特許7070548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】2022-05-10
(45)【発行日】2022-05-18
(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】
H02P 27/06 20060101AFI20220511BHJP
H02P 6/08 20160101ALI20220511BHJP
H02M 7/48 20070101ALI20220511BHJP
【ＦＩ】
H02P27/06
H02P6/08
H02M7/48 M
【請求項の数】
7
(21)【出願番号】P 2019509081
(86)(22)【出願日】2018-03-05
(86)【国際出願番号】 JP2018008278
(87)【国際公開番号】W WO2018180238
(87)【国際公開日】2018-10-04
【審査請求日】2021-02-22
(31)【優先権主張番号】P 2017064335
(32)【優先日】2017-03-29
(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】池田 貴俊
(56)【参考文献】
【文献】特開２０１５－０３３２１２（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１６－０１９３８５（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１５－２３１３２１（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｈ０２Ｐ ２７／０６
Ｈ０２Ｐ ６／０８
Ｈ０２Ｍ ７／４８
(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相の巻線との接続・非接続を相毎に切替える相分離リレー回路と、
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中性点用レグであって、
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に接続される中性点用レグと、
前記電源と前記中性点ノードとの接続・非接続を切替える中性点分離リレー回路と、
を備え、
前記相分離リレー回路は、前記インバータと前記ｎ相の巻線の他端との間に接続され、前記インバータの前記ｎ個のレグと前記ｎ相の巻線の他端との接続・非接続を相毎に切替え、
前記中性点分離リレー回路は、前記電源と前記中性点用レグとの接続・非接続を切替え、
前記相分離リレー回路は、前記インバータの前記ｎ個のレグと前記ｎ相の巻線の他端との間に接続されたｎ個の相分離リレーを有し、
前記中性点分離リレー回路は、前記中性点用レグにおいて、前記インバータのｎ個のレグを接続するハイサイド側のノードと、前記ハイサイドスイッチ素子との間に接続された第１中性点分離リレーと、前記インバータのｎ個のレグを接続するローサイド側のノードと、前記ローサイドスイッチ素子との間に接続された第２中性点分離リレーとを有する、電力変換装置。
【請求項2】
前記中性点用レグは、前記インバータのｎ個のレグを接続するローサイド側およびハイサイド側のノードの間に接続される、請求項１に記載の電力変換装置。
【請求項3】
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、前記相分離リレー回路はオンし、かつ、前記中性点分
離リレー回路はオフする、請求項１または２に記載の電力変換装置。
【請求項4】
前記異常時の制御において、前記中性点分離リレー回路はオンする、請求項３に記載の電力変換装置。
【請求項5】
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相分離リレーおよび前記ｎ個の第２相分離リレーのうちの、
前記ｎ－２個の故障したレグの、ｎ－２個の第１相分離リレー、および、ｎ－２個の第２相分離リレーはオフし、
故障していない２個のレグの、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、
前記中性点分離リレー回路はオンする、請求項１から４のいずれかに記載の電力変換装置。
【請求項6】
前記モータと、請求項１から５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7】
請求項６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】
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する。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する。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する。１つのインバータに対し、電源およびインバータの間に１つの電気的分離手段が設けられ、インバータおよび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相の巻線との接続・非接続を相毎に切替える相分離リレー回路と、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中性点用レグであって、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に接続される中性点用レグと、前記電源と前記中性点ノードとの接続・非接続を切替える中性点分離リレー回路と、を備える。
【発明の効果】
【0010】
本開示の例示的な実施形態によると、相分離リレー回路および中性点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二相通電制御を行うことができる。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駆動ユニット、および、当該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。
【図面の簡単な説明】
【0011】
【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。
【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】
【0015】
