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特許6992758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
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2021-12-13
(45)【発行日】2022-01-13
(54)【発明の名称】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
(51)【国際特許分類】
H02M 7/48 20070101AFI20220105BHJP
H02P 25/18 20060101ALI20220105BHJP
H02P 27/06 20060101ALI20220105BHJP
B62D 5/04 20060101ALI20220105BHJP
【ＦＩ】
H02M7/48 E
H02P25/18
H02P27/06
B62D5/04
【請求項の数】
10
(21)【出願番号】P 2018540949
(86)(22)【出願日】2017-09-05
(86)【国際出願番号】 JP2017031882
(87)【国際公開番号】W WO2018056046
(87)【国際公開日】2018-03-29
【審査請求日】2020-09-04
(31)【優先権主張番号】P 2016186759
(32)【優先日】2016-09-26
(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP
(73)【特許権者】
【識別番号】000232302
【氏名又は名称】日本電産株式会社
(72)【発明者】
【氏名】大橋 弘光
【審査官】柳下 勝幸
(56)【参考文献】
【文献】国際公開第２０１２／０９８５８５（ＷＯ，Ａ１）
【文献】特開２０１４－０５４０９４（ＪＰ，Ａ）
【文献】特公平０７－０９９９５９（ＪＰ，Ｂ２）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｈ０２Ｍ ７／４８
Ｈ０２Ｐ ２５／１８
Ｈ０２Ｐ ２７／０６
Ｂ６２Ｄ ５／０４
(57)【特許請求の範囲】
【請求項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、
前記第１インバータ側に前記各相の巻線の中性点を構成するために用いられる切替回路と、
を有し、
前記第１インバータに含まれる複数のスイッチング素子のうちの少なくとも１つは、第１電流容量を有し、
前記第２インバータに含まれる複数のスイッチング素子は、前記第１電流容量よりも大きい第２電流容量を有し、
前記第１および第２インバータの各ブリッジ回路は、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個のレグから構成され、
前記切替回路は、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１スイッチ素子を有する電源側切替回路であり、
前記第１インバータのブリッジ回路における前記ｎ個のローサイドスイッチング素子は、前記第１電流容量を有し、前記第１インバータのブリッジ回路における前記ｎ個のハイサイドスイッチング素子は、前記第２電流容量を有する、電力変換装置。
【請求項2】
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、
前記第１インバータ側に前記各相の巻線の中性点を構成するために用いられる切替回路と、
を有し、
前記第１インバータに含まれる複数のスイッチング素子のうちの少なくとも１つは、第１電流容量を有し、
前記第２インバータに含まれる複数のスイッチング素子は、前記第１電流容量よりも大きい第２電流容量を有し、 前記第１および第２インバータの各ブリッジ回路は、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個のレグから構成され、
前記切替回路は、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１スイッチ素子を有する電源側切替回路であり、
前記第１インバータのブリッジ回路における前記ｎ個のローサイドスイッチング素子は、前記第１電流容量を有し、前記第１インバータのブリッジ回路における前記ｎ個のハイサイドスイッチング素子は、前記第１電流容量よりも大きく前記第２電流容量よりも小さい第３電流容量を有する、電力変換装置。
【請求項3】
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、
前記第１インバータ側に前記各相の巻線の中性点を構成するために用いられる切替回路と、
を有し、
前記第１インバータに含まれる複数のスイッチング素子のうちの少なくとも１つは、第１電流容量を有し、
前記第２インバータに含まれる複数のスイッチング素子は、前記第１電流容量よりも大きい第２電流容量を有し、
前記第１および第２インバータの各ブリッジ回路は、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個のレグから構成され、
前記切替回路は、前記第１インバータとグランドとの接続・非接続を切替える第２スイッチ素子を有するグランド側切替回路であり、
前記第１インバータのブリッジ回路における前記ｎ個のローサイドスイッチング素子は、前記第２電流容量を有し、前記第１インバータのブリッジ回路における前記ｎ個のハイサイドスイッチング素子は、前記第１電流容量を有する、電力変換装置。
【請求項4】
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、
前記第１インバータ側に前記各相の巻線の中性点を構成するために用いられる切替回路と、
を有し、
前記第１インバータに含まれる複数のスイッチング素子のうちの少なくとも１つは、第１電流容量を有し、
前記第２インバータに含まれる複数のスイッチング素子は、前記第１電流容量よりも大きい第２電流容量を有し、
前記第１および第２インバータの各ブリッジ回路は、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個のレグから構成され、
前記切替回路は、前記第１インバータとグランドとの接続・非接続を切替える第２スイッチ素子を有するグランド側切替回路であり、
前記第１インバータのブリッジ回路における前記ｎ個のローサイドスイッチング素子は、前記第１電流容量よりも大きく前記第２電流容量よりも小さい第３電流容量を有し、前記第１インバータのブリッジ回路における前記ｎ個のハイサイドスイッチング素子は、前記第１電流容量を有する、電力変換装置。
【請求項5】
前記モータの低速駆動時、前記切替回路によって前記第１インバータ側に構成された前記各相の巻線の中性点および前記第２インバータを用いて電力変換を行う第１動作モードと、前記モータの高速駆動時、前記第１および第２インバータのｎ相通電制御によって電力変換を行う第２動作モードと、を有する、請求項１から４のいずれかに記載の電力変換装置。
