(57)【要約】【課題】簡単な構成で、放射ノイズと発熱のトレードオフ条件を緩和できるようにした負荷駆動制御装置を提供する。【解決手段】負荷駆動制御装置２は、直流モータ１をＰＷＭ制御により駆動する。通電用のＭＯＳＦＥＴ３は、ゲート駆動回路４によりＰＷＭのゲート信号が与えられる。第１調整回路７は、Ｆ特性を有するコンデンサ７ａ、７ｂ、ＮＴＣ特性を有するサーミスタ７ｃを並列に接続している。第２調整回路８は、Ｆ特性を有するコンデンサ８ａ、８ｂを並列に接続している。コンデンサ７ａ、８ａ、サーミスタ７ｃはＭＯＳＦＥＴ３の近傍に配置され、コンデンサ７ｂ、８ｂはＭＯＳＦＥＴ３から離れた位置に配置される。第１調整回路７の合成インピーダンスおよび第２調整回路８の合成容量は、放射ノイズ性能保障領域の温度で狙い値以上に設定され、最大発熱領域の温度で狙い値以下に設定される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
スイッチング素子（３）のゲートにオンオフの駆動信号を与えるゲート駆動回路（４）と、
前記スイッチング素子のゲートと前記ゲート駆動回路との間に設けられ、抵抗（７ｃ）およびＦ特性を有する複数のコンデンサ（７ａ、７ｂ）を有しスイッチング速度を調整する調整回路（７）とを備え、
前記調整回路を構成する複数のコンデンサの少なくとも１つ（７ａ）は前記スイッチング素子近傍に配置され、前記複数のコンデンサの少なくとも１つ（７ｂ）は前記スイッチング素子を含む発熱源から離れた位置に配置されている負荷駆動制御装置。
【請求項２】
請求項１に記載の負荷駆動制御装置において、
さらに前記ゲート駆動回路および前記調整回路が配置されるプリント基板（１０）を備え、
前記スイッチング素子（３）は、前記プリント基板に放熱媒体（１３）を伴って実装され、
前記調整回路（７）を構成する複数のコンデンサのうち、前記スイッチング素子近傍に配置されるもの（７ａ）は前記放熱媒体の配置位置に対応しており、前記スイッチング素子を含む発熱源から離れた位置に配置されるもの（７ｂ）は前記放熱媒体が配置されていない位置に対応している負荷駆動制御装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載の負荷駆動制御装置において、
前記調整回路の抵抗は、負性抵抗特性を有するサーミスタ（７ｃ）が用いられる負荷駆動制御装置。
【請求項４】
請求項１から３のいずれか一項に記載の負荷駆動制御装置において、
前記調整回路は、前記スイッチング素子のゲートと前記ゲート駆動回路との間に設けられた第１調整回路（７）に加えて、前記スイッチング素子のゲート−ソース間に設けられたＦ特性を有する複数のコンデンサ（８ａ、８ｂ）を並列接続した第２調整回路（８）が設けられている負荷駆動制御装置。
【請求項５】
請求項４に記載の負荷駆動制御装置において、
前記調整回路（８）を構成する複数のコンデンサのうち、前記スイッチング素子近傍に配置されるもの（８ａ）は前記放熱媒体の配置位置に対応しており、前記スイッチング素子を含む発熱源から離れた位置に配置されるもの（８ｂ）は前記放熱媒体が配置されていない位置に対応している負荷駆動制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、負荷駆動制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
モータなどの負荷を、スイッチング素子をＰＷＭ制御などでスイッチング動作させることで通電する構成の負荷駆動制御装置では、スイッチングによる放射ノイズの発生を伴う。このような放射ノイズによる悪影響を低減するために、例えばスイッチング速度調整回路などを設けることで対応している。
【０００３】
しかしながら、放射ノイズを低減するためにゲート駆動信号の急激な変化を抑制する回路を採用すると、これによってスイッチング損失が増大する傾向となり、発熱が増大する。一方、高温側で動作するときに発熱が大きくなることは動作上好ましくないので、抑制する必要がある。したがって、放射ノイズの低減と発熱の抑制とは、いわゆるトレードオフの関係になる。
【０００４】
このため、両者を共に満足するためには、複雑な回路構成あるいは制御を採用する必要があり、部品点数の増加が避けられない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１２−１７０２００号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、上記事情を考慮してなされたもので、その目的は、簡単な構成で、放射ノイズと発熱のトレードオフ条件を緩和できるようにした負荷駆動制御装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
