JP6888609B2 - 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および電動パワーステアリング装置に関する。
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および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が発生した場合、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が発生した場合、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、ｎ相（ｎは３以上の整数）の巻線を有する電動モータへ供給する電力を変換する電力変換装置であって、前記電動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、前記第１および第２インバータをｎ相通電制御する制御回路と、前記第１および第２インバータが含む複数のスイッチング素子のオープン故障を検出する検出回路と、を備え、前記複数のスイッチング素子は、前記第１インバータと前記第２インバータとの間で複数のＨブリッジを構成し、前記複数のスイッチング素子のそれぞれは、ゲート電極、ソース電極およびドレイン電極を有するトランジスタであり、前記検出回路は、前記トランジスタのドレイン−ソース電圧と閾値電圧とを比較して前記トランジスタのオープン故障を検出し、前記制御回路は、前記検出回路が前記スイッチング素子のオープン故障を検出した場合、故障検出信号をアサートし、前記故障検出信号に基づいて、複数の前記スイッチング素子のうちいずれの前記スイッチング素子がオープン故障であるのかを判別するとともに、前記第１および第２インバータの制御を、前記ｎ相通電制御から、前記ｎ相のうちの前記オープン故障したスイッチング素子が接続される巻線の相と異なる他のｍ相（ｍは２以上ｎ未満の整数）を用いたｍ相通電制御に変更し、前記電力変換装置の駆動を停止する命令がない場合は、前記ｍ相通電制御を継続し、前記電力変換装置の駆動を停止する命令が入力された場合は、前記電力変換装置の駆動を停止する。
本開示の実施形態によると、スイッチング素子の故障を検出した場合、第１および第２インバータの制御をｎ相通電制御からｍ相通電制御に変更する（ここで、ｎは３以上の整数であり、ｍは２以上ｎ未満の整数である）。これにより、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。
図１は、例示的な実施形態による電力変換装置の回路構成を示す回路図である。 図２は、例示的な実施形態による電力変換装置が有するＨブリッジを示す図である。 図３は、例示的な実施形態による電力変換装置が有するＨブリッジを示す図である。 図４は、例示的な実施形態による電力変換装置が有するＨブリッジを示す図である。 図５は、例示的な実施形態による電力変換装置の他の回路構成を示す回路図である。 図６は、例示的な実施形態による電力変換装置のさらに他の回路構成を示す回路図である。 図７は、例示的な実施形態による、電力変換装置を備えるモータ駆動ユニットのブロック構成を示すブロック図である。 図８は、正常時の三相通電制御に従って電力変換装置を制御したときにモータの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９は、例示的な実施形態による異常時の電力変換装置を示す模式図である。 図１０は、例示的な実施形態による電力変換装置の動作を示すフローチャートである。 図１１は、例示的な実施形態による電力変換装置の動作を示すフローチャートである。 図１２は、例示的な実施形態による異常時の制御に応じてモータの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１３は、例示的な実施形態による異常時の電力変換装置を示す模式図である。 図１４は、例示的な実施形態による異常時の制御に応じてモータの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１５は、例示的な実施形態による異常時の電力変換装置を示す模式図である。 図１６は、例示的な実施形態による異常時の制御に応じてモータの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１７は、例示的な実施形態による電力変換装置のさらに他の回路構成を示す回路図である。 図１８は、例示的な実施形態による電力変換装置が有するＨブリッジを示す図である。 図１９は、例示的な実施形態による電力変換装置が有するＨブリッジを示す図である。 図２０は、例示的な実施形態による異常時の電力変換装置を示す模式図である。 図２１は、例示的な実施形態による電動パワーステアリング装置の構成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ができず、電流制御を適切に行うことは困難である。
一方で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が求められる。
