JPWO2019159663A1

JPWO2019159663A1 - 電力変換装置、モータモジュールおよび電動パワーステアリング装置

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Publication number: JPWO2019159663A1
Application number: JP2020500372A
Authority: JP
Inventors: 弘光大橋
Original assignee: Nidec America Corp
Current assignee: Nidec America Corp
Priority date: 2018-02-13
Filing date: 2019-01-28
Publication date: 2021-03-04
Also published as: WO2019159663A1

Abstract

電力変換装置（１００）は、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（１２０）と、各相の巻線の他端に接続される第２インバータ（１３０）と、各相の巻線の一端に接続され、かつ、各相の巻線の一端同士の接続・非接続を切替え、電源およびグランドの少なくとも１つと接続される第１中性点リレー回路（１８０）と、各相の巻線の他端に接続され、かつ、各相の巻線の他端同士の接続・非接続を切替え、電源およびグランドの少なくとも１つと接続される第２中性点リレー回路（１９０）と、第１中性点リレー回路に直列または並列に接続された第１整流素子（１８４）と、第２中性点リレー回路に直列または並列に接続された第２整流素子（１９４）と、を備える。

Description

本開示は、電源からの電力を、電動モータに供給する電力に変換する電力変換装置、モータモジュールおよび電動パワーステアリング装置に関する。

近年、電動モータ（以下、単に「モータ」と表記する。）、電力変換装置および電子制御ユニット（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、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。

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素子およびローサイドスイッチ素子を含む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。本明細書において、「異常」とは、主としてスイッチ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、あるスイッチ素子に故障が生じた状態における制御を意味する。

特許文献２は、４つの電気的分離手段、および、２つのインバータを備え、三相モータに供給する電力を変換するモータ駆動装置を開示している。１つのインバータに対し、電源とインバータの間に１つの電気的分離手段が設けられ、インバータとＧＮＤの間に１つの電気的分離手段が設けられている。故障したインバータにおける巻線の中性点を用いて、故障していないインバータによってモータを駆動することが可能である。そのとき、故障したインバータに接続された２つの電気的分離手段を遮断状態にすることによって、故障したインバータは電源およびＧＮＤから分離される。

特開２０１４−１９２９５０号公報特許第５７９７７５１号公報

上述した従来の技術では、回路内の素子破損を抑制することが求められていた。

本開示の実施形態は、回路内の素子破損を適切に抑制すること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に接続され、かつ、前記各相の巻線の一端同士の接続・非接続を切替える第１中性点リレー回路であって、前記電源およびグランドの少なくとも１つと接続される第１中性点リレー回路と、前記各相の巻線の他端に接続され、かつ、前記各相の巻線の他端同士の接続・非接続を切替える第２中性点リレー回路であって、前記電源および前記グランドの少なくとも１つと接続される第２中性点リレー回路と、前記第１中性点リレー回路に直列または並列に接続された第１整流素子と、前記第２中性点リレー回路に直列または並列に接続された第２整流素子と、を備える。

本開示の例示的な実施形態によると、零相電流を逃がす経路を確保することによって回路内に発生し得る過電圧を防止し、その結果、回路内の素子破損を抑制することが可能となる電力変換装置、当該電力変換装置を備えるモータモジュールおよび当該モータモジュールを備える電動パワーステアリング装置が提供される。

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の回路構成のバリエーション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の回路構成のバリエーション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の回路構成のバリエーションを示す回路図である。図５は、例示的な実施形態１による電力変換装置１００の回路構成のバリエーションを示す回路図である。図６は、例示的な実施形態１によるモータモジュール１０００のブロック構成を示すブロック図である。図７は、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Ａ相、Ｂ相およびＣ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）を例示するグラフである。図８は、第１インバータ１２０のＡ相レグの２つのスイッチ素子が連鎖的に故障した場合のフルＨブリッジ回路内のスイッチ素子および中性点リレー回路のオン・オフ状態を説明するための図である。図９は、第１インバータ１２０のＡ相レグの２つのスイッチ素子が連鎖的に故障した場合のフルＨブリッジ回路内のスイッチ素子および中性点リレー回路のオン・オフ状態を説明するための図である。図１０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２０００の典型的な構成を示す模式図である。

以下、添付の図面を参照しながら、本開示の電力変換装置、モータモジュール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、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、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。

本明細書において、電源からの電力を、三相（Ａ相、Ｂ相、Ｃ相）の巻線を有する三相モータに供給する電力に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、電源からの電力を、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に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）

