(57)【要約】【課題】昇圧チョッパ回路、及び／又は、降圧チョッパ回路を有するモータ駆動回路であって、その昇圧動作や降圧動作等が簡易な手段によりモニタ可能であるモータ駆動回路を提供する。【解決手段】電源からの直流電圧を高電圧に昇圧しモータに供給する昇圧チョッパ回路、及び／又は、モータの回生時には、発生する回生電圧を、前記電源を充電するための電圧に降圧する降圧チョッパ回路、並びに、昇圧チョッパ回路及び／又は降圧チョッパ回路内のリアクトルにトランスとして付加された回路動作モニタ用コイルを有することを特徴とするモータ駆動回路。【選択図】図１
2005223989.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電源からの直流電圧を高電圧に昇圧しモータに供給する昇圧チョッパ回路、及び／又は、
モータの回生時には、発生する回生電圧を、前記電源を充電するための電圧に降圧する降圧チョッパ回路、並びに、
昇圧チョッパ回路及び／又は降圧チョッパ回路内のリアクトルにトランスとして付加された回路動作モニタ用コイル
を有することを特徴とするモータ駆動回路。
【請求項２】
昇圧チョッパ回路及び降圧チョッパ回路をともに有し、該昇圧チョッパ回路及び該降圧チョッパ回路がリアクトルを共有し、かつ該リアクトルに回路動作モニタ用コイルが付加されていることを特徴とする請求項１に記載のモータ駆動回路。
【請求項３】
ＤＣモータ駆動用であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のモータ駆動回路。
【請求項４】
交流モータ駆動用であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のモータ駆動回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明はモニタ機能が付加されたモータ駆動回路に関し、特に、自動車の駆動源として搭載されるモータの駆動回路であって、その昇圧動作や降圧動作等をモニタする機能が付加されたモータ駆動回路に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、電気モータ（以下単にモータと言う。）は、自動車にも搭載され駆動源として用いられるようになっている。例えば、排気ガスを軽減でき環境汚染を防止できるものとして注目され、実用化されているハイブリッド車は、ガソリンエンジンとモータとを駆動源として走行するものである。
【０００３】
特開２００１−２９２５７８号公報には、電気自動車やハイブリッド車を駆動するモータ駆動回路が開示されている。このモータ駆動回路は、電池からの直流電圧を変換した交流電圧でモータを駆動するものである。
【０００４】
また、自動車の駆動源としてのモータは、減速時や坂道の下りの際には、発電機として作用し、回生電圧を発生する。そこで、回生電圧により電池を充電する回生機能が必要となるが、特開２００１−２９２５７８号公報に開示のモータ駆動回路は、回生時には回生電圧を直流電圧に変換し、ダイオードを介してその直流電圧を電池に供給して充電している。
【０００５】
自動車の駆動源としてのモータの駆動電圧は、従来は、２００〜３００Ｖ程度であった。しかし近年、自動車の加速力の向上を目指して、駆動電圧は高電圧に移行しており、今後は５００Ｖを超える駆動電圧が必要とされている。そこで、このような高電圧を電池の直列数を増加させることなく得られるように、昇圧チョッパ回路を有するモータ駆動回路が考えられている。
【０００６】
又、高い電圧で駆動するモータからの回生電圧は高圧なので、昇圧チョッパ回路を有するモータ駆動回路は、該回生電圧を電池の充電に適当な電圧に降圧する降圧手段を有することが望まれており、該降圧手段として降圧チョッパ回路が挙げられる。
【０００７】
