弦波）を示す図である。 図６は、例えばモータ電気角２７０°における異常時の制御に応じた電力変換装置１００内の電流の流れを示す模式図である。 図７は、異常時の制御に応じてモータ２００のＵ相、Ｖ相およびＷ相の各巻線に流れる電流値をプロットして得られる電流波形を示す図である。 図８は、一組のリレー回路を備える電力変換装置１００Ａの回路構成を示す回路図である。 図９は、例示的な実施形態２による電動パワーステアリング装置５００の典型的な構成を示す模式図である。 図１０は、例示的な実施形態３によるリレーモジュール６００の回路構成を示す回路図である。 図１１は、一組のリレー回路を備えるリレーモジュール６００Ａの回路構成を示す回路図である。 図１２Ａは、第１相分離リレー回路１２０において各ＦＥＴが配置される様子を示す模式図である。 図１２Ｂは、第１中性点リレー回路１３０において各ＦＥＴが配置される様子を示す模式図である。 図１３は、例示的な実施形態４による電力変換装置１００Ｂの回路構成を示す回路図である。 図１４は、例示的な実施形態４の変形例による電力変換装置１００Ｃの回路構成を示す回路図である。 図１５は、第２インバータ１４０のハイサイドスイッチ素子が故障した場合の、例えばモータ電気角９０°における電力変換装置１００Ｂ内の電流の流れを示す模式図である。 図１６は、第２インバータ１４０のローサイドスイッチ素子が故障した場合の、例えばモータ電気角９０°における電力変換装置１００Ｂ内の電流の流れを示す模式図である。
本開示の実施形態を説明する前に、本開示の基礎となった本願発明者の知見を説明する。
特許文献１の電力変換装置においては、電源およびＧＮＤと、２つのインバータの各々とが常時接続されたままである。その構成上、電源と故障インバータとの接続を切り離すことはできない。本願発明者は、異常時に故障インバータにおいて中性点が構成されても、故障インバータは電源から電流を引き込んでしまうという課題を見出した。これにより、故障インバータにおいて電力損失が発生することとなる。
電源と同様に、故障インバータとＧＮＤとの接続を切り離すこともできない。本願発明者は、異常時に故障インバータにおいて中性点が構成されても、正常な方のインバータを通じて各相の巻線に供給される電流は、供給元のインバータには戻らずに、故障インバータからＧＮＤに流れてしまうという課題を見出した。換言すると、駆動電流の閉ループを形成することは不可能となる。正常な方のインバータから各相の巻線に供給される電流は、供給元のインバータを通じてＧＮＤに流れることが望ましい。
以下、添付の図面を参照しながら、本開示の電力変換装置、モータ駆動ユニット、電動パワーステアリング装置およびリレーモジュールの実施形態を詳細に説明する。但し、必要以上に詳細な説明は省略する場合がある。例えば、既によく知られた事項の詳細説明や実質的に同一の構成に対する重複説明を省略する場合がある。これは、以下の説明が不必要に冗長になるのを避け、当業者の理解を容易にするためである。
本願明細書においては、三相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）の巻線を有する三相モータに供給する電力を変換する電力変換装置を例にして、本開示の実施形態を説明する。ただし、四相または五相などのｎ相（ｎは４以上の整数）の巻線を有するｎ相モータに供給する電力を変換する電力変換装置も本開示の範疇である。
（実施形態１）
図１は、本実施形態による電力変換装置１００の回路構成を模式的に示している。
電力変換装置１００は、第１インバータ１１０と、第１相分離リレー回路１２０と、第１中性点リレー回路１３０と、第２インバータ１４０と、第２相分離リレー回路１５０と、第２中性点リレー回路１６０とを備える。電力変換装置１００は種々のモータに供給する電力を変換することができる。モータ２００は、三相交流モータである。モータ２００は、Ｕ相の巻線Ｍ１、Ｖ相の巻線Ｍ２およびＷ相の巻線Ｍ３を備え、第１インバータ１１０と第２インバータ１４０とに接続される。具体的に説明すると、第１インバータ１１０はモータ２００の各相の巻線の一端に接続され、第２インバータ１４０は各相の巻線の他端に接続される。本願明細書において、部品（構成要素）同士の間の「接続」とは、主に電気的な接続を意味する。
第１インバータ１１０は、各相に対応した端子Ｕ＿Ｌ、Ｖ＿ＬおよびＷ＿Ｌを有し、第２インバータ１４０は、各相に対応した端子Ｕ＿Ｒ、Ｖ＿ＲおよびＷ＿Ｒを有する。第１インバータ１１０の端子Ｕ＿Ｌは、Ｕ相の巻線Ｍ１の一端に接続され、端子Ｖ＿Ｌは、Ｖ相の巻線Ｍ２の一端に接続され、端子Ｗ＿Ｌは、Ｗ相の巻線Ｍ１の一端に接続される。第１インバータ１１０と同様に、第２インバータ１４０の端子Ｕ＿Ｒは、Ｕ相の巻線Ｍ１の他端に接続され、端子Ｖ＿Ｒは、Ｖ相の巻線Ｍ２の他端に接続され、端子Ｗ＿Ｒは、Ｗ相の巻線Ｍ３の他端に接続される。このような結線は、いわゆるスター結線およびデルタ結線とは異なる。
第１インバータ１１０（「ブリッジ回路Ｌ」と表記する場合がある。）は、３個のレグから構成されるブリッジ回路を含む。各レグは、ローサイドスイッチング素子およびハイサイドスイッチング素子を有する。図１に示されるスイッチング素子１１１Ｌ、１１２Ｌおよび１１３Ｌがローサイドスイッチング素子であり、スイッチング素子１１１Ｈ、１１２Ｈおよび１１３Ｈはハイサイドスイッチング素子である。スイッチング素子として、例えば電界効果トランジスタ（典型的にはＭＯＳＦＥＴ）または絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）を用いることができる。本願明細書において、インバータのスイッチング素子としてＦＥＴを用いる例を説明し、以下の説明ではスイッチング素子をＦＥＴと表記する場合がある。例えば、スイッチング素子１１１ＬはＦＥＴ１１１Ｌと表記される。
第１インバータ１１０は、Ｕ相、Ｖ相およびＷ相の各相の巻線に流れる電流を検出するための電流センサ（図４を参照）として、３個のシャント抵抗１１１Ｒ、１１２Ｒおよび１１３Ｒを備える。電流センサ１７０は、各シャント抵抗に流れる電流を検出する電流検出回路（不図示）を含む。例えば、シャント抵抗１１１Ｒ、１１２Ｒおよび１１３Ｒは、第１インバータ１１０の３個のレグに含まれる３個のローサイドスイッチング素子とグランドとの間にそれぞれ接続される。具体的には、シャント抵抗１１１ＲはＦＥＴ１１１ＬとＧＮＤとの間に接続され、シャント抵抗１１２ＲはＦＥＴ１１２ＬとＧＮＤとの間に接続され、シャント抵抗１１３ＲはＦＥＴ１１３ＬとＧＮＤとの間に接続される。シャント抵抗の抵抗値は、例えば０．５ｍΩ〜１．０ｍΩ程度である。
第１インバータ１１０と同様に、第２インバータ１４０（「ブリッジ回路Ｒ」と表記する場合がある。）は、３個のレグから構成されるブリッジ回路を含む。図１に示されるＦＥＴ１４１Ｌ、１４２Ｌおよび１４３Ｌがローサイドスイッチング素子であり、ＦＥＴ１４１Ｈ、１４２Ｈおよび１４３Ｈはハイサイドスイッチング素子である。また、第２インバータ１４０は、３個のシャント抵抗１４１Ｒ、１４２Ｒおよび１４３Ｒを備える。それらのシャント抵抗は、３個のレグに含まれる３個のローサイドスイッチング素子とグランドとの間に接続される。第１および第２インバータ１１０、１４０の各ＦＥＴは、例えばマイクロコントローラまたは専用ドライバによって制御され得る。
第１相分離リレー回路１２０は、各相の巻線の一端と第１インバータ１１０との間に接続される。具体的に説明すると、第１相分離リレー回路１２０は、各相の巻線の一端と第１インバータ１１０とに接続される３個の第１相分離リレー１２１、１２２および１２３を含む。第１相分離リレー１２１は、ＦＥＴ１１１Ｈおよび１１１Ｌの接続ノードとＵ相の巻線Ｍ１の一端との間に接続される。第１相分離リレー１２２は、ＦＥＴ１１２Ｈおよび１１２Ｌの接続ノードとＶ相の巻線Ｍ２の一端との間に接続される。第１相分離リレー１２３は、ＦＥＴ１１３Ｈおよび１１３Ｌの接続ノードとＷ相の巻線Ｍ３の一端との間に接続される。この回路構成により、第１相分離リレー回路１２０は、各相の巻線の一端と第１インバータ１１０との接続および非接続を切替える。
第２相分離リレー回路１５０は、各相の巻線の他端と第２インバータ１４０との間に接続される。具体的に説明すると、第２相分離リレー回路１５０は、各相の巻線の他端と第２インバータ１４０とに接続される３個の第２相分離リレー１５１、１５２および１５３を含む。第２相分離リレー１５１は、ＦＥＴ１４１Ｈおよび１４１Ｌの接続ノードとＵ相の巻線Ｍ１の他端との間に接続される。第２相分離リレー１５２は、ＦＥＴ１４２Ｈおよび１４２Ｌの接続ノードとＶ相の巻線Ｍ２の他端との間に接続される。第２相分離リレー１５３は、ＦＥＴ１４３Ｈおよび１４３Ｌの接続ノードとＷ相の巻線Ｍ３の他端との間に接続される。この回路構成により、第２相分離リレー回路１５０は、各相の巻線の他端と第２インバータ１４０との接続および非接続を切替える。
