(57)【要約】実施形態に係る電力変換装置１００は、電源１０１からの電力を、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１００は、モータの各相の巻線の一端に接続される第１インバータ１２０と、各相の巻線の他端に接続される第２インバータ１３０と、各相の巻線の一端と電源１０１およびＧＮＤの一方との間に接続される第１リレー回路１８０と、各相の巻線の他端と電源１０１およびＧＮＤの一方との間に接続される第２リレー回路１９０とを備える。
2019159664.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電源からの電力を、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であって、
前記モータの各相の巻線の一端に接続される第１インバータと、
前記各相の巻線の他端に接続される第２インバータと、
前記各相の巻線の一端と、前記電源およびグランドの一方との間に接続される第１リレー回路と、
前記各相の巻線の他端と、前記電源および前記グランドの一方との間に接続される第２リレー回路と、
を備える、電力変換装置。
【請求項２】
前記ｎ相の巻線は、第１相の巻線、第２相の巻線および第３相の巻線を含み、
前記第１リレー回路は、
前記第１相の巻線の一端と前記電源およびグランドの一方との間に接続される第１リレーと、
前記第２相の巻線の一端と前記電源およびグランドの一方との間に接続される第２リレーと、
前記第３相の巻線の一端と前記電源およびグランドの一方との間に接続される第３リレーと、
を備える、請求項１に記載の電力変換装置。
【請求項３】
前記第１インバータは、複数のローサイドスイッチ素子および複数のハイサイドスイッチ素子を備え、
前記第１インバータの第１ローサイドスイッチ素子および第１ハイサイドスイッチ素子は、前記第１相の巻線の一端に接続され、
前記第１インバータの第２ローサイドスイッチ素子および第２ハイサイドスイッチ素子は、前記第２相の巻線の一端に接続され、
前記第１インバータの第３ローサイドスイッチ素子および第３ハイサイドスイッチ素子は、前記第３相の巻線の一端に接続される、請求項２に記載の電力変換装置。
【請求項４】
前記第１リレーは、前記第１ローサイドスイッチ素子または前記第１ハイサイドスイッチ素子と並列に、前記第１相の巻線の一端に接続され、
前記第２リレーは、前記第２ローサイドスイッチ素子または前記第２ハイサイドスイッチ素子と並列に、前記第２相の巻線の一端に接続され、
前記第３リレーは、前記第３ローサイドスイッチ素子または前記第３ハイサイドスイッチ素子と並列に、前記第３相の巻線の一端に接続される、請求項３に記載の電力変換装置。
【請求項５】
前記第１インバータと前記グランドとの接続・非接続を切替える第１スイッチ素子をさらに備え、
前記第１リレーは、前記第１相の巻線の一端と前記第１スイッチ素子との間に接続され、  前記第２リレーは、前記第２相の巻線の一端と前記第１スイッチ素子との間に接続され、
前記第３リレーは、前記第３相の巻線の一端と前記第１スイッチ素子との間に接続される、請求項２から４のいずれかに記載の電力変換装置。
【請求項６】
前記第１インバータに中性点を構成するタイミングにおいて前記第１スイッチ素子はオン状態であり、その後にオフ状態になる、請求項５に記載の電力変換装置。
【請求項７】
前記第１インバータと前記電源との接続・非接続を切替える第２スイッチ素子をさらに備え、
前記第１リレーは、前記第１相の巻線の一端と前記第２スイッチ素子との間に接続され、
前記第２リレーは、前記第２相の巻線の一端と前記第２スイッチ素子との間に接続され、
前記第３リレーは、前記第３相の巻線の一端と前記第２スイッチ素子との間に接続される、請求項２から４のいずれかに記載の電力変換装置。
【請求項８】
前記第１インバータに中性点を構成するタイミングにおいて前記第２スイッチ素子はオン状態であり、その後にオフ状態になる、請求項７に記載の電力変換装置。
【請求項９】
前記第１リレー回路は、前記各相の巻線の一端と前記電源との間に接続され、
前記第２リレー回路は、前記各相の巻線の他端と前記電源との間に接続され、
前記電力変換装置は、
前記各相の巻線の一端と、前記グランドとの間に接続される第３リレー回路と、
前記各相の巻線の他端と、前記グランドとの間に接続される第４リレー回路と、
をさらに備える、請求項１から８のいずれかに記載の電力変換装置。
【請求項１０】
モータと、
請求項１から９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、
を備える、モータモジュール。
【請求項１１】
請求項１０に記載の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。 
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、電源からの電力を、電動モータに供給する電力に変換する電力変換装置、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電子制御ユニット（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、制御部と、２つのインバータとを備え、三相モータに供給する電力を変換する電力変換装置を開示している。２つのインバータの各々は電源およびグランド（以下、「ＧＮＤ」と表記する。）に接続される。一方のインバータは、モータの三相の巻線の一端に接続され、他方のインバータは、三相の巻線の他端に接続される。各インバータは、各々が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含む３つのレグから構成されるブリッジ回路を備える。制御部は、２つのインバータにおけるスイッチ素子の故障を検出した場合、モータ制御を正常時の制御から異常時の制御に切替える。本明細書において、「異常」とは、主としてスイッチ素子の故障を意味する。また、「正常時の制御」は、全てのスイッチ素子が正常な状態における制御を意味し、「異常時の制御」は、あるスイッチ素子に故障が生じた状態における制御を意味する。  【０００４】
特許文献２は、４つの電気的分離手段、および、２つのインバータを備え、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】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１４−１９２９５０号公報
