(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
操舵装置の動作を補助するモータと、
前記モータに電力を供給する電力供給装置と、
前記モータと前記電力供給装置の間を電気的に接続する配線上に設置され、前記モータと前記電力供給装置を電気的に接続するか否かを切り替える半導体スイッチと、
を備えた電動パワーステアリング装置であって、
前記半導体スイッチは、ノーマリーオフ型のＧａＮ−ＦＥＴを用いて形成され、
前記電力供給装置は、電力を変換するためのパワー半導体デバイスを備えており、
前記電動パワーステアリング装置は、
前記半導体スイッチのゲート電極とソース電極の間に、前記パワー半導体デバイスの動作にともなって前記半導体スイッチのゲート電極とソース電極の間に印加される電圧変動を緩和するフィルタ回路を備えている
ことを特徴とする電動パワーステアリング装置。
【請求項２】
前記フィルタ回路のフィルタリング特性は、
前記パワー半導体デバイスの動作にともなって前記半導体スイッチのゲート電極とソース電極の間に印加される電圧が、前記パワー半導体デバイスの両端に生じる最大電圧以下になるように構成されている
ことを特徴とする請求項１記載の電動パワーステアリング装置。
【請求項３】
前記フィルタ回路は、
前記半導体スイッチのゲート電極に接続された抵抗と、前記半導体スイッチのゲート電極とソース電極の間に接続されたコンデンサと、を用いて構成されている
ことを特徴とする請求項１記載の電動パワーステアリング装置。
【請求項４】
前記抵抗と前記コンデンサを用いて構成された前記フィルタ回路の時定数は、前記パワー半導体デバイスのスイッチング周期以上の値に設定されている
ことを特徴とする請求項３記載の電動パワーステアリング装置。
【請求項５】
モータと、
前記モータに電力を供給する電力供給装置と、
前記モータと前記電力供給装置の間を電気的に接続する配線上に設置され、前記モータと前記電力供給装置を電気的に接続するか否かを切り替える半導体スイッチと、
を備えた電力変換装置であって、
前記半導体スイッチは、ノーマリーオフ型のＭＯＳＦＥＴを用いて形成され、
前記電力供給装置は、電力を変換するためのパワー半導体デバイスを備えており、
前記電力変換装置は、
前記半導体スイッチのゲート電極とソース電極の間に、前記パワー半導体デバイスの動作にともなって前記半導体スイッチのゲート電極とソース電極の間に印加される電圧変動を緩和するフィルタ回路を備えている
ことを特徴とする電力変換装置。
【請求項６】
前記フィルタ回路のフィルタリング特性は、
前記パワー半導体デバイスの動作にともなって前記半導体スイッチのゲート電極とソース電極の間に印加される電圧が、前記パワー半導体デバイスの両端に生じる最大電圧以下になるように構成されている
ことを特徴とする請求項５記載の電力変換装置。
【請求項７】
前記フィルタ回路は、
前記半導体スイッチのゲート電極に接続された抵抗と、前記半導体スイッチのゲート電極とソース電極の間に接続されたコンデンサと、を用いて構成されている
ことを特徴とする請求項５記載の電力変換装置。
【請求項８】
前記抵抗と前記コンデンサを用いて構成された前記フィルタ回路の時定数は、前記パワー半導体デバイスのスイッチング周期以上の値に設定されている
ことを特徴とする請求項７記載の電力変換装置。
【請求項９】
請求項５から８のいずれか１項記載の電力変換装置と、
前記モータにより動作が補助される操舵装置と、
を備えたことを特徴と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】
本発明は、電動パワーステアリング装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
車両のステアリング装置をモータの回転力で補助する電動パワーステアリング装置は、減速機を介してギアまたはベルト等の伝達機構へモータの駆動力を伝え、最終的にステアリングシャフトあるいはラック軸の動作を補助するように構成されている。また、電源であるバッテリとモータの間には、直流電力を交流電力へ変換してモータへ供給するインバータが備えられている。