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および電動パワーステアリング装置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。
まず、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。後述するように、ｎ相（ｎは３以上の整数）の巻線を有するｎ相モータ、例えば四相モータおよび五相モータなど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２インバータ１４０とを備える。また、電力変換装置１００は、図７に示す制御回路３００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、例えば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Ｍ３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。
本明細書中において、第１インバータ１１０を「ブリッジ回路Ｌ」と表記する場合がある。また、第２インバータ１４０を「ブリッジ回路Ｒ」と表記する場合がある。第１インバータ１１０および第２インバータ１４０のそれぞれは、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含むレグを３個備える。それらレグを構成する複数のスイッチング素子は、電動モータ２００の巻線を介して第１インバータ１１０と第２インバータ１４０との間で複数のＨブリッジを構成する。
第１インバータ１１０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７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から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。
図２、図３および図４は、電力変換装置１００が有する３個のＨブリッジ１３１、１３２および１３３を示す図である。
第１インバータ１１０は、レグ１２１、１２３および１２５を有する。レグ１２１は、ＦＥＴ１１１ＨとＦＥＴ１１１Ｌを有する。レグ１２３は、ＦＥＴ１１２ＨとＦＥＴ１１２Ｌを有する。レグ１２５は、ＦＥＴ１１３ＨとＦＥＴ１１３Ｌを有する。
第２インバータ１４０は、レグ１２２、１２４および１２６を有する。レグ１２２は、ＦＥＴ１４１ＨとＦＥＴ１４１Ｌを有する。レグ１２４は、ＦＥＴ１４２ＨとＦＥＴ１４２Ｌを有する。レグ１２６は、ＦＥＴ１４３ＨとＦＥＴ１４３Ｌを有する。
図２に示すＨブリッジ１３１は、レグ１２１と巻線Ｍ１とレグ１２２とを有する。図３に示すＨブリッジ１３２は、レグ１２３と巻線Ｍ２とレグ１２４とを有する。図４に示すＨブリッジ１３３は、レグ１２５と巻線Ｍ３とレグ１２６とを有する。
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コンバータまたはＤＣ―ＤＣコンバータであってもよいし、バッテリー（蓄電池）であってもよい。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５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および第２インバータ１１０および１４０の一方の各レグと、巻線Ｍ１、Ｍ２およびＭ３との間に３個のシャント抵抗を配置することも可能である。例えば、図５に示すように、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を配置してもよい。また、シャント抵抗の別の配置例として、第１インバータ１１０と巻線Ｍ１、Ｍ２の一端との間にシャント抵抗１１１Ｒおよび１１２Ｒを配置し、第２インバータ１４０と巻線Ｍ３の他端との間にシャント抵抗１４３Ｒ（図１）を配置してもよい。このような構成において、Ｕ相、Ｖ相および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６は、本実施形態による電力変換装置１００のさらに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Ｎ１（各レグの接続点）とＧＮＤとの間に接続される。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Ｎ２とＧＮＤとの間に接続され得る。なお、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Ｎ３と電源１０１との間に接続されてもよい。また、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Ｎ４と電源１０１との間に接続されてもよい。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７は、電力変換装置１００を備えるモータ駆動ユニット４００のブロック構成を模式的に示している。電力変換装置１００は制御回路３００を備える。モータ駆動ユニット４００は、電力変換装置１００とモータ２００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の全体の動作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、目的とするロータの位置、回転速度、および電流など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。なお、制御回路３００は、角度センサに代えてトルクセンサを備えてもよい。この場合、制御回路３００は、目的とするモータトルクを制御することができる。
