特許 7052801 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

(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】2022-04-04

(45)【発行日】2022-04-12

(54)【発明の名称】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

(51)【国際特許分類】

   H02M 7/48 20070101AFI20220405BHJP

   B62D 5/04 20060101ALI20220405BHJP

【ＦＩ】

H02M7/48 M

B62D5/04

【請求項の数】 17

(21)【出願番号】P 2019541654

(86)(22)【出願日】2018-06-08

(86)【国際出願番号】 JP2018022033

(87)【国際公開番号】W WO2019053974

(87)【国際公開日】2019-03-21

【審査請求日】2021-04-01

(31)【優先権主張番号】P 2017175461

(32)【優先日】2017-09-13

(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】アハマッド ガデリー

【審査官】栗栖 正和

(56)【参考文献】

【文献】国際公開第２０１４／２０３３００（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２０１５－０３３２１２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００７－０９９０６６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表昭６１－５００１９９（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許第７６１９３８３（ＵＳ，Ｂ２）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０２Ｍ ７／４８

Ｂ６２Ｄ ５／０４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

電源からの電力を、一端同士がＹ結線された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あって、
前記ｎ相の巻線の他端に接続され、各々が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含むｎ個のレグを有するインバータと、
前記電源と前記ｎ相の巻線との、前記インバータを介した接続・非接続を相毎に切替える第１相分離リレー回路と、
前記インバータの前記ｎ個のレグと並列接続された少なくとも１個のレグを有するサブインバータであって、前記ｎ相の巻線の他端、および、前記ｎ相の巻線の一端をＹ結線する前記モータの中性点ノードに接続されるサブインバータと、
前記電源と前記ｎ相の巻線との、前記サブインバータを介した接続・非接続を切替え、かつ、前記電源と前記中性点ノードとの接続・非接続を切替える第２相分離リレー回路と、を備え、
前記第２相分離リレー回路は、前記電源と前記サブインバータとの接続・非接続を切替え、
前記サブインバータの前記少なくとも１個のレグは、各々が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含むｎ＋１個のレグであり、
前記ｎ＋１個のレグのうちのｎ個のレグは、前記ｎ相の巻線の他端に接続され、残りのレグは前記中性点ノードに接続される、電力変換装置。

【請求項2】

前記第２相分離リレー回路は、前記サブインバータと前記ｎ相の巻線との接続・非接続を切替え、かつ、前記サブインバータと前記中性点ノードとの接続・非接続を切替える、請求項１に記載の電力変換装置。

【請求項3】

前記第２相分離リレー回路は、前記サブインバータの前記少なくとも１個のレグと前記ｎ相の巻線との接続・非接続、および、前記少なくとも１個のレグと前記中性点ノードとの接続・非接続を切替えるｎ＋１個の第３相分離リレーを有する、請求項２に記載の電力変換装置。

【請求項4】

前記サブインバータの前記少なくとも１個のレグは、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含む１個のレグであり、
前記ｎ＋１個の第３相分離リレーの一端は、前記１個のレグにおける前記ローサイドスイッチ素子と前記ハイサイドスイッチ素子の間のノードに共通に接続され、前記ｎ＋１個の第３相分離リレーのうちのｎ個の第３相分離リレーの他端は、前記ｎ相の巻線の他端に接続され、残りの第３相分離リレーの他端は、前記中性点ノードに接続される、請求項３に記載の電力変換装置。

【請求項5】

前記ｎ＋１個の第３相分離リレーの各々は、双方向スイッチである、請求項３または４に記載の電力変換装置。

【請求項6】

前記第２相分離リレー回路は、
前記ｎ＋１個のレグのｎ＋１個のハイサイドスイッチ素子同士を接続するノードと前記電源の間に接続された第３相分離リレーと、
前記ｎ＋１個のレグのｎ＋１個のローサイドスイッチ素子同士を接続するノードとグランドの間に接続された第４相分離リレーと、を有する、請求項１に記載の電力変換装置。

【請求項7】

前記第１相分離リレー回路は、
前記インバータにおいて、前記インバータの前記ｎ個のレグを接続するハイサイド側のノードとｎ個のハイサイドスイッチ素子の間に接続されたｎ個の第１相分離リレーと、
前記インバータにおいて、前記インバータの前記ｎ個のレグを接続するローサイド側のノードとｎ個のローサイドスイッチ素子の間に接続されたｎ個の第２相分離リレーと、を有する、請求項１から６のいずれかに記載の電力変換装置。

【請求項8】

電力変換の制御モードとして正常時の制御モードと異常時の制御モードとを備え、
前記正常時の制御モードにおいて、前記第１相分離リレー回路はオンし、かつ、前記第２相分離リレー回路はオフする、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】

電力変換の制御モードとして正常時の制御モードと異常時の制御モードとを備え、
前記第１相分離リレー回路は、
前記インバータにおいて、前記インバータの前記ｎ個のレグを接続するハイサイド側のノードとｎ個のハイサイドスイッチ素子の間に接続されたｎ個の第１相分離リレーと、
前記インバータにおいて、前記インバータの前記ｎ個のレグを接続するローサイド側のノードとｎ個のローサイドスイッチ素子の間に接続されたｎ個の第２相分離リレーと、を有し、
前記インバータの前記ｎ個のレグのうちの１個のレグが故障した場合、前記異常時の制御において、
前記ｎ個の第１相分離リレーのうちの、前記インバータの故障したレグに接続された第１相分離リレーと、前記ｎ個の第２相分離リレーのうちの、前記故障したレグに接続された第２相分離リレーと、はオフし、かつ、残りのｎ－１個の、第１相分離リレーおよび第２相分離リレーはオンし、
前記ｎ＋１個の第３相分離リレーのうちの、前記故障したレグと共に巻線の他端に接続された第３相分離リレーはオンし、残りのｎ個の第３相分離リレーはオフする、請求項４に記載の電力変換装置。

【請求項10】

前記インバータの前記ｎ個のレグのうちの故障したレグ以外のｎ－１個のレグと、前記サブインバータの１個のレグとを用いて、前記ｎ相の巻線を通電する、請求項９に記載の電力変換装置。

【請求項11】

電力変換の制御モードとして正常時の制御モードと異常時の制御モードとを備え、
前記第１相分離リレー回路は、
前記インバータにおいて、前記インバータの前記ｎ個のレグを接続するハイサイド側のノードとｎ個のハイサイドスイッチ素子の間に接続されたｎ個の第１相分離リレーと、
前記インバータにおいて、前記インバータの前記ｎ個のレグを接続するローサイド側のノードとｎ個のローサイドスイッチ素子の間に接続されたｎ個の第２相分離リレーと、を有し、
前記インバータの前記ｎ個のレグのうちのｎ－２個のレグが故障した場合、前記異常時の制御において、
前記ｎ個の第１相分離リレーのうちの、前記インバータの故障したレグに接続されたｎ－２個の第１相分離リレーと、前記ｎ個の第２相分離リレーのうちの、前記故障したレグに接続されたｎ－２個の第２相分離リレーと、はオフし、かつ、残りの２個の、第１相分離リレーおよび第２相分離リレーはオンし、
前記ｎ＋１個の第３相分離リレーのうちの、前記中性点ノードに接続された第３相分離リレーはオンし、かつ、残りのｎ個の第３相分離リレーはオフし、
前記インバータの前記ｎ個のレグのうちの故障したレグ以外の２個のレグと、前記中性点ノードに接続された前記サブインバータの１個のレグとを用いて、前記ｎ相のうちの二相の巻線を通電する、請求項４に記載の電力変換装置。