【請求項6】
前記電源側切替回路の前記第１スイッチ素子はオフし、かつ、前記第１インバータの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がオンして、前記ｎ個のローサイドスイッチング素子はオフする第１動作モードであって、前記モータの低速駆動時、前記第１インバータのハイサイド側に構成された前記各相の巻線の中性点および前記第２インバータを用いて電力変換を行う第１動作モードと、前記電源側切替回路の前記第１スイッチ素子はオンする第２動作モードであって、前記モータの高速駆動時、前記第１および第２インバータのｎ相通電制御によって電力変換を行う第２動作モードと、を有する、請求項１または請求項２に記載の電力変換装置。
【請求項7】
前記グランド側切替回路の前記第２スイッチ素子はオフし、かつ、前記第１インバータの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はオフして、前記ｎ個のローサイドスイッチング素子がオンする第１動作モードであって、前記モータの低速駆動時、前記第１インバータのローサイド側に構成された前記各相の巻線の中性点および前記第２インバータを用いて電力変換を行う第１動作モードと、前記グランド側切替回路の前記第２スイッチ素子はオンする第２動作モードであって、前記モータの高速駆動時、前記第１および第２インバータのｎ相通電制御によって電力変換を行う第２動作モードと、を有する、請求項３または請求項４に記載の電力変換装置。
【請求項8】
前記電源は単一の電源である、請求項１から７のいずれかに記載の電力変換装置。
【請求項9】
前記モータと、請求項１から８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。
【請求項10】
請求項９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。【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
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。
【背景技術】
【0002】
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。
【0003】
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）などを有する。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および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。
【0004】
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（本願明細書では、「パワーパック」と呼ぶ。）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。
【0005】
例えば特許文献１は、制御部と、２つのインバータとを有し、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する。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有する。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。正常時の制御では、例えば、一方のインバータに構成された巻線の中性点を用いて、他方のインバータによってモータが駆動される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0006】
【文献】特開２０１４－１９２９５０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
上述した従来の技術では、電力変換装置による電流制御のさらなる向上が求められていた。
【0008】
本開示の実施形態は、低速駆動から高速駆動までの広範囲にわたって、適切な電流制御が可能となる電力変換装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【0009】
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、前記第１インバータ側に前記各相の巻線の中性点を構成するために用いられる切替回路と、を有し、前記第１インバータに含まれる複数のスイッチング素子のうちの少なくとも１つは、第１電流容量を有し、前記第２インバータに含まれる複数のスイッチング素子は、前記第１電流容量よりも大きい第２電流容量を有する。
【発明の効果】
【0010】
本開示の例示的な実施形態によると、低速駆動から高速駆動までの広範囲にわたって、適切な電流制御が可能となる新規な電力変換装置、当該電力変換装置を有するモータ駆動ユニット、および、当該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が提供される。
【図面の簡単な説明】
【0011】
【発明を実施するための形態】
【0012】
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。
【0013】
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、中性点が構成されるインバータが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、電力損失が発生することとなる。
【0014】
電源と同様に、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、中性点が構成されない一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、その供給元のインバータには戻らずに、他方のインバータから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が形成されないという課題を見出した。一方のインバータから各相の巻線に供給される電流は、その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。
【0015】
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、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。
【0016】
本願明細書において、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。
【0017】
【0018】