モータ駆動ユニット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を有する。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】
モータ駆動ユニット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モータモジュールとして製造および販売され得る。本明細書では、構成要素としてモータ２００を有するシステムを例に、モータ駆動ユニット１０００を説明する。ただし、モータ駆動ユニット１０００は、構成要素としてモータ２００を有しない、モータ２００を駆動するためのシステムであってもよい。
【0017】
電力変換装置１００は、インバータ１１０、中性点用レグ１２０、相分離リレー回路１３０、中性点分離リレー回路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。
【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）および直接トルク制御（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の典型的な回路構成を模式的に示す。
【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個のレグから構成されるブリッジ回路を有する。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相用レグは、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相用レグは、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相用レグは、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。
【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グランドとの間に接続され得る。シャント抵抗の抵抗値は、例えば０．５ｍΩ～１．０ｍΩ程度である。
【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、および、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相用レグ（具体的には、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の間のノードｎ１）は、モータ２００のＵ相の巻線Ｍ１の他端に接続される。Ｖ相用レグのノードｎ２は、Ｖ相の巻線Ｍ２の他端に接続される。Ｗ相用レグのノードｎ３は、Ｗ相の巻線Ｍ３の他端に接続される。
【0030】
中性点用レグ１２０は、ハイサイドスイッチ素子ＳＷ＿ＮＨおよびローサイドスイッチ素子ＳＷ＿ＮＬを有する。中性点用レグ１２０は、他のレグと同様に、シャント抵抗を有する。中性点用レグ１２０は、インバータ１１０の３個のレグを接続するローサイド側およびハイサイド側のノードの間に接続される。インバータ１１０は、中性点用レグ１２０を含む４個のレグを備えるブリッジ回路として製造され得る。
【0031】
中性点用レグ１２０のノードｎ４を、モータ２００の巻線Ｍ１、Ｍ２およびＭ３の一端同士をＹ結線するノードＮに接続することが可能である。そのノードＮは、モータ駆動時に中性点として機能するため、「中性点ノードＮ」と呼ぶこととする。
【0032】
相分離リレー回路１３０は、電源１０１と三相の巻線Ｍ１、Ｍ２およびＭ３との接続・非接続を相毎に切替える。本実施形態では、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。
【0033】
相分離リレー回路１３０は、インバータ１１０において、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ＩＳＷ＿ＡＨ、ＩＳＷ＿ＢＨおよびＩＳＷ＿ＣＨを有する。相分離リレーＩＳＷ＿ＡＨはＵ相用レグにある。相分離リレーＩＳＷ＿ＢＨはＶ相用レグにある。相分離リレーＩＳＷ＿ＣＨはＷ相用レグにある。
【0034】
相分離リレー回路１３０は、さらに、インバータ１１０において、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ＩＳＷ＿ＡＬ、ＩＳＷ＿ＢＬおよびＩＳＷ＿ＣＬを有する。相分離リレーＩＳＷ＿ＡＬはＵ相用レグにある。相分離リレーＩＳＷ＿ＢＬはＶ相用レグにある。相分離リレーＩＳＷ＿ＣＬはＷ相用レグにある。
【0035】
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。
【0036】
図２には、インバータ１１０のスイッチ素子および各分離リレーとして、内部に寄生ダイオードを有するＭＯＳＦＥＴを例示する。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。
【0037】
中性点分離リレー回路１４０は、電源１０１と中性点ノードＮとの接続・非接続とを切替える。本実施形態では、中性点分離リレー回路１４０は、中性点用レグ１２０と中性点ノードＮとの間に接続される。中性点分離リレー回路１４０は、中性点用レグ１２０と中性点ノードＮとの接続・非接続を切替える。
【0038】
中性点分離リレー回路１４０は、双方向スイッチを有する。例えば、中性点分離リレー回路１４０は、直列に接続された２個の中性点分離リレーＩＳＷ＿Ｎ１、ＩＳＷ＿Ｎ２を有する。中性点分離リレーＩＳＷ＿Ｎ１は、中性点用レグ１２０に接続される。中性点分離リレーＩＳＷ＿Ｎ２は、中性点ノードＮに接続される。中性点分離リレーＩＳＷ＿Ｎ１は、内部のダイオードに中性点ノードＮに向けて順方向電流が流れるよう配置される。中性点分離リレーＩＳＷ＿Ｎ２は、内部のダイオードに中性点用レグ１２０に向けて順方向電流が流れるよう配置される。
【0039】
中性点分離リレーＩＳＷ＿Ｎ１は、中性点用レグ１２０のハイサイドスイッチＳＷ＿ＮＨおよびローサイドスイッチＳＷ＿ＮＬの各々に直列に接続される。中性点分離リレーＩＳＷ＿Ｎ２も、ハイサイドスイッチＳＷ＿ＮＨおよびローサイドスイッチＳＷ＿ＮＬの各々に直列に接続される。
【0040】
図３は、制御回路３００の典型的なブロック構成を示す。
【0041】
制御回路３００は、例えば、電源回路３１０と、入力回路３２０と、マイクロコントローラ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、中性点用レグ１２０、相分離リレー回路１３０および中性点分離リレー回路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。