第１中性点リレー回路１３０は、各相の巻線の一端に接続される。第１中性点リレー回路１３０は、各々の一端が共通の第１ノードＮ１に接続され、他端は各相の巻線の一端に接続される３個の第１中性点リレー１３１、１３２および１３３を含む。具体的に説明すると、第１中性点リレー１３１の一端は第１ノードＮ１に接続され、他端はＵ相の巻線Ｍ１の一端に接続される。第１中性点リレー１３２の一端は第１ノードＮ１に接続され、他端はＶ相の巻線Ｍ２の一端に接続される。第１中性点リレー１３３の一端は第１ノードＮ１に接続され、他端はＷ相の巻線Ｍ３の一端に接続される。この回路構成により、第１中性点リレー回路１３０は、各相の巻線の一端同士の接続および非接続を切替える。
第２中性点リレー回路１６０は、各相の巻線の他端に接続される。第２中性点リレー回路１６０は、各々の一端が共通の第２ノードＮ２に接続され、他端は各相の巻線の他端に接続される３個の第２中性点リレー１６１、１６２および１６３を含む。具体的に説明すると、第２中性点リレー１６１の一端は第２ノードＮ２に接続され、他端はＵ相の巻線Ｍ１の他端に接続される。第２中性点リレー１６２の一端は第２ノードＮ２に接続され、他端はＶ相の巻線Ｍ２の他端に接続される。第２中性点リレー１６３の一端は第２ノードＮ２に接続され、他端はＷ相の巻線Ｍ３の他端に接続される。この回路構成により、第２中性点リレー回路１６０は、各相の巻線の他端同士の接続および非接続を切替える。
第１相分離リレー１２１、１２２、１２３、第１中性点リレー１３１、１３２、１３３、第２相分離リレー１５１、１５２、１５３、第２中性点リレー１６１、１６２および１６３のリレーのオンおよびオフは、例えばマイクロコントローラまたは専用ドライバによって制御され得る。これらのリレーとして、例えばＦＥＴまたはＩＧＢＴなどのトランジスタを広く用いることができる。また、リレーとして、メカニカルリレーを用いても構わない。本願明細書において、これらのリレーとして還流ダイオードを有するＦＥＴを用いる例を説明し、以下の説明では、各リレーをＦＥＴと表記する。例えば、第１相分離リレー１２１、１２２および１２３は、ＦＥＴ１２１、１２２および１２３とそれぞれ表記される。
図１２Ａは、第１相分離リレー回路１２０において各ＦＥＴが配置される様子を模式的に示している。図１２Ｂは、第１中性点リレー回路１３０において各ＦＥＴが配置される様子を模式的に示している。
第１相分離リレー回路１２０において、３個のＦＥＴ１２１、１２２および１２３は、還流ダイオードが同一方向を向き、かつ、モータ２００に向けて順方向電流が還流ダイオードに流れるよう配置される。第１中性点リレー回路１３０において、３個のＦＥＴ１３１、１３２および１３３は、還流ダイオードが同一方向を向き、かつ、モータ２００に向けて順方向電流が還流ダイオードに流れるよう配置される。これと同様に、第２相分離リレー回路１５０において、３個のＦＥＴ１５１、１５２および１５３は、還流ダイオードが同一方向を向き、かつ、モータ２００に向けて順方向電流が還流ダイオードに流れるよう配置される。第２中性点リレー回路１６０において、３個のＦＥＴ１６１、１６２および１６３は、還流ダイオードが同一方向を向き、かつ、モータ２００に向けて順方向電流が還流ダイオードに流れるよう配置される。このような配置によると、オフ状態の相分離リレー回路および中性点リレー回路に流れる電流を遮断することができる。
電力変換装置１００は、電源１０１とＧＮＤとに接続される。具体的に説明すると、第１および第２インバータ１１０、１４０の各々は、電源１０１およびＧＮＤに接続される。電源１０１から第１および第２インバータ１１０、１４０に電力が供給される。
電源１０１は所定の電源電圧を生成する。電源１０１として、例えば直流電源が用いられる。ただし、電源１０１は、ＡＣ−ＤＣコンバータおよびＤＣ―ＤＣコンバータであってもよいし、バッテリー（蓄電池）であっても良い。電源１０１は、第１および第２インバータ１１０、１４０に共通の単一電源であってもよいし、第１インバータ１１０用の第１電源および第２インバータ１４０用の第２電源を備えていてもよい。
電源１０１と電力変換装置１００との間にコイル１０２が設けられている。コイル１０２は、ノイズフィルタとして機能し、各インバータに供給する電圧波形に含まれる高周波ノイズ、または各インバータで発生する高周波ノイズを電源１０１側に流出させないように平滑化する。また、各インバータの電源端子には、コンデンサ１０３が接続されている。コンデンサ１０３は、いわゆるバイパスコンデンサであり、電圧リプルを抑制する。コンデンサ１０３は、例えば電解コンデンサであり、容量および使用する個数は設計仕様などによって適宜決定される。
図１には、インバータ毎の各レグに１個のシャント抵抗を配置する構成を例示している。ただし、第１および第２インバータ１１０、１４０は、６個以下のシャント抵抗を備えることができる。６個以下のシャント抵抗は、第１および第２インバータ１１０、１４０が備える６個のレグのうちの６個以下のローサイドスイッチング素子とＧＮＤとの間に接続され得る。さらにこれをｎ相モータに拡張すると、第１および第２インバータ１１０、１４０は、２ｎ個以下のシャント抵抗を備えることができる。２ｎ個以下のシャント抵抗は、第１および第２インバータ１１０、１４０が備える２ｎ個のレグのうちの２ｎ個以下のローサイドスイッチング素子とＧＮＤとの間に接続され得る。
図２は、本実施形態による電力変換装置１００の他の回路構成を模式的に示している。第１または第２インバータ１１０、１４０の各レグと、巻線Ｍ１、Ｍ２およびＭ３との間に３つのシャント抵抗を配置することも可能である。例えば、第１インバータ１１０と巻線Ｍ１、Ｍ２およびＭ３の一端との間にシャント抵抗１１１Ｒ、１１２Ｒおよび１１３Ｒが配置され得る。また例えば、図示されないが、シャント抵抗１１１Ｒ、１１２Ｒは第１インバータ１１０と巻線Ｍ１、Ｍ２の一端との間に配置され、シャント抵抗１４３Ｒは、第２インバータ１４０と巻線Ｍ３の他端との間に配置され得る。このような構成において、Ｕ、ＶおよびＷ相用に３個のシャント抵抗が配置されていれば十分であり、最低２個のシャント抵抗が配置されていればよい。
図３は、本実施形態による電力変換装置１００のさらなる他の回路構成を模式的に示している。例えば各インバータに、各相の巻線に共通のシャント抵抗を１つだけ配置してもよい。１個のシャント抵抗１１１Ｒは、例えば第１インバータ１１０のローサイド側のノードＮ３（各レグの接続点）とＧＮＤとの間に接続され、他の１個のシャント抵抗１４１Ｒは、例えば第２インバータ１４０のローサイド側のノードＮ４とＧＮＤとの間に接続され得る。なお、正常なインバータ側のシャント抵抗を使用してモータ電流は検出される。そのため、相分離リレー回路の配置に関係なく、モータ電流が検出できる位置にシャント抵抗を配置することができる。または、ローサイド側と同様に、１個のシャント抵抗１１１Ｒは、例えば第１インバータ１１０のハイサイド側のノードＮ５と電源１０１との間に接続され、他の１個のシャント抵抗１４１Ｒは、例えば第２インバータ１４０のハイサイド側のノードＮ６と電源１０１との間に接続される。このように、使用するシャント抵抗の数およびシャント抵抗の配置は、製品コストや設計仕様などを考慮して適宜決定される。
図４は、電力変換装置１００を備えるモータ駆動ユニット４００の典型的なブロック構成を模式的に示している。
モータ駆動ユニット４００は、電力変換装置１００、モータ２００および制御回路３００を備える。
制御回路３００は、例えば、電源回路３１０と、角度センサ３２０と、入力回路３３０と、マイクロコントローラ３４０と、駆動回路３５０と、ＲＯＭ３６０とを備える。制御回路３００は、電力変換装置１００に接続され、電力変換装置１００を制御することによりモータ２００を駆動する。具体的には、制御回路３００は、目的とするモータトルクや回転速度を制御してクローズドループ制御を実現することができる。
電源回路３１０は、回路内の各ブロックに必要なＤＣ電圧（例えば３Ｖ、５Ｖ）を生成する。角度センサ３２０は、例えばレゾルバやホールＩＣである。角度センサ３２０は、モータ２００のロータの回転角（以下、「回転信号」と表記する。）を検出し、回転信号をマイクロコントローラ３４０に出力する。入力回路３３０は、電流センサ１７０によって検出されたモータ電流値（以下、「実電流値」と表記する。）を受け取って、マイクロコントローラ３４０の入力レベルに実電流値のレベルを必要に応じて変換し、実電流値をマイクロコントローラ３４０に出力する。
マイクロコントローラ３４０は、電力変換装置１００の第１および第２インバータ１１０、１４０における各ＦＥＴのスイッチング動作（ターンオンまたはターンオフ）を制御する。マイクロコントローラ３４０は、実電流値およびロータの回転信号などに従って目標電流値を設定してＰＷＭ信号を生成し、それを駆動回路３５０に出力する。また、例えばマイクロコントローラ３４０は、電力変換装置１００における、第１相分離リレー回路１２０、第１中性点リレー回路１３０、第２相分離リレー回路１５０および第２中性点リレー回路１６０のオン・オフ状態を切替えることができる。または、駆動回路３５０がマイクロコントローラ３４０の制御の下で、各リレー回路のオン・オフ状態の切替えを実行してもよい。駆動回路３５０は、典型的にはゲートドライバである。駆動回路３５０は、第１および第２インバータ１１０、１４０における各ＦＥＴのスイッチング動作を制御する制御信号（ゲート制御信号）をＰＷＭ信号に従って生成し、各ＦＥＴのゲートに制御信号を与える。なお、マイクロコントローラ３４０は駆動回路３５０の機能を備えていてもよい。その場合、制御回路３００に駆動回路３５０は存在しなくてよい。