電力変換装置１００は、切替回路１１０、第１インバータ１２０および第２インバータ１３０を有する。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。なお、本願明細書では、図面における左側のインバータを第１インバータ１２０と称し、右側のインバータを第２インバータ１３０と称する。当然に、この関係は逆であっても構わない。
【0019】
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を有し、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。本願明細書において、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する。第１インバータ１２０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１３０は、各相に対応した端子Ｕ＿Ｒ、Ｖ＿ＲおよびＷ＿Ｒを有する。
【0020】
第１インバータ１２０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１２０と同様に、第２インバータ１３０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Ｍ１の他端に接続される。モータとのこのような結線は、いわゆるスター結線およびデルタ結線とは異なる。
【0021】
切替回路１１０は、第１スイッチ素子１１１を有する。本願明細書では、電源１０１側に配置された切替回路１１０を「電源側切替回路」と称する場合がある。切替回路１１０は、第１インバータ１２０と電源１０１との接続・非接続を切替える。後で詳細に説明するように、切替回路１１０は、第１インバータ１２０側に各相の巻線の中性点を構成するために用いられる。
【0022】
切替回路１１０の第１スイッチ素子１１１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。第１スイッチ素子１１１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）などのトランジスタを広く用いることができるし、メカニカルリレーを用いても構わない。以下、切替回路１１０のスイッチ素子としてＦＥＴを用いる例を説明し、例えば第１スイッチ素子１１１を、ＦＥＴ１１１と表記する。
【0023】
ＦＥＴ１１１は、還流ダイオード１１１Ｄを有し、還流ダイオード１１１Ｄが電源１０１に向くように配置される。より詳細には、ＦＥＴ１１１は、還流ダイオード１１１Ｄ中に電源１０１に向けて順方向電流が流れるように配置される。
【0024】
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、安全性の観点から高い品質保証が要求される。そのため、切替回路１１０は、複数のスイッチ素子を有していることが好ましい。
【0025】
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す。
【0026】
切替回路１１０は、逆接続保護用のスイッチ素子（ＦＥＴ）１１５をさらに有していてもよい。ＦＥＴ１１５は還流ダイオード１１５Ｄを有し、ＦＥＴ内の還流ダイオードの向きが互いに対向するように配置される。具体的に説明すると、ＦＥＴ１１１は、還流ダイオード１１１Ｄにおいて電源１０１に向けて順方向電流が流れるように配置され、ＦＥＴ１１５は、還流ダイオード１１５Ｄ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に配置される。電源１０１が逆向きに接続された場合でも、逆接続保護用のＦＥＴによって逆電流を遮断することができる。
【0027】
再び図１を参照する。
【0028】
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）であっても良い。
【0029】
電源１０１は、第１および第２インバータ１２０、１３０に共通の単一電源であってもよいし、第１インバータ１２０用の第１電源および第２インバータ１３０用の第２電源を有していてもよい。
【0030】
電源１０１と各インバータとの間にコイル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。
【0031】
第１インバータ１２０（「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有する。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１２１Ｌ、１２２Ｌおよび１２３Ｌ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１２１Ｈ、１２２Ｈおよび１２３Ｈが、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ＦＥＴまたはＩＧＢＴを用いることができる。以下、スイッチング素子としてＦＥＴを用いる例を説明し、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１２１Ｌ、１２２Ｌおよび１２３Ｌは、ＦＥＴ１２１Ｌ、１２２Ｌおよび１２３Ｌと表記される。
【0032】
第１インバータ１２０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３を参照）として、３個のシャント抵抗１２１Ｒ、１２２Ｒおよび１２３Ｒを有する。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）を有する。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ング素子と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ＦＥＴ１２１ＬとＧＮＤとの間に電気的に接続され、シャント抵抗１２２ＲはＦＥＴ１２２ＬとＧＮＤとの間に電気的に接続され、シャント抵抗１２３ＲはＦＥＴ１２３ＬとＧＮＤ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。
【0033】
第１インバータ１２０と同様に、第２インバータ１３０（「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有する。図１に示されるＦＥＴ１３１Ｌ、１３２Ｌおよび１３３Ｌがローサイドスイッチング素子であり、ＦＥＴ１３１Ｈ、１３２Ｈおよび１３３Ｈが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１３０は、３個のシャント抵抗１３１Ｒ、１３２Ｒおよび１３３Ｒを有する。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ＧＮＤとの間に接続される。第１および第２インバータ１２０、１３０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。ただし、シャント抵抗の接続例はこの限りでない。例えば、３個のシャント抵抗１３１Ｒ、１３２Ｒおよび１３３Ｒは、ＦＥＴ１２１Ｈ、１２２Ｈおよび１２３Ｈと、ＦＥＴ１１１との間に配置されていてもよい。また、各インバータ用のシャント抵抗の数は３つに限られない。例えば、第１インバータ１２０用に２つのシャント抵抗１２１Ｒ、１２２Ｒが用いられる。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。