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、例えばレゾルバまたはホール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。）を受け取り、必要に応じて、実電流値のレベルをマイクロコントローラ３４０の入力レベルに変換し、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。
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が駆動回路３５０の機能を備えていてもよい。その場合、制御回路３００は駆動回路３５０を備えていなくてもよい。
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。
（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。電源１０１から出力された電流は、ハイサイドスイッチング素子、巻線、ローサイドスイッチング素子を通ってＧＮＤに流れる。
図８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８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。
表１は、図８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８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 0006888609
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８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）を指す。「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できなくなる。
本実施形態の駆動回路３５０は、第１インバータ１１０および第２インバータ１４０が含む複数のＦＥＴの故障を検出する検出回路３５１を備える。各ＦＥＴは、ゲート電極、ソース電極およびドレイン電極を有する。故障検知の一例として、検出回路３５１は、ＦＥＴのドレイン−ソース間の電圧Ｖｄｓを監視し、所定の閾値電圧と電圧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。
本実施形態では、駆動回路３５０がＦＥＴの故障を検出する検出回路３５１を備えるが、そのようなＦＥＴの故障を検出する検出回路は駆動回路３５０とは別に設けられていてもよい。また、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の故障を検知してもよい。ただし、ＦＥＴの故障検知はこれらの手法に限られず、ＦＥＴの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から３０ｍｓｅｃ程度である。
図９は、電力変換装置１００におけるＵ相のＦＥＴが故障した状態を示す図である。図１０は、電力変換装置１００の動作を示すフローチャートである。図１１は、図１０に示すステップＳ１０４の動作の詳細を示すフローチャートである。
ＦＥＴの故障が検出されていない正常時、制御回路３００は、第１インバータ１１０および第２インバータ１４０を三相通電制御する（ステップＳ１０１）。
駆動回路３５０は、第１インバータ１１０および第２インバータ１４０の各ＦＥＴの故障の有無を監視する（ステップＳ１０２）。故障が検出されず（ステップＳ１０２でＮｏ）、電力変換装置１００の駆動を停止する命令が無い場合（ステップＳ１０３でＮｏ）は、三相通電制御を継続する。三相通電制御の継続中において、電力変換装置１００の駆動を停止する命令が入力された場合（ステップＳ１０３でＹｅｓ）は、電力変換装置１００の駆動を停止する。
駆動回路３５０がＦＥＴの故障を検出した場合（ステップＳ１０２でＹｅｓ）、制御回路３００は、第１インバータ１１０および第２インバータ１４０の制御を、三相通電制御から二相通電制御に変更する（ステップＳ１０４）。このとき、三相のうちの故障したＦＥＴが接続される巻線の相と異なる他の二相を用いた二相通電制御を行う。