【０００３】
電動パワーステアリング装置では故障が発生したとき、インバータとモータを電気的に接続する配線上に設けられているスイッチをオフすることにより、モータからの意図しない補助力により電磁ブレーキが発生することを回避している。スイッチに関する従来技術として、電磁コイルを用いてバネを制御し、機械的に電気回路をＯＮ／ＯＦＦする部品である、電磁（機械接点）式スイッチがある。
【０００４】
下記特許文献１には、ＦＥＴなどの半導体素子を用いた半導体スイッチとして、第１化合物半導体ＭＯＳＦＥＴと第２化合物半導体ＭＯＳＦＥＴを用意し、それぞれのソース電極を内部で接続し同電位とし、第１化合物半導体ＭＯＳＦＥＴのドレイン電極および第２化合物半導体ＭＯＳＦＥＴのドレイン電極をそれぞれ出力端子とする構成が記載されている。
【０００５】
下記特許文献２には、インバータとモータを電気的に接続する配線全てに半導体スイッチ（ＭＯＳＦＥＴ）をそれぞれ１つ配置し、異常発生時には、インバータの内部にあるパワー半導体デバイスとインバータ−モータ間の半導体スイッチを、全てオフする動作例が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１１−２５４３８７号公報
【特許文献２】特開２００９−２７４６８６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
電磁式スイッチを用いてインバータとモータの間の接続をＯＮ／ＯＦＦすることを考える。モータが３相モータとして構成されている場合、インバータとモータを接続する３つの配線のうち、２つの配線にのみスイッチを設ければよい。しかし、チャタリング、作動音、過電流による接点の溶解・溶着、温度変化による接点の氷結、接点摩耗による信頼性の低下など様々な課題がある。また、バネを動作させるための電磁コイルは大型であり、インバータを小型化するためのボトルネックとなる。
【０００８】
電磁式スイッチの代わりとして、ＭＯＳＦＥＴを用いた半導体スイッチを用いることも考えられる。ＭＯＳＦＥＴはボディダイオードを有するため、ゲート信号をオフしても単方向に電流が流れる、単方向スイッチとして動作する。そのため、電磁式スイッチを単純にＭＯＳＦＥＴに置き換えただけでは、ボディダイオードを介した閉ループがモータコイル間に作られ、モータからの意図しない補助力による電磁ブレーキが生じてしまう。
【０００９】
特許文献１では、１つの電磁式リレーを２つのＭＯＳＦＥＴで置き換え、ＭＯＳＦＥＴのソース電極を同電位とすることにより双方向スイッチを実現し、ボディダイオードを介した電流閉ループが作られないようにしている。また特許文献２では、異常発生時には、インバータとモータの間に設けられたＭＯＳＦＥＴとインバータ内部のＭＯＳＦＥＴを全て遮断することにより、電流閉ループが作られないようにし、モータによる電磁ブレーキを回避している。
【００１０】
しかしながら、特許文献１〜２に記載されている技術では、従来２つの電磁式スイッチにより実現していた電磁ブレーキを回避するための制御を、３つ以上の半導体スイッチで実現するため、回路基板の実装面積とコストの増加につながる課題がある。
【００１１】
本発明は、上記のような課題に鑑みてなされたものであり、少ない実装面積とコストでモータによって生じる電磁ブレーキを抑制することができる電動パワーステアリング装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明に係る電動パワーステアリング装置は、モータと電力供給装置の間を接続する配線上に、ノーマリーオフ型のＧａＮ−ＦＥＴを用いて形成された半導体スイッチを備えている。
【発明の効果】
【００１３】
本発明に係る電動パワーステアリング装置は、ボディダイオードを持たないＧａＮ−ＦＥＴを用いることにより、ＦＥＴの電極とダイオードの電極を分離することができる。これにより、２つの半導体素子のみでモータと電力供給装置の間の接続をＯＮ／ＯＦＦすることができるので、実装面積とコストを抑えつつ、モータによって生じる電磁ブレーキを抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】実施形態１に係る電動パワーステアリング装置１０１の構成を示す図である。