【請求項12】

電力変換の制御モードとして正常時の制御モードと異常時の制御モードとを備え、
前記第１相分離リレー回路は、
前記インバータにおいて、前記インバータの前記ｎ個のレグを接続するハイサイド側のノードとｎ個のハイサイドスイッチ素子の間に接続されたｎ個の第１相分離リレーと、
前記インバータにおいて、前記インバータの前記ｎ個のレグを接続するローサイド側のノードとｎ個のローサイドスイッチ素子の間に接続されたｎ個の第２相分離リレーと、を有し、
前記インバータの前記ｎ個のレグのうちの１個のレグが故障した場合、前記異常時の制御において、
前記ｎ個の第１相分離リレーのうちの、前記インバータの故障したレグに接続された第１相分離リレーと、前記ｎ個の第２相分離リレーのうちの、前記故障したレグに接続された第２相分離リレーと、はオフし、かつ、残りのｎ－１個の、第１相分離リレーおよび第２相分離リレーはオンし、
前記第２相分離リレー回路はオンする、請求項６に記載の電力変換装置。

【請求項13】

前記インバータの前記ｎ個のレグのうちの故障したレグ以外のｎ－１個のレグと、前記サブインバータの前記ｎ＋１個のレグのうちの、前記インバータの故障したレグと共に巻線の他端に接続されたレグとを用いて、前記ｎ相の巻線を通電する、請求項１２に記載の電力変換装置。

【請求項14】

電力変換の制御モードとして正常時の制御モードと異常時の制御モードとを備え、
前記第１相分離リレー回路は、
前記インバータにおいて、前記インバータの前記ｎ個のレグを接続するハイサイド側のノードとｎ個のハイサイドスイッチ素子の間に接続されたｎ個の第１相分離リレーと、
前記インバータにおいて、前記インバータの前記ｎ個のレグを接続するローサイド側のノードとｎ個のローサイドスイッチ素子の間に接続されたｎ個の第２相分離リレーと、を有し、
前記インバータの前記ｎ個のレグのうちのｎ－２個のレグが故障した場合、前記異常時の制御において、
前記ｎ個の第１相分離リレーのうちの、前記インバータの故障したレグに接続されたｎ－２個の第１相分離リレーと、前記ｎ個の第２相分離リレーのうちの、前記故障したレグに接続されたｎ－２個の第２相分離リレーと、はオフし、かつ、残りの２個の、第１相分離リレーおよび２個の第２相分離リレーはオンし、
前記第２相分離リレー回路はオンし、
前記インバータの故障していない２個のレグと、前記サブインバータのｎ個のレグのうちの前記中性点ノードに接続されたレグとを用いて、前記ｎ相のうちの二相の巻線を通電する、請求項６に記載の電力変換装置。

【請求項15】

前記ｎ相の巻線のうちの一相の巻線が故障した場合、
前記インバータのｎ個のレグのうちの、故障した巻線以外の巻線の中の二相の巻線に接続された２個のレグと、前記中性点ノードに接続した前記サブインバータの前記少なくとも１個のレグとを用いて、前記二相の巻線を通電する、請求項１に記載の電力変換装置。

【請求項16】

モータと、
請求項１から１５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、を有するモータモジュール。

【請求項17】

請求項１６に記載のモータモジュール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。

【背景技術】

【0002】

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。

【0003】

特許文献１は、第１系統および第２系統を有するモータ駆動装置を開示している。第１系統は、モータの第１巻線組に接続され、第１インバータ部、電源リレーおよび逆接続保護リレーなどを有する。第２系統は、モータの第２巻線組に接続され、第２インバータ部、電源リレーおよび逆接続保護リレーなどを有する。モータ駆動装置に故障が生じていないとき、第１系統および第２系統の両方を用いてモータを駆動することが可能である。これに対し、第１系統および第２系統の一方、または、第１巻線組および第２巻線組の一方に故障が生じたとき、電源リレーは、電源から、故障した系統または故障した巻線組に接続された系統への電力供給を遮断する。故障していない他方の系統を用いてモータ駆動を継続させることが可能である。

【0004】

特許文献２および３も、第１系統および第２系統を有するモータ駆動装置を開示している。一方の系統または一方の巻線組が故障したとしても、故障していない系統によってモータ駆動を継続させることができる。

【0005】

特許文献４は、４つの電気的分離手段、および、２つのインバータを有し、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、インバータとグランド（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。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【文献】特開２０１６－３４２０４号公報

【文献】特開２０１６－３２９７７号公報

【文献】特開２００８－１３２９１９号公報

【文献】特許第５７９７７５１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、異常時の制御におけるモータ出力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、異常時の制御におけるモータ出力を向上させることが可能な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、一端同士がＹ結線された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あって、前記ｎ相の巻線の他端に接続され、各々が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含むｎ個のレグを有するインバータと、前記電源と前記ｎ相の巻線との、前記インバータを介した接続・非接続を相毎に切替える第１相分離リレー回路と、前記インバータの前記ｎ個のレグと並列接続された少なくとも１個のレグを有するサブインバータであって、前記ｎ相の巻線の一端をＹ結線する前記モータの中性点ノード、および、前記ｎ相の巻線の他端に接続されるサブインバータと、前記電源と前記ｎ相の巻線との、前記サブインバータを介した接続・非接続を切替え、かつ、前記電源と前記中性点ノードとの接続・非接続を切替える第２相分離リレー回路と、を備え、前記第２相分離リレー回路は、前記電源と前記サブインバータとの接続・非接続を切替え、前記サブインバータの前記少なくとも１個のレグは、各々が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含むｎ＋１個のレグであり、 前記ｎ＋１個のレグのうちのｎ個のレグは、前記ｎ相の巻線の他端に接続され、残りのレグは前記中性点ノードに接続される。

【発明の効果】

【0010】

本開示の例示的な実施形態によると、第１相分離リレー回路および第２相分離リレー回路のオン・オフ状態を制御モードに応じて適切に決定することによりｎ相通電制御（典型的には三相通電制御または二相通電制御）を継続して行うことができる。これにより、異常時の制御におけるモータ出力を向上させることが可能な電力変換装置、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。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】図１は、例示的な実施形態１によるモータモジュール１０００の典型的なブロック構成を示すブロック図である。

【図2】図２は、例示的な実施形態１による電力変換装置１００の回路構成を示す回路図である。

【図3】図３は、双方向スイッチＳＷ＿２Ｗの構成を示す模式図である。

【図4】図４は、制御回路３００の典型的なブロック構成を示すブロック図である。

【図5】図５は、三相通電制御に従って巻線Ｍ１、Ｍ２およびＭ３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6A】図６Ａは、三相通電制御を行ったときの、モータの単位時間当たりの回転数（ｒｐｓ）とトルクＴ（Ｎ・ｍ）との関係を示すグラフである。

【図6B】図６Ｂは、二相通電制御を行ったときの、モータの単位時間当たりの回転数（ｒｐｓ）とトルクＴ（Ｎ・ｍ）との関係を示すグラフである。

【図7】図７は、例示的な実施形態２による電力変換装置１００Ａの回路構成を示す回路図である。

【図8】図８は、例示的な実施形態３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。

【発明を実施するための形態】

【0012】

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。

【0013】

本明細書において、電源からの電力を、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。

【0014】

（実施形態１）

〔モータモジュール１０００および電力変換装置１００の構造〕

図１は、本実施形態によるモータモジュール１０００の典型的なブロック構成を模式的に示している。

【0015】

モータモジュール１０００は、典型的に、電力変換装置１００、モータ２００、制御回路３００および角度センサ５００を備える。モータ制御手法（例えばセンサレス制御）によっては、角度センサ５００は不要な場合がある。