ＲＯＭ３６０は、例えば書き込み可能なメモリ、書き換え可能なメモリまたは読み出し専用のメモリである。ＲＯＭ３６０は、マイクロコントローラ３４０に電力変換装置１００を制御させるための命令群を含む制御プログラムを格納している。例えば、制御プログラムはブート時にＲＡＭ（不図示）に一旦展開される。
電力変換装置１００には正常時および異常時の制御がある。制御回路３００（主としてマイクロコントローラ３４０）は、電力変換装置１００の制御を正常時の制御から異常時の制御に切替えることができる。制御の種類に応じて、第１相分離リレー回路１２０、第１中性点リレー回路１３０、第２相分離リレー回路１５０および第２中性点リレー回路１６０のオン・オフ状態が決定される。
以下、各リレー回路のオン・オフ状態およびオン・オフ状態における第１および第２インバータ１１０、１４０とモータ２００との電気的な接続関係を詳細に説明する。
制御回路３００は、第１相分離リレー回路１２０をオンすると、第１中性点リレー回路１３０をオフし、かつ、第１相分離リレー回路１２０をオフすると、第１中性点リレー回路１３０をオンするように両方のリレー回路を択一的に制御する。ここで、「第１相分離リレー回路１２０をオンする」とは、ＦＥＴ１２１、１２２および１２３の全てをオンすることを意味し、「第１相分離リレー回路１２０をオフする」とは、ＦＥＴ１２１、１２２および１２３の全てをオフすることを意味する。また、「第１中性点リレー回路１３０をオンする」とは、ＦＥＴ１３１、１３２および１３３の全てをオンすることを意味し、「第１中性点リレー回路１３０をオフする」とは、ＦＥＴ１３１、１３２および１３３の全てをオフすることを意味する。
第１相分離リレー回路１２０がオンすると、第１インバータ１１０は各相の巻線の一端に接続され、第１相分離リレー回路１２０がオフすると、第１インバータ１１０は各相の巻線の一端から切り離される。第１中性点リレー回路１３０がオンすると、各相の巻線の一端同士は接続され、第１中性点リレー回路１３０がオフすると、各相の巻線の一端同士は非接続となる。
制御回路３００は、第２相分離リレー回路１５０をオンすると、第２中性点リレー回路１６０をオフし、かつ、第２相分離リレー回路１５０をオフすると、第２中性点リレー回路１６０をオンするように両方のリレー回路を択一的に制御する。ここで、「第２相分離リレー回路１５０をオンする」とは、ＦＥＴ１５１、１５２および１５３の全てをオンすることを意味し、「第２相分離リレー回路１５０をオフする」とは、ＦＥＴ１５１、１５２および１５３の全てをオフすることを意味する。また、「第２中性点リレー回路１６０をオンする」とは、ＦＥＴ１６１、１６２および１６３の全てをオンすることを意味し、「第２中性点リレー回路１６０をオフする」とは、ＦＥＴ１６１、１６２および１６３の全てをオフすることを意味する。
第２相分離リレー回路１５０がオンすると、第２インバータ１４０は各相の巻線の他端に接続され、第２相分離リレー回路１５０がオフすると、第２インバータ１４０は各相の巻線の他端から切り離される。第２中性点リレー回路１６０がオンすると、各相の巻線の他端同士は接続され、第２中性点リレー回路１６０がオフすると、各相の巻線の他端同士は非接続となる。
（１．正常時の制御）
先ず、電力変換装置１００の正常時の制御方法の具体例を説明する。上述したとおり、正常とは、第１および第２インバータ１１０、１４０の各ＦＥＴに故障が生じていない状態を指す。
正常時において、制御回路３００は、第１相分離リレー回路１２０をオンして第１中性点リレー回路１３０をオフし、かつ、第２相分離リレー回路１５０をオンして第２中性点リレー回路１６０をオフする。これにより、第１および第２中性点リレー回路１３０、１６０は各相の巻線から切り離され、かつ、第１インバータ１１０は、第１相分離リレー回路１２０を介して各相の巻線の一端に接続されて、第２インバータ１４０は、第２相分離リレー回路１５０を介して各相の巻線の他端に接続される。この接続状態において、制御回路３００は、第１および第２インバータ１１０、１４０の両方を用いて三相通電制御することによってモータ２００を駆動する。具体的に、制御回路３００は、第１インバータ１１０のＦＥＴと第２インバータ１４０のＦＥＴとを互いに逆位相（位相差＝１８０°）でスイッチング制御することにより三相通電制御を行う。例えば、ＦＥＴ１１１Ｌ、１１１Ｈ、１４１Ｌおよび１４１Ｈを含むＨブリッジに着目すると、ＦＥＴ１１１Ｌがオンすると、ＦＥＴ１４１Ｌはオフし、ＦＥＴ１１１Ｌがオフすると、ＦＥＴ１４１Ｌはオンする。これと同様に、ＦＥＴ１１１Ｈがオンすると、ＦＥＴ１４１Ｈはオフし、ＦＥＴ１１１Ｈがオフすると、ＦＥＴ１４１Ｈはオンする。
図５は、正常時の三相通電制御に従って電力変換装置１００を制御したときにモータ２００のＵ相、Ｖ相およびＷ相の各巻線に流れる電流値をプロットして得られる電流波形（正弦波）を例示している。横軸は、モータ電気角（ｄｅｇ）を示し、縦軸は電流値（Ａ）を示している。図５の電流波形において、電気角３０°毎に電流値をプロットしている。Ｉｐｋは各相の最大電流値（ピーク電流値）を表している。なお、図５に例示した正弦波以外に、例えば矩形波を用いてモータ２００を駆動することは可能である。
表１は、図５の正弦波において電気角毎に、各インバータの端子に流れる電流値を示している。表１は、具体的に、第１インバータ１１０（ブリッジ回路Ｌ）の端子Ｕ＿Ｌ、Ｖ＿ＬおよびＷ＿Ｌに流れる、電気角３０°毎の電流値、および、第２インバータ１４０（ブリッジ回路Ｒ）の端子Ｕ＿Ｒ、Ｖ＿ＲおよびＷ＿Ｒに流れる、電気角３０°毎の電流値を示している。ここで、ブリッジ回路Ｌに対しては、ブリッジ回路Ｌの端子からブリッジ回路Ｒの端子に流れる電流方向を正の方向と定義する。図５に示される電流の向きはこの定義に従う。また、ブリッジ回路Ｒに対しては、ブリッジ回路Ｒの端子からブリッジ回路Ｌの端子に流れる電流方向を正の方向と定義する。従って、ブリッジ回路Ｌの電流とブリッジ回路Ｒの電流との位相差は１８０°となる。表１において、電流値Ｉ１の大きさは〔（３）１／２／２〕＊Ｉｐｋであり、電流値Ｉ２の大きさはＩｐｋ／２である。
Figure 0006743687
電気角０°において、Ｕ相の巻線Ｍ１には電流は流れない。Ｖ相の巻線Ｍ２にはブリッジ回路Ｒからブリッジ回路Ｌに大きさＩ１の電流が流れ、Ｗ相の巻線Ｍ３にはブリッジ回路Ｌからブリッジ回路Ｒに大きさＩ１の電流が流れる。
電気角３０°において、Ｕ相の巻線Ｍ１にはブリッジ回路Ｌからブリッジ回路Ｒに大きさＩ２の電流が流れ、Ｖ相の巻線Ｍ２にはブリッジ回路Ｒからブリッジ回路Ｌに大きさＩｐｋの電流が流れ、Ｗ相の巻線Ｍ３にはブリッジ回路Ｌからブリッジ回路Ｒに大きさＩ２の電流が流れる。
電気角６０°において、Ｕ相の巻線Ｍ１にはブリッジ回路Ｌからブリッジ回路Ｒに大きさＩ１の電流が流れ、Ｖ相の巻線Ｍ２にはブリッジ回路Ｒからブリッジ回路Ｌに大きさＩ１の電流が流れる。Ｗ相の巻線Ｍ３には電流は流れない。
電気角９０°において、Ｕ相の巻線Ｍ１にはブリッジ回路Ｌからブリッジ回路Ｒに大きさＩｐｋの電流が流れ、Ｖ相の巻線Ｍ２にはブリッジ回路Ｒからブリッジ回路Ｌに大きさＩ２の電流が流れ、Ｗ相の巻線Ｍ３にはブリッジ回路Ｒからブリッジ回路Ｌに大きさＩ２の電流が流れる。
電気角１２０°において、Ｕ相の巻線Ｍ１にはブリッジ回路Ｌからブリッジ回路Ｒに大きさＩ１の電流が流れ、Ｗ相の巻線Ｍ３にはブリッジ回路Ｒからブリッジ回路Ｌに大きさＩ１の電流が流れる。Ｖ相の巻線Ｍ２には電流は流れない。
電気角１５０°において、Ｕ相の巻線Ｍ１にはブリッジ回路Ｌからブリッジ回路Ｒに大きさＩ２の電流が流れ、Ｖ相の巻線Ｍ２にはブリッジ回路Ｌからブリッジ回路Ｒに大きさＩ２の電流が流れ、Ｗ相の巻線Ｍ３にはブリッジ回路Ｒからブリッジ回路Ｌに大きさＩｐｋの電流が流れる。
電気角１８０°において、Ｕ相の巻線Ｍ１には電流は流れない。Ｖ相の巻線Ｍ２にはブリッジ回路Ｌからブリッジ回路Ｒに大きさＩ１の電流が流れ、Ｗ相の巻線Ｍ３にはブリッジ回路Ｒからブリッジ回路Ｌに大きさＩ１の電流が流れる。
電気角２１０°において、Ｕ相の巻線Ｍ１にはブリッジ回路Ｒからブリッジ回路Ｌに大きさＩ２の電流が流れ、Ｖ相の巻線Ｍ２にはブリッジ回路Ｌからブリッジ回路Ｒに大きさＩｐｋの電流が流れ、Ｗ相の巻線Ｍ３にはブリッジ回路Ｒからブリッジ回路Ｌに大きさＩ２の電流が流れる。
電気角２４０°において、Ｕ相の巻線Ｍ１にはブリッジ回路Ｒからブリッジ回路Ｌに大きさＩ１の電流が流れ、Ｖ相の巻線Ｍ２にはブリッジ回路Ｌからブリッジ回路Ｒに大きさＩ１の電流が流れる。Ｗ相の巻線Ｍ３には電流は流れない。
電気角２７０°において、Ｕ相の巻線Ｍ１にはブリッジ回路Ｒからブリッジ回路Ｌに大きさＩｐｋの電流が流れ、Ｖ相の巻線Ｍ２にはブリッジ回路Ｌからブリッジ回路Ｒに大きさＩ２の電流が流れ、Ｗ相の巻線Ｍ３にはブリッジ回路Ｌからブリッジ回路Ｒに大きさＩ２の電流が流れる。