【図２】実施形態２に係る電動パワーステアリング装置１０１の構成図である。
【図３】半導体スイッチ１０２と１０３のゲートを駆動する回路の具体構成を示す図である。
【図４】実施形態３に係る電動パワーステアリング装置１０１の構成図である。
【図５】半導体スイッチ１０２の側断面図である。
【図６】図５に示したＧａＮデバイスを基板３１０に実装した様子を示す側断面図である。
【図７】一部の電極が共通的に構成されたＧａＮデバイスの側断面図である。
【図８】図７で示したＧａＮデバイスを半導体スイッチ１０２として用いる場合の結線図である。
【図９】実施形態５に係る電動パワーステアリング装置１０１の構成図である。
【図１０】実施形態６に係る電動パワーステアリング装置１０１の構成図である。
【図１１】実施形態１における半導体スイッチ１０２と１０３の側断面図である。
【図１２】実施形態７における半導体スイッチ１０２と１０３の周辺を抜粋した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
＜実施の形態１＞
図１は、本発明の実施形態１に係る電動パワーステアリング装置１０１の構成を示す図である。電動パワーステアリング装置１０１は、インバータ１３０（電力供給装置）、半導体スイッチ１０２および１０３、３相モータ１１０を備える。
【００１６】
３相モータ１１０は、操舵装置の動作を補助するモータであり、バッテリ１０５の電力がインバータ１３０を介して供給される。インバータ１３０は、電力を平滑するためのコンデンサ１０４と、バッテリ１０５が供給する直流電力を交流電力に変換する電力変換部１５０を備えている。電力変換部１５０内のパワー半導体デバイスが交互にスイッチングすることにより、直流電力を交流電力に変換する。パワー半導体デバイスとしては、ＭＯＳＦＥＴやＧａＮ−ＦＥＴなどが考えられる。
【００１７】
図１には示していないが、モータ１１０の回転軸はアシスト用のギアに接続されており、モータ１１０が運転者のハンドル操作をアシストするように構成されている。またインバータ１３０は、パワー半導体デバイスのＯＮ／ＯＦＦを制御するためのゲート駆動回路を備えている。
【００１８】
電動パワーステアリング装置においては、インバータ１３０のパワー半導体デバイスやモータ１１０のコイルなどが短絡故障することが想定される。これらの故障が生じると、モータ１１０はハンドル操作をアシストするためのトルクを発生させることができなくなる。一方、これら故障が生じてもモータ１１０とインバータ１３０は電気的に接続されたままになっていると、モータ１１０のコイル間には、短絡箇所や電力変換部１５０のＭＯＳＦＥＴのボディダイオードを介した電流閉ループが形成される。そのため、モータ１１０の逆起電圧による電磁ブレーキが運転者の操舵を妨げ、ハンドルが動かなくなる恐れがある。
【００１９】
以上のような事態を回避するため、モータ１１０とインバータ１３０を接続する３本の配線中２本に、半導体スイッチ１０２と１０３を配置した。これら半導体スイッチは、ノーマリーオフ型のＧａＮ−ＦＥＴ１０６と１０８を用いて形成されている。ＧａＮ−ＦＥＴは２次元電子ガスを用いた横型半導体であるため、ＭＯＳＦＥＴのようにボディダイオードを有しない特徴があり、単体で双方向スイッチを実現することができる。
【００２０】
インバータ１３０のパワー半導体デバイスやモータ１１０のコイルなどが短絡故障したときは、ＧａＮ−ＦＥＴ１０６と１０８をオフし、モータ１１０の逆起電圧に起因する電流閉ループを遮断して電磁ブレーキを回避することができる。
【００２１】
＜実施の形態１：まとめ＞
以上のように、本実施形態１に係る電動パワーステアリング装置１０１は、ノーマリーオフ型のＧａＮ−ＦＥＴ１０６と１０８を用いて形成した半導体スイッチ１０２と１０３を、インバータ１３０とモータ１１０の間に配置している。これにより、半導体スイッチの最小数を、必要最小限である２つとすることができ、回路基板の実装面積とコストを低減しつつ、モータ１１０による電磁ブレーキを抑制することができる。
【００２２】