例えば、図９に示すように、第１インバータ１１０のＦＥＴ１１１Ｈが故障したとする。この例では、ＦＥＴ１１１Ｈはオープン故障したとする。このとき、制御回路３００は、故障したＦＥＴ１１１Ｈを含む故障したレグ１２１（図２）の他のＦＥＴ１１１Ｌをオフにする（ステップＳ１１１）。そして、制御回路３００は、故障したレグ１２１とＨブリッジ１３１を構成する第２インバータ１４０のレグ１２２の全てのＦＥＴ１４１Ｈおよび１４１Ｌをオフにする（ステップＳ１１２）。これらステップＳ１１１およびステップＳ１１２の動作は同時に行われ得る。
制御回路３００は、故障したＦＥＴ１１１Ｈを含む故障したレグ１２１と、故障したレグとＨブリッジ１３１を構成するレグ１２２とは異なる他の４個のレグ１２３、１２４、１２５、１２６（図３、図４）を用いて、二相通電制御を実行する（ステップＳ１１３）。すなわち、制御回路３００は、故障したＦＥＴ１１１Ｈを含むＨブリッジ１３１（Ｕ相）とは異なる他の２個のＨブリッジ１３２および１３３（Ｖ相およびＷ相）を用いて、二相通電制御を実行する。
電力変換装置１００は、三相通電制御を二相通電制御に変更した後は、二相通電制御を継続する（ステップＳ１０５）。電力変換装置１００の駆動を停止する命令が無い場合（ステップＳ１０６でＮｏ）は、二相通電制御を継続する。電力変換装置１００の駆動を停止する命令が入力された場合（ステップＳ１０６でＹｅｓ）は、電力変換装置１００の駆動を停止する。
図１２は、二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。この例では、Ｕ相を用いずにＶ相およびＷ相を用いて二相通電制御を行う。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８と同様に、図１２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。
表２は、図１２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と同様に、表２は、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°毎の電流値を示している。また、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。
Figure 0006888609
この例ではＵ相を用いないため、端子Ｕ＿ＬおよびＵ＿Ｒの電流はＯＦＦとなる。Ｖ相およびＷ相を用いて二相通電制御を行う。端子Ｖ＿Ｌ、Ｗ＿Ｌ、Ｖ＿Ｒ、Ｗ＿Ｒには、表１に示した電流と同様の電流が流れる。制御回路３００は、各相に流れる電流値が表２に示す値となるように、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。
ＦＥＴ１１１Ｈがショート故障の場合は、ＦＥＴ１１１Ｈを介して巻線Ｍ１へ電圧が印加されるが、同じＵ相の他のＦＥＴ１１１Ｌ、１４１Ｈ、１４１Ｌが全てオフになっているため、電流は流れない。このため、二相通電制御は可能である。
ＦＥＴ１１１Ｈとは異なるＨブリッジ１３１に含まれる他のＦＥＴ１１１Ｌ、１４１Ｈ、１４１Ｌのいずれかが故障した場合も上記と同様に二相通電制御は可能である。
このように、第１インバータ１１０および第２インバータ１４０が備えるＦＥＴの故障を検出した場合、第１インバータ１１０および第２インバータ１４０の制御を、三相通電制御から二相通電制御に変更する。これにより、第１インバータ１１０および第２インバータ１４０が備えるＦＥＴが故障した場合でも、モータ２００の回転駆動を継続することができる。
図１３は、電力変換装置１００におけるＶ相のＦＥＴが故障した状態を示す図である。この例では、第１インバータ１１０のＦＥＴ１１２Ｌが故障している。ＦＥＴ１１２Ｌはオープン故障であるとする。このとき、制御回路３００は、故障したＦＥＴ１１２Ｌを含む故障したレグ１２３（図３）の他のＦＥＴ１１２Ｈをオフにする（ステップＳ１１１）。そして、制御回路３００は、故障したレグ１２３とＨブリッジ１３２を構成する第２インバータ１４０のレグ１２４の全てのＦＥＴ１４２Ｈおよび１４２Ｌをオフにする（ステップＳ１１２）。これらステップＳ１１１およびステップＳ１１２の動作は同時に行われ得る。
制御回路３００は、故障したＦＥＴ１１２Ｌを含む故障したレグ１２３と、故障したレグ１２３とＨブリッジ１３２を構成するレグ１２４とは異なる他の４個のレグ１２１、１２２、１２５、１２６（図２、図４）を用いて、二相通電制御を実行する（ステップＳ１１３）。すなわち、制御回路３００は、故障したＦＥＴ１１２Ｌを含むＨブリッジ１３２（Ｖ相）とは異なる他の２個のＨブリッジ１３１および１３３（Ｕ相およびＷ相）を用いて、二相通電制御を実行する。
図１４は、二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。この例では、Ｖ相を用いずにＵ相およびＷ相を用いて二相通電制御を行う。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８と同様に、図１４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。