【0034】
本実施形態では、第２インバータ１３０におけるスイッチング素子１３１Ｈ、１３２Ｈ、１３３Ｈ、１３１Ｌ、１３２Ｌ、および１３３Ｌは全て、第２電流容量を有するＦＥＴである。第１インバータ１２０におけるスイッチング素子１２１Ｈ、１２２Ｈおよび１２３Ｈは、第２電流容量を有するＦＥＴである。第１インバータ１２０の、切替回路１１０が配置される側のハイサイドスイッチング素子の電流容量を、第２インバータ１３０と同じ第２電流容量とする。第１インバータ１２０における１２１Ｌ、１２２Ｌ、および１２３Ｌは、第１電流容量を有するＦＥＴである。第２電流容量は、第１電流容量よりも大きい。例えば、第１電流容量を５０Ａ程度とし、第２電流容量を１００Ａ程度とすることができる。例えば、第２電流容量に対する第１電流容量の比は、１／２程度である。ここで、電流容量とは、ＦＥＴの性能を示すパラメータの１つであり、ドレイン電流Ｉｄｓの最大値を意味する。一般に、電流容量が大きくなると、ＦＥＴの素子サイズが大きくなり、ＦＥＴのコストが増加する。
【0035】
【0036】
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を有する。
【0037】
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とを有する。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。例えば、制御回路３００は、目的とするモータトルクおよび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。
【0038】
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マイクロコントローラ３４０の入力レベルに必要に応じて変換し、実電流値をマイクロコントローラ３４０に出力する。
【0039】
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１２０、１３０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、マイクロコントローラ３４０は、電力変換装置１００の切替回路１１０におけるＦＥＴ１１１のオンまたはオフを制御することができる。
【0040】
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１２０、１３０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。また、駆動回路３５０は、切替回路１１０におけるＦＥＴ１１１のオンまたはオフを制御するゲート制御信号をマイクロコントローラ３４０からの指示に従って生成し、ＦＥＴ１１１のゲートに制御信号を与えることができる。ただし、マイクロコントローラ３４０は駆動回路３５０の機能を有していてもよい。その場合、制御回路３００には駆動回路３５０はなくてもよい。
【0041】
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、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する。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。
【0042】
〔１．３．モータ駆動ユニット４００の動作〕
以下、モータ駆動ユニット４００の動作の具体例を説明し、主として電力変換装置１００の動作の具体例を説明する。
【0043】
電力変換装置１００は、第１および第２動作モードを含む電力変換モードを有する。具体的に説明すると、モータ２００が低速で駆動しているとき、電力変換装置１００は、第１動作モードで電力を変換する。これに対し、モータが高速で駆動しているとき、電力変換装置１００は、第２動作モードで電力を変換する。換言すると、第１動作モードは、モータ２００の低速駆動に対応したモードであり、第２動作モードは、モータ２００の高速駆動に対応したモードである。
【0044】
【0045】
図５は、電力変換装置１００の動作の処理手順の一例を示す。
【0046】
モータ駆動ユニット４００の制御回路３００は、種々の公知の手法を用いてモータ２００の回転速度を検出することができる（ステップＳ１００）。制御回路３００は、モータ２００の回転速度が低速または高速であるかを、例えばＴ－Ｎ曲線に基づいて判定する（ステップＳ２００）。制御回路３００は、モータ２００は低速で駆動していると判定したとき、電力変換モードとして第１動作モードを選択し（ステップＳ３００）、モータ２００は高速で駆動していると判定したとき、電力変換モードとして第２動作モードを選択する（ステップＳ４００）。制御回路３００は、選択された動作モードに基づいて第１および第２インバータを制御することによりモータ２００を駆動する（ステップＳ５００）。以下、ステップＳ３００からＳ５００を詳細に説明する。
【0047】
＜第１動作モード＞
モータ２００が低速で駆動しているとき、第１インバータ１２０において、切替回路１１０と第１インバータ１２０との接続ノードＮ１（図１を参照）に各相の巻線の中性点が構成される。本願明細書では、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。電力変換装置１００は、第２インバータ１３０および中性点を用いて電力変換を行うことによってモータ２００を駆動することができる。
【0048】
制御回路３００は、第１インバータ１２０におけるＦＥＴ１２１Ｈ、１２２Ｈおよび１２３Ｈをオンし、かつ、ＦＥＴ１２１Ｌ、１２２Ｌおよび１２３Ｌをオフする。これにより、ハイサイド側の接続ノードＮ１は中性点Ｎ１として機能する。換言すると、第１インバータ１２０において、中性点Ｎ１がハイサイド側に構成される。制御回路３００はさらに、ＦＥＴ１１１をオフする。これにより、電源１０１と第１インバータ１２０との電気的な接続は遮断され、ノードＮ１を介した、電源１０１から第１インバータ１２０への電流の引き込みを回避することができる。
【0049】
図６は、第１動作モードで電力変換装置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）を例示する。横軸は、モータ電気角（ｄｅｇ）を示し、縦軸は電流値（Ａ）を示す。図６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。なお、図６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。図７は、第１動作モードでの電力変換装置１００内の電流の流れを模式的に示す。図６のＩpkは各相の最大電流値（ピーク電流値）を表す。図７には、例えばモータ電気角２７０°における電流の流れが示される。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す。