また、本実施形態１に係る電動パワーステアリング装置１０１によれば、ＭＯＳＦＥＴと比較してオン抵抗が小さいＧａＮ−ＦＥＴを用いることにより、回路損失を低減して動作効率を高めることができる。
【００２３】
なお本実施形態１において、電力変換部１５０の１相が故障した場合には、対象となる相のＧａＮ−ＦＥＴのみをオフし、残り２相を用いてモータ１１０によるハンドル操作アシストを実現することもできる。
【００２４】
＜実施の形態２＞
実施形態１において、半導体スイッチ１０２と１０３に求められる動作は、電力変換部１５０のパワー半導体デバイスのように動作中常時スイッチングするのではなく、運転者がエンジンを起動・停止する際にオン・オフする動作と、非常時にオフする動作のみである。すなわち、半導体スイッチ１０２と１０３を制御するための回路としては、安定した定電圧電源と、回路をオン・オフするトランジスタなどの小電力スイッチがあればよいことになる。
【００２５】
しかし実際には、ＧａＮ−ＦＥＴ１０６と１０８それぞれのソース電極１１１と１１６は、電力変換部１５０の上下アーム間に接続される。そのため、電力変換部１５０のパワー半導体デバイスがスイッチングするたびに、ソース電極１１１と１１６の電位は、バッテリ１０５の電位（Ｖｂ）とインバータ１３０のグラウンド電位（０）の間で変動する。この電位変動が許容されるか否かは、ＧａＮ−ＦＥＴの特性に依拠する。
【００２６】
ＧａＮ−ＦＥＴの特性については、例えば半導体メーカであるＥＰＣ社のデータシートを参照することができる（http://epc-co.com/epc/）。例として、ダイオードを内蔵した４０Ｖ耐圧ＦＥＴであるＥＰＣ２０１５のデータシートを見ると、ゲート電圧の上限が６Ｖでかつゲート電圧の変動に対するオン抵抗の変化が大きいことが確認できる。特に半導体スイッチとして用いるためには損失を低く抑える必要があるので、ゲート電圧の制御範囲としては、５．５Ｖ±０．５Ｖ程度の非常に厳しい値が求められる。
【００２７】
上記課題に鑑みて、半導体スイッチ１０２と１０３を安定して動作させるため、前述した電位変動の影響を受けないように、絶縁型のゲート駆動回路をそれぞれの半導体スイッチに設けることが考えられる。しかしこの場合、制御回路の部品点数が増え、実装面積とコストが増加する課題がある。
【００２８】
そこで本発明の実施形態２では、半導体スイッチ１０２と１０３それぞれのソース電極における電位変動を緩和するフィルタ回路を設ける。その他の構成は実施形態１と同様であるため、以下ではフィルタ回路に係る差異点を中心に説明する。
【００２９】
図２は、本実施形態２に係る電動パワーステアリング装置１０１の構成図である。図２において、ＧａＮ−ＦＥＴ１０６と１０８それぞれのゲート電極１１２と１１７には、ゲート信号のスイッチング速度を制御するための抵抗４０１と４０３がそれぞれ接続されている。また、ゲート電極１１２とソース電極１１１の間、およびゲート電極１１７とソース電極１１６の間には、同じくスイッチング速度を制御するためのコンデンサ４０２と４０４がそれぞれ接続されている。抵抗４０１とコンデンサ４０２、抵抗４０３とコンデンサ４０４は、それぞれＲＣローパスフィルタ回路を形成する。
【００３０】
各ＲＣローパスフィルタ回路の時定数は、電力変換部１５０のパワー半導体デバイスを制御するＰＷＭ制御信号のキャリア周波数の１周期以上に設定する。これにより、電力変換部１５０のパワー半導体デバイスがスイッチングする度に変動していたソース電極１１１と１１６の電位変動を、ＲＣフィルタによって抑制することができる。すなわち、半導体スイッチ１０２と１０３のゲート電圧変動を抑制し、目標範囲以内に制御することができる。
【００３１】
図３は、半導体スイッチ１０２と１０３のゲートを駆動する回路の具体構成を示す図である。インバータ１３０の上アームを駆動する電源はチャージポンプなどの昇圧回路５０１で構成され、そのグラウンド配線はインバータ１３０のグラウンド配線と共通である。昇圧回路５０１と、半導体スイッチ１０２および１０３それぞれのゲート電極１１２および１１７の間には、半導体スイッチ１０２および１０３のＯＮ／ＯＦＦを制御するためのスイッチ５０２と５０３が設けられている。