表３は、図１４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と同様に、表３は、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°毎の電流値を示している。また、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。
Figure 0006888609
この例では、Ｖ相を用いないため、端子Ｖ＿ＬおよびＶ＿Ｒの電流はＯＦＦとなる。Ｕ相およびＷ相を用いて二相通電制御を行う。端子Ｕ＿Ｌ、Ｗ＿Ｌ、Ｕ＿Ｒ、Ｗ＿Ｒには、表１に示した電流と同様の電流が流れる。制御回路３００は、各相に流れる電流値が表３に示す値となるように、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。
ＦＥＴ１１２Ｌがショート故障の場合は、巻線Ｍ２はグランドと接続されるが、同じＶ相の他のＦＥＴ１１２Ｈ、１４２Ｈ、１４２Ｌが全てオフになっているため、電流は流れない。このため、二相通電制御は可能である。
ＦＥＴ１１２Ｌとは異なるＨブリッジ１３２に含まれる他のＦＥＴ１１２Ｈ、１４２Ｈ、１４２Ｌのいずれかが故障した場合も上記と同様に二相通電制御は可能である。
このように、第１インバータ１１０および第２インバータ１４０が備えるＦＥＴの故障を検出した場合、第１インバータ１１０および第２インバータ１４０の制御を、三相通電制御から二相通電制御に変更する。これにより、第１インバータ１１０および第２インバータ１４０が備えるＦＥＴが故障した場合でも、モータ２００の回転駆動を継続することができる。
図１５は、電力変換装置１００におけるＷ相のＦＥＴが故障した状態を示す図である。この例では、第２インバータ１４０のＦＥＴ１４３Ｈが故障している。ＦＥＴ１４３Ｈはオープン故障であるとする。このとき、制御回路３００は、故障したＦＥＴ１４３Ｈを含む故障したレグ１２６（図４）の他のＦＥＴ１４３Ｌをオフにする（ステップＳ１１１）。そして、制御回路３００は、故障したレグ１２６とＨブリッジ１３３を構成する第１インバータ１１０のレグ１２５の全てのＦＥＴ１１３Ｈおよび１１３Ｌをオフにする（ステップＳ１１２）。これらステップＳ１１１およびステップＳ１１２の動作は同時に行われ得る。
制御回路３００は、故障したＦＥＴ１４３Ｈを含む故障したレグ１２６と、故障したレグ１２６とＨブリッジ１３３を構成するレグ１２５とは異なる他の４個のレグ１２１、１２２、１２３、１２４（図２、図３）を用いて、二相通電制御を実行する（ステップＳ１１３）。すなわち、制御回路３００は、故障したＦＥＴ１４３Ｈを含むＨブリッジ１３３（Ｗ相）とは異なる他の２個のＨブリッジ１３１および１３２（Ｕ相およびＶ相）を用いて、二相通電制御を実行する。
図１６は、二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。この例では、Ｗ相を用いずにＵ相およびＶ相を用いて二相通電制御を行う。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８と同様に、図１６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。
表４は、図１６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と同様に、表４は、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°毎の電流値を示している。また、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。
Figure 0006888609
この例では、Ｗ相を用いないため、端子Ｗ＿ＬおよびＷ＿Ｒの電流はＯＦＦとなる。Ｕ相およびＶ相を用いて二相通電制御を行う。端子Ｕ＿Ｌ、Ｖ＿Ｌ、Ｕ＿Ｒ、Ｖ＿Ｒには、表１に示した電流と同様の電流が流れる。制御回路３００は、各相に流れる電流値が表４に示す値となるように、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。
ＦＥＴ１４３Ｈがショート故障の場合は、巻線Ｍ３に電圧が印加されるが、同じＷ相の他のＦＥＴ１１３Ｈ、１１３Ｌ、１４３Ｌが全てオフになっているため、電流は流れない。このため、二相通電制御は可能である。
ＦＥＴ１４３Ｈとは異なるＨブリッジ１３３に含まれる他のＦＥＴ１１３Ｈ、１１３Ｌ、１４３Ｌのいずれかが故障した場合も上記と同様に二相通電制御は可能である。
このように、第１インバータ１１０および第２インバータ１４０が備えるＦＥＴの故障を検出した場合、第１インバータ１１０および第２インバータ１４０の制御を、三相通電制御から二相通電制御に変更する。これにより、第１インバータ１１０および第２インバータ１４０が備えるＦＥＴが故障した場合でも、モータ２００の回転駆動を継続することができる。
上述の実施形態の説明では、モータ２００として三相モータを例示したが、モータ２００は三相より多い相数のモータであってもよい。モータ２００は、ｎ相（ｎは３以上の整数）の巻線を有するｎ相モータであり、例えば四相モータ、五相モータまたは六相モータであってもよい。以下、一例として、モータ２００が五相モータである実施形態を説明する。