電気角３００°において、Ｕ相の巻線Ｍ１にはブリッジ回路Ｒからブリッジ回路Ｌに大きさＩ１の電流が流れ、Ｗ相の巻線Ｍ３にはブリッジ回路Ｌからブリッジ回路Ｒに大きさＩ１の電流が流れる。Ｖ相の巻線Ｍ２には電流は流れない。
電気角３３０°において、Ｕ相の巻線Ｍ１にはブリッジ回路Ｒからブリッジ回路Ｌに大きさＩ２の電流が流れ、Ｖ相の巻線Ｍ２にはブリッジ回路Ｒからブリッジ回路Ｌに大きさＩ２の電流が流れ、Ｗ相の巻線Ｍ３にはブリッジ回路Ｌからブリッジ回路Ｒに大きさＩｐｋの電流が流れる。
本実施形態による三相通電制御によれば、電流の向きを考慮した三相の巻線に流れる電流の総和は電気角毎に常に「０」になる。例えば、制御回路３００は、図５に示される電流波形が得られるようなＰＷＭ制御によってブリッジ回路ＬおよびＲの各ＦＥＴのスイッチング動作を制御する。
（２．異常時の制御）
電力変換装置１００の異常時の制御方法の具体例を説明する。上述したように、異常とは主としてＦＥＴに故障が発生したことを意味する。ＦＥＴの故障には、大きく分けて「オープン故障」と「ショート故障」とがある。「オープン故障」は、ＦＥＴのソース−ドレイン間が開放する故障（換言すると、ソース−ドレイン間の抵抗ｒｄｓがハイインピーダンスになること）を指し、「ショート故障」は、ＦＥＴのソース−ドレイン間が短絡する故障を指す。
再び図１を参照する。電力変換装置１００の動作時において、通常は、２つのインバータにおける１２個のＦＥＴの中から１つのＦＥＴがランダムに故障するランダム故障が発生すると考えられる。本開示は、主としてランダム故障が発生した場合における電力変換装置１００の制御方法を対象としている。ただし、本開示は、複数のＦＥＴが連鎖的に故障した場合などの電力変換装置１００の制御方法も対象とする。連鎖的な故障とは、例えば１つのレグのハイサイドスイッチング素子およびローサイドスイッチング素子に同時に発生する故障を意味する。
電力変換装置１００を長期間使用すると、ランダム故障が起こる可能性がある。なお、ランダム故障は、製造時に発生し得る製造故障とは異なるものである。２つのインバータにおける複数のＦＥＴのうちの１つでも故障すると、正常時の三相通電制御はもはや不可能となる。
故障検知の一例として、駆動回路３５０は、ＦＥＴのドレイン−ソース間の電圧Ｖｄｓを監視し、所定の閾値電圧とＶｄｓとを比較することによって、ＦＥＴの故障を検知する。閾値電圧は、例えば外部ＩＣ（不図示）とのデータ通信および外付け部品によって駆動回路３５０に設定される。駆動回路３５０は、マイクロコントローラ３４０のポートと接続され、故障検知信号をマイクロコントローラ３４０に通知する。例えば、駆動回路３５０は、ＦＥＴの故障を検知すると、故障検知信号をアサートする。マイクロコントローラ３４０は、アサートされた故障検知信号を受信すると、駆動回路３５０の内部データを読み出して、２つのインバータにおける複数のＦＥＴの中でどのＦＥＴが故障しているのかを判別する。
故障検知の他の一例として、マイクロコントローラ３４０は、モータの実電流値と目標電流値との差に基づいてＦＥＴの故障を検知することも可能である。ただし、故障検知は、これらの手法に限られず、故障検知に関する公知の手法を広く用いることができる。
マイクロコントローラ３４０は、故障検知信号がアサートされると、電力変換装置１００の制御を正常時の制御から異常時の制御に切替える。例えば、正常時から異常時に制御を切替えるタイミングは、故障検知信号がアサートされてから１０ｍｓｅｃ〜３０ｍｓｅｃ程度である。
異常時の制御の説明において、２つのインバータのうちの第１インバータ１１０を故障インバータとして扱い、第２インバータ１４０を正常インバータとして扱う。以下、ハイサイドスイッチング素子に故障が発生した場合と、ローサイドスイッチング素子に故障が発生した場合とに分けて制御を説明する。
〔２−１．ハイサイドスイッチング素子の故障〕
第１インバータ１１０のハイサイドスイッチング素子（ＦＥＴ１１１Ｈ、１１２Ｈおよび１１３Ｈ）の中でＦＥＴ１１１Ｈがオープン故障したとする。なお、ＦＥＴ１１２Ｈまたは１１３Ｈがオープン故障した場合においても、以下で説明する制御方法で電力変換装置１００を制御することができる。
ＦＥＴ１１１Ｈがオープン故障した場合、制御回路３００は、第１相分離リレー回路１２０をオフして第１中性点リレー回路１３０をオンし、かつ、第２相分離リレー回路１５０をオンして第２中性点リレー回路１６０をオフする。これにより、故障したＦＥＴ１１１Ｈを含む第１インバータ１１０は、モータ２００（つまり、各相の巻線の一端）から切り離されて、正常な方の第２インバータ１４０だけが、モータ２００（つまり、各相の巻線の他端）に接続される。この接続状態で、第１中性点リレー回路１３０がオンすることにより第１ノードＮ１は、各相の巻線の中性点として機能する。本願明細書において、あるノードが中性点として機能することを、「中性点が構成される」と表現することとする。なお、第２中性点リレー回路１６０に中性点は構成されない。第１インバータ１１０において、故障したＦＥＴ１１１Ｈ以外の他のＦＥＴ１１２Ｈ、１１３Ｈ、１１１Ｌ、１１２Ｌおよび１１３Ｌは全てオフ状態にしておくことが望ましい。制御回路３００は例えば、第１インバータ１１０において、故障したＦＥＴ１１１Ｈ以外の他のＦＥＴ１１２Ｈ、１１３Ｈ、１１１Ｌ、１１２Ｌおよび１１３Ｌを全てオフ状態にする。制御回路３００は、中性点が第１中性点リレー回路１３０に構成された状態で第２インバータ１４０を制御することによってモータ２００を駆動する。
この制御によれば、第１相分離リレー回路１２０によって第１インバータ１１０をモータ２００から切り離すことができ、かつ、第１中性点リレー回路１３０を用いて駆動電流の閉ループを形成することがきるので、異常時においても適切な電流制御が可能となる。
図６は、例えばモータ電気角２７０°における異常時の制御に応じた電力変換装置１００内の電流の流れを模式的に示している。３つの実線のそれぞれは、電源１０１からモータ２００に流れる電流を表し、破線は、モータ２００の巻線Ｍ１に戻る回生電流を表している。図７は、異常時の制御に応じてモータ２００のＵ相、Ｖ相およびＷ相の各巻線に流れる電流値をプロットして得られる電流波形を例示している。横軸は、モータ電気角（ｄｅｇ）を示し、縦軸は電流値（Ａ）を示している。
図６に示される状態において、第２インバータ１４０のＦＥＴ１４１Ｈ、１４２Ｌおよび１４３Ｌはオン状態であり、ＦＥＴ１４１Ｌ、１４２Ｈおよび１４３Ｈはオフ状態である。第２インバータ１４０のＦＥＴ１４１Ｈを流れた電流は、巻線Ｍ１および第１中性点リレー回路１３０のＦＥＴ１３１を通って中性点に流れ込む。その電流の一部は、ＦＥＴ１３２を通って巻線Ｍ２に流れ、残りの電流は、ＦＥＴ１３３を通って巻線Ｍ３に流れる。巻線Ｍ２およびＭ３を流れた電流は、第２インバータ１４０のＦＥＴ１４２Ｌおよび１４３Ｌをそれぞれ通ってＧＮＤに流れる。また、ＦＥＴ１４１Ｌの還流ダイオードには回生電流がモータ２００の巻線Ｍ１に向けて流れる。
ＦＥＴ１１１Ｈはオープン故障し、かつ、第１インバータ１１０の、ＦＥＴ１１１Ｈ以外のＦＥＴ１１２Ｈ、１１３Ｈ、１１１Ｌ、１１２Ｌおよび１１３Ｌはオフ状態であるので、電源１０１から第１インバータ１１０に電流は流れ込まない。また、第１インバータ１１０は、第１相分離リレー回路１２０によってモータ２００から切り離されるので、第２インバータ１４０から第１インバータ１１０に電流は流れない。
表２は、図７の電流波形における電気角毎に、第２インバータ１４０の端子に流れる電流値を例示している。表２は具体的に、第２インバータ１４０（ブリッジ回路Ｒ）の端子Ｕ＿Ｒ、Ｖ＿ＲおよびＷ＿Ｒに流れる、電気角３０°毎の電流値を例示している。電流方向の定義は上述したとおりである。なお、電流方向の定義によって、図７に示される電流値の正負の符号は、表２に示される電流値のそれとは逆の関係（位相差１８０°）になる。
Figure 0006743687
例えば、電気角３０°において、Ｕ相の巻線Ｍ１にはブリッジ回路Ｌからブリッジ回路Ｒに大きさＩ２の電流が流れ、Ｖ相の巻線Ｍ２にはブリッジ回路Ｒからブリッジ回路Ｌに大きさＩｐｋの電流が流れ、Ｗ相の巻線Ｍ３にはブリッジ回路Ｌからブリッジ回路Ｒに大きさＩ２の電流が流れる。電気角６０°において、Ｕ相の巻線Ｍ１にはブリッジ回路Ｌからブリッジ回路Ｒに大きさＩ１の電流が流れ、Ｖ相の巻線Ｍ２にはブリッジ回路Ｒからブリッジ回路Ｌに大きさＩ１の電流が流れる。Ｗ相の巻線Ｍ３には電流は流れない。中性点に流れ込む電流と中性点から流れ出る電流との総和は電気角毎に常に「０」になる。制御回路３００は、例えば図７に示される電流波形が得られるようなＰＷＭ制御によってブリッジ回路Ｒの各ＦＥＴのスイッチング動作を制御する。
表１および表２に示されるように、正常時および異常時の制御の間でモータ２００に流れるモータ電流は電気角毎に変わらない。このため、異常時の制御において、正常時の制御におけるモータのアシストトルクが維持される。