請求項１に記載の負荷駆動制御装置は、スイッチング素子のゲートにオンオフの駆動信号を与えるゲート駆動回路と、前記スイッチング素子のゲートと前記ゲート駆動回路との間に設けられ、抵抗およびＦ特性を有する複数のコンデンサを有しスイッチング速度を調整する調整回路とを備え、前記調整回路を構成する複数のコンデンサの少なくとも１つは前記スイッチング素子近傍に配置され、前記複数のコンデンサの少なくとも１つは前記スイッチング素子を含む発熱源から離れた位置に配置されている。
【０００８】
上記構成において、調整回路を構成するコンデンサは、Ｆ特性を有するので、温度が高くなると容量値が低下する特性を有している。ゲート駆動回路によりスイッチング素子を駆動する場合に、使用環境の温度が比較的低いときには、調整回路のコンデンサの容量が大きくとれるので、放射ノイズの発生を抑制する効果を大きくすることができる。一方、使用環境の温度が高くなるとき、あるいはスイッチング素子の発熱により温度が高くなるときには、調整回路のコンデンサの容量が低下するのでスイッチング損失が増大するのを抑制でき、これによって発熱を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】実施形態を示す電気的構成図
【図２】プリント基板への概略実装状態を示す（ａ）上面図および（ｂ）側面図
【図３】コンデンサとサーミスタのインピーダンスの温度特性を示す図
【図４】並列接続したコンデンサの容量の温度特性を示す図
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明の実施形態について、図１〜図４を参照して説明する。この実施形態では、負荷としてブラシ付きの直流モータ１を駆動する負荷駆動制御装置２について説明する。負荷駆動制御装置２は、直流モータ１への通電経路に設けたスイッチング素子であるＮチャンネル型のＭＯＳＦＥＴ３とこのＭＯＳＦＥＴ３をオンオフ制御するゲート駆動回路４を備えている。
【００１１】
負荷駆動制御装置２の電源端子Ａは、直流電源５に接続されている。出力端子Ｂ、Ｃ間には直流モータ１が接続されている。負荷駆動制御装置２において、出力端子Ｂは電源端子Ａに接続され、出力端子ＣはＭＯＳＦＥＴ３のドレインに接続されている。また、出力端子Ｂ−Ｃ間には、還流用のダイオード５が電源に対して逆方向に接続されている。
【００１２】
ゲート駆動回路４は電源端子Ａから直流電圧が供給され、ＭＯＳＦＥＴ３のゲートにＰＷＭ駆動をするためのゲート信号を与える。ゲート駆動回路４とＭＯＳＦＥＴ３のゲートとの間には、スイッチング速度を調整するための調整回路として第１調整回路７が接続されている。第１調整回路７は、コンデンサ７ａ、７ｂおよびサーミスタ７ｃを並列接続した回路である。コンデンサ７ａ、７ｂはいわゆるＦ特性を有するコンデンサを用いている。サーミスタ７ｃは、ＮＴＣ（Negative Temperature Coefficient：負温度係数）サーミスタを用いている。
【００１３】
したがって、コンデンサ７ａ、７ｂは、Ｆ特性すなわち温度変化に対して容量値が変動する特性を有しており、特に、後述するように温度が上昇すると容量値が著しく低下する性質を有するものである。また、サーミスタ７ｃは、抵抗体として機能させるものであるが、温度が上昇すると抵抗値が低下する負温度特性を有するもので、一般的には温度測定に用いられている。
【００１４】
ＭＯＳＦＥＴ３のゲート−ソース間には、スイッチング速度を調整するための調整回路として第２調整回路８が接続されている。第２調整回路８は、２個のコンデンサ８ａ、８ｂを並列接続したものである。これら２個のコンデンサ８ａ、８ｂは、Ｆ特性を有するコンデンサを用いている。コンデンサ８ａ、８ｂは、コンデンサ７ａ、７ｂと同様に、温度変化に対して容量値が変動する特性を有している。
【００１５】
図２は負荷駆動制御装置２をプリント基板１０に実装した状態を示している。なお、図２では、負荷駆動制御装置２の温度変化による特性の変動に関連した部分の構成についてその配置状態示しているが、実際には他の回路構成部品もプリント基板１０上に実装されている。プリント基板１０には、電源配線パターンおよび各部を接続する配線パターンが形成されている。ＭＯＳＦＥＴ３は、プリント基板１０の中央付近に実装されている。ＭＯＳＦＥＴ３の３本のリード端子３ａの近傍に位置して第１調整回路７のコンデンサ７ａ、サーミスタ７ｃおよび第２調整回路８のコンデンサ８ａが実装されている。
【００１６】