図１７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。図１７に示す例では、モータ２００は五相モータである。モータ２００は、Ｕ相の巻線Ｍ１、Ｖ相の巻線Ｍ２、Ｗ相の巻線Ｍ３、Ｘ相の巻線Ｍ４およびＹ相の巻線Ｍ５を備える。
図１に示す電力変換装置１００と比較して、図１７に示す例では、第１インバータ１１０は、Ｘ相およびＹ相に対応した端子Ｘ＿ＬおよびＹ＿Ｌをさらに備え、第２インバータ１４０は、Ｘ相およびＹ相に対応した端子Ｘ＿ＲおよびＹ＿Ｒをさらに備える。第１インバータ１１０の端子Ｘ＿Ｌは、Ｘ相の巻線Ｍ４の一端に接続され、端子Ｙ＿Ｌは、Ｙ相の巻線Ｍ５の一端に接続される。第２インバータ１４０の端子Ｘ＿Ｒは、Ｘ相の巻線Ｍ４の他端に接続され、端子Ｙ＿Ｒは、Ｙ相の巻線Ｍ５の他端に接続される。
図１７を参照して、第１インバータ１１０は、ＦＥＴ１１４Ｈ、１１４Ｌ、１１５Ｈ、１１５Ｌをさらに備える。第２インバータ１４０は、ＦＥＴ１４４Ｈ、１４４Ｌ、１４５Ｈ、１４５Ｌをさらに備える。第１インバータ１１０は、シャント抵抗１１４Ｒ、１１５Ｒをさらに備える。第２インバータ１４０は、シャント抵抗１４４Ｒ、１４５Ｒをさらに備える。第１インバータ１１０および第２インバータ１４０のそれぞれは、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含むレグを５個備える。それらレグを構成する複数のスイッチング素子は、電動モータ２００の巻線を介して第１インバータ１１０と第２インバータ１４０との間で５個のＨブリッジを構成する。
図１８および図１９は、図１７に示す電力変換装置１００が有するＨブリッジ１３４および１３５を示す図である。第１インバータ１１０は、レグ１２７および１２９を有する。レグ１２７は、ＦＥＴ１１４ＨとＦＥＴ１１４Ｌを有する。レグ１２９は、ＦＥＴ１１５ＨとＦＥＴ１１５Ｌを有する。第２インバータ１４０は、レグ１２８および１３０を有する。レグ１２８は、ＦＥＴ１４４ＨとＦＥＴ１４４Ｌを有する。レグ１３０は、ＦＥＴ１４５ＨとＦＥＴ１４５Ｌを有する。図１８に示すＨブリッジ１３４は、レグ１２７と巻線Ｍ４とレグ１２８とを有する。図１９に示すＨブリッジ１３５は、レグ１２９と巻線Ｍ５とレグ１３０とを有する。
図１７に示す例では、インバータ毎の各レグに１個のシャント抵抗を配置している。シャント抵抗の配置の仕方としては、図５に示した例と同様に、第１および第２インバータ１１０および１４０の一方の各レグと、巻線Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３、Ｍ４およびＭ５との間に５個のシャント抵抗を配置してもよい。また、図６に示した例と同様に、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。
正常時の電力変換装置１００において、制御回路３００（図７）は、第１および第２インバータ１１０および１４０の両方を用いて五相通電制御することによってモータ２００を駆動する。図１に示す電力変換装置１００の制御と同様に、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五相通電制御を行う。例えば、ＦＥＴ１１４Ｈ、１１４Ｌ、１４４Ｈ、１４４Ｌを含むＨブリッジ１３４（図１８）に着目すると、ＦＥＴ１１４Ｌがオンすると、ＦＥＴ１４４Ｌはオフし、ＦＥＴ１１４Ｌがオフすると、ＦＥＴ１４４Ｌはオンする。これと同様に、ＦＥＴ１１４Ｈがオンすると、ＦＥＴ１４４Ｈはオフし、ＦＥＴ１１４Ｈがオフすると、ＦＥＴ１４４Ｈはオンする。正常時の五相通電制御では、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相、Ｘ相およびＹ相のそれぞれには、隣の相とは位相が７２°ずれた正弦波の波形の電流が流れる。
次に、電力変換装置１００の異常時の制御方法の例を説明する。図２０は、電力変換装置１００におけるＵ相のＦＥＴが故障した状態を示す図である。
駆動回路３５０（図７）がＦＥＴの故障を検出した場合、制御回路３００は、第１インバータ１１０および第２インバータ１４０の制御を、五相通電制御から四相通電制御に変更する。このとき、五相のうちの故障したＦＥＴが接続される巻線の相と異なる他の四相を用いた四相通電制御を行う。
例えば、図２０に示すように、第１インバータ１１０のＦＥＴ１１１Ｈが故障したとする。この例では、ＦＥＴ１１１Ｈはオープン故障したとする。このとき、制御回路３００は、故障したＦＥＴ１１１Ｈを含む故障したレグ１２１（図２）の他のＦＥＴ１１１Ｌをオフにするとともに、故障したレグ１２１とＨブリッジ１３１を構成する第２インバータ１４０のレグ１２２の全てのＦＥＴ１４１Ｈおよび１４１Ｌをオフにする。