自動車の効率のよい運転のために、モータやモータ駆動回路の昇圧動作や降圧動作を常にモニタし、その結果に基づき制御することが望まれる。モータやモータ駆動回路の動作は、モータ駆動回路内の電流の変化によりモニタ可能である。しかし、昇圧や降圧チョッパ回路を有するモータ駆動回路では、モータ駆動回路内の電流は高圧であり、直接モニタすることは困難であった。そこで、簡易な手段により容易にモータ駆動回路内の電流の変化をモニタできるモータ駆動回路の開発が望まれていた。
【特許文献１】特開２００１−２９２５７８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、昇圧チョッパ回路及び／又は降圧チョッパ回路を有するモータ駆動回路であって、その昇圧動作や降圧動作等が簡易な手段によりモニタ可能であるモータ駆動回路を提供することをその課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明者は、検討の結果、昇圧チョッパ回路及び／又は降圧チョッパ回路内のリアクトル両端に発生する電圧波形をモニタすれば、昇圧動作や降圧動作等がモニタ可能であること、さらに該リアクトル両端に発生する電圧波形は、該リアクトルにコイルをトランスとして付加することにより簡易な手段でモニタ可能であり前記の課題が達成されることを見出し、本発明を完成した。
【００１０】
本発明は、その請求項１として、
電源からの直流電圧を高電圧に昇圧しモータに供給する昇圧チョッパ回路、及び／又は、
モータの回生時には、発生する回生電圧を、前記電源を充電するための電圧に降圧する降圧チョッパ回路、並びに、
昇圧チョッパ回路及び／又は降圧チョッパ回路内のリアクトルにトランスとして付加された回路動作モニタ用コイル
を有することを特徴とするモータ駆動回路を提供するものである。
【００１１】
本発明は、昇圧チョッパ回路及び降圧チョッパ回路の少なくとも一つを有する。昇圧チョッパ回路により、電源からの直流電圧より高電圧でモータを駆動することが可能となる。又降圧チョッパ回路により、モータの回生時には、回生電圧は充電に適当な電圧、通常電池が発生する直流電圧と同程度の電圧、に降圧されるので、高い回生電圧にも係わらず低い電圧で電源の電池を充電することが可能になる。
【００１２】
なお、特開２０００−１０２１７７号公報には、車載補機駆動用の補機用充電手段や商用ＤＣ電力整流手段からの直流電圧を、昇圧手段などにより昇圧して主機用充電手段を充電することについて記載されているが、本発明での昇圧手段は、駆動用モータへの電力供給のために用いられるものである。また、特開２００１−２９２５７８号公報には回生機能について記載されているが、降圧手段については記載されていない。従って、高い回生電圧を生じるモータの場合には、高圧のまま電池を充電することになり、電圧を下げて電池を充電することができない。
【００１３】
昇圧チョッパ回路は、通常、電池からの直流電圧が与えられてエネルギーを蓄積するリアクトルと、リアクトルから出力される直流電圧をスイッチングし、蓄積されたエネルギーに基づいて高電圧の断続パルスを出力するスイッチング素子と、スイッチング素子から出力される断続パルスを整流するダイオードを有する。モニタ用のコイルは、このエネルギーを蓄積するリアクトルに付加される。
【００１４】
降圧チョッパ回路は、通常、モータから発生する回生電圧、交流モータの場合はモータから発生する回生電圧を整流した直流、をスイッチングするスイッチング素子と、スイッチング素子のオン時にエネルギーを蓄積するリアクトルと、スイッチング素子のオフ時にリアクトルに蓄積されたエネルギーに基づいて電池に還流電流を流すダイオードを有する。モニタ用のコイルは、このエネルギーを蓄積するリアクトルに付加される。
【００１５】