【0042】
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。
【0043】
入力回路３２０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、マイクロコントローラ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、実電流値をマイクロコントローラ３３０に出力する。入力回路３２０は、アナログデジタル変換回路である。
【0044】
マイクロコントローラ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。マイクロコントローラ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。
【0045】
例えば、マイクロコントローラ３３０は、電力変換装置１００のインバータ１１０および中性点用レグ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。マイクロコントローラ３３０は、電力変換装置１００の各分離リレー回路内の各分離リレーのオン・オフの状態を決定する信号を生成する。
【0046】
駆動回路３４０は、典型的にはゲートドライバである。駆動回路３４０は、インバータ１１０および中性点用レグ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（例えば、ゲート制御信号）をＰＷＭ信号に従って生成し、各スイッチ素子に制御信号を与える。さらに、駆動回路３４０は、マイクロコントローラ３３０からの、各分離リレーのオン・オフの状態を決定する信号に従って、各分離リレーをオン
・オフする制御信号（アナログ信号）を生成し、各分離リレーにその制御信号を与えることが可能である。マイクロコントローラ３３０は、駆動回路３４０の機能を有していてもよい。その場合、駆動回路３４０は必要とされない。
・オフする制御信号（アナログ信号）を生成し、各分離リレーにその制御信号を与えることが可能である。マイクロコントローラ３３０は、駆動回路３４０の機能を有していてもよい。その場合、駆動回路３４０は必要とされない。
【0047】
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、マイクロコントローラ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。
【0048】
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（主としてマイクロコントローラ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、相分離リレー回路１３０および中性点分離リレー回路１４０の各分離リレーのオン・オフの状態が決定される。
【0049】
以下、相分離リレー回路１３０および中性点分離リレー回路１４０のオン・オフ状態、および、オン・オフ状態における、電源１０１、インバータ１１０およびモータ２００の巻線Ｍ１、Ｍ２およびＭ３の電気的な接続関係を詳細に説明する。
【0050】
本明細書において、「相分離リレー回路１３０がオンする」とは、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。「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。
【0051】
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。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。
【0052】
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および相分離リレーＩＳＷ＿ＡＬをオフすることにより、Ｕ相用レグは電源１０１から電気的に分離される。Ｖ相およびＷ相用レグは電源１０１に接続されたままである。
【0053】
本明細書において、「中性点分離リレー回路１４０がオンする」とは、中性点分離リレー回路１４０の中性点分離リレーＩＳＷ＿Ｎ１、ＩＳＷ＿Ｎ２がオンすることを意味する。「中性点分離リレー回路１４０がオフする」とは、中性点分離リレーＩＳＷ＿Ｎ１、ＩＳＷ＿Ｎ２がオフすることを意味する。
【0054】
中性点分離リレー回路１４０がオンすると、中性点用レグ１２０のノードｎ４はモータ２００の中性点ノードＮに接続される。中性点分離リレー回路１４０がオフすると、中性点用レグ１２０のノードｎ４はモータ２００の中性点ノードＮから電気的に分離される。
【0055】
〔モータ駆動ユニット１０００の動作〕 以下、モータ駆動ユニット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。
【0056】
（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。
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。
【0057】
本明細書において、「正常」とは、インバータ１１０、中性点用レグ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、および、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。
【0058】
正常時の制御モードでは、制御回路３００（主にマイクロコントローラ３３０）は、相分離リレー回路１３０をオンにする。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、モータ２００の巻線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。インバータ１１０からモータ２００に電力を供給することが可能となる。
【0059】
制御回路３００は、中性点分離リレー回路１４０をオフにする。この制御により、中性点用レグ１２０は、モータ２００の中性点ノードＮから電気的に分離される。中性点用レグ１２０から中性点ノードＮに電力は供給されない。
【0060】
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。
【0061】