〔１−１．電力変換装置１００の構造〕

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す。

電力変換装置１００は、典型的には、電源遮断回路１１０、第１インバータ１２０、第２インバータ１３０、第１中性点リレー回路１８０、第２中性点リレー回路１９０、第１整流素子１８４および第２整流素子１９４を備える。電力変換装置１００は、電源１０１からの電力を、モータ２００に供給する電力に変換することができる。例えば、第１および第２インバータ１２０、１３０は、直流電力を、Ａ相、Ｂ相およびＣ相の擬似正弦波である三相交流電力に変換することが可能である。

モータ２００は、例えば、三相交流モータである。モータ２００は、Ａ相の巻線Ｍ１、Ｂ相の巻線Ｍ２およびＣ相の巻線Ｍ３を備え、第１インバータ１２０と第２インバータ１３０とに接続される。具体的に説明すると、第１インバータ１２０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１３０は各相の巻線の他端に接続される。本明細書において、部品（構成要素）同士の間の「接続」は、主に電気的な接続を意味し、さらに、他の部品または素子を介在した部品同士の接続を含む。

第１インバータ１２０は、各相に対応した端子Ａ＿Ｌ、Ｂ＿ＬおよびＣ＿Ｌを有する。第２インバータ１３０は、各相に対応した端子Ａ＿Ｒ、Ｂ＿ＲおよびＣ＿Ｒを有する。第１インバータ１２０の端子Ａ＿Ｌは、Ａ相の巻線Ｍ１の一端に接続され、端子Ｂ＿Ｌは、Ｂ相の巻線Ｍ２の一端に接続され、端子Ｃ＿Ｌは、Ｃ相の巻線Ｍ３の一端に接続される。第１インバータ１２０と同様に、第２インバータ１３０の端子Ａ＿Ｒは、Ａ相の巻線Ｍ１の他端に接続され、端子Ｂ＿Ｒは、Ｂ相の巻線Ｍ２の他端に接続され、端子Ｃ＿Ｒは、Ｃ相の巻線Ｍ３の他端に接続される。このように、電力変換装置１００は、Ａ相、Ｂ相およびＣ相のＨブリッジにより構成されるフルＨブリッジ回路を備える。そのモータ結線は、いわゆるスター結線およびデルタ結線とは異なる。

電源遮断回路１１０は、第１から第４スイッチ素子１１１、１１２、１１３および１１４を有する。電力変換装置１００において、第１インバータ１２０は、電源遮断回路１１０によって電源１０１とＧＮＤとに電気的に接続可能である。第２インバータ１３０は、電源遮断回路１１０によって電源１０１とＧＮＤとに電気的に接続可能である。具体的に説明すると、第１スイッチ素子１１１は、第１インバータ１２０とＧＮＤとの接続・非接続を切替える。第２スイッチ素子１１２は、電源１０１と第１インバータ１２０との接続・非接続を切替える。第３スイッチ素子１１３は、第２インバータ１３０とＧＮＤとの接続・非接続を切替える。第４スイッチ素子１１４は、電源１０１と第２インバータ１３０との接続・非接続を切替える。

第１から第４スイッチ素子１１１、１１２、１１３および１１４のオン・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。第１から第４スイッチ素子１１１、１１２、１１３および１１４は、双方向の電流を遮断することが可能である。第１から第４スイッチ素子１１１、１１２、１１３および１１４として、例えば、サイリスタ、アナログスイッチＩＣ、若しくは寄生ダイオードが内部に形成された電界効果トランジスタ（典型的にはＭＯＳＦＥＴ）などの半導体スイッチ、または、メカニカルリレーなどを用いることができる。ダイオードおよび絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）などの組み合わせを用いても構わない。本明細書の図面には、第１から第４スイッチ素子１１１、１１２、１１３および１１４として、ＭＯＳＦＥＴを例示している。以降、第１から第４スイッチ素子１１１、１１２、１１３および１１４を、ＳＷ１１１、１１２、１１３および１１４とそれぞれ表記する場合がある。

ＳＷ１１１は、内部の寄生ダイオードに順方向電流が第１インバータ１２０に向けて流れるよう配置される。ＳＷ１１２は、寄生ダイオードに順方向電流が電源１０１に向けて流れるよう配置される。ＳＷ１１３は、寄生ダイオードに順方向電流が第２インバータ１３０に向けて流れるよう配置される。ＳＷ１１４は、寄生ダイオードに順方向電流が電源１０１に向けて流れるよう配置される。