【００３２】
図３に示す回路構成を採用することにより、半導体スイッチ１０２と１０３を駆動するためのゲート電源として、昇圧された電源Ｖｐｐを用いることができる。これにより、半導体スイッチ１０２と１０３を駆動するための電源を別に用意する必要がなくなるので、上述のＲＣローパスフィルタ回路の効果と併せて、ゲート駆動回路の部品点数を削減することができる。
【００３３】
なお、図２〜図３で説明した回路構成において、ＲＣフィルタ回路の時定数を大きくし過ぎると、異常発生時に半導体スイッチ１０２と１０３をオフする速度が遅くなり、所望の動作を実現できない可能性がある。そこで、前述したＲＣフィルタ回路に並列して、ＯＦＦスイッチング速度を早くするための回路を接続することもできる。例えば、ダイオードと抵抗を直列接続した回路などが考えられる。
【００３４】
本実施形態２において、図２〜図３で説明したＲＣローパスフィルタ回路と同様の効果を発揮することができれば、その他のフィルタ回路を採用することもできる。すなわち、半導体スイッチ１０２と１０３のゲート電圧変動が、電力変換部１５０のパワー半導体デバイスの１スイッチング周期において生じる、パワー半導体デバイス両端電圧の最大値よりも小さくなるような特性を有するフィルタ回路であればよい。
【００３５】
＜実施の形態２：まとめ＞
以上のように、本実施形態２に係る電動パワーステアリング装置１０１によれば、半導体スイッチ１０２と１０３を制御するためのゲート駆動回路として、絶縁型のゲート駆動回路をそれぞれ設ける必要がないので、ゲート駆動回路の部品点数を大幅に削減し、回路構成のさらなる小型化を実現することができる。
【００３６】
また、本実施形態２に係る電動パワーステアリング装置１０１によれば、既存の昇圧回路５０１を電源として半導体スイッチ１０２と１０３を駆動することができるので、ゲート駆動回路の部品点数削減およびコスト低減をさらに促進することができる。
【００３７】
＜実施の形態３＞
実施形態１〜２では、インバータ１３０が備えているパワー半導体デバイスと、半導体スイッチ１０２および１０３は、それぞれ異なる種類の半導体スイッチを用いた。しかし実際には、全て同じ種類の半導体スイッチを用いて回路を実装する場合もあると考えられる。そこで本発明の実施形態３では、電力変換部１５０のパワー半導体デバイスとして、半導体スイッチ１０２および１０３と同じＧａＮ−ＦＥＴを用いる構成例を説明する。その他の構成は実施形態１〜２と同様であるため、以下では実施形態１で説明した構成を前提として差異点を中心に説明するが、実施形態２で説明した構成の下で本実施形態３に係る構成を採用することもできる。
【００３８】
図４は、本実施形態３に係る電動パワーステアリング装置１０１の構成図である。インバータ１３０が備えるパワー半導体デバイスは、ボディダイオードが必要であるため、これと同じ種類の半導体スイッチを用いて半導体スイッチ１０２と１０３を構成した場合、これらにもボディダイオードが付与されることになる。しかし後述の図５〜図６で説明するように、このボディダイオードは浮動電位配線に接続してＦＥＴから電気的に切り離すことができるので、結果として実施形態１〜２と同様の効果を発揮することができる。
【００３９】
図４に示す回路構成において、半導体スイッチ１０２が備えるＧａＮダイオード１０７のアノード電極１１４とカソード電極１１５は浮動電位配線に同電位で接続され、ＧａＮ−ＦＥＴ１０６のドレイン電極１１３とソース電極１１１は、それぞれ配線を介してモータ１１０とインバータ１３０に接続されている。ＧａＮダイオード１０７はＧａＮ−ＦＥＴ１０６から電気的に切り離された浮動電位配線に接続されているので、ＧａＮダイオード１０７は半導体スイッチ１０２の動作上では使用されない。半導体スイッチ１０３についても同様である。
【００４０】
図５は、半導体スイッチ１０２の側断面図である。半導体スイッチ１０３も同様の構成を有するため説明は省略する。
【００４１】