【0016】

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、モータを駆動するためのシステムであり、モータモジュールの構成要素のうちのモータ以外の構成要素を備え得るシステムを「モータ駆動システム」と呼ぶことができる。そのモータ駆動システムもモジュール化され、製造および販売され得る。

【0017】

電力変換装置１００は、インバータ１１０、サブインバータ１２０、第１相分離リレー回路１３０、第２相分離リレー回路１４０および電流センサ４００を有する。電力変換装置１００は、電源１０１（図２を参照）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可能である。インバータ１１０は、モータ２００に接続される。例えば、インバータ１１０は、直流電力を、Ｕ相、Ｖ相およびＷ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。本明細書において、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。

【0018】

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を有する。巻線Ｍ１、Ｍ２およびＭ３の一端同士はＹ結線されている。本明細書では、それらの巻線の一端同士をＹ結線するモータ２００のノードを「中性点ノードＮ」と表記することとする。中性点ノードＮは、モータ駆動時に中性点として機能する。

【0019】

制御回路３００は、マイクロコントローラなどから構成される。制御回路３００は、電流センサ４００および角度センサ５００からの入力信号に基づいて電力変換装置１００を制御する。その制御手法として、例えばベクトル制御、パルス幅変調（ＰＷＭ）または直接トルク制御（ＤＴＣ）がある。

【0020】

角度センサ５００は、例えばレゾルバまたはホールＩＣである。角度センサ５００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５００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、回転信号を制御回路３００に出力する。

【0021】

図２を参照して、電力変換装置１００の具体的な回路構成を説明する。

【0022】

図２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。

【0023】

電源１０１は、所定の電源電圧（例えば１２Ｖ）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。

【0024】

ヒューズ１０２が、電源１０１とインバータ１１０との間に接続される。ヒューズ１０２は、電源１０１からインバータ１１０またはサブインバータ１２０に流れ得る大電流を遮断することができる。ヒューズの代わりにリレーなどを用いてもよい。

【0025】

図示されていないが、電源１０１とインバータ１１０との間にコイルが設けられる。コイルは、ノイズフィルタとして機能し、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、インバータの電源端子には、コンデンサが接続される。コンデンサは、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。

【0026】

インバータ１１０は、３個のレグを有するブリッジ回路を備える。各レグは、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有する。Ｕ相レグは、ハイサイドスイッチ素子ＳＷ＿ＡＨおよびローサイドスイッチ素子ＳＷ＿ＡＬを有する。Ｖ相レグは、ハイサイドスイッチ素子ＳＷ＿ＢＨおよびローサイドスイッチ素子ＳＷ＿ＢＬを有する。Ｗ相レグは、ハイサイドスイッチ素子ＳＷ＿ＣＨおよびローサイドスイッチ素子ＳＷ＿ＣＬを有する。スイッチ素子として、例えば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）、または、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）とそれに並列接続された還流ダイオードとの組み合わせを用いることができる。

【0027】

インバータ１１０は、例えば、Ｕ相、Ｖ相およびＷ相の各相の巻線に流れる電流（「相電流」と呼ぶ場合がある。）を検出するための電流センサ４００（図１を参照）として、シャント抵抗（不図示）を各レグに有する。電流センサ４００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、シャント抵抗は、各レグにおいて、ローサイドスイッチ素子とＧＮＤの間に接続され得る。

【0028】

シャント抵抗の数は３つに限られない。例えば、Ｕ相、Ｖ相用の２つのシャント抵抗、Ｖ相、Ｗ相用の２つのシャント抵抗、または、Ｕ相、Ｗ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。

【0029】

インバータ１１０のＵ相レグ（具体的には、ハイサイドスイッチ素子ＳＷ＿ＡＨおよびローサイドスイッチ素子ＳＷ＿ＡＬの間のノードｎａ）は、モータ２００のＵ相の巻線Ｍ１の他端に接続される。ノードｎａと同様に、Ｖ相レグのノードｎｂは、Ｖ相の巻線Ｍ２の他端に接続され、Ｗ相レグのノードｎｃは、Ｗ相の巻線Ｍ３の他端に接続される。

【0030】

サブインバータ１２０は、巻線Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３の他端およびモータ２００の中性点ノードＮに接続することが可能である。本開示のサブインバータは、インバータの３個のレグと並列接続された少なくとも１個のレグを有し得る。図２に示す回路構成では、サブインバータ１２０は、インバータ１１０の３個のレグと並列接続された１個のレグＤを有する。レグＤは、ハイサイドスイッチ素子ＳＷ＿ＤＨおよびローサイドスイッチ素子ＳＷ＿ＤＬを有する。レグＤは、インバータ１１０のレグと同様に、シャント抵抗を有することができる。

【0031】

レグＤのハイサイドスイッチ素子ＳＷ＿ＤＨおよびローサイドスイッチ素子ＳＷ＿ＤＬの間のノードｎｄは、後述する第２相分離リレー回路１４０を介して巻線Ｍ１、Ｍ２およびＭ３に接続することが可能である。さらに、ノードｎｄは、第２相分離リレー回路１４０を介して中性点ノードＮに接続することが可能である。

【0032】

例えば、インバータ１１０を、Ａ相、Ｂ相、Ｃ相およびＤ相の四相のレグを備えるインバータと見なすことができる。インバータ１１０およびサブインバータ１２０は、レグＤを含む４個のレグを備える１個のブリッジ回路として製造され得る。

【0033】

第１相分離リレー回路１３０は、電源１０１とインバータ１１０との接続・非接続を相毎に切替える。換言すると、第１相分離リレー回路１３０は、電源１０１と、巻線Ｍ１、Ｍ２およびＭ３との、インバータ１１０を介した接続・非接続を相毎に切替えることができる。

【0034】

第１相分離リレー回路１３０は、インバータ１１０において、電源ラインであるハイサイド側のノードと、３個のハイサイドスイッチ素子ＳＷ＿ＡＨ、ＳＷ＿ＢＨおよびＳＷ＿ＣＨとの間に接続された、３個の相分離リレー（第１相分離リレー）ＩＳＷ＿ＡＨ、ＩＳＷ＿ＢＨおよびＩＳＷ＿ＣＨを有する。相分離リレーＩＳＷ＿ＡＨはＵ相レグにある。相分離リレーＩＳＷ＿ＢＨはＶ相レグにある。相分離リレーＩＳＷ＿ＣＨはＷ相レグにある。

【0035】

第１相分離リレー回路１３０は、さらに、インバータ１１０において、ＧＮＤラインであるローサイド側のノードと、３個のローサイドスイッチ素子ＳＷ＿ＡＬ、ＳＷ＿ＢＬおよびＳＷ＿ＣＬとの間に接続された、３個の相分離リレー（第２相分離リレー）ＩＳＷ＿ＡＬ、ＩＳＷ＿ＢＬおよびＩＳＷ＿ＣＬを有する。相分離リレーＩＳＷ＿ＡＬはＵ相レグにある。相分離リレーＩＳＷ＿ＢＬはＶ相レグにある。相分離リレーＩＳＷ＿ＣＬはＷ相レグにある。