プリント基板１０は、これとほぼ同じ寸法形状の放熱板１１に四隅でスペーサ１２により所定間隔を存した状態で結合されている。また、プリント基板１０と放熱板１１との隙間部分には、ＭＯＳＦＥＴ３を中心とした領域に隙間部分を充填するように放熱媒体１３が配置されている。放熱媒体１３は、ＭＯＳＦＥＴ３およびコンデンサ７ａ、８ａ、サーミスタ７ｃに対応する位置を含む内側の領域に配置され、その外周部分の隙間部分は空隙となっている。
【００１７】
ＭＯＳＦＥＴ３は、スイッチング動作により流れる電流で温度上昇が予想される。このとき、ＭＯＳＦＥＴ３の発熱は、主として放熱媒体１３を介して放熱板１１に伝わって空気中に放熱される。したがって、ＭＯＳＦＥＴ３の熱が放熱媒体１３に伝わることで、コンデンサ７ａ、８ａ、サーミスタ７ｃはＭＯＳＦＥＴ３の温度に近い温度にさらされる。一方、ＭＯＳＦＥＴ３から離れた位置で放熱媒体１３が設けられていない位置のコンデンサ７ｂ、８ｂは、ＭＯＳＦＥＴ３の熱がプリント基板１０から直接伝わる熱だけの状態にあり、環境温度に近い温度に保持される。
【００１８】
次に、上記構成の作用について、図３および図４も参照して説明する。
負荷駆動制御装置２は、直流モータ１に対して、ゲート駆動回路４によりＰＷＭ駆動信号を生成してＭＯＳＦＥＴ３のゲートにゲート信号を与える。これにより、ＭＯＳＦＥＴ３がオンオフ制御され、オン期間中は直流電源５の電圧が出力端子Ｂ−Ｃ間から直流モータ１に与えられる。直流モータ１は、ＰＷＭ駆動されることで断続的に回転駆動され、所定の回転状態で動作するようになる。
【００１９】
上記のように動作するときに、ゲート駆動回路４から出力されるゲート信号は、第１調整回路７を介してＭＯＳＦＥＴ３のゲートに印加される。また、ＭＯＳＦＥＴ３のゲートは第２調整回路８を介してグランドに接続されている。これにより、第１調整回路７および第２調整回路８によりフィルタ回路が形成される。ゲート駆動回路４から出力されるゲート信号は、第１調整回路７および第２調整回路８により緩和され、ノイズ発生を抑制することができる。
【００２０】
この場合、第１調整回路７においては、コンデンサ７ａ、７ｂとサーミスタ７ｃの並列回路であるから、これらの合成インピーダンスは図３に示すような温度特性を有する。すなわち、コンデンサ７ａ、７ｂを合成した容量値Ｃは、図３中、破線で示すような特性を有している。
【００２１】
図３において、例えば合成したコンデンサ容量値は、２０℃付近でピークを有し、その前後では低い値となる特性である。また、サーミスタ７ｃは、一点鎖線で示すような特性を有している。すなわち、サーミスタ７ｃの抵抗値は、温度係数が負であるから、温度の上昇とともに小さくなる特性である。これにより、第１調整回路７の合成インピーダンスは、図３中、実線で示すように低温側から２０℃付近まで変化が少なく、２０℃以上になると低下する特性となる。
【００２２】
上記した合成インピーダンスの特性は、放射ノイズ性能を保証する領域である２０℃付近では狙い値の下限値以上となるように設定され、最大発熱領域である７０℃付近では狙い値の上限以下となるように設定される。これは、コンデンサ７ａ、７ｂの容量値あるいはプリント基板１０での配置位置などの調整や、サーミスタ７ｃの抵抗値の調整をすることで目的とする特性を得るように設定されるものである。
【００２３】
なお、放射ノイズ性能を保証する領域は、この温度領域でスイッチング素子であるＭＯＳＦＥＴ３をスイッチング動作させたときに、ノイズの放射を抑制するために必要なインピーダンス値の下限を狙い値として示した規格である。また、最大発熱領域は、この温度付近でＭＯＳＦＥＴ３をスイッチング動作させたときの発熱を抑制するためのインピーダンス値の上限を狙い値として示した規格である。
【００２４】
次に、第１調整回路７あるいは第２調整回路８におけるコンデンサ７ａ、７ｂの合成容量あるいはコンデンサ８ａ、８ｂの合成容量の温度特性について述べる。図４は、その合成容量Ｃと２個のコンデンサの容量Ｃ１、Ｃ２との関係を示している。ここで、図４の横軸は、環境温度、コンデンサＣ１の温度、発熱源温度、コンデンサＣ２の温度をとっている。コンデンサＣ１は、環境温度に近い位置に配置されたコンデンサ７ｂ、８ｂに対応し、コンデンサＣ２は発熱源温度に近い位置に配置されたコンデンサ７ａ、８ａに対応している。
【００２５】
また、発熱源温度は、特に発熱が予想されるＭＯＳＦＥＴ３の温度に対応しており、装置が置かれた環境の温度で、コンデンサＣ２はこれに近い温度となる。発熱源温度は、例えばＭＯＳＦＥＴ３がスイッチングにより温度上昇して環境温度よりも３０℃強程度上昇する特性の場合を想定している。この状態では、環境温度が上がると発熱源温度もこれとシフトして上昇することを想定している。
【００２６】