前記昇圧チョッパ回路や前記降圧チョッパ回路において、スイッチング素子及びダイオードの代わりに、スイッチング素子及びダイオードを内蔵するパワースイッチングデバイスを用いることができる。すなわち、スイッチング素子とダイオードを配線する代わりに、その中にスイッチング素子と整流素子やダイオードを並列に接続したパワースイッチングデバイスを配線することができる。
【００１６】
前記の昇圧チョッパ回路及び降圧チョッパ回路のスイッチング素子は、チョッパドライブ回路から供給される駆動パルスによりスイッチングを行う。スイッチング素子としては、絶縁ゲート型トランジスタ（ＩＧＢＴ）やパワーＭＯＳＦＥＴ等の半導体素子が例示される。前記の昇圧チョッパ回路による昇圧比及び降圧チョッパ回路による降圧比は、スイッチングのオン時間とオフ時間の比により決められる。
【００１７】
本発明のモータ駆動回路は、回路動作モニタ用コイルを有することを特徴とする。該モニタ用コイルは、前記のように、昇圧チョッパ回路及び／又は降圧チョッパ回路内のリアクトルにトランスとして付加される。トランスとして付加されるとは、昇圧チョッパ回路や降圧チョッパ回路内のリアクトル内の電流の変化によって生じる電磁場の変化に応じて、該モニタ用コイルに誘導電流が生じるように配置されていることを意味する。リアクトルの電磁場の変化にモニタ用コイルの誘導電流が精密に対応するように、該モニタ用コイルはリアクトルの近傍に設置されることが好ましく、より好ましくはコアを共有するように設置されることが好ましい。
【００１８】
該モニタ用コイルに発生した誘導電流は、制御回路へ信号用として送られ、信号処理される。該リアクトルの発生する電圧は高電圧であり、一方、制御回路で用いる信号用の電圧は低い。この低い電圧は、該モニタ用コイルの巻数を少なくすることにより達成される。このように、該モニタ用コイルをトランスとして用いており、直流的に絶縁されているため、昇圧や降圧に係わる電圧が高圧であっても、制御回路で用いる信号用の低い電圧で信号処理をすることが可能になる。
【００１９】
本発明のモータ駆動回路においては、昇圧チョッパ回路及び降圧チョッパ回路をともに有することが、回生電圧を有効に利用できるので好ましい。特に、昇圧チョッパ回路及び降圧チョッパ回路として、両者を一体化し、両者の機能を有する回路、例えば一端が入力又は出力の陽極側端子に接続しているリアクトル、互いに直列に接続されており、両者の間でリアクトルの他端と接続している２個のダイオード、かつ該２個のダイオードとそれぞれ並列に設けられており、かつ互いに直列に接続されている２個の半導体素子を有するチョッパ回路を用いることも可能であり、回路の複雑化を防ぐために好ましい。
【００２０】
このような昇圧チョッパ回路及び降圧チョッパ回路を一体化した回路の場合は、昇圧チョッパ回路及び降圧チョッパ回路がリアクトルを共有しており、このリアクトルに、モニタ用コイルがトランスとして付加される。請求項２は、この態様に該当し、前記のモータ駆動回路であって、昇圧チョッパ回路及び降圧チョッパ回路をともに有し、該昇圧チョッパ回路及び該降圧チョッパ回路がリアクトルを共有し、かつ該リアクトルに回路動作モニタ用コイルが付加されていることを特徴とするモータ駆動回路を提供するものである。
【００２１】
本発明のモータ駆動回路はＤＣモータ駆動用としても交流モータ駆動用としても用いられる。請求項３及び請求項４はそれぞれの態様に該当するものである。すなわち、請求項３は、前記のモータ駆動回路であって、ＤＣモータ駆動用であることを特徴とするモータ駆動回路を提供するものであり、請求項４は、前記のモータ駆動回路であって、交流モータ駆動用であることを特徴とするモータ駆動回路を提供するものである。
【００２２】