電源遮断回路１１０は、図示するように、逆接続保護用の第５および第６スイッチ素子１１５、１１６をさらに有していることが好ましい。第５および第６スイッチ素子１１５、１１６は、典型的に、寄生ダイオードを有するＭＯＳＦＥＴの半導体スイッチである。第５スイッチ素子１１５は、ＳＷ１１２に直列に接続され、寄生ダイオードにおいて第１インバータ１２０に向けて順方向電流が流れるよう配置される。第６スイッチ素子１１６は、ＳＷ１１４に直列に接続され、寄生ダイオードにおいて第２インバータ１３０に向けて順方向電流が流れるよう配置される。電源１０１が逆向きに接続された場合でも、逆接続保護用の２つのスイッチ素子によって逆電流を遮断することができる。

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、各インバータに用いる複数のスイッチ素子を設けておくことが好ましい。

電源１０１は、例えば、第１および第２インバータ１２０、１３０に共通の単一電源である。電源１０１は所定の電源電圧（例えば、１２Ｖ）を生成する。電源として、例えば直流電源が用いられる。ただし、電源は、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。また、電源１０１は、第１インバータ１２０用の電源および第２インバータ１３０用の電源を個別に備えていてもよい。

電源１０１と電源遮断回路１１０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側に流出させないように平滑化する。

各インバータの電源ラインには、コンデンサ１０３が接続される。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。

第１インバータ１２０は、３個のレグを有するブリッジ回路を備える。各レグは、ローサイドスイッチ素子およびハイサイドスイッチ素子を有する。Ａ相レグは、ローサイドスイッチ素子１２１Ｌおよびハイサイドスイッチ素子１２１Ｈを有する。Ｂ相レグは、ローサイドスイッチ素子１２２Ｌおよびハイサイドスイッチ素子１２２Ｈを有する。Ｃ相レグは、ローサイドスイッチ素子１２３Ｌおよびハイサイドスイッチ素子１２３Ｈを有する。スイッチ素子として、例えばＦＥＴまたはＩＧＢＴを用いることができる。以下、スイッチ素子としてＭＯＳＦＥＴを用いる例を説明し、スイッチ素子をＳＷと表記する場合がある。例えば、ローサイドスイッチ素子１２１Ｌ、１２２Ｌおよび１２３Ｌは、ＳＷ１２１Ｌ、１２２Ｌおよび１２３Ｌと表記される。

第１インバータ１２０は、Ａ相、Ｂ相およびＣ相の各相の巻線に流れる電流を検出する電流センサ１５０（図６を参照）に含まれる３個のシャント抵抗１２１Ｒ、１２２Ｒおよび１２３Ｒを備える。電流センサ１５０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１２１Ｒ、１２２Ｒおよび１２３Ｒは、第１インバータ１２０の３個のレグに含まれる３個のローサイドスイッチ素子とＧＮＤとの間にそれぞれ接続される。具体的には、シャント抵抗１２１ＲはＳＷ１２１ＬとＳＷ１１１との間に電気的に接続され、シャント抵抗１２２ＲはＳＷ１２２ＬとＳＷ１１１との間に電気的に接続され、シャント抵抗１２３ＲはＳＷ１２３ＬとＳＷ１１１との間に電気的に接続される。シャント抵抗の抵抗値は、例えば０．５ｍΩ〜１．０ｍΩ程度である。

第２インバータ１３０は、第１インバータ１２０と同様に、３個のレグを有するブリッジ回路を備える。Ａ相レグは、ローサイドスイッチ素子１３１Ｌおよびハイサイドスイッチ素子１３１Ｈを有する。Ｂ相レグは、ローサイドスイッチ素子１３２Ｌおよびハイサイドスイッチ素子１３２Ｈを有する。Ｃ相レグは、ローサイドスイッチ素子１３３Ｌおよびハイサイドスイッチ素子１３３Ｈを有する。第２インバータ１３０は、３個のシャント抵抗１３１Ｒ、１３２Ｒおよび１３３Ｒ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素子とＧＮＤとの間に接続される。

各インバータに対し、シャント抵抗の数は３つに限られない。例えば、Ａ相、Ｂ相用の２つのシャント抵抗、Ｂ相、Ｃ相用の２つのシャント抵抗、および、Ａ相、Ｃ相用の２つのシャント抵抗を用いることが可能である。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、製品コストおよび設計仕様などを考慮して適宜決定される。

第１中性点リレー回路１８０は、Ａ相の第１中性点リレー１８１、Ｂ相の第１中性点リレー１８２およびＣ相の第１中性点リレー１８３を有する。第１中性点リレー１８１、１８２および１８３の各々の一端は共通のノードＮ１に接続され、他端は各相の巻線の一端に接続される。具体的説明すると、第１中性点リレー１８１の一端は、ノードＮ１に接続され、他端は、第１インバータ１２０のＡ相レグにおけるＳＷ１２１ＨおよびＳＷ１２１Ｌの間のノードに接続される。第１中性点リレー１８２の一端は、ノードＮ１に接続され、他端は、Ｂ相レグにおけるＳＷ１２２ＨおよびＳＷ１２２Ｌの間のノードに接続される。第１中性点リレー１８３の一端は、ノードＮ１に接続され、他端は、Ｃ相レグにおけるＳＷ１２３ＨおよびＳＷ１２３Ｌの間のノードに接続される。この回路構成により、第１中性点リレー回路１８０は、各相の巻線の一端同士の接続・非接続を切替えることができる。