図４は、三相通電制御を通じて巻線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。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。Ｉｐｋ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。
【0062】
制御回路３００は、例えば、図４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、モータ２００が駆動される。
【0063】
（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。
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。
【0064】
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、マイクロコントローラ３３０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。マイクロコントローラ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。
【0065】
故障検知の他の一例として、マイクロコントローラ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、マイクロコントローラ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。
【0066】
マイクロコントローラ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。
【0067】
以下、代表的な故障パターンを挙げ、各分離リレー回路内の各分離リレーの制御方法を説明する。
【0068】
再び図２を参照する。
【0069】
例えば、インバータ１１０のＵ相用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、その故障したスイッチ素子を含むＵ相用レグの２個の相分離リレーＩＳＷ＿ＡＨ、ＩＳＷ＿ＡＬをオフにし、Ｖ相およびＷ相用レグに含まれる４個の相分離リレーＩＳＷ＿ＢＨ、ＩＳＷ＿ＢＬ、ＩＳＷ＿ＣＨおよびＩＳＷ＿ＣＬをオンにする。この制御により、故障したＵ相用レグは電源１０１から電気的に分離される。Ｖ相およびＷ相の巻線Ｍ２、Ｍ３は、Ｖ相およびＷ相用レグを介して電源１０１に接続される。
【0070】
制御回路３００は、さらに、中性点分離リレー回路１４０をオンにする。この制御により、中性点用レグ１２０は、モータ２００の中性点ノードＮに接続される。この接続状態において、インバータ１１０のＶ相およびＷ相用レグを用いて、二相の巻線Ｍ２、Ｍ３を通電することにより、モータ２００の駆動を継続することができる。本明細書では、二相のレグを用いた通電制御を「二相通電制御」と呼ぶ。
【0071】
Ｖ相用レグのノードｎ２から巻線Ｍ２を通ってモータ２００の中性点ノードＮに流れ込む相電流をＩｂと表記し、Ｗ相用レグのノードｎ３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Ｉｃと表記する。また、中性点ノードＮから中性点用レグ１２０のノードｎ４に流れ出る電流をＩｚと表記する。二相通電制御において、Ｉｂ＋Ｉｃ＝Ｉｚが成立する。
【0072】
制御回路３００は、例えば、インバータ１１０のＶ相、Ｗ相用レグ、および、中性点用レグ１２０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、Ｉｂ＋Ｉｃ＝Ｉｚを満足するよう、Ｖ相用レグのノードｎ２、Ｗ相用レグのノードｎ３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ｎ２および中性点ノードＮの間の電位差に応じた相電流Ｉｂが流れる。ノードｎ３および中性点ノードＮの間の電位差に応じた相電流Ｉｃが流れる。
【0073】
例えば、Ｕ相用レグの２個のスイッチ素子ＳＷ＿ＡＨ、ＳＷ＿ＡＬが同時に故障した場合においても、二相通電制御を行うことができる。また、例えば、Ｕ相の巻線Ｍ１が故障した場合、Ｕ相用レグが故障した場合と同様に、２個の相分離リレーＩＳＷ＿ＡＨ、ＩＳＷ＿ＡＬをオフにすることにより、巻線Ｍ１を電源１０１から電気的に分離すことができる。
【0074】
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、本開示の二相通電制御の手法を好適に適用することができる。
【0075】
上述した制御方法によると、異常時の制御において、相分離リレー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、中性点分離リレー回路１４０を用いて中性点用レグ１２０を中性点ノードＮに接続することができる。中性点用レグ１２０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。モータ駆動ユニット１０００を継続して駆動させることができる。
【0076】
図５は、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。
【0077】
図５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）および特許文献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５に示す。
【0078】
特許文献１（特開２０１６－３４２０４号公報）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。
【0079】
特許文献４（特許第５７９７７５１号公報）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。
【0080】
本開示による制御手法によると、正常時の三相通電制御における相電流の最大値Ｉｐｋ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Ｉｐｋは、理論上、約０．５８になる。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。
【0081】
以上を纏めると、図５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。本実施形態によると、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。