ＦＥＴ１１１Ｈがショート故障した場合も、オープン故障した場合と同様に、上述した制御方法に従って電力変換装置１００を制御することができる。ショート故障の場合、ＦＥＴ１１１Ｈは常時オン状態となるが、第１相分離リレー回路１２０のＦＥＴ１２１はオフ状態であり、かつ、ＦＥＴ１１１Ｈ以外のＦＥＴ１１２Ｈ、１１３Ｈ、１１１Ｌ、１１２Ｌおよび１１３Ｌはオフ状態であるので、電源１０１から第１インバータ１１０に電流は流れ込まない。
〔２−２．ローサイドスイッチング素子の故障〕
第１インバータ１１０のローサイドスイッチング素子（ＦＥＴ１１１Ｌ、１１２Ｌおよび１１３Ｌ）の中でＦＥＴ１１１Ｌがオープン故障またはショート故障したとする。その場合の制御は、ハイサイドスイッチング素子が故障した場合の制御と同様である。つまり、制御回路３００は、第１相分離リレー回路１２０をオフして第１中性点リレー回路１３０をオンし、かつ、第２相分離リレー回路１５０をオンして第２中性点リレー回路１６０をオフする。さらに、制御回路３００は、第１インバータ１１０において、故障したＦＥＴ１１１Ｌ以外の他のＦＥＴ１１１Ｈ、１１２Ｈ、１１３Ｈ、１１２Ｌおよび１１３Ｌを全てオフ状態にする。制御回路３００は、中性点が第１中性点リレー回路１３０に構成された状態で第２インバータ１４０を制御することによってモータ２００を駆動する。
ＦＥＴ１１１Ｌが故障した場合、第１インバータ１１０の、ＦＥＴ１１１Ｌ以外のＦＥＴ１１１Ｈ、１１２Ｈ、１１３Ｈ、１１２Ｌおよび１１３Ｌはオフ状態であるので、電源１０１から第１インバータ１１０に電流は流れ込まない。また、第１インバータ１１０は、第１相分離リレー回路１２０によってモータ２００から切り離されるので、第２インバータ１４０から第１インバータ１１０に電流は流れない。なお、ＦＥＴ１１２Ｌまたは１１３Ｌが故障した場合においても、上述した制御方法で電力変換装置１００を制御することができる。
このように、第１インバータ１１０が故障したＦＥＴを少なくとも１つ含む場合、第１相分離リレー回路１２０を用いて第１インバータ１１０をモータ２００から切り離すことができ、かつ、第１中性点リレー回路１３０によって第１ノードＮ１を各相の巻線の中性点として機能させることができる。
図８を参照しながら、電力変換装置１００の回路構成の変形例を説明する。
本実施形態において、電力変換装置１００は、２つの相分離リレー回路と、２つの中性点リレー回路とを備える。しかしながら、本開示はこれに限定されない。例えば、電力変換装置１００は、第１相分離リレー回路１２０および第１中性点リレー回路１３０（一組のリレー回路）を備えていてもよい。換言すると、電力変換装置１００の１つのインバータに一組のリレー回路を設けた構成も選択され得る。
図８は、一組のリレー回路を備える電力変換装置１００Ａの回路構成を示している。一組のリレー回路に接続されたインバータ、つまり、第１相分離リレー回路１２０および第１中性点リレー回路１３０に接続された第１インバータ１１０が故障したとする。その場合、制御回路３００は、第１相分離リレー回路１２０をオフして第１中性点リレー回路１３０をオンする。この回路構成によれば、故障インバータをモータ２００から切り離すことができ、かつ、第１ノードＮ１を中性点として機能させることができる。制御回路３００は、中性点が第１中性点リレー回路１３０に構成された状態で、正常な方の第２インバータ１４０を制御することによってモータ２００を駆動することができる。
本実施形態によれば、異常時の制御において、電力損失を抑制することができ、かつ、駆動電流の閉ループを形成することにより適切な電流制御が可能となる。
（実施形態２）
自動車等の車両は一般的に、電動パワーステアリング装置を備えている。電動パワーステアリング装置は、運転者がステアリングハンドルを操作することによって発生するステアリング系の操舵トルクを補助するための補助トルクを生成する。補助トルクは、補助トルク機構によって生成され、運転者の操作の負担を軽減することができる。例えば、補助トルク機構は、操舵トルクセンサ、ＥＣＵ、モータおよび減速機構などから構成される。操舵トルクセンサは、ステアリング系における操舵トルクを検出する。ＥＣＵは、操舵トルクセンサの検出信号に基づいて駆動信号を生成する。モータは、駆動信号に基づいて操舵トルクに応じた補助トルクを生成し、減速機構を介してステアリング系に補助トルクを伝達する。
本開示のモータ駆動ユニット４００は、電動パワーステアリング装置に好適に利用される。図９は、本実施形態による電動パワーステアリング装置５００の典型的な構成を模式的に示している。電動パワーステアリング装置５００は、ステアリング系５２０および補助トルク機構５４０を備える。
ステアリング系５２０は、例えば、ステアリングハンドル５２１、ステアリングシャフト５２２（「ステアリングコラム」とも称される。）、自在軸継手５２３Ａ、５２３Ｂ、回転軸５２４（「ピニオン軸」または「入力軸」とも称される。）、ラックアンドピニオン機構５２５、ラック軸５２６、左右のボールジョイント５５２Ａ、５５２Ｂ、タイロッド５２７Ａ、５２７Ｂ、ナックル５２８Ａ、５２８Ｂ、および左右の操舵車輪（例えば左右の前輪）５２９Ａ、５２９Ｂから構成され得る。ステアリングハンドル５２１は、ステアリングシャフト５２２と自在軸継手５２３Ａ、５２３Ｂとを介して回転軸５２４に連結される。回転軸５２４にはラックアンドピニオン機構５２５を介してラック軸５２６が連結される。ラックアンドピニオン機構５２５は、回転軸５２４に設けられたピニオン５３１と、ラック軸５２６に設けられたラック５３２とを有する。ラック軸５２６の右端には、ボールジョイント５５２Ａ、タイロッド５２７Ａおよびナックル５２８Ａをこの順番で介して右の操舵車輪５２９Ａが連結される。右側と同様に、ラック軸５２６の左端には、ボールジョイント５５２Ｂ、タイロッド５２７Ｂおよびナックル５２８Ｂをこの順番で介して左の操舵車輪５２９Ｂが連結される。ここで、右側および左側は、座席に座った運転者から見た右側および左側にそれぞれ一致する。
ステアリング系５２０によれば、運転者がステアリングハンドル５２１を操作することによって操舵トルクが発生し、ラックアンドピニオン機構５２５を介して左右の操舵車輪５２９Ａ、５２９Ｂに伝わる。これにより、運転者は左右の操舵車輪５２９Ａ、５２９Ｂを操作することができる。
補助トルク機構５４０は、例えば、操舵トルクセンサ５４１、ＥＣＵ５４２、モータ５４３、減速機構５４４および電力変換装置５４５から構成され得る。補助トルク機構５４０は、ステアリングハンドル５２１から左右の操舵車輪５２９Ａ、５２９Ｂに至るステアリング系５２０に補助トルクを与える。なお、補助トルクは「付加トルク」と称されることがある。
ＥＣＵ５４２として、実施形態１による制御回路３００を用いることができ、電力変換装置５４５として、実施形態１による電力変換装置１００を用いることができる。また、モータ５４３は、実施形態１におけるモータ２００に相当する。ＥＣＵ５４２、モータ５４３および電力変換装置５４５によって構成することが可能な機電一体型ユニットとして、実施形態１によるモータ駆動ユニット４００を好適に用いることができる。
操舵トルクセンサ５４１は、ステアリングハンドル５２１によって付与されたステアリング系５２０の操舵トルクを検出する。ＥＣＵ５４２は、操舵トルクセンサ５４１からの検出信号（以下、「トルク信号」と表記する。）に基づいてモータ５４３を駆動するための駆動信号を生成する。モータ５４３は、操舵トルクに応じた補助トルクを駆動信号に基づいて発生する。補助トルクは、減速機構５４４を介してステアリング系５２０の回転軸５２４に伝達される。減速機構５４４は、例えばウォームギヤ機構である。補助トルクはさらに、回転軸５２４からラックアンドピニオン機構５２５に伝達される。
電動パワーステアリング装置５００は、補助トルクがステアリング系５２０に付与される箇所によって、ピニオンアシスト型、ラックアシスト型、およびコラムアシスト型等に分類することができる。図９には、ピニオンアシスト型の電動パワーステアリング装置５００を示している。ただし、電動パワーステアリング装置５００は、ラックアシスト型、コラムアシスト型等にも適用される。
ＥＣＵ５４２には、トルク信号だけでなく、例えば車速信号も入力され得る。外部機器５６０は例えば車速センサである。または、外部機器５６０は、例えばＣＡＮ（Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ Ａｒｅａ Ｎｅｔｗｏｒｋ）等の車内ネットワークで通信可能な他のＥＣＵであってもよい。ＥＣＵ５４２のマイクロコントローラは、トルク信号や車速信号などに基づいてモータ５４３をベクトル制御またはＰＷＭ制御することができる。
ＥＣＵ５４２は、少なくともトルク信号に基づいて目標電流値を設定する。ＥＣＵ５４２は、車速センサによって検出された車速信号を考慮し、さらに角度センサによって検出されたロータの回転信号を考慮して、目標電流値を設定することが好ましい。ＥＣＵ５４２は、電流センサ（不図示）によって検出された実電流値が目標電流値に一致するように、モータ５４３の駆動信号、つまり、駆動電流を制御することができる。