【0050】
図７に示される状態では、第１インバータ１２０においてＦＥＴ１２１Ｈ、１２２Ｈおよび１２３Ｈはオン状態であり、ＦＥＴ１２１Ｌ、１２２Ｌ、１２３Ｌはオフ状態である。第２インバータ１３０においてＦＥＴ１３１Ｈ、１３２Ｌおよび１３３Ｌはオン状態であり、ＦＥＴ１３１Ｌ、１３２Ｈおよび１３３Ｈはオフ状態である。
【0051】
第２インバータ１３０のＦＥＴ１３１Ｈを流れた電流は、巻線Ｍ１および第１インバータ１２０のＦＥＴ１２１Ｈを通って中性点Ｎ１に流れる。その電流の一部は、ＦＥＴ１２２Ｈを通って巻線Ｍ２に流れ、残りの電流は、ＦＥＴ１２３Ｈ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１３０に戻りＧＮＤに流れる。また、ＦＥＴ１３１Ｌ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。
【0052】
表１は、図６の電流波形における電気角毎に、第２インバータ１３０の端子に流れる電流値を例示する。具体的には、表１は、第２インバータ１３０（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°毎の電流値を例示する。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６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。なお、電流方向の定義次第では、図６に示される電流値の正負の符号は、表１に示される電流値のそれとは逆の関係（位相差１８０°）になる。
【0053】
【表1】
【0054】
電気角０°においては、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。
【0055】
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。
【0056】
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。
【0057】
電気角９０°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。
【0058】
電気角１２０°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、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。
【0059】
電気角１５０°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。
【0060】
電気角１８０°においては、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。
【0061】
電気角２１０°においては、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。
【0062】
電気角２４０°においては、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。
【0063】
電気角２７０°においては、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。
【0064】
電気角３００°においては、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。
【0065】
電気角３３０°においては、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。
【0066】
中性点Ｎ１に流れ込む電流と中性点Ｎ１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６に示される電流波形が得られるようなベクトル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。
【0067】
切替回路１１０のＦＥＴ１１１によって電源１０１と第１インバータ１２０とは電気的に非接続となるので、電源１０１から第１インバータ１２０に電流が流れ込まない。また、ローサイドスイッチング素子１２１Ｌ、１２２Ｌおよび１２３Ｌは全てオフしているため、第１インバータ１２０側のＧＮＤには電流は流れない。これにより、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で適切な電流制御が可能となる。
【0068】
モータの低速駆動時（例えば、車両の駐車時）において、高トルクが必要とされるため、大電流がインバータに流れることとなる。換言すると、大電流を流すことが可能なスイッチング素子、つまり、電流容量の大きいスイッチング素子が求められる。そのようなスイッチング素子の電力損失（スイッチング動作による損失を含む）は必然と大きくなる。さらに、電流容量の大きいスイッチング素子に、汎用品を用いることは極めて困難であり、特注品が必要とされる場合が多い。
【0069】
本開示の電力変換装置のような２つのインバータを用いる場合、電流容量の大きいスイッチング素子が数多く必要とされる。そのため、部品コストが必然と高くなり、さらに、２つのインバータ全体の電力損失は一層大きくなるといった課題が生じる。例えば、モータ駆動ユニット４００は、パワーパックとしてモジュール化され得る。その場合、インバータのＦＥＴによる電力消費が原因で発生する熱がパワーパックに伝わり、パワーパックの発熱が問題になることがある。このような課題を解決するために、低速駆動時において、例えばスイッチング動作を行うＦＥＴの数を低減し、さらに、電流容量がより小さいＦＥＴを可能な限り多く用いることが望ましい。
【0070】
本実施形態による第１動作モードによると、低速駆動時、第２インバータ１３０において各ＦＥＴのスイッチング動作が発生し、第１インバータ１２０において各ＦＥＴのスイッチング動作は発生しない。また、オフ状態であるローサイドスイッチング素子１２１Ｌ、１２２Ｌおよび１２３Ｌに電流は流れない。スイッチング動作による電力損失は主に、第２インバータ１３０において生じる。さらに、オン状態であるハイサイドスイッチング素子１２１Ｈ、１２２Ｈおよび１２３Ｈには、第２インバータ１３０の各スイッチング素子と同様に、大電流に耐え得る第２電流容量のスイッチング素子が用いられる。これにより、第２電流容量のスイッチング素子を有する第２インバータ１３０により大きい負荷をかけながら、第１インバータ１２０を駆動させることができるので、２つのインバータの各ＦＥＴにおける負荷を平準化することができる。
【0071】