【0036】

相分離リレーとして、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。

【0037】

図２には、インバータ１１０のスイッチ素子および各相分離リレーとして、内部に寄生ダイオードを有するＭＯＳＦＥＴを例示している。各相のレグにおいて、ハイサイド側の相分離リレーおよびハイサイドスイッチ素子は、順方向電流が、内部の寄生ダイオードに同方向に流れるよう直列に接続される。ローサイド側の相分離リレーおよびローサイドスイッチ素子は、順方向電流が、内部の寄生ダイオードに同方向に流れるよう直列に接続される。

【0038】

第２相分離リレー回路１４０は、電源１０１と、巻線Ｍ１、Ｍ２およびＭ３との、サブインバータ１２０を介した接続・非接続を切替える。さらに、第２相分離リレー回路１４０は、電源１０１と中性点ノードＮとの、サブインバータ１２０を介した接続・非接続を切替える。具体的に、第２相分離リレー回路１４０は、サブインバータ１２０と、巻線Ｍ１、Ｍ２およびＭ３との接続・非接続を相毎に切替えることができ、さらに、サブインバータ１２０と、中性点ノードＮとの接続・非接続を切替えることができる。

【0039】

第２相分離リレー回路１４０は、サブインバータ１２０のレグＤと、巻線Ｍ１、Ｍ２およびＭ３との接続・非接続を切替える、３個の相分離リレー（第３相分離リレー）ＩＳＷ＿ＡＤ、ＩＳＷ＿ＢＤおよびＩＳＷ＿ＣＤを有する。第２相分離リレー回路１４０は、さらに、レグＤと中性点ノードＮとの接続・非接続を切替える相分離リレーＩＳＷ＿Ｎを有する。このように、第２相分離リレー回路１４０は、４個の相分離リレーを有する。

【0040】

相分離リレーＩＳＷ＿ＡＤの一端は、レグＤのノードｎｄに接続され、その他端は、巻線Ｍ１の他端に接続される。相分離リレーＩＳＷ＿ＢＤの一端は、レグＤのノードｎｄに接続され、その他端は、巻線Ｍ２の他端に接続される。相分離リレーＩＳＷ＿ＣＤの一端は、レグＤのノードｎｄに接続され、その他端は、巻線Ｍ３の他端に接続される。相分離リレーＩＳＷ＿Ｎの一端は、レグＤのノードｎｄに接続され、その他端は、中性点ノードＮに接続される。このように、４個の相分離リレーＩＳＷ＿ＡＤ、ＩＳＷ＿ＢＤ、ＩＳＷ＿ＣＤおよびＩＳＷ＿Ｎの一端は、レグＤのノードｎｄに共通に接続される。

【0041】

図３は、双方向スイッチＳＷ＿２Ｗの構成を模式的に示している。

【0042】

４個の相分離リレーＩＳＷ＿ＡＤ、ＩＳＷ＿ＢＤ、ＩＳＷ＿ＣＤおよびＩＳＷ＿Ｎとして、図示するような双方向スイッチＳＷ＿２Ｗを用いることができる。内部のダイオードが互いに逆方向を向くよう２個の一方向スイッチＳＷ＿１Ｗを組み合わせることによって、双方向スイッチＳＷ＿２Ｗを構成することができる。

【0043】

図４は、制御回路３００の典型的なブロック構成を模式的に示している。

【0044】

制御回路３００は、例えば、電源回路３１０と、入力回路３２０と、コントローラ３３０と、駆動回路３４０と、ＲＯＭ３５０とを備える。制御回路３００は、電力変換装置１００に接続される。制御回路３００は、電力変換装置１００を、具体的には、インバータ１１０、サブインバータ１２０、第１相分離リレー回路１３０および第２相分離リレー回路１４０（図１を参照）を制御することにより、モータ２００を駆動することができる。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、角度センサ５００（図１を参照）に代えてトルクセンサを用いてもよい。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。

【0045】

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。

【0046】

入力回路３２
０は、電流センサ４００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。）を受け取る。入力回路３２０は、コントローラ３３０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、実電流値をコントローラ３３０に出力する。入力回路３２０は、典型的にはアナログデジタル変換回路である。

【0047】

コントローラ３３０は、モータモジュール１０００の全体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（Ｆｉｅｌｄ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｇａｔｅ Ａｒｒａｙ）である。

【0048】

コントローラ３３０は、角度センサ５００によって検出されたロータの回転信号を受信する。コントローラ３３０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３４０に出力する。

【0049】

コントローラ３３０は、電力変換装置１００のインバータ１１０およびサブインバータ１２０における各スイッチ素子のスイッチング動作（ターンオンまたはターンオフ）を制御するためのＰＷＭ信号を生成する。コントローラ３３０は、さらに、電力変換装置１００の各相分離リレー回路内の各相分離リレーのオン・オフの状態を決定する信号を生成することができる。

【0050】

駆動回路３４０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３４０は、インバータ１１０およびサブインバータ１２０における各スイッチ素子のスイッチング動作を制御する制御信号（典型的にはゲート制御信号）をＰＷＭ信号に従って生成し、各スイッチ素子にその制御信号を与える。本実施形態では、駆動回路３４０は、コントローラ３３０からの、各相分離リレーのオン・オフの状態を決定する信号に従って、オン・オフの制御信号（アナログ信号）を生成し、その制御信号をそれらに与えることが可能である。

【0051】

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３３０に実装され得る。

【0052】

ＲＯＭ３５０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。ＲＯＭ３５０は、コントローラ３３０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。

【0053】

電力変換装置１００の制御モードに、正常時および異常時の制御モードがある。制御回路３００（主としてコントローラ３３０）は、電力変換装置１００の制御を正常時の制御モードから異常時の制御モードに切替えることができる。その制御モードに応じて、第１相分離リレー回路１３０および第２相分離リレー回路１４０の各相分離リレーのオン・オフの状態が決定される。

【0054】

以下、第１相分離リレー回路１３０および第２相分離リレー回路１４０のオン・オフ状態と、オン・オフ状態における、電源１０１、インバータ１１０、サブインバータ１２０、巻線Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３および中性点ノードＮの電気的な接続関係と、を詳細に説明する。

【0055】

本明細書において、「第１相分離リレー回路１３０がオンする」とは、第１相分離リレー回路１３０の全ての相分離リレーＩＳＷ＿ＡＨ、ＩＳＷ＿ＢＨ、ＩＳＷ＿ＣＨ、ＩＳＷ＿ＡＬ、ＩＳＷ＿ＢＬおよびＩＳＷ＿ＣＬがオンすることを意味する。「第１相分離リレー回路１３０がオフする」とは、全ての相分離リレーＩＳＷ＿ＡＨ、ＩＳＷ＿ＢＨ、ＩＳＷ＿ＣＨ、ＩＳＷ＿ＡＬ、ＩＳＷ＿ＢＬおよびＩＳＷ＿ＣＬがオフすることを意味する。

【0056】

第１相分離リレー回路１３０がオンすると、インバータ１１０は電源１０１に電気的に接続される。第１相分離リレー回路１３０がオフすると、インバータ１１０は電源１０１から電気的に分離される。

【0057】

上述したとおり、電源１０１とインバータ１１０の３個のレグとの接続・非接続を相毎に切替えることが可能である。例えば、相分離リレーＩＳＷ＿ＡＨ、ＩＳＷ＿ＡＬをオフすることにより、Ｕ相レグは電源１０１から電気的に分離される。Ｖ相およびＷ相レグは電源１０１に接続されたままである。