図５において、同一ウェハ上にＧａＮ−ＦＥＴ１０６とＧａＮダイオード１０７が形成されている。ＧａＮ−ＦＥＴ１０６とＧａＮダイオード１０７は、ＡｌＧａＮ（窒化アルミニウムガリウム）２０５とＧａＮ（ガリウムナイトライド）２０３のヘテロ接合界面に発生する２次元電子ガス２０４を利用するデバイスであり、複数の素子を水平方向に並べて配置する横型の半導体デバイスである。符号２０２はバッファ層である。近年、ＧａＮ系半導体結晶の成長基板としてＳｉサブストレート２０１を用いる技術が進歩してきており、ＧａＮを利用した半導体デバイスの低コスト化の可能性が高まっている。
【００４２】
ＧａＮダイオード１０７は、ＭＯＳＦＥＴのようにＧａＮ−ＦＥＴ１０６との間でｐｎ接合が形成されないため、電力変換部１５０のパワー半導体デバイスとして利用するためには、ＧａＮ−ＦＥＴ１０６と同じウェハ上にＧａＮダイオード１０７を配置しなければならない。その結果、ＧａＮ−ＦＥＴ１０６のドレイン電極１１３およびソース電極１１１とＧａＮダイオード１０７のカソード電極１１５およびアノード電極１１４を別電極とすることができる。すなわち、ＧａＮ−ＦＥＴ１０６とＧａＮダイオード１０７は、互いに電気的に独立させることができる。
【００４３】
図６は、図５に示したＧａＮデバイスを基板３１０に実装した様子を示す側断面図である。半導体スイッチ１０２と１０３は、電気的な接合部材３１１を介して基板３１０に接続する。接合部材３１１は、例えば鉛フリーはんだや銀ペーストなどが考えられる。基板３１０は、例えばプリント基板、絶縁金属基板、セラミック基板などが考えられる。
【００４４】
ＧａＮ−ＦＥＴ１０６と１０８は、実施形態１〜２と同様に、モータ１１０とインバータ１３０を接続する配線上に配置する。ＧａＮダイオード１０７と１０９のカソード電極１１５と１２０およびアノード電極１１４と１１９は、モータ１１０による電磁ブレーキを回避するため、インバータ１３０およびモータ１１０と電気的に接続している配線には接続しない。具体的には、浮動電位配線である３０４と３０５に接続する。配線３０４および３０５は、ＧａＮ−ＦＥＴ１０６と１０８を接続する配線３０１から切り離されているので、インバータ１３０のグラウンド配線と同電位であっても電流閉ループは作られない。そのため、配線３０４および３０５はインバータ１３０のグラウンド配線に接続しても構わない。
【００４５】
＜実施の形態３：まとめ＞
以上のように、本実施形態３に係る電動パワーステアリング装置１０１によれば、電力変換部１５０内で用いるパワー半導体デバイスと、モータ１１０による電磁ブレーキを回避するための半導体スイッチ１０２および１０３を、共通仕様にすることができる。これにより、装置設計を簡易化することができる。
【００４６】
また、本実施形態３に係る電動パワーステアリング装置１０１によれば、ＧａＮ−ＦＥＴと同一ウェハ上に形成されたＧａＮダイオードの電極を浮動電位配線に接続することにより、モータ１１０のコイル間にＧａＮダイオードを介した電流閉ループが作られることがなくなるので、実施形態１〜２と同様にモータ１１０による電磁ブレーキを抑制することができる。
【００４７】
また、本実施形態３に係る電動パワーステアリング装置１０１によれば、半導体スイッチ１０２と１０３が内蔵するＧａＮダイオードを浮動電位配線に接続することにより、ＧａＮ−ＦＥＴ１０６と１０８上で発生したジュール熱を浮動電位配線へ効果的に逃がすことができ、信頼性の向上につながる。
【００４８】
＜実施の形態４＞
ＧａＮ−ＦＥＴとＧａＮダイオードを内蔵した半導体スイッチのなかには、ＧａＮ−ＦＥＴのドレイン電極とＧａＮダイオードのカソード電極が共通的に構成され、さらにＧａＮ−ＦＥＴのソース電極とＧａＮダイオードのアノード電極が共通的に構成されたものがある。本発明の実施形態４では、実施形態３で説明した半導体スイッチが上記のように構成されている例を説明する。その他の構成は実施形態３と同様である。
【００４９】
図７は、一部の電極が共通的に構成されたＧａＮデバイスの側断面図である。ＧａＮ−ＦＥＴ１０６のドレイン電極１１３とＧａＮダイオード１０７のカソード電極１１５は、配線５０１によって接続され、これら電極は共通電極として構成されている。同様にＧａＮ−ＦＥＴ１０６’のソース電極１１１‘とＧａＮダイオード１０７のアノード電極１１４は、配線５０２によって接続され、これら電極は共通電極として構成されている。後述の図８に示すように、ＧａＮ−ＦＥＴとＧａＮダイオードは基板上に同数設けられ、交互に直列接続されている。