図８は、第１インバータ１２０のＧＮＤ側に切替回路１１０を配置した電力変換装置１００の回路構成を模式的に示す。図示されるように、第１インバータ１２０とＧＮＤとの間に切替回路１１０は配置され得る。切替回路１１０は、第２スイッチ素子１１２を有する。本願明細書では、ＧＮＤ側に配置された切替回路１１０を「ＧＮＤ側切替回路」と称する場合がある。切替回路１１０は、第１インバータ１２０とＧＮＤとの接続・非接続を切替える。
【0072】
この構成例では、第１インバータ１２０におけるスイッチング素子１２１Ｌ、１２２Ｌおよび１２３Ｌは、第２電流容量を有するＦＥＴである。切替回路１１０が配置される側のローサイドスイッチング素子の電流容量を、第２インバータ１３０と同じ第２電流容量とする。第１インバータ１２０におけるスイッチング素子１２１Ｈ、１２２Ｈ、および１２３Ｈは、第１電流容量を有するＦＥＴである。
【0073】
制御回路３００は、第１インバータ１２０におけるＦＥＴ１２１Ｌ、１２２Ｌおよび１２３Ｌをオンし、かつ、ＦＥＴ１２１Ｈ、１２２Ｈおよび１２３Ｈをオフする。これにより、ローサイド側の接続ノードＮ２は中性点Ｎ２として機能する。換言すると、第１インバータ１２０において、中性点Ｎ２がローサイド側に構成される。制御回路３００はさらに、切替回路１１０のＦＥＴ１１２をオフする。これにより、第１インバータ１２０とＧＮＤとの電気的な接続は遮断され、第１インバータ１２０からＧＮＤにノードＮ２を介して電流が流れることを防ぐことができる。
【0074】
制御回路３００は、例えば図６に示される電流波形が得られるようなベクトル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。これにより、電力変換装置１００は、第１インバータ１２０のローサイド側の中性点Ｎ２および第２インバータ１３０を用いてモータ２００を駆動することができる。
【0075】
図８には、例えばモータ電気角２７０°での電流の流れを示す。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。第１インバータ１２０においてＦＥＴ１２１Ｈ、１２２Ｈおよび１２３Ｈはオフ状態であり、ＦＥＴ１２１Ｌ、１２２Ｌおよび１２３Ｌはオン状態である。第２インバータ１３０においてＦＥＴ１３１Ｈ、１３２Ｌおよび１３３Ｌはオン状態であり、ＦＥＴ１３１Ｌ、１３２Ｈおよび１３３Ｈはオフ状態である。
【0076】
第２インバータ１３０のＦＥＴ１３１Ｈを流れた電流は、巻線Ｍ１および第１インバータ１２０のＦＥＴ１２１Ｌを通って中性点Ｎ２に流れる。その電流の一部は、ＦＥＴ１２２Ｌを通って巻線Ｍ２に流れ、残りの電流は、ＦＥＴ１２３Ｌ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１３０に戻りＧＮＤに流れる。また、ＦＥＴ１３１Ｌ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。
【0077】
電源側切替回路に代えてＧＮＤ側切替回路を用いても、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で適切な電流制御が可能となる。また、上述したようなパワーパックの発熱対策を向上されることができる。
【0078】
本開示の電力変換装置によれば、図１に示される回路構成に対し、例えば、第１インバータ１２０のハイサイドスイッチング素子の電流容量を第３電流容量とし、第１インバータ１２０のローサイドスイッチング素子の電流容量を第１電流容量とし、第２インバータ１３０の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の電流容量を第２電流容量とすることが可能である。第３電流容量は、第１電流容量よりも大きく第２電流容量よりも小さい。例えば、第１電流容量を５０Ａとし、第２電流容量を１００Ａとして、第３電流容量を７０Ａとすることができる。第１、第２および第３電流容量の比は、例えば５：１０：７程度とすることができる。
【0079】
このように、第３電流容量のＦＥＴをさらに用いることにより、第２電流容量のスイッチング素子を有する第２インバータ１３０により大きい負荷をかけながら、第１インバータ１２０を駆動させることができ、かつ、第１インバータ１２０のハイサイドスイッチング素子用のＦＥＴの素子サイズおよびコストを抑えることができる。
【0080】
＜第２動作モード＞
モータ２００が高速で駆動しているとき、電力変換装置１００は、第１および第２インバータ１２０、１３０の両方を用いて電力変換を行うことによってモータ２００を駆動することができる。
【0081】
再び図７を参照する。
【0082】
制御回路３００は、切替回路１１０のＦＥＴ１１１をオンにする。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１２０、１３０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。三相通電制御とは、第１インバータ１２０のＦＥＴと第２インバータ１３０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を意味する。例えば、ＦＥＴ１２１Ｌ、１２１Ｈ、１３１Ｌおよび１３１Ｈを含むＨブリッジに着目すると、ＦＥＴ１２１Ｌがオンすると、ＦＥＴ１３１Ｌはオフし、ＦＥＴ１２１Ｌがオフすると、ＦＥＴ１３１Ｌはオンする。これと同様に、ＦＥＴ１２１Ｈがオンすると、ＦＥＴ１３１Ｈはオフし、ＦＥＴ１２１Ｈがオフすると、ＦＥＴ１３１Ｈはオンする。
【0083】
図９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する。横軸は、モータ電気角（ｄｅｇ）を示し、縦軸は電流値（Ａ）を示す。図９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。なお、図９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。
【0084】
表２は、図９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す。具体的には、表２は、第１インバータ１２０（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１３０（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°毎の電流値を示す。電流方向の定義は上述したとおりである。
【0085】
【表2】
【0086】
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。三相通電制御において、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常に「０」になる。例えば、制御回路３００は、図９に示される電流波形が得られるようなベクトル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三相通電制御で制御する。
【0087】