【0058】

本明細書において、「第２相分離リレー回路１４０がオンする」とは、第２相分離リレー回路１４０の全ての相分離リレーがオンすることを意味する。「第２相分離リレー回路１４０がオフする」とは、第２相分離リレー回路１４０の全ての相分離リレーがオフすることを意味する。

【0059】

図２に示す回路構成では、第２相分離リレー回路１４０がオンすると、サブインバータ１２０、より具体的には、サブインバータ１２０のレグＤは、巻線Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３および中性点ノードＮに接続される。第２相分離リレー回路１４０がオフすると、レグＤは、巻線Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３および中性点ノードＮから電気的に分離される。

【0060】

上述したとおり、サブインバータ１２０のレグＤと、巻線Ｍ１、Ｍ２およびＭ３との接続・非接続を相毎に切替えることが可能である。例えば、相分離リレーＩＳＷ＿ＡＤをオンにし、かつ、相分離リレーＩＳＷ＿ＢＤ、ＩＳＷ＿ＣＤおよびＩＳＷ＿Ｎをオフにすることにより、レグＤは巻線Ｍ１にのみ接続可能である。相分離リレーＩＳＷ＿ＡＤ、ＩＳＷ＿ＢＤおよびＩＳＷ＿ＣＤをオフし、かつ、相分離リレーＩＳＷ＿Ｎをオンすることにより、レグＤは中性点ノードＮにのみ接続可能である。

【0061】

〔電力変換装置１００の動作〕

以下、モータモジュール１０００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。

【0062】

（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。

【0063】

本明細書において、「正常」とは、インバータ１１０、サブインバータ１２０、モータ２００の巻線Ｍ１、Ｍ２およびＭ３に故障が生じていないことを指す。「異常」とは、インバータのブリッジ回路内のスイッチ素子において故障が発生すること、または、モータの巻線に故障が発生することを指す。スイッチ素子の故障は、主として半導体スイッチ素子（ＦＥＴ）の、オープン故障およびショート故障を指す。「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。巻線の故障は、例えば巻線の断線である。

【0064】

正常時の制御モードでは、制御回路３００（主にコントローラ３３０）は、第１相分離リレー回路１３０をオンし、かつ、第２相分離リレー回路１４０をオフする。この制御により、インバータ１１０は電源１０１に接続される。換言すると、巻線Ｍ１、Ｍ２およびＭ３は、インバータ１１０を介して電源１０１に電気的に接続される。また、サブインバータ１２０のレグＤは、巻線Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３および中性点ノードＮから電気的に分離される。従って、電源１０１からサブインバータ１２０を介してモータ２００に電力は供給されない。

【0065】

制御回路３００は、インバータ１１０のスイッチ素子のスイッチング動作を制御することにより、三相の巻線Ｍ１、Ｍ２およびＭ３を通電することが可能である。本明細書では、このような通電制御を、「三相通電制御」と呼ぶ。

【0066】

図５は、三相通電制御に従って巻線Ｍ１、Ｍ２およびＭ３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。Ｉ_ｐｋは各相を流れる相電流の最大値（ピーク電流値）を表している。一般的なＹ結線の結線方式のモータでは、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」である。

【0067】

制御回路３００は、例えば、図５に示される擬似正弦波が得られるようにインバータ１１０の各スイッチ素子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は制御回路３００の制御を受けて、巻線Ｍ１、Ｍ２およびＭ３を通電することができる。

【0068】

（２．異常時の制御）

電力変換装置１００を長期間使用すると、インバータ１１０のスイッチ素子またはモータ２００の巻線に故障が起こる可能性がある。これらの故障は、製造時に発生し得る製造故障とは異なる。そのような故障が発生すると、上述した正常時の制御は不可能となる。

【0069】

故障検知の一例として、駆動回路３４０は、スイッチ素子のドレイン－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、スイッチ素子の故障を検知する。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３４０に設定される。駆動回路３４０は、コントローラ３３０のポートと接続され、故障検知信号をコントローラ３３０に通知する。例えば、駆動回路３４０は、スイッチ素子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３３０は、アサートされた故障検知信号を受信すると、駆動回路３４０の内部データを読み出して、インバータ１１０における複数のスイッチ素子の中でどのスイッチ素子が故障しているのかを判別することが可能である。

【0070】

故障検知の他の一例として、コントローラ３３０は、モータの実電流値と目標電流値との差に基づいてスイッチ素子の故障を検知することも可能である。さらに、コントローラ３３０は、例えば、モータの実電流値と目標電流値との差に基づいて、モータ２００の巻線が断線したかどうか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。

【0071】

コントローラ３３０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。

【0072】

インバータ１１０の３個のレグのうちの１個のレグが故障した場合、制御回路３００は、第１相分離リレー回路１３０の中の相分離リレーＩＳＷ＿ＡＨ、ＩＳＷ＿ＢＨおよびＩＳＷ＿ＣＨのうちの、インバータ１１０の故障したレグに接続された相分離リレーと、相分離リレーＩＳＷ＿ＡＬ、ＩＳＷ＿ＢＬおよびＩＳＷ＿ＣＬのうちの、故障したレグに接続された相分離リレーと、をオフし、かつ、残りの４個の相分離リレーをオンする。本明細書では、レグのスイッチ素子が故障することを「レグが故障する」と呼ぶ場合がある。

【0073】

制御回路３００は、さらに、第２相分離リレー回路１４０の中の相分離リレーＩＳＷ＿ＡＤ、ＩＳＷ＿ＢＤおよびＩＳＷ＿ＣＤのうちの、故障したレグと共に巻線の他端に接続された相分離リレーをオンし、残りの３個の相分離リレーをオフする。

【0074】

電力変換装置１００は制御回路３００の制御を受けて、インバータ１１０の３個のレグのうちの故障したレグ以外の２個のレグと、サブインバータ１２０のレグＤとを用いて、巻線Ｍ１、Ｍ２およびＭ３を通電することができる。

【0075】

以下、例示的な故障パターンを挙げ、各相分離リレー回路内の相分離リレーの制御方法を詳細に説明する。

【0076】

＜２－１．三相通電制御＞

再び図２を参照する。

【0077】

例えば、インバータ１１０のＵ相レグにおけるハイサイドスイッチ素子ＳＷ＿ＡＨがオープン故障した場合を考える。その場合、制御回路３００は、第１相分離リレー回路１３０において、その故障したスイッチ素子を含むＵ相レグの相分離リレーＩＳＷ＿ＡＨ、ＩＳＷ＿ＡＬをオフし、かつ、Ｖ相およびＷ相レグの４個の相分離リレーＩＳＷ＿ＢＨ、ＩＳＷ＿ＢＬ、ＩＳＷ＿ＣＨおよびＩＳＷ＿ＣＬをオンする。さらに、制御回路３００は、第２相分離リレー回路１４０において、巻線Ｍ１に接続された相分離リレーＩＳＷ＿ＡＤをオンし、かつ、巻線Ｍ２、Ｍ３に接続された相分離リレーＩＳＷ＿ＢＤ、ＩＳＷ＿ＣＤ、および、中性点ノードＮに接続された相分離リレーＩＳＷ＿Ｎをオフする。

【0078】

これらの制御により、故障したＵ相レグは電源１０１から電気的に分離される。巻線Ｍ２、Ｍ３は、インバータ１１０のＶ相およびＷ相レグを介して電源１０１に接続される。中性点ノードＮは、電源１０１から電気的に分離される。一方、Ｕ相の巻線Ｍ１は、インバータ１１０のＵ相レグに代えてサブインバータ１２０のレグＤに接続される。この接続状態において、制御回路３００は、インバータ１１０のＶ相レグ、Ｗ相レグおよびサブインバータ１２０のレグＤを用いて三相通電制御を継続することができる。つまり、サブインバータ１２０のレグＤをインバータ１１０のＵ相レグとして機能させることが可能となる。