第１中性点リレー回路１８０は、各相の巻線の一端に接続され、かつ、電源１０１およびＧＮＤの少なくとも１つと接続される。例えば、第１中性点リレー回路１８０は、第１整流素子１８４を介して電源１０１の電源ラインに接続され、かつ、第１インバータ１２０のＡ相レグ、Ｂ相レグおよびＣ相レグに接続される。

第２中性点リレー回路１９０は、Ａ相の第２中性点リレー１９１、Ｂ相の第２中性点リレー１９２およびＣ相の第２中性点リレー１９３を有する。第２中性点リレー１９１、１９２および１９３の各々の一端は共通のノードＮ２に接続され、他端は各相の巻線の他端に接続される。具体的に説明すると、第２中性点リレー１９１の一端は、ノードＮ２に接続され、他端は、第２インバータ１３０のＡ相レグにおけるＳＷ１３１ＨおよびＳＷ１３１Ｌの間のノードに接続される。第２中性点リレー１９２の一端は、ノードＮ２に接続され、他端は、Ｂ相レグにおけるＳＷ１３２ＨおよびＳＷ１３２Ｌの間のノードに接続される。第２中性点リレー１９３の一端は、ノードＮ２に接続され、他端は、Ｃ相レグにおけるＳＷ１３３ＨおよびＳＷ１３３Ｌの間のノードに接続される。この回路構成により、第２中性点リレー回路１９０は、各相の巻線の他端同士の接続・非接続を切替えることができる。

第２中性点リレー回路１９０は、各相の巻線の他端に接続され、かつ、電源１０１およびＧＮＤの少なくとも１つと接続される。例えば、第２中性点リレー回路１９０は、第２整流素子１９４を介して電源１０１の電源ラインに接続され、かつ、第２インバータ１３０のＡ相レグ、Ｂ相レグおよびＣ相レグに接続される。

中性点リレー回路の中の各中性点リレーは、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。中性点リレーとして、例えば、ＭＯＳＦＥＴなどの半導体スイッチを用いることができる。サイリスタ、アナログスイッチＩＣなどの他
の半導体スイッチまたはメカニカルリレーを用いても構わない。また、ＩＧＢＴおよびダイオードの組み合わせを用いることができる。

第１整流素子１８４は、第１中性点リレー回路１８０に直列または並列に接続される。より詳細には、第１整流素子１８４は、第１中性点リレー回路１８０の各中性点リレーと直列または並列に接続される。図１には、第１中性点リレー回路１８０に直列に接続された第１整流素子１８４を示す。ノードＮ１は、第１整流素子１８４を介して電源１０１に接続される。第１整流素子１８４は、ノードＮ１から電源１０１に向けて電流を流す。

第２整流素子１９４は、第２中性点リレー回路１９０に直列または並列に接続される。より詳細には、第２整流素子１９４は、第２中性点リレー回路１９０の各中性点リレーと直列または並列に接続される。図１には、第２中性点リレー回路１９０に直列に接続された第２整流素子１９４を示す。ノードＮ２は、第２整流素子１９４を介して電源１０１に接続される。第２整流素子１９４は、ノードＮ２から電源１０１に向けて電流を流す。整流素子として、例えば、ダイオードまたはサイリスタを用いることができる。

本実施形態において、ノードＮ１およびノードＮ２の各々は、電源１０１およびＧＮＤの少なくとも１つと接続され得る。図２から図５は、本実施形態による電力変換装置１００の回路構成のバリエーションを模式的に示している。

図２に示すように、第１整流素子１８４には第１保護回路１８５が並列に接続され、第２整流素子１９４には第２保護回路１９５が並列に接続されていてもよい。第１保護回路１８５および第２保護回路１９５の各々は、抵抗素子、抵抗素子およびキャパシタを有するＲＣ回路、または、これらの組み合わせを備えていてもよいし、抵抗素子、キャパシタおよびダイオードなどを有するスナバ回路であってもよい。保護回路を設けることにより、整流素子における過電圧を抑制し、電子部品の破損を抑制することができる。