【0082】
図６は、本実施形態のバリエーションによる電力変換装置１００Ａの典型的な回路構成を模式的に示す。
【0083】
電力変換装置１００Ａは、中性点分離リレー回路１４０が中性点用レグ１２０に設けられている点で、電力変換装置１００とは異なる。以下、その差異点を主に説明する。
【0084】
このバリエーションでは、中性点分離リレー回路１４０は、電源１０１と中性点用レグ１２０との接続・非接続を切替える。中性点用レグ１２０は、中性点ノードＮに接続されている。中性点分離リレー回路１４０は、中性点用レグ１２０において、ハイサイド側のノードと、ハイサイドスイッチ素子ＳＷ＿ＮＨとの間に接続された中性点分離リレーＩＳＷ＿ＮＨと、ローサイド側のノードと、ローサイドスイッチ素子ＳＷ＿ＮＬとの間に接続された中性点分離リレーＩＳＷ＿ＮＬとを有する。中性点分離リレーＩＳＷ＿ＮＨは、ハイサイドスイッチ素子ＳＷ＿ＮＨに直列に接続され、中性点分離リレーＩＳＷ＿ＮＬは、ローサイドスイッチ素子ＳＷ＿ＮＬに直列に接続される。
【0085】
正常時の制御では、２個の中性点分離リレーＩＳＷ＿ＮＨ、ＩＳＷ＿ＮＬをオフすることにより、中性点用レグ１２０は電源１０１から電気的に分離される。中性点用レグ１２０は、モータ２００への電力供給に関与しない。異常時の制御では、２個の中性点分離リレーＩＳＷ＿ＮＨ、ＩＳＷ＿ＮＬをオンすることにより、中性点用レグ１２０は電源１０１に接続される。中性点用レグ１２０は、モータ２００への電力供給に関与することができる。
【0086】
【0087】
電力変換装置１００Ｂは、相分離リレー回路１３０がインバータ１１０と、巻線Ｍ１、Ｍ２およびＭ３と、の間に接続されている点で、実施形態１による電力変換装置１００とは異なる。以下、その差異点を主に説明する。
【0088】
相分離リレー回路１３０は、インバータ１１０と巻線Ｍ１、Ｍ２およびＭ３の他端との間に接続される。相分離リレー回路１３０は、インバータ１１０の３個のレグと、巻線Ｍ１、Ｍ２およびＭ３の他端と、の接続・非接続を相毎に切替える。
【0089】
相分離リレー回路１３０は、インバータ１１０の３個のレグと、巻線Ｍ１、Ｍ２およびＭ３の他端と、の間に接続された３個の相分離リレーＩＳＷ＿Ａ、ＩＳＷ＿ＢおよびＩＳＢ＿Ｃを有する。３個の相分離リレーＩＳＷ＿Ａ、ＩＳＷ＿ＢおよびＩＳＢ＿Ｃは、一方向スイッチ、または、図２に示される中性点分離リレー回路１４０のような双方向スイッチであり得る。
【0090】
相分離リレーＩＳＷ＿Ａは、Ｕ相用レグの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の各々に直列に接続される。相分離リレーＩＳＷ＿Ｂは、Ｖ相用レグの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の各々に直列に接続される。相分離リレーＩＳＷ＿Ｃは、Ｗ相用レグの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の各々に直列に接続される。
【0091】
相分離リレーＩＳＷ＿Ａをオンすることにより、インバータ１１０のＵ相用レグは巻線Ｍ１に接続され、相分離リレーＩＳＷ＿Ａをオフすることにより、Ｕ相用レグは巻線Ｍ１から電気的に分離される。相分離リレーＩＳＷ＿Ｂをオンすることにより、Ｖ相用レグは巻線Ｍ２に接続され、相分離リレーＩＳＷ＿Ｂをオフすることにより、Ｖ相用レグは巻線Ｍ２から電気的に分離される。相分離リレーＩＳＷ＿Ｃをオンすることにより、Ｗ相用レグは巻線Ｍ３に接続され、相分離リレーＩＳＷ＿Ｃをオフすることにより、Ｗ相用レグは巻線Ｍ３から電気的に分離される。
【0092】
中性点分離リレー回路１４０は、電源１０１と中性点用レグ１２０との接続・非接続を切替える。中性点分離リレー回路１４０は、中性点用レグ１２０において、ハイサイド側のノードと、ハイサイドスイッチ素子ＳＷ＿ＮＨとの間に接続された中性点分離リレーＩＳＷ＿ＮＨと、ローサイド側のノードと、ローサイドスイッチ素子ＳＷ＿ＮＬとの間に接続された中性点分離リレーＩＳＷ＿ＮＬとを有する。
【0093】
本実施形態によると、実施形態１と同様に、相分離リレー回路１３０および中性点分離リレー回路１４０の各分離リレーのオン・オフ状態を故障パターンに応じて決定することにより、異常時において二相通電制御を行うことが可能となる。
【0094】
図８は、本実施形態のバリエーションによる電力変換装置１００Ｃの典型的な回路構成を模式的に示す。
【0095】
電力変換装置１００Ｃは、中性点分離リレー回路１４０が中性点用レグ１２０と中性点ノードＮとの間に接続される点で、電力変換装置１００Ｂとは異なる。
【0096】
中性点分離リレー回路１４０は、中性点用レグ１２０と中性点ノードＮとの間に接続される。このバリエーションでは、相分離リレー回路１３０および中性点分離リレー回路１４０は、インバータ１１０とモータ２００との間に接続される。相分離リレー回路１３０および中性点分離リレー回路１４０は、インバータ１１０とは別の部品として製造され得る。
【0097】
【0098】
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。
【0099】
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。
【0100】
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。
【0101】
ＥＣＵ５４２は、例えば、実施形態１によるマイクロコントローラ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。そのシステムに、実施形態１によるモータ駆動ユニット１０００を好適に用いることができる。
【0102】
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】
【0103】
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】
【0104】
１００、１００Ａ、１００Ｂ、１００Ｃ：電力変換装置、１０１：電源、１０２：ヒューズ、１１０：インバータ、１２０：中性点用レグ、１３０：相分離リレー回路、１４０：中性点分離リレー回路、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：モータ駆動ユニット、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6】
【図7】
【図8】
【図9】