【0079】

例えば、インバータ１１０のＶ相レグにおけるハイサイドスイッチ素子ＳＷ＿ＢＨがオープン故障した場合を考える。その場合、制御回路３００は、第１相分離リレー回路１３０において、その故障したスイッチ素子を含むＶ相レグの相分離リレーＩＳＷ＿ＢＨ、ＩＳＷ＿ＢＬをオフし、かつ、Ｕ相およびＷ相レグの４個の相分離リレーＩＳＷ＿ＡＨ、ＩＳＷ＿ＡＬ、ＩＳＷ＿ＣＨおよびＩＳＷ＿ＣＬをオンする。さらに、制御回路３００は、第２相分離リレー回路１４０において、巻線Ｍ２に接続された相分離リレーＩＳＷ＿ＢＤをオンし、かつ、巻線Ｍ１、Ｍ３および中性点ノードＮ１に接続された相分離リレーＩＳＷ＿ＡＤ、ＩＳＷ＿ＣＤおよびＩＳＷ＿Ｎをオフする。これらの制御により、インバータ１１０のＵ相レグ、Ｗ相レグおよびサブインバータ１２０のレグＤを用いて三相通電制御を継続することができる。つまり、サブインバータ１２０のレグＤをインバータ１１０のＶ相レグとして機能させることができる。

【0080】

例えば、四相交流モータを駆動する、四相のレグを有するインバータにおいて、一相のレグが故障した場合、サブインバータ１２０のレグＤをその故障した相のレグとして用いることが可能となる。このように、本開示は、四相以上の巻線を有する多相モータの駆動にも好適に利用することができる。

【0081】

本実施形態によれば、異常時の制御において、サブインバータ１２０のレグＤを代用することにより３個のレグを用いた三相通電制御を継続して行うことができる。

【0082】

図６Ａは、三相通電制御を行ったときの、モータの単位時間当たりの回転数（ｒｐｓ）とトルクＴ（Ｎ・ｍ）の関係を示している。グラフの横軸は、回転数を示し、縦軸は、正規化トルクの値を示す。回転数のＷｍｎは最大回転数を表す。Ｗｃｎは、モータ出力特性において、トルクが急激に変化する変化点における回転数を表す。

【0083】

図６Ａに示されるいわゆるＴ－Ｎ曲線は、正常時の制御で得られるモータ出力および異常時の制御で得られるモータ出力の特性を示す。異常時の制御で得られるトルク値は、正常時の制御で得られるトルク値で正規化した値を示す。また、比較例として、特許文献１（特開２０１６－３４２０４号公報）および４（特許第５７９７７５１号公報）に開示された制御手法により得られる、異常時の制御におけるモータ出力特性を図６Ａに示す。

【0084】

特許文献１のモータ駆動装置では、異常時の制御において第１系統および第２系統の故障していない一方を用いてモータは駆動される。異常時の制御における相電流の最大値は、正常時の制御におけるそれと比べ約５０％に低下するので、異常時の制御で得られるトルクも、正常時の制御におけるそれと比べ約５０％に低下する。一方、各相の巻線に印加される相電圧の最大値は、正常時および異常時の制御で変化しないので、最大回転数Ｗｍｎは維持される。

【0085】

特許文献４のモータ駆動装置では、正常時の制御において、三相の巻線に流れる電流を独立に制御することが可能である。これに対し、異常時の制御では、故障したインバータの中性点を利用して実質的に片側のインバータのみでモータは駆動される。各相の巻線に印加される相電圧の最大値は、正常時のそれと比べ約５８％に低下するので、正常時の制御で得られる最大の回転数は、正常時の最大回転数Ｗｍｎと比べ約５８％に低下する。これにより、高速回転領域が低速側に縮小され、モータをより高速に駆動することができない。一方、モータの相電流の最大値は、正常時および異常時の制御で変化しないので、トルクは維持される。

【0086】

本実施形態によると、正常時と同じ三相通電制御を異常時においても行うことができる。従って、異常時の制御において正常時の制御と同じトルクを得ることができる。さらに、各相の巻線に印加される相電圧の最大値は、正常時および異常時の制御で変化しないので、最大回転数Ｗｍｎを維持することができ、また、回転数Ｗｃｎを維持することができる。つまり、正常時と異常時の制御の間でモータ出力特性は変わらない。

【0087】

以上を纏めると、図６Ａに示すように、従来と比較して、異常時の制御において、トルク、モータの最大回転数Ｗｍｎおよび回転数Ｗｃｎを正常時と同じ値に維持することができる。その結果、モータ出力、つまり、モータの駆動範囲を改善することが可能となる。特に、高速回転領域においてより高いトルクを得ることができる。異常時の制御におけるモータ出力特性をさらに向上させることができる。

【0088】

＜２－２．二相通電制御＞

例えば巻線Ｍ１が故障した場合を考える。三相の巻線のうちの一相の巻線が故障すると、三相通電制御は不可能となる。制御回路３００は、インバータ１１０の３個のレグのうちの、故障した巻線以外の二相の巻線に接続された２個のレグと、中性点ノードＮと接続したサブインバータ１２０のレグＤとを用いて、故障していない二相の巻線を通電する制御を行うことができる。

【0089】

再び図２を参照する。

【0090】

制御回路３００は、第１相分離リレー回路１３０において、故障した巻線Ｍ１に接続されたＵ相レグの相分離リレーＩＳＷ＿ＡＨ、ＩＳＷ＿ＡＬをオフし、かつ、Ｖ相およびＷ相レグの４個の相分離リレーＩＳＷ＿ＢＨ、ＩＳＷ＿ＢＬ、ＩＳＷ＿ＣＨおよびＩＳＷ＿ＣＬをオンする。さらに、制御回路３００は、第２相分離リレー回路１４０において、相分離リレーＩＳＷ＿ＡＤ、ＩＳＷ＿ＢＤおよびＩＳＷ＿ＣＤをオフし、相分離リレーＩＳＷ＿Ｎをオンする。

【0091】

これらの制御により、故障した巻線Ｍ１に接続されたＵ相レグは電源１０１から電気的に分離され、巻線Ｍ２、Ｍ３はＶ相レグ、Ｗ相レグに接続される。巻線Ｍ１、Ｍ２およびＭ３は、サブインバータ１２０のレグＤから電気的に分離される。中性点ノードＮは、レグＤを介して電源１０１に接続される。この接続状態において、巻線Ｍ２、Ｍ３の二相を通電することによって、モータ２００の駆動を継続することができる。本明細書では、二相のレグを用いて二相の巻線を通電する制御を「二相通電制御」と呼ぶこことする。

【0092】

Ｖ相用レグのノードｎｂから巻線Ｍ２を通って中性点ノードＮに流れ込む相電流をＩ_ｂと表記し、Ｗ相用レグのノードｎｃから巻線Ｍ３を通って中性点ノードＮに流れ込む相電流をＩ_ｃと表記する。また、中性点ノードＮからレグＤのノードｎｄに流れ出る電流をＩ_ｚと表記する。二相通電制御において、Ｉ_ｂ＋Ｉ_ｃ＝Ｉ_ｚが成立する。