交流モータ駆動用として用いられる場合は、前記昇圧チョッパ回路で昇圧された直流は、インバータ手段により交流電圧に変換され交流モータに供給される。インバータ手段は、スイッチング素子により、直流電圧を交流電圧に変換するものであり、変換された交流電圧は交流モータに供給され交流モータが駆動される。前記インバータ手段は、インバータドライブ回路より、前記スイッチング素子に供給される駆動パルスにより作動する。従って、交流モータ駆動用の場合は、さらに前記インバータ手段に駆動パルスを供給するインバータドライブ回路が必要である。
【００２３】
交流モータより発生する回生電圧は交流であり、一方電池の充電は直流により行われるので、交流モータ駆動用の場合は好ましくは、前記インバータ手段が、前記交流モータにより発生される回生電圧を整流して直流を出力する。
【発明の効果】
【００２４】
本発明により、昇圧チョッパ回路及び／又は降圧チョッパ回路を有するモータ駆動回路において、その昇圧動作や降圧動作等を簡易な手段によりモニタすることができる。回路動作モニタ用コイルより出力された信号用の電流は、制御回路へ送られ、モータを円滑かつ効率よく作動するための制御に用いられる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
図４はこの発明が適用される降圧チョッパ回路の原理図であり、図５はチョッパ周期の駆動パルスの波形図である。
【００２６】
図４において、電池Ｂはその正電極から直流電圧Ｅ１を発生し、半導体素子Ｓのコレクタに与える。半導体素子Ｓのベースには図５に示すオン時間、オフ時間を繰り返すチョッパ周期の駆動パルスが与えられる。半導体素子Ｓはこの駆動パルスによりスイッチング（オン、オフ）する。半導体素子ＳのエミッタにはリアクトルＬの一端とダイオードＤｆのカソードとが接続されており、リアクトルＬの他端は平滑コンデンサＣの一端と負荷Ｒの一端に接続されている。電池Ｂの負電極、ダイオードＤｆのアノード及び平滑コンデンサＣの他端と負荷Ｒの他端は共通接続されている。
【００２７】
駆動パルスがチョッパ周期のオン時間には半導体素子Ｓがオンして、半導体素子Ｓのエミッタから電池Ｂの電圧Ｅ１が出力され、リアクトルＬを介して平滑コンデンサＣが充電されるとともに負荷Ｒに電流ｉＲが流れて負荷Ｒの両端に電圧Ｅ２が生じる。このときリアクトルＬにエネルギーが蓄積される。駆動パルスがオフ時間になると半導体素子Ｓがオフし、エミッタの電圧は０Ｖになり、電池Ｂから負荷Ｒに電流ｉＲが流れなくなる。
【００２８】
しかし、リアクトルＬにエネルギーが蓄積されているとともに平滑コンデンサＣが充電されているため、ダイオードＤｆの両端に電圧Ｖｆが生じ、ダイオードＤｆ、リアクトルＬ、平滑コンデンサＣからなる閉回路に還流電流が流れ、負荷Ｒに電圧Ｅ２が印加される。この電圧Ｅ２は、駆動パルスの周波数を十分に高く設定しておくことにより、リップルの小さい電圧とすることができる。この直流電圧Ｅ２は電池Ｂから出力される直流電圧Ｅ１を降圧した電圧であって、駆動パルスのオン時間とオフ時間の比に応じて任意の電圧に設定できる。
【００２９】
図６はこの発明が適用される昇圧チョッパ回路の原理図である。図６において、電池Ｂの正電極からの直流電圧Ｅ１はリアクトルＬを介して半導体素子Ｓのコレクタに与えられるとともに、ダイオードＤのアノードに与えられる。半導体素子Ｓのベースには図５に示したチョッパ周期の駆動パルスが与えられる。ダイオードＤのカソードはコンデンサＣの一端と負荷Ｒの一端とに接続される。電池Ｂの負電極と半導体素子ＳのエミッタとコンデンサＣの他端と負荷Ｒの他端は共通接続されている。
【００３０】
図５に示した駆動パルスがチョッパ周期でオン時間になると半導体素子ＳがオンしてリアクトルＬに電流ｉＬが流れてリアクトルＬにエネルギーが蓄積される。半導体素子Ｓがオン、オフすることにより、半導体素子ＳとリアクトルＬの接続点に高電圧の断続パルスが出力され、この断続パルスによりダイオードＤを介して平滑コンデンサＣが充電されるとともに負荷Ｒに電流ｉＲが流れる。
【００３１】