制御回路３００は、故障したＦＥＴ１１１Ｈを含む故障したレグ１２１と、故障したレグとＨブリッジ１３１を構成するレグ１２２とは異なる他の８個のレグ１２３、１２４、１２５、１２６、１２７、１２８、１２９、１３０（図３、図４、図１８、図１９）を用いて、四相通電制御を実行する。すなわち、制御回路３００は、故障したＦＥＴ１１１Ｈを含むＨブリッジ１３１（Ｕ相）とは異なる他の４個のＨブリッジ１３２、１３３、１３４および１３５（Ｖ相、Ｗ相、Ｘ相およびＹ相）を用いて、四相通電制御を実行する。
ＦＥＴ１１１Ｈがショート故障の場合は、ＦＥＴ１１１Ｈを介して巻線Ｍ１へ電圧が印加されるが、同じＵ相の他のＦＥＴ１１１Ｌ、１４１Ｈ、１４１Ｌが全てオフになっているため、電流は流れない。このため、四相通電制御は可能である。
ＦＥＴ１１１Ｈとは異なるＨブリッジ１３１に含まれる他のＦＥＴ１１１Ｌ、１４１Ｈ、１４１Ｌのいずれかが故障した場合も、上記と同様にＨブリッジ１３１以外のＨブリッジを用いることで、四相通電制御は可能である。また、Ｈブリッジ１３１とは異なる他のＨブリッジ１３２、１３３、１３４および１３５に含まれるＦＥＴのいずれかが故障した場合も、上記と同様に故障したＨブリッジ以外のＨブリッジを用いることで、四相通電制御は可能である。
このように、第１インバータ１１０および第２インバータ１４０が備えるＦＥＴの故障を検出した場合、第１インバータ１１０および第２インバータ１４０の制御を、五相通電制御から四相通電制御に変更する。これにより、第１インバータ１１０および第２インバータ１４０が備えるＦＥＴが故障した場合でも、モータ２００の回転駆動を継続することができる。
上述の説明では、ＦＥＴの故障を検出した場合、五相通電制御から四相通電制御に変更していたが、故障時に駆動する相数は、正常時より一個少ない相数に限定されない。ＦＥＴの故障を検出した場合、五相通電制御からニ相通電制御または三相通電制御に変更してもよい。例えば、Ｈブリッジ１３１（Ｕ相）に含まれるＦＥＴが故障した場合、他のＨブリッジ１３２、１３３、１３４および１３５（Ｖ相、Ｗ相、Ｘ相およびＹ相）から二個または三個のＨブリッジを選択し、選択したＨブリッジを用いてニ相通電制御または三相通電制御を行ってもよい。この場合、Ｈブリッジ１３２、１３３、１３４および１３５のうちの非選択のＨブリッジに含まれるＦＥＴは全てオフにする。
例えば、ＦＥＴ１１１Ｈが故障した場合、ＦＥＴ１１１Ｈを含むＨブリッジ１３１の他の全てのＦＥＴ１１１Ｌ、１４１Ｈおよび１４１Ｌをオフにする。そして、Ｈブリッジ１３３および１３５の全てのＦＥＴをオフにし、残りのＨブリッジ１３２および１３４のＦＥＴを用いてニ相通電制御を行ってもよい。
また、例えば、ＦＥＴ１１１Ｈが故障した場合、ＦＥＴ１１１Ｈを含むＨブリッジ１３１の他の全てのＦＥＴ１１１Ｌ、１４１Ｈおよび１４１Ｌをオフにする。そして、Ｈブリッジ１３３の全てのＦＥＴをオフにして、残りのＨブリッジ１３２、１３４および１３５のＦＥＴを用いて三相通電制御を行ってもよい。
モータ２００が四相モータである場合も同様に、ＦＥＴの故障を検出した場合、四相通電制御から三相通電制御に変更してもよいし、ニ相通電制御に変更してもよい。
また、モータ２００が六相モータである場合も同様に、ＦＥＴの故障を検出した場合、六相通電制御から五相通電制御、四相通電制御、三相通電制御、ニ相通電制御のいずれかの制御に変更してもよい。
このように、ＦＥＴの故障を検出した場合、ｎ相通電制御からｍ相通電制御に変更する。ここで、ｎは３以上の整数であり、ｍは２以上ｎ未満の整数である。ＦＥＴの故障を検出した場合は、モータ２００を回転駆動できる最低限の相数以上で駆動してもよい。例えば、ブラシレスモータであれば２相以上の相数で駆動することができる。故障時に使用する相数を適宜設定することによって、最適なモータ出力を選択できるとともに、モータ２００のさらなる故障を抑制することができる。
（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を備える。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２１は、本実施形態による電動パワーステアリング装置５００の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を備える。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を備える。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を備える機電一体型ユニットとして、実施形態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２１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を例示している。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であってもよい。
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３２０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１７０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。