【００５０】
図８は、図７で示したＧａＮデバイスを半導体スイッチ１０２として用いる場合の結線図である。上述のようにＧａＮ−ＦＥＴ１０６とＧａＮダイオード１０７は交互に直列接続されている。全てのＧａＮ−ＦＥＴ１０６のソース電極とドレイン電極が、モータ１１０とインバータ１３０に接続されるのではなく、ＧａＮ−ＦＥＴ１０６と１０６’’のように１つおきに接続される。この理由について以下に説明する。
【００５１】
全てのＧａＮ−ＦＥＴ１０６のドレイン電極およびソース電極をインバータ１３０とモータ１１０に接続すると、ＧａＮダイオード１０７を介した電流閉ループが形成されてしまう。しかし図８に示すように、１つおきにドレイン電極およびソース電極をインバータ１３０とモータ１１０に接続し、各ＧａＮ−ＦＥＴ１０６が並列接続となるように構成すると、ＧａＮダイオード１０７を介した電流閉ループが形成されない回路構成を得ることができる。
【００５２】
＜実施の形態４：まとめ＞
以上のように、本実施形態４に係る電動パワーステアリング装置１０１は、半導体スイッチ１０２および１０３として、ＧａＮ−ＦＥＴ１０６のドレイン電極１１３とＧａＮダイオード１０７のカソード電極１１５が同一電極として形成され、ＧａＮ−ＦＥＴ１０６のソース電極１１１とＧａＮダイオード１０７のアノード電極１１４が同一電極として形成されたＧａＮデバイスを用いることができる。
【００５３】
本実施形態４において、ＧａＮ−ＦＥＴ１０６のオン抵抗はＭＯＳＦＥＴのオン抵抗よりも小さいため、図８において並列に接続されているＧａＮ−ＦＥＴ１０６全てを用いず遊休させているＧａＮ−ＦＥＴ１０６がある場合でも、ＭＯＳＦＥＴと同等の性能を実現することができる。
【００５４】
＜実施の形態５＞
実施形態１〜４では、ＧａＮ−ＦＥＴ１０６と１０８それぞれのソース電極１１１と１１９は配線を介してインバータ１３０と接続され、ＧａＮ−ＦＥＴ１０６と１０８それぞれのドレイン電極１１３と１１８は配線を介してモータ１１０に接続されているが、接続関係はこれに限られるものではない。本発明の実施形態５では、これらの接続関係を変更した変形例を説明する。その他の構成は実施形態１〜４と同様である。
【００５５】
図９は、本実施形態５に係る電動パワーステアリング装置１０１の構成図である。図９において、ＧａＮ−ＦＥＴ１０６と１０８それぞれのソース電極１１１と１１９は配線を介してモータ１１０と接続され、ＧａＮ−ＦＥＴ１０６と１０８それぞれのドレイン電極１１３と１１８は配線を介してインバータ１３０と接続されている。図９に示す回路構成においても、実施形態１〜４と同様の効果を発揮することができる。
【００５６】
＜実施の形態６＞
実施形態１〜５において、ＧａＮダイオードを有する半導体スイッチ１０２および１０３を採用する場合、ＧａＮダイオード１０７と１０９は互いに別の配線３０１と３０２にそれぞれ接続されているが、これに限られるものではない。本発明の実施形態６では、ＧａＮダイオード１０７と１０９を同一配線に接続した構成例を説明する。その他の構成は実施形態１〜５と同様である。
【００５７】
図１０は、本実施形態６に係る電動パワーステアリング装置１０１の構成図である。ＧａＮダイオード１０７と１０９それぞれのカソード電極１１５と１２０、およびアノード電極１１４と１１９は、浮動電位配線３０６に接続されている。配線３０６はインバータ１３０のグラウンド配線に接続してもよい。
【００５８】
図１１は、本実施形態１における半導体スイッチ１０２と１０３の側断面図である。カソード電極１１５と１２０、およびアノード電極１１４と１１９は、浮動電位配線３０６に接続されている。浮動電位配線３０６は、モータ１１０に接続される配線およびインバータ１３０に接続される配線から切り離されているので、実施形態３と同様の効果を発揮することができる。
【００５９】
本実施形態６の構成によれば、浮動電位配線３０６の面積を他の実施形態よりも大きくとることができる。これにより、ＧａＮ−ＦＥＴ１０６と１０８で発生した熱をさらに効果的に逃がすことができる。その結果、更なる信頼性向上につながる。