【0093】

制御回路３００は、例えば、インバータ１１０のＶ相、Ｗ相レグ、および、レグＤのスイッチ素子のスイッチング動作を制御することにより、巻線Ｍ２、Ｍ３を通電することができる。具体的に、Ｉ_ｂ＋Ｉ_ｃ＝Ｉ_ｚを満足するよう、Ｖ相レグのノードｎｂ、Ｗ相レグのノードｎｃおよび中性点ノードＮの電位を制御することにより、二相通電制御を行うことが可能となる。ノードｎｂおよび中性点ノードＮの間の電位差に応じた相電流Ｉ_ｂが流れる。ノードｎｃおよび中性点ノードＮの間の電位差に応じた相電流Ｉ_ｃが流れる。

【0094】

例えば、Ｕ相レグのスイッチ素子ＳＷ＿ＡＨが故障した場合、または、Ｕ相レグのスイッチ素子ＳＷ＿ＡＨ、ＳＷ＿ＡＬが同時に故障した場合においても、制御回路３００は、巻線Ｍ１が故障した場合と同様に、二相通電制御を行うことができる。例えば、四相交流モータを駆動する、四相のレグを有するインバータにおいて、そのうちの二相のレグが故障した場合、本実施形態の二相通電制御の手法を好適に適用することができる。

【0095】

二相通電制御の手法によると、異常時の制御において、第１相分離リレー回路１３０を用いて故障したレグを電源１０１から電気的に分離することができ、かつ、第２相分離リレー回路１４０を用いてレグＤを中性点ノードＮに接続することができる。レグＤを中性点用レグとして機能させることができる。レグＤを用いて中性点ノードＮの電位を適切に制御することにより、二相通電制御を行うことが可能となる。モータ２００を継続して駆動することができる。

【0096】

図６Ｂは、二相通電制御を行ったときの、モータの単位時間当たりの回転数（ｒｐｓ）とトルクＴ（Ｎ・ｍ）との関係を示している。図６Ａと同様に、グラフの横軸は、回転数を示し、縦軸は、正規化トルクの値を示す。異常時の二相通電制御で得られるトルク値は、正常時の三相通電制御で得られるトルク値で正規化した値を示す。また、比較例として、特許文献１および４に開示された制御手法により得られる、異常時の制御におけるモータ出力特性を図６Ｂに示す。

【0097】

正常時の三相通電制御における相電流の最大値Ｉ_ｐｋを１とした場合、異常時の二相通電制御による相電流の最大値Ｉ_ｐｋは、理論上、約０．５８になることが知られている。従って、異常時の制御で得られるトルクは、正常時の制御におけるそれと比べ約５８％になる。一方、各相の巻線に印加される相電圧の最大値は、正常時および異常時の制御で変化しないので、最大回転数Ｗｍｎを維持することができる。また、回転数Ｗｃｎを維持することができる。

【0098】

以上を纏めると、図６Ｂに示すように、従来と比較して、異常時の制御において、モータの最大回転数Ｗｍｎおよび回転数Ｗｃｎを正常時と同じ値に維持することができる。その結果、モータ出力、つまり、モータの駆動範囲を改善することが可能となる。特に、高速回転領域においてより高いトルクを得ることができる。従来と比べ、得られるトルクは１６％（＝５８／５０）高くなる。

【0099】

本実施形態によれば、異常時の制御で三相通電制御ができない場合でも、二相通電制御を行うことができる。二相通電制御または三相通電制御のいずれにおいても、従来と比べてモータ出力特性をさらに向上させることができる。

【0100】

（実施形態２）

〔電力変換装置１００Ａの構造〕

本実施形態による電力変換装置１００Ａのサブインバータ１２０および第２相分離リレー回路１４０の構造は、実施形態１による電力変換装置１００のそれらの構造と異なる。以下、実施形態１との共通の説明は省略し、その差異点を中心に説明する。

【0101】

図７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している。

【0102】

サブインバータ１２０は、Ｕ相レグ、Ｖ相レグ、Ｗ相レグおよび中性点用レグの４個のレグを有する。Ｕ相レグは、ハイサイドスイッチ素子ＳＷ＿ＤＡＨおよびローサイドスイッチ素子ＳＷ＿ＤＡＬを有する。Ｖ相レグは、ハイサイドスイッチ素子ＳＷ＿ＤＢＨおよびローサイドスイッチ素子ＳＷ＿ＤＢＬを有する。Ｗ相レグは、ハイサイドスイッチ素子ＳＷ＿ＤＣＨおよびローサイドスイッチ素子ＳＷ＿ＤＣＬを有する。中性点用レグは、ハイサイドスイッチ素子ＳＷ＿ＤＮＨおよびローサイドスイッチ素子ＳＷ＿ＤＮＬを有する。

【0103】

サブインバータ１２０の４個のレグは、巻線Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３の他端および中性点ノードＮに接続される。具体的に説明すると、Ｕ相レグにおけるハイサイドスイッチ素子ＳＷ＿ＤＡＨおよびローサイドスイッチ素子ＳＷ＿ＤＡＬの間のノードｎｄａは、インバータ１１０のノードｎａと共に、巻線Ｍ１の他端に接続される。Ｖ相レグのノードｎｄｂは、インバータ１１０のノードｎｂと共に、巻線Ｍ２の他端に接続される。Ｗ相レグのノードｎｄｃは、インバータ１１０のノードｎｃと共に、巻線Ｍ３の他端に接続される。中性点用レグのノードｎｄｎは、中性点ノードＮに接続される。

【0104】

第２相分離リレー回路１４０は、電源１０１とサブインバータ１２０との接続・非接続を切替える。第２相分離リレー回路１４０は、相分離リレー（第３相分離リレー）ＩＳＷ＿ＤＨおよび相分離リレー（第４相分離リレー）ＩＳＷ＿ＤＬを有する。相分離リレーＩＳＷ＿ＤＨは、サブインバータ１２０の４個のハイサイドスイッチ素子ＳＷ＿ＤＡＨ、ＳＷ＿ＤＢＨ、ＳＷ＿ＤＣＨおよびＳＷ＿ＤＮＨ同士を接続するハイサイド側のノードｎｄｈと電源１０１の間に接続される。相分離リレーＩＳＷ＿ＤＬは、サブインバータ１２０の４個のローサイドスイッチ素子ＳＷ＿ＤＡＬ、ＳＷ＿ＤＢＬ、ＳＷ＿ＤＣＬおよびＳＷ＿ＤＬＨ同士を接続するローサイド側のノードｎｄｌとＧＮＤの間に接続される。

【0105】

〔電力変換装置１００Ａの動作〕

正常時の制御では、制御回路３００は、実施形態１で説明したように、第１相分離リレー回路１３０をオンして、第２相分離リレー回路１４０をオフする。これにより、インバータ１１０は電源１０１に接続されて、サブインバータ１２０は電源１０１から分離される。制御回路３００は、インバータ１１０を用いて三相通電制御を行う。

【0106】

インバータ１１０の３個のレグのうちの１個のレグが故障した場合、異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１３０の中の相分離リレーＩＳＷ＿ＡＨ、ＩＳＷ＿ＢＨおよびＩＳＷ＿ＣＨのうちの、インバータ１１０の故障したレグに接続された相分離リレーと、相分離リレーＩＳＷ＿ＡＬ、ＩＳＷ＿ＢＬおよびＩＳＷ＿ＣＬのうちの、故障したレグに接続された相分離リレーとをオフし、かつ、残りの４個の相分離リレーをオンする。制御回路３００は、さらに、第２相分離リレー回路１４０の相分離リレーＩＳＷ＿ＤＨ、ＩＳＷ＿ＤＬをオンする。