以上、本開示にかかる実施形態を説明した。上述の実施形態の説明は例示であり、本開示の技術を限定するものではない。また、上述の実施形態で説明した各構成要素を適宜組み合わせた実施形態も可能である。
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：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、 １２１、１２２、１２３、１２４、１２５、１２６：レグ、 １３１、１３２、１３３：Ｈブリッジ、 １４０：第２インバータ、 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、 ３５１：検出回路、 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

Claims (11)

  1. ｎ相（ｎは３以上の整数）の巻線を有する電動モータへ供給する電力を変換する電力変換装置であって、
    前記電動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、
    前記第１および第２インバータをｎ相通電制御する制御回路と、
    前記第１および第２インバータが含む複数のスイッチング素子のオープン故障を検出する検出回路と、
    を備え、
    前記複数のスイッチング素子は、前記第１インバータと前記第２インバータとの間で複数のＨブリッジを構成し、
    前記複数のスイッチング素子のそれぞれは、ゲート電極、ソース電極およびドレイン電極を有するトランジスタであり、
    前記検出回路は、前記トランジスタのドレイン−ソース電圧と閾値電圧とを比較して前記トランジスタのオープン故障を検出し、
    前記制御回路は、
    前記検出回路が前記スイッチング素子のオープン故障を検出した場合、故障検出信号をアサートし、前記故障検出信号に基づいて、複数の前記スイッチング素子のうちいずれの前記スイッチング素子がオープン故障であるのかを判別するとともに、
    前記第１および第２インバータの制御を、前記ｎ相通電制御から、前記ｎ相のうちの前記オープン故障したスイッチング素子が接続される巻線の相と異なる他のｍ相（ｍは２以上ｎ未満の整数）を用いたｍ相通電制御に変更し、
    前記電力変換装置の駆動を停止する命令がない場合は、前記ｍ相通電制御を継続し、
    前記電力変換装置の駆動を停止する命令が入力された場合は、前記電力変換装置の駆動を停止する、電力変換装置。
  2. 前記第１および第２インバータのそれぞれは、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含むレグをｎ個備える、請求項１に記載の電力変換装置。
  3. 前記複数のスイッチング素子は、前記第１インバータと前記第２インバータとの間で複数のＨブリッジを構成する、請求項１または２に記載の電力変換装置。
  4. 前記故障したスイッチング素子が前記第１インバータに含まれる場合、
    前記制御回路は、前記故障したスイッチング素子を含む故障したレグと、前記故障したレグとＨブリッジを構成する前記第２インバータのレグとは異なる他の２ｍ個のレグを用いて、前記ｍ相通電制御を行う、請求項２または３に記載の電力変換装置。
  5. 前記故障したスイッチング素子が前記第１インバータに含まれる場合、
    前記制御回路は、
    前記故障したスイッチング素子を含む故障したレグの他のスイッチング素子をオフし、
    前記故障したレグとＨブリッジを構成する前記第２インバータのレグの全てのスイッチング素子をオフにして、前記ｍ相通電制御を行う、請求項２から４のいずれかに記載の電力変換装置。
  6. ２ｎ個以下のシャント抵抗をさらに備える、請求項１から５のいずれかに記載の電力変換装置。
  7. ２ｎ個以下のシャント抵抗をさらに備え、
    前記２ｎ個以下のシャント抵抗は、前記第１および第２インバータが備える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グランドとの間に接続される、請求項２から５のいずれかに記載の電力変換装置。
  8. 前記第１インバータとグランドとの間に接続されるシャント抵抗と、前記第２インバータとグランドとの間に接続されるシャント抵抗とをさらに備える、請求項１から５のいずれかに記載の電力変換装置。
  9. 前記電動モータは三相の巻線を有し、
    前記検出回路が故障した前記スイッチング素子を検出した場合、
    前記制御回路は、前記第１および第２インバータの制御を、三相通電制御から二相通電制御に変更する、請求項１から８のいずれかに記載の電力変換装置。
  10. 請求項１から９のいずれかに記載の電力変換装置と、
    前記電動モータと、
    を備えるモータ駆動ユニット。
  11. 請求項１０に記載の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。
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