電動パワーステアリング装置５００によれば、運転者の操舵トルクにモータ５４３の補助トルクを加えた複合トルクを利用してラック軸５２６によって左右の操舵車輪５２９Ａ、５２９Ｂを操作することができる。特に、上述した機電一体型ユニットに、本開示のモータ駆動ユニット４００を利用することにより、部品の品質が向上し、かつ、正常時および異常時のいずれにおいても適切な電流制御が可能となる、モータ駆動ユニットを備える電動パワーステアリング装置が提供される。
（実施形態３）
図１０は、本実施形態によるリレーモジュール６００の回路構成を模式的に示している。
リレーモジュール６００は、第１相分離リレー回路１２０、第１中性点リレー回路１３０、第２相分離リレー回路１５０および第２中性点リレー回路１６０を備える。リレーモジュール６００は、三相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）の巻線を有するモータ２００を駆動し、各相の巻線の一端に接続される第１インバータ１１０および各相の巻線の他端に接続される第２インバータ１４０を備える電力変換装置７００に接続可能である。
リレーモジュール６００は、モータ２００と電力変換装置７００との間に電気的に接続される。第１相分離リレー回路１２０、第１中性点リレー回路１３０、第２相分離リレー回路１５０および第２中性点リレー回路１６０の各リレー回路の構造は、実施形態１で説明したとおりである。すなわち、第１相分離リレー回路１２０は、各相の巻線の一端と第１インバータ１２０とに接続される３個のＦＥＴ１２１、１２２および１２３を含み、第２相分離リレー回路１５０は、各相の巻線の他端と第２インバータ１４０とに接続される３個のＦＥＴ１５１、１５２および１５３を含む。第１中性点リレー回路１３０は、各々の一端が共通の第１ノードＮ１に接続され、他端は各相の巻線の一端に接続される３個のＦＥＴ１３１、１３２および１３３を含み、第２中性点リレー回路１６０は、各々の一端が共通の第２ノードＮ２に接続され、他端は各相の巻線の他端に接続される３個のＦＥＴ１６１、１６２および１６３を含む。
第１相分離リレー回路１２０は、各相の巻線の一端と第１インバータ１１０との接続および非接続を切替え、第２相分離リレー回路１５０は、各相の巻線の他端と第２インバータ１４０との接続および非接続を切替える。第１中性点リレー回路１３０は、各相の巻線の一端同士の接続および非接続を切替え、第２中性点リレー回路１６０は、各相の巻線の他端同士の接続および非接続を切替える。
リレーモジュール６００において、第１相分離リレー回路１２０がオンすると、第１中性点リレー回路１３０はオフし、かつ、第１相分離リレー回路１２０がオフすると、第１中性点リレー回路１３０はオンする。第２相分離リレー回路１５０がオンすると、第２中性点リレー回路１６０はオフし、かつ、第２相分離リレー回路１５０がオフすると、第２中性点リレー回路１６０はオンする。リレーモジュール６００、具体的には各リレー回路は、例えば外付け制御回路または専用ドライバによって制御され得る。外付け制御回路は、例えば実施形態１による制御回路３００である。本実施形態において、リレーモジュール６００は制御回路３００によって制御される。
正常時において、制御回路３００は、第１相分離リレー回路１２０をオンして第１中性点リレー回路１３０をオフし、かつ、第２相分離リレー回路１５０をオンして第２中性点リレー回路１６０をオフする。なお、各リレー回路のオン・オフ状態およびオン・オフ状態における第１および第２インバータ１１０、１４０とモータ２００との電気的な接続関係は、実施形態１で説明したとおりである。例えば、制御回路３００は、図５に示される電流波形が得られるようなＰＷＭ制御によって２つのインバータの各ＦＥＴのスイッチング動作を制御することによりモータを駆動することができる。
異常時において、第１インバータ１１０が故障しているとする。その場合、実施形態１と同様に、制御回路３００は、第１相分離リレー回路１２０をオフして第１中性点リレー回路１３０をオンし、かつ、第２相分離リレー回路１５０をオンして第２中性点リレー回路１６０をオフする。この状態において、モータ２００の各相の巻線の一端同士の接続によって各相の巻線の中性点がリレーモジュール６００（具体的には第１中性点リレー回路１３０）に構成される。制御回路３００は、中性点が構成された状態で第２インバータ１４０を制御することによってモータ２００を駆動することができる。制御回路３００は、例えば図７に示される電流波形が得られるようなＰＷＭ制御によって第２インバータ１４０の各ＦＥＴのスイッチング動作を制御する。このように、リレーモジュール６００を用いて駆動電流の閉ループを形成することができるので、異常時においても適切な電流制御が可能となる。
図１１を参照しながら、リレーモジュール６００の回路構成の変形例を説明する。
本実施形態において、リレーモジュール６００は、２つの相分離リレー回路と、２つの中性点リレー回路とを備える。しかしながら、本開示はこれに限定されない。例えばリレーモジュール６００は、第１相分離リレー回路１２０および第１中性点リレー回路１３０（一組のリレー回路）を備えていてもよい。換言すると、電力変換装置１００の１つのインバータ用に一組のリレー回路を設けた構成も選択され得る。
図１１は、一組のリレー回路を備えるリレーモジュール６００Ａの回路構成を示している。リレーモジュール６００Ａは、第１および第２インバータ１１０、１４０の一方とモータ２００との間に接続されている。図示する例では、一組のリレー回路（つまり、第１相分離リレー回路１２０および第１中性点リレー回路１３０）を第１インバータ１１０に接続している。
一組のリレー回路が接続されたインバータ、つまり、第１インバータが故障したとする。その場合、制御回路３００は、第１相分離リレー回路１２０をオフして第１中性点リレー回路１３０をオンする。制御回路３００は、中性点が構成された状態で第２インバータ１４０を制御することによってモータ２００を駆動することができる。この回路構成によれば、故障インバータをモータ２００から切り離すことができ、かつ、第１ノードＮ１を中性点として機能させることができる。
本実施形態によれば、電力変換装置７００の異常時の制御において、電力損失を抑制することができ、かつ、駆動電流の閉ループを形成することにより適切な電流制御が可能となる。
（実施形態４）
図１３から図１６を参照しながら、実施形態４による電力変換装置１００Ｂの回路構成、正常時および異常時の動作を説明する。
図１３は、電力変換装置１００Ｂの回路構成を模式的に示している。
電力変換装置１００Ｂは、第１および第２スイッチ素子８０１、８０２を備える点で、実施形態１による電力変換装置１００Ａとは異なる。以下、実施形態１との差異点を主に説明する。
電力変換装置１００Ｂは、第１インバータ１１０側に配置された一組のリレー回路（第１相分離リレー回路１２０および第１中性点リレー回路１３０）と、第２インバータ１４０側に配置された第１および第２スイッチ素子８０１、８０２と、を備える。
電力変換装置１００Ｂにおいて、第２インバータ１４０は、２つのスイッチ素子８０１、８０２によって電源１０１およびＧＮＤに接続することが可能である。具体的には、第１スイッチ素子８０１は、第２インバータ１４０と電源１０１との接続・非接続を切替える。第２スイッチ素子８０２は、第２インバータ１４０とＧＮＤとの接続・非接続を切替える。
第１および第２スイッチ素子８０１、８０２のオンおよびオフは、例えばマイクロコントローラ３４０（図４）または専用ドライバによって制御され得る。第１および第２スイッチ素子８０１、８０２として、例えばＭＯＳＦＥＴまたはＩＧＢＴなどの半導体スイッチ素子を広く用いることができる。ただし、メカニカルリレーを用いても構わない。本願明細書では、第１および第２スイッチ素子８０１、８０２として半導体スイッチ素子を用いる例を説明し、第１および第２スイッチ素子８０１、８０２を、ＦＥＴ８０１、８０２とそれぞれ表記することとする。
２つのスイッチ素子８０１、８０２は、還流ダイオード８０１Ｄ、８０２Ｄをそれぞれ有する。ＦＥＴ８０１は、還流ダイオード８０１Ｄが電源１０１を向くよう配置され、ＦＥＴ８０２は、還流ダイオード８０２Ｄが第２インバータ１４０に向くよう配置される。より詳細には、ＦＥＴ８０１は、還流ダイオード８０１Ｄにおいて電源１０１に向けて順方向電流が流れるよう配置され、ＦＥＴ８０２は、還流ダイオード８０２Ｄにおいて第２インバータ１４０に向けて順方向電流が流れるよう配置される。
図示する例に限られず、使用するスイッチ素子の個数は、設計仕様などを考慮して適宜決定される。特に車載分野においては、安全性の観点から高い品質保証が要求されるので、遮断用のスイッチ素子に複数のスイッチ素子を設けておくことが好ましい。
図１４は、本実施形態の変形例による電力変換装置１００Ｃの回路構成を模式的に示している。
電力変換装置１００Ｃは、還流ダイオード８０３Ｄを有する逆接続保護用の第３スイッチ素子（ＦＥＴ）８０３をさらに備える。第２インバータ１４０の電源側において、ＦＥＴ８０１、８０３は、ＦＥＴ内の還流ダイオードの向きが互いに対向するよう配置される。具体的に説明すると、ＦＥＴ８０１は、還流ダイオード８０１Ｄにおいて電源１０１に向けて順方向電流が流れるよう配置され、ＦＥＴ８０３は、還流ダイオード８０３Ｄにおいて第２インバータ１４０に向けて順方向電流が流れるよう配置される。このような配置によると、電源１０１が逆向きに接続された場合でも、逆接続保護用のＦＥＴ８０３によって逆電流を遮断することができる。