図３に示すように、ノードＮ１は、第１整流素子１８４を介してＧＮＤに接続され、ノードＮ２は、第２整流素子１９４を介してＧＮＤに接続されていてもよい。その場合、第１整流素子１８４は、ＧＮＤからノードＮ１に向けて電流を流し、第２整流素子１９４は、ＧＮＤからノードＮ２に向けて電流を流す。

図４に示すように、ノードＮ１およびノードＮ２の各々は、電源１０１とＧＮＤに接続され得る。その場合、電力変換装置１００は、第３整流素子１８６および第４整流素子１９６をさらに備える。第３整流素子１８６は、ノードＮ１とＧＮＤの間に接続され、第４整流素子１９６は、ノードＮ２とＧＮＤの間に接続される。第３整流素子１８６は、ＧＮＤからノードＮ１に向けて電流を流し、第４整流素子１９６は、ＧＮＤからノードＮ２に向けて電流を流す。

図５に示すように、第１整流素子１８４は、第１中性点リレー回路１８０の各中性点リレーに並列に接続され、第２整流素子１９４は、第２中性点リレー回路１９０の各中性点リレーに並列に接続され得る。図５には、図１に対応する構成を示す。この例に限られず、例えば、ノードＮ１をＧＮＤに接続し、かつ、第１整流素子１８４に順方向電流が第１インバータ１２０に向けて流れるようそれを各中性点リレーに並列に接続してもよい。

上述したとおり、第２インバータ１３０は、第１インバータ１２０の構造と実質的に同じ構造を備え、さらに、第２中性点リレー回路１９０は、第１中性点リレー回路１８０の構造と実質的に同じ構造を備える。図１から図５では、説明の便宜上、例えば、紙面の左側のインバータを第１インバータ１２０と表記し、右側のインバータを第２インバータ１３０と表記している。ただし、このような表記は、本開示を限定する意図で解釈されてはならない。例えば、第１および第２インバータ１２０、１３０は、電力変換装置１００の構成要素として区別なく用いられ得る。

〔１−２．モータモジュール１０００の構造〕

図６は、本実施形態によるモータモジュール１０００のブロック構成を模式的に示す。

モータモジュール１０００は、電力変換装置１００と、モータ２００と、モータ制御装置３００とを備える。

モータモジュール１０００は、モジュール化され、例えば、モータ、センサ、ドライバおよびコントローラを有する機電一体型モータとして製造および販売され得る。また、電力変換装置１００およびモータ制御装置３００から構成される、モータ２００以外のユニットをモジュール化して製造および販売し得る。

モータ制御装置３００は、例えば、電源回路３１０と、角度センサ３２０と、入力回路３３０と、コントローラ３４０と、駆動回路３５０と、ＲＯＭ３６０とを備える。モータ制御装置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を駆動する制御回路である。

モータ制御装置３００は、目的とするモータ２００のロータの位置、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、モータ制御装置３００は、角度センサ３２０に代えてトルクセンサを備えてもよい。この場合、モータ制御装置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。または、角度センサ３２０は、磁気抵抗（ＭＲ）素子を有するＭＲセンサとセンサマグネットとの組み合わせによっても実現される。角度センサ３２０は、ロータの回転角（以下、「回転信号」と表記する。）を検出し、回転信号をコントローラ３４０に出力する。

入力回路３３０は、電流センサ１５０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、実電流値のレベルをコントローラ３４０の入力レベルに必要に応じて変換し、実電流値をコントローラ３４０に出力する。入力回路３３０は、例えばアナログデジタル変換回路である。

コントローラ３４０は、駆動回路３５０を制御する集積回路であり、例えば、マイクロコントローラまたはＦＰＧＡ（ＦｉｅｌｄＰｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅＧａｔｅＡｒｒａｙ）である。

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１２０、１３０における各ＳＷ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。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。コントローラ３４０は、電力変換装置１００の電源遮断回路１１０における各ＳＷのオン・オフを制御してもよい。さらに、コントローラ３４０は、第１中性点リレー回路１８０および第２中性点リレー回路１９０のオン・オフ状態を切替えることが可能である。または、駆動回路３５０がコントローラ３４０の制御の下で、各中性点リレー回路のオン・オフ状態の切替えを実行してもよい。または、第１中性点リレー回路１８０はコントローラ３４０によって制御され、第２中性点リレー回路１９０はコントローラ３４０とは異なる別のコントローラによって制御されてもよい。