【００６０】
＜実施の形態７＞
実施の形態１〜６において、半導体スイッチ１０２と１０３はそれぞれ独立した位置に配置されているが、これらを近傍に配置することにより、配線長を短く抑えることができる。本発明の実施形態７では、半導体スイッチ１０２と１０３を駆動するための配線を共通的に構成した回路例を説明する。その他の構成は実施形態１〜６と同様である。
【００６１】
図１２は、本実施形態７における半導体スイッチ１０２と１０３の周辺を抜粋した図である。図１２において、半導体スイッチ１０２と１０３それぞれのゲート電極１１２と１１７は、ゲート配線を挟んで対向するように配置されている。これにより、ゲート配線長を共通化し、配線長を短く抑えることができる。
【００６２】
本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。上記実施形態は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることもできる。また、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を加えることもできる。また、各実施形態の構成の一部について、他の構成を追加・削除・置換することもできる。例えば以下のような変形例が考えられる。
【００６３】
（変形例その１）
半導体スイッチ１０２および１０３と電力変換部１５０のパワー半導体デバイスを、同一基板上に実装することもできる。これにより、インバータ１３０の実装レイアウトの自由度が改善され、装置全体を小型化することができる。
【００６４】
（変形例その２）
電力変換部１５０のパワー半導体デバイスは、実施形態３で説明した構成例を除けば、ＧａＮデバイスに限られるものではなく、ＭＯＳＦＥＴやＩＧＢＴを採用することもできる。
【００６５】
（変形例その３）
モータ１１０は、３相モータに限られるものではなく、例えばＤＣモータを採用することもできる。この場合、インバータ１３０に代えて例えばＤＣ−ＤＣコンバータなどを電力供給装置として設けることができる。この構成においても、半導体スイッチ１０２と１０３が電力供給装置とモータ１１０の間の接続をＯＮ／ＯＦＦする機能は、他の構成例と同様である。
【００６６】
（変形例その４）
半導体スイッチ１０２と１０３は、モータ１１０による電磁ブレーキを回避する以外の用途に用いることもできる。例えば、バッテリ１０５とインバータ１３０を接続する配線上に設ける電源スイッチとして活用することもできる。ＧａＮ半導体は耐圧数ｋＶまで実用化可能なデバイスであり、利用する電圧の範囲も幅広く、車載向けや電力系統など様々な用途で利用できると考えられる。
【００６７】
（変形例その５）
実施形態２で説明した、抵抗とコンデンサなどを用いたフィルタ回路をゲート駆動のために用いる構成およびその時定数は、ＧａＮ半導体に限らず採用することができる。例えば半導体スイッチ１０２および１０３としてＭＯＳＦＥＴを採用する場合においても、ゲート電圧が変動する課題は同様に発生するので、実施形態２と同様のフィルタ回路を用いてこれを抑制することができる。
【００６８】
上記各構成、機能、処理部、処理手段等は、それらの一部や全部を、例えば集積回路で設計する等によりハードウェアで実現してもよい。また、上記の各構成、機能等は、プロセッサがそれぞれの機能を実現するプログラムを解釈し、実行することによりソフトウェアで実現してもよい。各機能を実現するプログラム、テーブル、ファイル等の情報は、メモリ、ハードディスク、ＳＳＤ（Ｓｏｌｉｄ  Ｓｔａｔｅ  Ｄｒｉｖｅ）等の記録装置、ＩＣカード、ＳＤカード、ＤＶＤ等の記録媒体に格納することができる。
【符号の説明】
【００６９】
１０１：電動パワーステアリング装置、１０２および１０３：半導体スイッチ、１０６および１０８：ＧａＮ−ＦＥＴ、１０７および１０９：ＧａＮダイオード、１１０：モータ、１３０：インバータ、１５０：電力変換部。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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