正常時の制御において、制御回路３００は、第１相分離リレー回路１２０をオンして第１中性点リレー回路１３０をオフし、かつ、ＦＥＴ８０１、８０２をオンする。これにより、第１中性点リレー回路１３０は各相の巻線から切り離され、かつ、第１インバータ１１０は、第１相分離リレー回路１２０を介して各相の巻線の一端に接続される。第２インバータ１４０は、電源１０１およびＧＮＤに接続される。この接続状態において、制御回路３００は、上述したように、第１および第２インバータ１１０、１４０の両方を用いて三相通電制御することによってモータ２００を駆動することが可能である。
第１インバータ１１０が故障したとき、制御回路３００は、第１相分離リレー回路１２０をオフして第１中性点リレー回路１３０をオンし、かつ、ＦＥＴ８０１、８０２をオンする。この接続状態において、故障インバータはモータ２００から切り離され、かつ、第１ノードＮ１を中性点として機能させることができる。制御回路３００は、中性点が第１中性点リレー回路１３０に構成された状態で、正常な方の第２インバータ１４０を制御することによってモータ２００の駆動を継続することができる。
第２インバータ１４０が故障したとき、制御回路３００は、第１相分離リレー回路１２０をオンして第１中性点リレー回路１３０をオフし、かつ、以下で説明する故障パターンに従って、ＦＥＴ８０１、８０２のオン・オフを制御する。
〔４−１．ハイサイドスイッチング素子のオープン故障〕
第２インバータ１４０における３個のハイサイドスイッチング素子（ＦＥＴ１４１Ｈ、１４２Ｈおよび１４３Ｈ）がオープン故障したスイッチング素子を含む場合、制御回路３００は原則、ＦＥＴ８０１、８０２をオフし、かつ、３個のハイサイドスイッチング素子のうち、故障したスイッチング素子以外の他のスイッチング素子を全てオフして、３個のローサイドスイッチング素子を全てオンする。
３個のハイサイドスイッチング素子のうちのＦＥＴ１４１Ｈが故障したと仮定する。なお、ＦＥＴ１４２Ｈまたは１４３Ｈが故障した場合においても、以下で説明する制御方法で電力変換装置１００Ｂを制御することができる。
制御回路３００は、ＦＥＴ８０１、８０２をオフし、かつ、故障したＦＥＴ１４１Ｈ以外の他のＦＥＴ１４２Ｈ、１４３Ｈをオフして、ＦＥＴ１４１Ｌ、１４２Ｌおよび１４３Ｌをオンする。ＦＥＴ８０１は、第２インバータ１４０と電源１０１との接続を遮断し、ＦＥＴ８０２は、第２インバータ１４０とＧＮＤとの接続を遮断する。ＦＥＴ１４１Ｌ、１４２Ｌおよび１４３Ｌをオンすることにより、ローサイド側のノードＮ４が各巻線の中性点として機能する。電力変換装置１００Ｂは、第２インバータ１４０のローサイド側に構成された中性点および第１インバータ１１０を用いてモータ２００を駆動することが可能である。
図１５は、電気角９０°における電力変換装置１００Ｂ内の電流の流れを模式的に示している。
図１５には、例えば図７に示される電流波形の電気角９０°においてＵ相、Ｖ相およびＷ相の各巻線に流れる電流の流れを例示している。３つの実線のそれぞれは、電源１０１からモータ２００に流れる電流を表し、破線は、モ―タ２００の巻線Ｍ１に戻る回生電流を表している。
電気角９０°では、第１インバータ１１０において、ＦＥＴ１１１Ｈ、１１２Ｌおよび１１３Ｌはオン状態であり、ＦＥＴ１１１Ｌ、１１２Ｈおよび１１３Ｈはオフ状態である。第１インバータ１１０のＦＥＴ１１１Ｈを流れた電流は、ＦＥＴ１２１、巻線Ｍ１および第２インバータ１４０のＦＥＴ１４１Ｌを通って中性点に流れる。その電流の一部は、ＦＥＴ１４２Ｌを通って巻線Ｍ２に流れ、残りの電流は、ＦＥＴ１４３Ｌを通って巻線Ｍ３に流れる。巻線Ｍ２を流れた電流は、ＦＥＴ１２２、ＦＥＴ１１２Ｌを通ってＧＮＤに流れる。巻線Ｍ３を流れた電流は、ＦＥＴ１２３、ＦＥＴ１１３Ｌを通ってＧＮＤに流れる。また、ＦＥＴ１１１Ｌの還流ダイオードには回生電流がモータ２００の巻線Ｍ１に向けて流れる。
例えば、電気角３０°においては、Ｕ相の巻線Ｍ１にはブリッジ回路Ｌからブリッジ回路Ｒに大きさＩ２の電流が流れ、Ｖ相の巻線Ｍ２にはブリッジ回路Ｒからブリッジ回路Ｌに大きさＩｐｋの電流が流れ、Ｗ相の巻線Ｍ３にはブリッジ回路Ｌからブリッジ回路Ｒに大きさＩ２の電流が流れる。電気角６０°においては、Ｕ相の巻線Ｍ１にはブリッジ回路Ｌからブリッジ回路Ｒに大きさＩ１の電流が流れ、Ｖ相の巻線Ｍ２にはブリッジ回路Ｒからブリッジ回路Ｌに大きさＩ１の電流が流れる。Ｗ相の巻線Ｍ３には電流は流れない。中性点に流れ込む電流と中性点から流れ出る電流との総和は電気角毎に常に「０」になる。制御回路３００は、例えば図７に示される電流波形が得られるようなＰＷＭ制御によってブリッジ回路Ｌの各ＦＥＴのスイッチング動作を制御することが可能である。なお、ブリッジ回路Ｌに流れる電流値の正負の符号は、表２に示されるブリッジ回路Ｒに流れる電流値のそれとは逆になる。
ハイサイドスイッチング素子がオープン故障している場合、ＦＥＴ８０１はオン状態であっても構わない。換言すると、ＦＥＴ８０１はオン・オフ状態を問わない。ＦＥＴ８０１がオンしてもよい理由は、ＦＥＴ１４１Ｈがオープン故障の場合、ＦＥＴ１４２Ｈ、１４３Ｈをオフ状態に制御することによりハイサイドスイッチング素子は全て開放状態となる。その結果、ＦＥＴ８０１がオンしても、電源１０１から第２インバータ１４０に電流は流れないためである。
〔４−２．ハイサイドスイッチング素子のショート故障〕
第２インバータ１４０における３個のハイサイドスイッチング素子（ＦＥＴ１４１Ｈ、１４２Ｈおよび１４３Ｈ）がショート故障したスイッチング素子を含む場合、制御回路３００は、ＦＥＴ８０１、８０２をオフし、かつ、３個のハイサイドスイッチング素子のうち、故障したスイッチング素子以外の他のスイッチング素子を全てオフして、３個のローサイドスイッチング素子を全てオンする。なお、ショート故障の場合、ＦＥＴ８０１がオンすると、電源１０１からショートしたＦＥＴ１４１Ｈに電流が流れ込むので、ＦＥＴ８０１のオン状態は禁止される。
オープン故障と同様に、電力変換装置１００Ｂは、第２インバータ１４０のローサイド側に構成される中性点および第１インバータ１１０を用いてモータ２００を駆動することが可能である。
なお、ＦＥＴ１４１Ｈがショート故障している場合、例えば、図７に示されるモータ電気角１８０°〜３００°では、ＦＥＴ１４２Ｈの還流ダイオードを通ってＦＥＴ１４１Ｈに回生電流が流れ、図７に示されるモータ電気角２４０°〜３６０°では、ＦＥＴ１４３Ｈの還流ダイオードを通ってＦＥＴ１４１Ｈに回生電流が流れる。このように、ショート故障の場合、モータ電気角のある範囲では電流がＦＥＴ１４２ＨまたはＦＥＴ１４３Ｈを通ってハイサイド側にも分散し得る。
〔４−３．ローサイドスイッチング素子のオープン故障〕
第２インバータ１４０における３個のローサイドスイッチング素子（ＦＥＴ１４１Ｌ、１４２Ｌおよび１４３Ｌ）がオープン故障したスイッチング素子を含む場合、制御回路３００は原則、ＦＥＴ８０１、８０２をオフし、かつ、３個のローサイドスイッチング素子のうち、故障したスイッチング素子以外の他のスイッチング素子を全てオフして、３個のハイサイドスイッチング素子を全てオンする。
３個のローサイドスイッチング素子のうちのＦＥＴ１４１Ｌが故障したと仮定する。なお、ＦＥＴ１４２Ｌまたは１４３Ｌが故障した場合においても、以下で説明する制御方法で電力変換装置１００Ｂを制御することができる。
制御回路３００は、ＦＥＴ８０１、８０２をオフし、かつ、故障したＦＥＴ１４１Ｌ以外の他のＦＥＴ１４２Ｌ、１４３Ｌをオフして、ＦＥＴ１４１Ｈ、１４２Ｈおよび１４３Ｈをオンする。ＦＥＴ８０１は、第２インバータ１４０と電源１０１との接続を遮断し、ＦＥＴ８０２は、第２インバータ１４０とＧＮＤとの接続を遮断する。ＦＥＴ１４１Ｈ、１４２Ｈおよび１４３Ｈをオンすることにより、ハイサイド側のノードＮ６が各巻線の中性点として機能する。電力変換装置１００Ｂは、第２インバータ１４０のハイサイド側に構成された中性点および第１インバータ１１０を用いてモータ２００を駆動することが可能である。
図１６は、電気角９０°における電力変換装置１００Ｂ内の電流の流れを模式的に示している。
図１６には、例えば図７に示される電流波形の電気角９０°においてＵ相、Ｖ相およびＷ相の各巻線に流れる電流の流れを例示している。３つの実線のそれぞれは、電源１０１からモータ２００に流れる電流を表し、破線は、モ―タ２００の巻線Ｍ１に戻る回生電流を表している。
電気角９０°では、第１インバータ１１０において、ＦＥＴ１１１Ｈ、１１２Ｌおよび１１３Ｌはオン状態であり、ＦＥＴ１１１Ｌ、１１２Ｈおよび１１３Ｈはオフ状態である。第１インバータ１１０のＦＥＴ１１１Ｈを流れた電流は、ＦＥＴ１２１、巻線Ｍ１および第２インバータ１４０のＦＥＴ１４１Ｈを通って中性点に流れる。その電流の一部は、ＦＥＴ１４２Ｈを通って巻線Ｍ２に流れ、残りの電流は、ＦＥＴ１４３Ｈを通って巻線Ｍ３に流れる。巻線Ｍ２を流れた電流は、ＦＥＴ１２２、ＦＥＴ１１２Ｌを通ってＧＮＤに流れる。巻線Ｍ３を流れた電流は、ＦＥＴ１２３、ＦＥＴ１１３Ｌを通ってＧＮＤに流れる。また、ＦＥＴ１１１Ｌの還流ダイオードには回生電流がモータ２００の巻線Ｍ１に向けて流れる。