駆動パルスがオフ時間になると半導体素子Ｓがオフし、電池Ｂから負荷Ｒに電流ｉＲが流れなくなるが、リアクトルＬに蓄積されたエネルギーにより平滑コンデンサＣが充電されるとともに負荷Ｒに電力が供給され続ける。負荷Ｒに供給される直流電圧Ｅ３は、昇圧された電圧であって、駆動パルスのオン時間とオフ時間の比に応じて任意の電圧に設定できる。
【００３２】
図１はこの発明の一実施形態のＤＣモータ駆動回路を示す回路図である。図１の例のＤＣモータ駆動回路は、チョッパ回路１及びチョッパドライブ回路２を有する。チョッパ回路１は図４に示した降圧チョッパ回路と、図６に示した昇圧チョッパ回路とを逆向きに複合したものである。
【００３３】
電池Ｂの正電極はチョッパ回路１中のリアクトルＬの一端に接続され、リアクトルＬの他端はダイオードＤ２のアノードと、ダイオードＤ１のカソードと、パワーＭＯＳＦＥＴ  Ｓ１のソースと、パワーＭＯＳＦＥＴ  Ｓ２のドレインとに接続されている。ダイオードＤ２のカソードとパワーＭＯＳＦＥＴ  Ｓ１のドレインはノードＰに接続され、電池Ｂの負電極とダイオードＤ１のアノードとパワーＭＯＳＦＥＴ  Ｓ２のソースはノードＮに接続されている。ノードＮは接地され、ノードＰとＮとの間には平滑コンデンサＣが接続されている。パワーＭＯＳＦＥＴ  Ｓ１、Ｓ２の各ゲートにはチョッパドライブ回路２から駆動パルスｄ１、ｄ２が与えられる。
【００３４】
チョッパ回路１のパワーＭＯＳＦＥＴ  Ｓ１は、オン、オフすることによりダイオードＤ１を介して降圧した電圧を電池Ｂに出力する降圧チョッパ回路として動作し、パワーＭＯＳＦＥＴ  Ｓ２はオン、オフすることにより、ダイオードＤ２を介して電池Ｂの電圧を昇圧した電圧を出力する昇圧チョッパ回路として動作する。
【００３５】
次に、図１に示したＤＣモータ駆動回路の動作について説明する。図２は図１のチョッパドライブ回路から出力される駆動パルスを示す図である。
【００３６】
モータ駆動時には、図２（ａ）に示すように、チョッパドライブ回路２からオン、オフする駆動パルスｄ２が出力されてパワーＭＯＳＦＥＴ  Ｓ２のゲートに与えられる。この駆動パルスｄ２のオン時間、オフ時間の比は、電池Ｂの電圧が所定の電圧に昇圧されるように設定されている。この時、パワーＭＯＳＦＥＴ  Ｓ１のゲートに与えられる駆動パルスｄ１は、図２（ｂ）に示すように「Ｌ」レベルに設定されており、パワーＭＯＳＦＥＴ  Ｓ１はオフの状態を維持している。
【００３７】
パワーＭＯＳＦＥＴ  Ｓ２がオン、オフすることにより、前記の図６の説明と同様にして、パワーＭＯＳＦＥＴ  Ｓ２のドレインとリアクトルＬの接続点に高電圧の断続パルスが出力される。この高電圧の断続パルスは、ダイオードＤ２を介してノードＰ、Ｎ間に出力され、平滑コンデンサＣによって平滑されて昇圧された直流電圧になりＤＣモータＭに供給される。これにより、ＤＣモータＭは電池の直流電圧より高い直流電圧で回転駆動される。
【００３８】
減速時や下り坂になると、ＤＣモータＭは発電機として作用し、直流の回生電圧を発生する。この回生電圧は、ノードＰ、Ｎ間に出力され、チョッパ回路１に供給される。ＤＣモータＭより供給される直流が脈流の場合は、平滑コンデンサＣにより平滑化される。
【００３９】
回生時にはチョッパドライブ回路２は、駆動パルスｄ２を図２（ｄ）に示すように「Ｌ」レベルにしてパワーＭＯＳＦＥＴ  Ｓ２をオフ状態にし、駆動パルスｄ１を図２（ｃ）に示すようにオン、オフさせることによりパワーＭＯＳＦＥＴ  Ｓ１をオン、オフさせる。このとき、パワーＭＯＳＦＥＴ  Ｓ１のゲートに与えられる駆動パルスｄ１は、回生電圧を所定の電圧に降圧するように、オン時間，オフ時間の比が設定されている。パワーＭＯＳＦＥＴ  Ｓ２のオン、オフにより、前記図４の説明と同様にして、ＤＣモータＭより供給された直流電圧を降圧し、ダイオードＤ１を介して電池Ｂを充電する。
【００４０】