【0107】

制御回路３００は、インバータ１１０の３個のレグのうちの故障したレグ以外の２個のレグと、サブインバータ１２０の４個のレグのうちの、故障したレグに接続された巻線の他端に共に接続されたレグとを用いて、三相通電制御を行うことができる。

【0108】

以下、例示的な故障パターンを挙げ、電力変換装置１００Ａの制御方法を詳細に説明する。

【0109】

例えば、インバータ１１０のＵ相レグにおけるハイサイドスイッチ素子ＳＷ＿ＡＨがオープン故障した場合を考える。その場合、制御回路３００は、第１相分離リレー回路１３０において、その故障したスイッチ素子を含むＵ相レグの相分離リレーＩＳＷ＿ＡＨ、ＩＳＷ＿ＡＬをオフし、かつ、Ｖ相およびＷ相レグの４個の相分離リレーＩＳＷ＿ＢＨ、ＩＳＷ＿ＢＬ、ＩＳＷ＿ＣＨおよびＩＳＷ＿ＣＬをオンする。制御回路３００は、さらに、第２相分離リレー回路１４０の相分離リレーＩＳＷ＿ＤＨ、ＩＳＷ＿ＤＬをオンする。

【0110】

これらの制御により、故障したＵ相レグは電源１０１から電気的に分離される。巻線Ｍ２、Ｍ３は、インバータ１１０のＶ相およびＷ相レグを介して電源１０１に接続される。また、巻線Ｍ１は、インバータ１１０のＵ相レグに代えてサブインバータ１２０のＵ相レグを介して電源１０１に接続される。この接続状態において、制御回路３００は、インバータ１１０のＶ相レグ、Ｗ相レグおよびサブインバータ１２０のＵ相レグを用いて、三相通電制御を継続することができる。つまり、サブインバータ１２０のＵ相レグをインバータ１１０のＵ相レグとして機能させることができる。

【0111】

例えば、インバータ１１０のＵ相レグのハイサイドスイッチ素子ＳＷ＿ＡＨおよびＶ相レグのハイサイドスイッチ素子ＳＷ＿ＢＨの２個のスイッチ素子がオープン故障した場合を考える。その場合、制御回路３００は、第１相分離リレー回路１３０において、その故障したスイッチ素子を含むＵ相レグ、Ｖ相レグの４個の相分離リレーＩＳＷ＿ＡＨ、ＩＳＷ＿ＡＬ、ＩＳＷ＿ＢＨおよびＩＳＷ＿ＢＬをオフし、かつ、Ｗ相レグの相分離リレーＩＳＷ＿ＣＨ、ＩＳＷ＿ＣＬをオンする。制御回路３００は、さらに、第２相分離リレー回路１４０の相分離リレーＩＳＷ＿ＤＨ、ＩＳＷ＿ＤＬをオンする。

【0112】

これらの制御により、故障したＵ相レグおよびＶ相レグは電源１０１から電気的に分離される。巻線Ｍ３は、インバータ１１０のＷ相レグを介して電源１０１に接続される。また、巻線Ｍ１、Ｍ２は、インバータ１１０のＵ相レグ、Ｖ相レグに代えて、サブインバータ１２０のＵ相レグ、Ｖ相レグを介して電源１０１に接続される。この接続状態において、制御回路３００は、インバータ１１０のＷ相レグ、サブインバータ１２０のＵ相レグおよびＶ相レグを用いて、三相通電制御を継続することができる。つまり、サブインバータ１２０のＵ相レグ、Ｖ相レグをインバータ１１０のＵ相レグ、Ｖ相レグとして機能させることができる。

【0113】

インバータ１１０の３個の全てのレグが故障した場合、制御回路３００は、インバータ１１０に代えてサブインバータ１２０の３個のレグを用いて三相通電制御を継続することができる。

【0114】

本実施形態による電力変換装置１００Ａにおいても、制御回路３００は、実施形態１と同様に、二相通電制御を行うことが可能である。

【0115】

例えば、インバータ１１０のＵ相レグにおけるハイサイドスイッチ素子ＳＷ＿ＡＨがオープン故障した場合を考える。その場合、制御回路３００は、三相通電制御の場合と同様に、第１相分離リレー回路１３０および第２相分離リレー回路１４０を制御して、インバータ１１０の故障したＵ相レグを電源１０１から電気的に切り離し、インバータ１１０のＶ相およびＷ相レグを介して巻線Ｍ２、Ｍ３を電源１０１に接続する。制御回路３００は、三相通電制御の場合とは異なり、インバータ１１０の故障していないＶ相レグ、Ｗ相レグおよびサブインバータ１２０の中性点用レグを用いて、巻線Ｍ２、Ｍ３を通電する二相通電制御を行うことができる。

【0116】

巻線が故障した場合、制御回路３００は、実施形態１と同様に、二相通電制御を行うことができる。例えば巻線Ｍ１が故障した場合、制御回路３００は、第１相分離リレー回路１３０の相分離リレーＩＳＷ＿ＡＨ、ＩＳＷ＿ＡＬをオフすることにより、インバータ１１０のＵ相レグを電源１０１から切り離し、インバータ１１０のＶ相およびＷ相レグを介して巻線Ｍ２、Ｍ３を電源１０１に接続する。制御回路３００は、インバータ１１０の故障していないＶ相レグ、Ｗ相レグおよびサブインバータ１２０の中性点用レグを用いて、巻線Ｍ２、Ｍ３を通電する二相通電制御を行うことができる。

【0117】

例えば、四相交流モータを駆動する、四相のレグを有するインバータにおいて、そのうちの二相のレグが故障した場合、本実施形態による二相通電制御の手法を好適に適用することができる。

【0118】

本実施形態によれば、実施形態１と同様に、異常時の制御において、サブインバータ１２０のレグを用いることにより二相通電制御または三相通電制御を行うことができる。二相通電制御または三相通電制御のいずれにおいても、従来と比べてモータ出力特性をさらに向上させることができる。

【0119】

（実施形態３）

図８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す。

【0120】

自動車等の車両は一般に、電動パワーステアリング（ＥＰＳ）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。

【0121】

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から構成され得る。

【0122】

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などから構成される。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。

【0123】

ＥＣＵ５４２は、例えば、実施形態１によるコントローラ３３０および駆動回路３４０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または２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。

【0124】

本開示の実施形態は、シフトバイワイヤ、ステアリングバイワイヤ、ブレーキバイワイヤなどのエックスバイワイヤおよびトラクションモータなどのモータ制御システムにも好適に用いられる。例えば、本開示の実施形態によるモータ制御システムは、日本政府および米国運輸省道路交通安全局（ＮＨＴＳＡ）によって定められたレベル０から４（自動化の基準）に対応した自動運転車に搭載され得る。

【産業上の利用可能性】

【0125】

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。

【符号の説明】

【0126】

１００、１００Ａ：電力変換装置、１０１：電源、１０２：ヒューズ、１１０：インバータ、１２０：サブインバータ、１３０：第１相分離リレー回路、１４０：第２相分離リレー回路、２００：モータ、３００：制御回路、３１０：電源回路、３２０：入力回路、３３０：マイクロコントローラ、３４０：駆動回路、３５０：ＲＯＭ、４００：電流センサ、５００：角度センサ、１０００：モータモジュール、２０００：電動パワーステアリング装置

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6A】

【図6B】

【図7】

【図8】