ここで、中性点リレー回路のオン・オフ状態を定義する。中性点リレー回路をオンするとは、回路内の全ての中性点リレーをオンすることを意味し、中性点リレー回路をオフするとは、回路内の全ての中性点リレーをオフすることを意味する。例えば、第１中性点リレー回路１８０のオフ状態は、第１中性点リレー１８１、１８２および１８３の全てがオフ状態であることを意味し、オン状態は、それらの中性点リレーが全てオン状態であることを意味する。第１中性点リレー回路１８０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１８０がオフすると、各相の巻線の一端同士は非接続となる。第２中性点リレー回路１９０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１９０がオフすると、各相の巻線の他端同士は非接続となる。

駆動回路３５０は、典型的にはゲートドライバ（またはプリドライバ）である。駆動回路３５０は、第１および第２インバータ１２０、１３０における各ＳＷのＭＯＳＦＥＴ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ＳＷのゲートに制御信号を与える。また、駆動回路３５０は、電源遮断回路１１０における各ＳＷのオン・オフを制御する制御信号を、コントローラ３４０からの指示に従って生成してもよい。駆動対象が低電圧で駆動可能なモータであるとき、ゲートドライバは必ずしも必要とされない場合がある。その場合、ゲートドライバの機能は、コントローラ３４０に実装され得る。

ＲＯＭ３６０は、コントローラ３４０に電気的に接続される。ＲＯＭ３６０は、例えば書き込み可能なメモリ（例えばＰＲＯＭ）、書き換え可能なメモリ（例えばフラッシュメモリ）または読み出し専用のメモリである。ＲＯＭ３６０は、コントローラ３４０にモータ制御装置３００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。

〔１−３．電力変換装置１００の動作〕

＜正常時の制御＞

モータ制御装置３００は、電源遮断回路１１０のＳＷ１１１、１１２、１１３および１１４を全てオンする。これにより、電源１０１と第１インバータ１２０とが電気的に接続され、かつ、電源１０１と第２インバータ１３０とが電気的に接続される。第１インバータ１２０とＧＮＤとが電気的に接続され、かつ、第２インバータ１３０とＧＮＤとが電気的に接続される。さらに、モータ制御装置３００は、第１中性点リレー回路１８０および第２中性点リレー回路１９０をオフする。これにより、第１中性点リレー回路１８０を介した第１インバータ１２０と電源１０１との接続は遮断され、第２中性点リレー回路１９０を介した第２インバータ１３０と電源１０１との接続は遮断される。電源遮断回路１１０の逆接続保護用のＳＷ１１５、１１６は常時オン状態であるとする。この接続状態において、モータ制御装置３００は、第１および第２インバータ１２０、１３０の両方を用いて巻線Ｍ１、Ｍ２およびＭ３を通電することによりモータ２００を駆動する。本明細書において、三相の巻線を通電することを「三相通電制御」と呼ぶこととする。

図７は、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Ａ相、Ｂ相およびＣ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）を示す。図７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。Ｉ_ｐｋは各相の最大電流値（ピーク電流値）を表す。

図７に示される電流波形において、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「０」となる。ただし、電力変換装置１００の回路構成によれば、三相の巻線に流れる電流を独立に制御することができるために、電流の総和が「０」とはならない制御を行うことも可能である。その場合、インバータの回路内に零相電流が流れ得る。その結果、零相電流の影響を受けて制御誤差が発生し得る。厳密には、三相の巻線に流れる電流の総和は電気角毎に「０」にはならない点に留意されたい。例えば、モータ制御装置３００は、図７に示される電流波形が得られるＰＷＭ制御によって第１および第２インバータ１２０、１３０の各ＳＷのスイッチング動作を制御することが可能である。

＜異常時の制御＞

上述したように、異常とは主としてスイッチ素子（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。スイッチ素子ＳＷのオープン故障とは、ＳＷが常にオフ（遮断）状態となり、オン（導通）状態にならない故障を指す。スイッチ素子ＳＷのショート故障とは、ＳＷが常にオン状態となり、オフ状態にならない故障を指す。

再び図１を参照する。電力変換装置１００の動作時において故障が発生する場合、通常は、１６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。ただし、複数のＦＥＴが連鎖的に故障する連鎖的な故障も発生することが想定される。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素子およびローサイドスイッチ素子に故障が同時に発生することを意味する。本開示は、これらの故障を範疇とする。

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。２つのインバータの複数のＳＷ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、ＳＷ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、ＳＷ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、コントローラ３４０のポートと接続され、故障検知信号をコントローラ３４０に通知する。例えば、駆動回路３５０は、ＳＷの故障を検知すると、故障検知信号をアサートする。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、複数のＳＷの中でどのＳＷ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は、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ＳＷ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。

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。

図８および図９は、第１インバータ１２０のＡ相レグの２つのスイッチ素子が連鎖的に故障した場合のフルＨブリッジ回路内のスイッチ素子および中性点リレー回路のオン・オフ状態を示している。