表１および表２に示されるように、第１および第２動作モードの間でモータ２００に流れるモータ電流は電気角毎に変わらないことが分かる。換言すると、両モードの間でモータのアシストトルクは変わらない。
【0088】
モータの高速駆動時（例えば、車両の高速走行時）において、モータには大きな逆起電力が発生する。そのため、各相の電圧を高くする必要がある。第２動作モードによると、高速駆動時において、電力変換装置１００は、第１および第２インバータ１２０、１３０の両方を用いて三相通電制御を行うことができる。これにより、各相の電圧を高くすることが可能となり、その結果、高速駆動の範囲を拡大させることが可能となる。
【0089】
モータの高速駆動時には、低速駆動時と比べ、大電流はそれ程必要とされない。そのため、本実施形態では、高速駆動時にのみスイッチング動作に寄与する、第１インバータ１２０のＦＥＴ１２１Ｌ、１２２Ｌおよび１２３Ｌの電流容量を、高速駆動時に必要とされる電流を許容し得る、第２電流容量よりも小さい第１電流容量としている。
【0090】
本開示の電力変換装置によると、第１インバータ１２０における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のうちの少なくとも１つが、第１電流容量のスイッチング素子であればよい。例えば、図１に示される電源側切替回路を設けた場合、第１インバータ１２０のＦＥＴ１２１Ｌは、第１電流容量のＦＥＴであり、ＦＥＴ１２２Ｌ、１２３Ｌは、第２電流容量のＦＥＴであってもよい。この構成によれば、少なくとも１つのスイッチング素子（ＦＥＴ１２１Ｌ）の電力損失、サイズおよびコストを抑制できる効果が期待される。
【0091】
本実施形態によると、低速駆動から高速駆動までの広範囲にわたって、インバータによる電力損失を抑制しつつ、モータ２００を効率よく駆動させることができる。
【0092】
（実施形態２）
〔２．１．電力変換装置１００Ａの構造〕
図１０は、本実施形態による電力変換装置１００Ａの回路構成を模式的に示す。図１１は、電力変換装置１００Ａを有するモータ駆動ユニット４００Ａの典型的なブロック構成を模式的に示す。
【0093】
電力変換装置１００Ａは、切替回路として中性点リレー回路１６０を有する。以下、実施形態１による電力変換装置１００と異なる点を主として説明する。
【0094】
中性点リレー回路１６０は、第１インバータ１２０側に配置され、各相の巻線の一端に接続される。中性点リレー回路１６０は、各々の一端が共通のノードＮ３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１６１、１６２および１６３を有する。具体的に説明すると、第１中性点リレー１６１の一端はノードＮ３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１６２の一端はノードＮ３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１６３の一端はノードＮ３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、中性点リレー回路１６０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ことができる。
【0095】
第１中性点リレー１６１、１６２、１６３のオンおよびオフは、例えば制御回路３００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。
【0096】
本願明細書では、中性点リレー回路１６０のオン状態とは、ＦＥＴ１６１、１６２および１６３の全てがオンした状態を意味し、中性点リレー回路１６０のオフ状態とは、ＦＥＴ１６１、１６２および１６３の全てがオフした状態を意味する。
【0097】
本実施形態では、第１インバータ１２０におけるスイッチング素子１２１Ｈ、１２２Ｈ、１２３Ｈ、１２１Ｌ、１２２Ｌ、および１２３Ｈは全て、第１電流容量を有するＦＥＴである。第２インバータ１３０におけるスイッチング素子１３１Ｈ、１３２Ｈ、１３３Ｈ、１３１Ｌ、１３２Ｌ、および１３３Ｈは全て、第２電流容量を有するＦＥＴである。
【0098】
〔２．２．電力変換装置１００Ａの動作〕
以下、モータ駆動ユニット４００Ａの動作の具体例を説明し、主として電力変換装置１００Ａの動作の具体例を説明する。
【0099】
電力変換装置１００Ａは、実施形態１による電力変換装置１００と同様に、第１および第２動作モードを含む電力変換モードを有する。制御回路３００は例えば図５に示される手順に従って、モータ２００は低速で駆動していると判定したとき、電力変換モードとして第１動作モードを選択し、モータ２００は高速で駆動していると判定したとき、電力変換モードとして第２動作モードを選択する。制御回路３００は、選択された動作モードに基づいて第１および第２インバータを制御することによりモータ２００を駆動する。
【0100】
＜第１動作モード＞
モータ２００が低速で駆動しているとき、中性点リレー回路１６０における接続ノードＮ３（図１０を参照）に各相の巻線の中性点Ｎ３が構成される。制御回路３００は、中性点リレー回路１６０をオンし、かつ、第１インバータ１２０の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全てオフする。これにより、第１インバータ１２０に電流は流れない。例えば、第２インバータ１３０のＦＥＴ１３１Ｈを通って巻線Ｍ１に流れる電流は、中性リレー点回路１６０のＦＥＴ１６１を通って中性点Ｎ３に流れる。その電流の一部は、ＦＥＴ１６２を通って巻線Ｍ２に流れ、残りの電流は、ＦＥＴ１６３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１３０に戻りＧＮＤに流れる。
【0101】
制御回路３００は、例えば図６に示される電流波形が得られるようなベクトル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。これにより、電力変換装置１００Ａは、第２インバータ１３０および中性点Ｎ３を用いて電力変換を行うことによってモータ２００を駆動することができる。
【0102】
＜第２動作モード＞
制御回路３００は、中性点リレー回路１６０をオフする。これにより、中性点リレー回路１６０に電流は流れない。電力変換装置１００は、第１および第２インバータ１２０、１３０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を駆動することができる。
【0103】
本実施形態によれば、低速駆動時、第１インバータ１２０の各ＦＥＴに電流は流れない。換言すると、各ＦＥＴはスイッチング動作を行わない。そのため、第１インバータ１２０による電力消費が抑制されて、その結果、電力変換装置１００Ａ全体の電力損失を抑えることができる。このように、第２電流容量のスイッチング素子を有する第２インバータ１３０により大きい負荷をかけながら、第１インバータ１２０を駆動させることができるので、２つのインバータの各ＦＥＴにおける負荷を平準化することができる。
【0104】