したがって、この実施形態によれば、電池Ｂの直流電圧を昇圧チョッパ回路で昇圧してＤＣモータＭを駆動して自動車を走行させることができる。また、自動車の減速時や下り坂を走行しているときは、ＤＣモータＭを発電機として動作させて直流の回生電圧を発生させ、降圧チョッパ回路により電池Ｂの電圧とほぼ等しい直流電圧として電池Ｂを充電することができる。
【００４１】
図１の例のＤＣモータ駆動回路では、リアクトルＬに、回路動作モニタ用コイルＬＭがトランスとして付加されている。モニタ用コイルＬＭは、リアクトルＬと共通のコアに配置されている。又、モニタ用コイルＬＭより出力される信号用電流の電圧は数Ｖ以下であり、このような低い電圧となるようにモニタ用コイルＬＭの巻数が調整されている。
【００４２】
ＤＣモータ駆動回路が昇圧動作をする場合と、降圧動作をする場合とでは、該回路内流れる電流の向きは逆になるので、リアクトルＬの両端に発生する電圧波形をモニタすることにより、昇圧動作と降圧動作を監視することができる。すなわち、降圧動作時には正ピークがモニタ用コイルＬＭより出力され、昇圧動作時には負ピークがモニタ用コイルＬＭより出力されるので、モニタ用コイルＬＭからの電流を、正ピーク検波回路、負ピーク検波回路に出力することにより、降圧動作、昇圧動作を監視することができ、さらに平均値検出回路に出力することにより平均値（レベル）を監視することができる。
【００４３】
図３はこの発明の他の一実施形態のＤＣモータ駆動回路を示す回路図である。図３においては、図１におけるダイオードＤ１、Ｄ２、パワーＭＯＳＦＥＴ  Ｓ１、Ｓ２の代わりに、ダイオード及びパワーＭＯＳＦＥＴを内蔵するパワースイッチングデバイス３、４が配線されている。パワースイッチングデバイス３、４内では、それぞれダイオードおよびパワーＭＯＳＦＥＴが並列に接続されている。
【００４４】
従って、図３の回路は図１の回路と等価であり、同じ機能を奏する。すなわち、図３の回路も、電池よりの直流電圧を昇圧してＤＣモータＭに供給する昇圧チョッパ回路、ＤＣモータＭからの回生電圧を降圧して、電池を充電する降圧チョッパ回路として機能する。図３の例のＤＣモータ駆動回路においても、リアクトルＬに、モニタ用コイルＬＭがトランスとして付加されている。モニタ用コイルＬＭの配置や動作等は前記の図１の例の場合と同様である。
【００４５】
以上、図面を参照してこの発明の実施形態を説明したが、この発明は、図示した実施形態のものに限定されない。図示された実施形態に対して、この発明と同一の範囲内において、あるいは均等の範囲内において、種々の修正や変形を加えることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】この発明の一実施形態のモータ駆動回路を示す回路図である。
【図２】図１のチョッパドライブ回路から出力される駆動パルスの波形図である。
【図３】この発明の他の一実施形態のモータ駆動回路を示す回路図である。
【図４】この発明が適用される降圧チョッパ回路の原理図である。
【図５】チョッパ周期の駆動パルスの波形図である。
【図６】この発明が適用される昇圧チョッパ回路の原理図である。
【符号の説明】
【００４７】
１      チョッパ回路
２      チョッパドライブ回路
３、４  パワースイッチングデバイス
Ｂ      電池
Ｓ      半導体素子
Ｌ      リアクトル
ＬＭ    回路動作モニタ用コイル
Ｄ、Ｄ１、Ｄ２、Ｄｆ  ダイオード
Ｃ      平滑コンデンサ
Ｒ      負荷
Ｓ１、Ｓ２  各パワーＭＯＳＦＥＴ
Ｐ、Ｎ  ノード
Ｍ      ＤＣモータ
【図１】
2005223989.tif 000003
【図２】
2005223989.tif 000004
【図３】
2005223989.tif 000005
【図４】
2005223989.tif 000006
【図５】
2005223989.tif 000007
【図６】
2005223989.tif 000008