例えば、第１インバータ１２０におけるＡ相レグのＳＷ１２１Ｈ、１２１Ｌが連鎖的にオープン故障したとする。上述したように、正常時の三相通電制御において、インバータの回路内に零相電流が流れ得る。

先ず、第１中性点リレー回路１８０のノードＮ１は、本実施形態とは異なり、第１整流素子１８４を介して電源１０１またはＧＮＤに接続されていない構成を考える。モータ制御装置３００は、モータ制御を正常時の制御から異常時の制御に切替えた後、第１中性点リレー回路１８０をオンし、かつ、電源遮断回路１１０のＳＷ１１１、１１２をオフする。第２中性点リレー回路１９０はオフしたままである。これにより、電源１０１およびＧＮＤから第１インバータ１２０を電気的に分離し、第１中性点リレー回路１８０のノードＮ１をモータ２００の中性点として機能させることができる。換言すると、モータ２００の結線をＹ結線に切替えることができる。このような制御に従いＳＷ１１１、１１２がオフされると、ノードＮ１、すなわち、中性点は、電源１０１またはＧＮＤから絶縁されてしまう。従って、それまでフルＨブリッジ回路内に存在していた零相電流の電流経路が突然断たれることとなる。過電圧が発生し、そのことがフルＨブリッジ回路内の電子部品、例えばＳＷの破損を誘発し得る。

本実施形態による電力変換装置１００では、電源１０１と第１中性点リレー回路１８０の間に第１整流素子１８４が接続されている。そのため、ＳＷ１１１、１１２をオフしても、ノードＮ１は電源１０１またはＧＮＤから絶縁されない。第１整流素子１８４により零相電流の経路が確保される。図８に示すように、零相電流Ｉｚが正の値であるときに、第１整流素子１８４に順方向電流が流れる。例えば、図９に示すように、ノードＮ１は第１整流素子１８４を介してＧＮＤに接続される場合、零相電流Ｉｚが負の値であるときに、第１整流素子１８４に順方向電流が流れ得る。このように、第１中性点リレー回路１８０をオンし、かつ、電源遮断回路１１０のＳＷ１１１、１１２をオフするとき、フルＨブリッジ回路内に残存していた零相電流を、第１整流素子１８４を通して外部に逃がすことができる。その結果、フルＨブリッジ回路内の電子部品の破損を効果的に抑制することが可能となる。

モータ制御装置３００は、第１中性点リレー回路１８０をオンした後、零相電流が第１整流素子１８４を通じて外部に逃げて小さくなった時点で、電源遮断回路１１０のＳＷ１１１、１１２をオフする制御を行うことが好ましい。例えば、モータ制御装置３００は、先ず、第１中性点リレー回路１８０をオンする。モータ制御装置３００は、零相電流を監視し、それが所定値未満になることを確認してから、ＳＷ１１１、１１２をオフすることが好ましい。この制御により、ＳＷ１１１、１１２、およびインバータ内のスイッチ素子の破損をより確実に防止することが可能となる。

本実施形態では、モータ制御装置３００は、モータ制御を正常時の制御から異常時の制御に切替えた後、第１中性点リレー回路１８０をオンし、かつ、電源遮断回路１１０のＳＷ１１１、１１２をオフする。例えば、モータ制御装置３００は、第１インバータ１２０における故障していないＳＷ１２２Ｈ、１２２Ｌ、１２３Ｈおよび１２３Ｌを全てオフする。この状態で、モータ制御装置３００は、例えば図７に示される電流波形が得られるＰＷＭ制御によって第２インバータ１３０の各スイッチ素子のスイッチング動作を制御する。このように、モータ制御装置３００は、スイッチ素子の故障後にＹ結線モータの駆動モードに速やかに切替えることができ、モータ２００の駆動を継続させることができる。

（実施形態２）

図１０は、本実施形態による電動パワーステアリング装置２０００の典型的な構成を模式的に示している。

自動車等の車両は一般に、電動パワーステアリング装置を有する。本実施形態による電動パワーステアリング装置２０００は、ステアリングシステム５２０、および補助トルクを生成する補助トルク機構５４０を有する。電動パワーステアリング装置２０００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システムの操舵トルクを補助する補助トルクを生成する。補助トルクにより、運転者の操作の負担は軽減される。

ステアリングシステム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、自在軸継手５２３Ａ、５２３Ｂ、回転軸５２４、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５２９Ａ、５２９Ｂを備える。