実施形態１と同様に、第１インバータ１２０の全ＦＥＴの電流容量を、高速駆動時に必要とされる電流を許容し得る、第２電流容量よりも小さい第１電流容量とすることにより、高速駆動時において第１インバータ１２０における電力損失を効果的に抑制することができる。
【0105】
本実施形態によると、低速駆動から高速駆動までの広範囲にわたって、インバータによる電力損失を抑制しつつ、モータ２００を効率よく駆動させることができる。
【0106】
（実施形態３）
本実施形態による電力変換装置１００Ｂは、第１インバータ１２０用に電源側切替回路およびＧＮＤ側切替回路を有する点で、実施形態１による電力変換装置１００とは異なる。以下、実施形態１による電力変換装置１００との差異点を中心に説明する。
【0107】
【0108】
電力変換装置１００Ｂは、第１インバータ１２０用に、ＦＥＴ１１１、１１２を含む切替回路１１０を有する。
【0109】
〔３．２．モータ駆動ユニット４００の動作〕
電力変換装置１００Ｂは、実施形態１による電力変換装置１００と同様に、第１および第２動作モードを含む電力変換モードを有する。制御回路３００（図３を参照）は、モータ２００は低速で駆動していると判定したとき、電力変換モードとして第１動作モードを選択し、モータ２００は高速で駆動していると判定したとき、電力変換モードとして第２動作モードを選択する。
【0110】
モータ２００が低速で駆動しているとき、第１動作モード時、制御回路３００は、ＦＥＴ１１１、１１２をオフし、かつ、第１インバータ１２０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を全てオンにする。これにより、図１２に示されるように、中性点Ｎ１が第１インバータ１２０のハイサイド側に構成され、かつ、中性点Ｎ２がローサイド側に構成される。電力変換装置１００Ｂは、第１インバータ１２０の２つの中性点Ｎ１、Ｎ２および第２インバータ１３０を用いて電力変換を行うことによってモータ２００を駆動する。
【0111】
第２動作モード時、制御回路３００は、ＦＥＴ１１１、１１２をオンし、第１および第２インバータ１２０、１３０を用いて三相通電制御によって電力変換を行う。
【0112】
本実施形態によれば、図１２に示されるように、２つの中性点Ｎ１、Ｎ２によって、電流をハイサイド側およびローサイド側に分散させることができる。第１インバータ１２０におけるＦＥＴのスイッチング動作による電力損失をなくすことにより、２つのインバータにおける全ＦＥＴの通電抵抗による電力損失を低減することが可能となる。さらに、電流がハイサイド側およびローサイド側に分散するので、第１インバータ１２０の各ＦＥＴに対し、第２電流容量のＦＥＴは特に必要とされず、第１電流容量のＦＥＴを選択することができる。これにより、第１インバータ１２０のサイズおよびコストを低減することができる。
【0113】
（実施形態４）
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有する。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。
【0114】
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１３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す。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を有する。
【0115】
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。
【0116】
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。
【0117】
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。
【0118】
ＥＣＵ５４２として、本開示による制御回路３００を用いることができ、電力変換装置５４５として、本開示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、本開示におけるモータ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モータとして、本開示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。
【0119】
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。
【0120】
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１３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を示す。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。
【0121】
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、トルク信号および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。
【0122】
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。
【0123】
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モータに、本開示のモータ駆動ユニット４００を利用することにより、発熱対策が向上され、かつ、適切な電流制御が可能となる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が提供される。
【産業上の利用可能性】
【0124】
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、各種モータを有する多様な機器に幅広く利用され得る。
【符号の説明】
【0125】
１００、１００Ａ、１００Ｂ：電力変換装置、１０１：電源、１０２：コイル、１０３：コンデンサ、１１０：切替回路、１１１：第１スイッチ素子（ＦＥＴ）、１１２：第２スイッチ素子（ＦＥＴ）、１２０：第１インバータ、１２１Ｈ、１２２Ｈ、１２３Ｈ：ハイサイドスイッチング素子（ＦＥＴ）、１２１Ｌ、１２２Ｌ、１２３Ｌ：ローサイドスイッチング素子（ＦＥＴ）、１２１Ｒ、１２２Ｒ、１２３Ｒ：シャント抵抗、１３０：第２インバータ、１３１Ｈ、１３２Ｈ、１３３Ｈ：ハイサイドスイッチング素子（ＦＥＴ）、１３１Ｌ、１３２Ｌ、１３３Ｌ：ローサイドスイッチング素子（ＦＥＴ）、１３１Ｒ、１３２Ｒ、１３３Ｒ：シャント抵抗、１５０：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、４００Ａ：モータ駆動ユニット、５００：電動パワーステアリング装置
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】