図４中に示される特性は、発熱源温度が上昇したときに、コンデンサＣ１は、図４中破線で示すように、あまり温度変動がなく環境温度に近い温度に保持された状態で現れる容量値の特性である。また、発熱源に近いコンデンサＣ２は、図４中一点鎖線で示すように、発熱源温度に追随してこれに近い温度に上昇している状態で現れる容量値の特性である。
【００２７】
そして、これらコンデンサＣ１およびＣ２を合成すると、図４中実線で示すように、並列接続であるからこれらを加算した合成容量Ｃが得られる。この合成容量Ｃは、環境温度が放射ノイズ性能保障領域である２３℃付近で容量値Ｃａ以上となるように設定され、発熱源温度が最大発熱領域である９０℃付近で容量値Ｃｂ以下となるように設定されている。
【００２８】
これら規格となる容量値Ｃａ、Ｃｂに対して、合成容量Ｃの温度特性がこれを満たすように設定されるため、例えば、コンデンサＣ２の配置位置を調整して発熱源に近い位置に設けるかあるいは少し離した位置に設けるかを調整することができる。これによって、図４中に示すように、コンデンサＣ２のピーク位置となる温度をシフトさせることができるので、合成容量Ｃのピーク値を調整することができる。
【００２９】
このような本実施形態によれば、第１調整回路７として、高温で容量低下が著しいＦ特性を有するコンデンサ７ａ、７ｂおよび負温度特性を有するサーミスタ７ｃを並列に接続する構成とした。また、第２調整回路８として、同じくＦ特性を有するコンデンサ８ａ、８ｂを並列に接続する構成とした。これにより、放射ノイズ特性を保証する温度領域では高抵抗・高容量となり、最大発熱領域では低抵抗・低容量となり、ノイズと熱のトレードオフ条件を緩和できるため、ノイズ設計・放熱設計の簡素化が可能になる。
【００３０】
また、プリント基板１０に、コンデンサ７ａ、サーミスタ７ｃおよびコンデンサ８ａをＭＯＳＦＥＴ３の近傍に配置し、発熱源温度に近い温度となるように設け、コンデンサ７ｂ、８ｂをＭＯＳＦＥＴ３から離間させて環境温度に近い温度となるように設けた。これにより、Ｆ特性コンデンサを２個以上並列に使うと共に、一方のコンデンサを発熱部品直近に配置し、もう一方を遠ざけることで静電容量の温度特性を効果的に制御することができる。
【００３１】
なお、発熱素子であるＭＯＳＦＥＴ３の温度検知用のサーミスタを設ける構成の場合には、このサーミスタとノイズ抑制用のサーミスタ７ｃとを兼用する構成とすることで、追加部品を設けることなく構成することができる。
【００３２】
（他の実施形態）
なお、本発明は、上述した実施形態のみに限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々の実施形態に適用可能であり、例えば、以下のように変形または拡張することができる。
【００３３】
第１調整回路７を構成するコンデンサ７ａ、７ｂは、同じ容量値のものを設ける場合を示したが、異なる容量値のものを設ける構成とすることもできる。また、２個のコンデンサに限らず、３個以上のコンデンサを設けることもできる。
【００３４】
この場合、コンデンサの個数や、配置位置あるいは容量値を変更したり、すべてのコンデンサをＦ特性のものとするのではなく、一部をＦ特性のものとすることもできる。これにより、温度変動に対する容量値の変動範囲を基準値に適合するように調整することができ、設計の自由度を高めることができる。
【００３５】
上記実施形態では、スイッチング素子として、ＭＯＳＦＥＴを用いた場合の例を示したが、これに限らず、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）を用いることもできる。
【００３６】
スイッチング素子を発熱源としてコンデンサやサーミスタの配置を設定したが、他の発熱源が存在する場合には、その発熱源の温度も考慮した配置をすることができる。
上記実施形態では、負荷としてブラシ付き直流モータ１を用いた場合を示したが、負荷としてはＰＷＭ制御により駆動する負荷であれば良く、もちろんブラシレスモータに適用することもできる。この場合には、例えば三相のインバータを構成する６個のスイッチング素子をＰＷＭ制御により駆動する負荷駆動装置が対象となり、それぞれのスイッチング素子に対応してゲート駆動回路を設けた負荷駆動制御回路とすることで同様の効果を得ることができる。
【符号の説明】
【００３７】
図面中、１は直流モータ（負荷）、２は負荷駆動制御回路、３はＮチャンネル型のＭＯＳＦＥＴ（スイッチング素子）、４はゲート駆動回路、７は第１調整回路、７ａ、７ｂはコンデンサ、７ｃはサーミスタ（抵抗）、８は第２調整回路、８ａ、８ｂはコンデンサである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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