補助トルク機構５４０は、例えば、操舵トルクセンサ５４１、自動車用電子制御ユニット（ＥＣＵ）５４２、モータ５４３および減速機構５４４を備える。操舵トルクセンサ５４１は、ステアリングシステム５２０における操舵トルクを検出する。ＥＣＵ５４２は、操舵トルクセンサ５４１の検出信号に基づいて駆動信号を生成する。モータ５４３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する。モータ５４３は、減速機構５４４を介してステアリングシステム５２０に、生成した補助トルクを伝達する。

ＥＣＵ５４２は、例えば、実施形態１によるコントローラ３４０および駆動回路３５０などを有する。自動車ではＥＣＵを核とした電子制御システムが構築される。電動パワーステアリング装置２０００では、例えば、ＥＣＵ５４２、モータ５４３およびインバータ５４５によって、モータ駆動ユニットが構築される。そのユニットに、実施形態１によるモータモジュール１０００を好適に用いることができる。

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：電源切替回路１１１：第１スイッチ素子（ＳＷ）１１２：第２スイッチ素子（ＳＷ）１１３：第３スイッチ素子（ＳＷ）１１４：第４スイッチ素子（ＳＷ）１１５：第５スイッチ素子１１６：第６スイッチ素子１２０：第１インバータ１３０：第２インバータ１５０：電流センサ１８０：第１中性点リレー回路１８４：第１整流素子１９０：第２中性点リレー回路１９５：第２整流素子２００：電動モータ３００：モータ制御装置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：ＲＯＭ１０００：モータモジュール２０００：電動パワーステアリング装置

Claims

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に接続され、かつ、前記電源およびグランドの少なくとも１つと接続される第１中性点リレー回路であって、前記各相の巻線の一端同士の接続・非接続を切替える第１中性点リレー回路と、

前記各相の巻線の他端に接続され、かつ、前記電源およびグランドの少なくとも１つと接続される第２中性点リレー回路であって、前記各相の巻線の他端同士の接続・非接続を切替える第２中性点リレー回路と、

前記第１中性点リレー回路に直列または並列に接続された第１整流素子と、

前記第２中性点リレー回路に直列または並列に接続された第２整流素子と、

を備える電力変換装置。
前記第１中性点リレー回路は、各々の一端は共通の第１ノードに接続され、他端は前記各相の巻線の一端に接続されるｎ個の第１中性点リレーを含み、前記第２中性点リレー回路は、各々の一端は共通の第２ノードに接続され、他端は前記各相の巻線の他端に接続されるｎ個の第２中性点リレーを含む、請求項１に記載の電力変換装置。
前記第１ノードおよび前記第２ノードの各々は、前記電源および前記グランドの少なくとも１つと接続される、請求項２に記載の電力変換装置。
前記第１整流素子は、前記第１ノードと前記電源の間に接続され、かつ、前記第１ノードから前記電源に向けて電流を流し、

前記第２整流素子は、前記第２ノードと前記電源の間に接続され、かつ、前記第２ノードから前記電源に向けて電流を流す、請求項３に記載の電力変換装置。
前記第１整流素子は、前記第１ノードと前記グランドの間に接続され、かつ、前記グランドから前記第１ノードに向けて電流を流し、

前記第２整流素子は、前記第２ノードと前記グランドの間に接続され、かつ、前記グランドから前記第２ノードに向けて電流を流す、請求項３に記載の電力変換装置。
前記第１ノードと前記グランドの間に接続され、前記グランドから前記第１ノードに向けて電流を流す第３整流素子と、

前記第２ノードと前記グランドとに接続され、前記グランドから前記第２ノードに向けて電流を流す第４整流素子と、をさらに備える、請求項４に記載の電力変換装置。
前記第１整流素子は、前記ｎ個の第１中性点リレーの各々と並列に接続され、前記第２整流素子は、前記ｎ個の第２中性点リレーの各々と並列に接続されている、請求項３に記載の電力変換装置。
前記第１整流素子には第１保護回路が並列に接続され、前記第２整流素子には第２保護回路が並列に接続されている、請求項１から７のいずれかに記載の電力変換装置。
前記第１保護回路および前記第２保護回路の各々はスナバ回路を備える、請求項８に記載の電力変換装置。
前記第１整流素子および前記第２整流素子の各々はダイオードである、請求項１から９のいずれかに記載の電力変換装置。
前記第１インバータと前記グランドとの接続・非接続を切替える第１スイッチ素子と、

前記第１インバータと前記電源との接続・非接続を切替える第２スイッチ素子と、

前記第２インバータと前記グランドとの接続・非接続を切替える第３スイッチ素子と、

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４スイッチ素子と、

をさらに備える、請求項１から１０のいずれかに記載の電力変換装置。
モータと、

請求項１から１１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、

を備えるモータモジュール。
請求項１２に記載のモータモジュールを備える電動パワーステアリング装置。