制御回路３００は、例えば図７に示される電流波形が得られるようなＰＷＭ制御によってブリッジ回路Ｌの各ＦＥＴのスイッチング動作を制御することが可能である。
ローサイドスイッチング素子がオープン故障している場合、ＦＥＴ８０２はオン状態であっても構わない。換言すると、ＦＥＴ８０２はオン・オフ状態を問わない。ＦＥＴ８０２がオンしてもよい理由は、ＦＥＴ１４１Ｌがオープン故障の場合、ＦＥＴ１４２Ｌ、１４３Ｌをオフ状態に制御することによりローサイドスイッチング素子は全て開放状態となり、ＦＥＴ８０２がオンしても、電流は第２インバータ１４０からＧＮＤに流れないためである。
〔４−４．ローサイドスイッチング素子のショート故障〕
第２インバータ１４０における３個のローサイドスイッチング素子（ＦＥＴ１４１Ｌ、１４２Ｌおよび１４３Ｌ）がショート故障したスイッチング素子を含む場合、制御回路３００は、ＦＥＴ８０１、８０２をオフし、かつ、３個のローサイドスイッチング素子のうち、故障したスイッチング素子以外の他のスイッチング素子を全てオフして、３個のハイサイドスイッチング素子を全てオンする。なお、ショート故障の場合、ＦＥＴ８０２がオンすると、ショートしたＦＥＴ１４１Ｌを介してＧＮＤに電流が流れ込むので、ＦＥＴ８０２のオン状態は禁止される。
オープン故障と同様に、電力変換装置１００Ｂは、第２インバータ１４０のハイサイド側に構成された中性点および第１インバータ１１０を用いてモータ２００を駆動することが可能である。
例えば電気角９０°では、オープン故障とは異なり、ショート故障したＦＥＴ１４１Ｌにも電流が流れ、ＦＥＴ１４１Ｌを流れた電流は、ローサイド側のノードＮ４を通ってＦＥＴ１４２Ｌ、１４３Ｌの還流ダイオードにそれぞれ分岐する。このように、ショート故障時では、第２インバータ１４０のハイサイドおよびローサイド側に電流を分散させることが可能となる。その結果、インバータに対する熱影響は低減され得る。
本実施形態によると、相分離リレー回路および中性点リレー回路の代わりに、２つのスイッチ素子８０１、８０２を第２インバータ１４０に設けることにより、実施形態１と同様な効果が得られる。さらに、実施形態１と比べ、必要とされるＦＥＴの個数が少なく済むので、電力変換装置のコスト低減が期待される。
本開示の実施形態は、掃除機、ドライヤ、シーリングファン、洗濯機、冷蔵庫および電動パワーステアリング装置などの、各種モータを備える多様な機器に幅広く利用され得る。
１００、１００Ａ、１００Ｂ、１００Ｃ ：電力変換装置
１０１ ：電源
１０２ ：コイル
１０３ ：コンデンサ
１１０ ：第１インバータ
１１１Ｈ、１１２Ｈ、１１３Ｈ、１４１Ｈ、１４２Ｈ、１４３Ｈ ：ハイサイドスイッチング素子（ＦＥＴ）
１１１Ｌ、１１２Ｌ、１１３Ｌ、１４１Ｌ、１４２Ｌ、１４３Ｌ ：ローサイドスイッチング素子（ＦＥＴ）
１１１Ｒ、１１２Ｒ、１１３Ｒ、１４１Ｒ、１４２Ｒ、１４３Ｒ ：シャント抵抗
１２０ ：第１相分離リレー回路
１２１、１２２、１２３ ：第１相分離リレー（ＦＥＴ）
１３０ ：第１中性点リレー回路
１３１、１３２、１３３ ：第１中性点リレー（ＦＥＴ）
１４０ ：第２インバータ
１５０ ：第２相分離リレー回路
１５１、１５２、１５３ ：第２相分離リレー（ＦＥＴ）
１６０ ：第２中性点リレー回路
１６１、１６２、１６３ ：第２中性点リレー（ＦＥＴ）
１７０ ：電流センサ
２００ ：電動モータ
３００ ：制御回路
３１０ ：電源回路
３２０ ：角度センサ
３３０ ：入力回路
３４０ ：マイクロコントローラ
３５０ ：駆動回路
３６０ ：ＲＯＭ
４００ ：モータ駆動ユニット
５００ ：電動パワーステアリング装置
６００、６００Ａ ：リレーモジュール

Claims (15)

  1. 電源からの電力を、ｎ相（ｎは３以上の整数）の巻線を有するモータに供給する電力に変換する電力変換装置であって
    前記モータの各相の巻線の一端に接続される第１インバータと、
    前記各相の巻線の他端に接続される第２インバータと、
    前記各相の巻線の一端と前記第１インバータとの接続および非接続を切替える相分離リレー回路と、
    前記各相の巻線の一端に接続され、かつ、前記各相の巻線の一端同士の接続および非接続を切替える中性点リレー回路と、
    前記第２インバータと前記電源との接続・非接続を切替える第１スイッチ素子と、
    前記第２インバータとグランドとの接続・非接続を切替える第２スイッチ素子と、
    を有する電力変換装置。
  2. 前記相分離リレー回路は、前記各相の巻線の一端と前記第１インバータとの接続および非接続を切替えるｎ個のスイッチ素子を有し、
    前記中性点リレー回路は、前記各相の巻線の一端同士の接続および非接続を切替えるｎ個のスイッチ素子を有する、請求項１に記載の電力変換装置。
  3. 前記相分離リレー回路および前記中性点リレー回路の各回路におけるｎ個のスイッチ素子の各々は、還流ダイオードを有する半導体スイッチ素子であり、各回路において、ｎ個の還流ダイオードは同一方向を向く、請求項２に記載の電力変換装置。
  4. 前記相分離リレー回路および前記中性点リレー回路の各回路におけるｎ個のスイッチ素子の各々は、前記モータに向けて順電流が前記還流ダイオードに流れるよう配置される、請求項３に記載の電力変換装置。
  5. 正常駆動時において、前記相分離リレー回路はオンして前記中性点リレー回路はオフし、かつ、前記第１および第２スイッチはオンする、請求項１から４のいずれかに記載の電力変換装置。
  6. 前記相分離リレー回路がオフして前記中性点リレー回路がオンすると、前記各相の巻線の一端同士の接続によって前記各相の巻線の中性点が構成される、請求項１から４のいずれかに記載の電力変換装置。
  7. 前記第１インバータが異常のとき、前記相分離リレー回路がオフして前記中性点リレー回路がオンすることにより前記中性点は構成され、かつ、前記第１および第２スイッチはオンする、請求項６に記載の電力変換装置。
  8. 前記第２インバータが異常のとき、前記相分離リレー回路はオンして前記中性点リレー回路はオフする、請求項１から４のいずれかに記載の電力変換装置。
  9. 前記第２インバータのブリッジ回路は、各々がローサイドスイッチング素子およびハイサイドスイッチング素子を有するｎ個のレグを有し、
    前記ブリッジ回路におけるｎ個のハイサイドスイッチング素子がオープン故障したスイッチング素子を含む場合、 前記第２スイッチ素子はオフし、かつ、前記ブリッジ回路において、前記ｎ個のハイサイドスイッチング素子のうち、故障したスイッチング素子以外の他のスイッチング素子は全てオフして、前記ｎ個のローサイドスイッチング素子は全てオンする、請求項８に記載の電力変換装置。
  10. 前記第２インバータのブリッジ回路は、各々がローサイドスイッチング素子およびハイサイドスイッチング素子を有するｎ個のレグを有し、
    前記ブリッジ回路におけるｎ個のハイサイドスイッチング素子がショート故障したスイッチング素子を含む場合、前記第１および第２スイッチ素子はオフし、かつ、前記ブリッジ回路において、前記ｎ個のハイサイドスイッチング素子のうち、故障したスイッチング素子以外の他のスイッチング素子は全てオフして、前記ｎ個のローサイドスイッチング素子は全てオンする、請求項８に記載の電力変換装置。
  11. 前記第２インバータのブリッジ回路は、各々がローサイドスイッチング素子およびハイサイドスイッチング素子を有するｎ個のレグを有し、
    前記ブリッジ回路におけるｎ個のローサイドスイッチング素子がオープン故障したスイッチング素子を含む場合、 前記第１スイッチ素子はオフし、かつ、前記ブリッジ回路において、前記ｎ個のローサイドスイッチング素子のうち、故障したスイッチング素子以外の他のスイッチング素子は全てオフして、前記ｎ個のハイサイドスイッチング素子は全てオンする、請求項８に記載の電力変換装置。
  12. 前記第２インバータのブリッジ回路は、各々がローサイドスイッチング素子およびハイサイドスイッチング素子を有するｎ個のレグを有し、
    前記ブリッジ回路におけるｎ個のローサイドスイッチング素子がショート故障したスイッチング素子を含む場合、前記第１および第２スイッチ素子はオフし、かつ、前記ブリッジ回路において、前記ｎ個のローサイドスイッチング素子のうち、故障したスイッチング素子以外の他のスイッチング素子は全てオフして、前記ｎ個のハイサイドスイッチング素子は全てオンする、請求項８に記載の電力変換装置。
  13. 前記電源は単一の電源である、請求項１から１２のいずれかに記載の電力変換装置。
  14. 前記モータと、
    請求項１から１３のいずれかに記載の電力変換装置と、
    前記電力変換装置を制御する制御回路と、
    を有するモータ駆動ユニット。
  15. 請求項１４に記載のモータ駆動ユニットを有する電動パワーステアリング装置。
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