【特許文献２】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】
【０００６】
上述した従来の技術では、回路内の素子破損を抑制することが求められていた。  【０００７】
本開示の実施形態は、回路内の素子破損を適切に抑制す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】
【０００８】
本開示の例示的な電力変換装置は、電源からの電力を、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であって、前記モータの各相の巻線の一端に接続される第１インバータと、前記各相の巻線の他端に接続される第２インバータと、前記各相の巻線の一端と、前記電源およびグランドの一方との間に接続される第１リレー回路と、前記各相の巻線の他端と、前記電源および前記グランドの一方との間に接続される第２リレー回路とを備える。
【発明の効果】
【０００９】
本開示の例示的な実施形態によると、零相電流を逃がす経路を確保することによって回路内に発生し得る過電圧を抑制する。これにより、回路内の素子破損を抑制することが可能となる電力変換装置、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】
【００１０】
【図１】図１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の回路構成のバリエーションを示す回路図である。
【図３】図３は、例示的な実施形態１による電力変換装置１００の回路構成のバリエーションを示す回路図である。
【図４】図４は、例示的な実施形態１によるモータモジュール１０００の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電力変換装置１００を制御したときにモータ２００のＡ相、Ｂ相およびＣ相の各巻線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６】図６は、第１インバータ１２０のＡ相レグの２つのスイッチ素子が連鎖的に故障した場合の回路内のスイッチ素子および中性点リレー回路のオン・オフ状態を説明する図である。
【図７】図７は、第１インバータ１２０のＡ相レグの２つのスイッチ素子が連鎖的に故障した場合の回路内のスイッチ素子および中性点リレー回路のオン・オフ状態を説明する図である。
【図８】図８は、例示的な実施形態２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】
【００１１】
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。  
【００１２】
本明細書において、電源からの電力を、三相（Ａ相、Ｂ相、Ｃ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。  
【００１３】
（実施形態１）
〔１−１．電力変換装置１００の構造〕
図１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。  
【００１４】
電力変換装置１００は、第１インバータ１２０、第２インバータ１３０、第１リレー回路１８０、第２リレー回路１９０、電源遮断回路１１０を備える。電力変換装置１００は、電源１０１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できる。例えば、第１および第２インバータ１２０、１３０は、直流電力を、Ａ相、Ｂ相およびＣ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。  
【００１５】
モータ２００は、例えば、三相交流モータである。モータ２００は、Ａ相の巻線Ｍ１、Ｂ相の巻線Ｍ２およびＣ相の巻線Ｍ３を備え、第１インバータ１２０と第２インバータ１３０とに接続される。具体的に説明すると、第１インバータ１２０はモータ２００の各相の巻線の一端に接続され、第２インバータ１３０は各相の巻線の他端に接続される。本明細書において、部品（構成要素）同士の間の「接続」は、主に電気的な接続を意味し、さらに、他の部品または素子を介在した部品同士の接続を含む。  
【００１６】
第１インバータ１２０は、各相に対応した端子Ａ＿Ｌ、Ｂ＿ＬおよびＣ＿Ｌを有する。第２インバータ１３０は、各相に対応した端子Ａ＿Ｒ、Ｂ＿ＲおよびＣ＿Ｒを有する。第１インバータ１２０の端子Ａ＿Ｌは、Ａ相の巻線Ｍ１の一端に接続され、端子Ｂ＿Ｌは、Ｂ相の巻線Ｍ２の一端に接続され、端子Ｃ＿Ｌは、Ｃ相の巻線Ｍ３の一端に接続される。第１インバータ１２０と同様に、第２インバータ１３０の端子Ａ＿Ｒは、Ａ相の巻線Ｍ１の他端に接続され、端子Ｂ＿Ｒは、Ｂ相の巻線Ｍ２の他端に接続され、端子Ｃ＿Ｒは、Ｃ相の巻線Ｍ３の他端に接続される。このような結線は、いわゆるスター結線およびデルタ結線とは異なり、独立結線と呼ばれる場合がある。  
【００１７】
電源遮断回路１１０は、第１から第４スイッチ素子１１１、１１２、１１３および１１４を有する。電力変換装置１００において、第１インバータ１２０は、電源遮断回路１１０を介して電源１０１とＧＮＤとに電気的に接続可能である。第２インバータ１３０は、電源遮断回路１１０を介して電源１０１とＧＮＤとに電気的に接続可能である。具体的に説明すると、第１スイッチ素子１１１は、第１インバータ１２０とＧＮＤとの接続・非接続を切替える。第２スイッチ素子１１２は、電源１０１と第１インバータ１２０との接続・非接続を切替える。第３スイッチ素子１１３は、第２インバータ１３０とＧＮＤとの接続・非接続を切替える。第４スイッチ素子１１４は、電源１０１と第２インバータ１３０との接続・非接続を切替える。  
【００１８】
第１から第４スイッチ素子１１１、１１２、１１３および１１４のオン・オフは、例えばマイクロコントローラまたは専用ドライバによって制御され得る。第１から第４スイッチ素子１１１、１１２、１１３および１１４は、双方向の電流を遮断することが可能である。第１から第４スイッチ素子１１１、１１２、１１３および１１４として、例えば、サイリスタ、アナログスイッチＩＣ、若しくは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）などの半導体スイッチ、または、メカニカルリレーなどを用いることができる。ダイオードおよび絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）などの組み合わせを用いても構わない。本明細書の図面には、第１から第４スイッチ素子１１１、１１２、１１３および１１４として、ＭＯＳＦＥＴを例示している。以降、第１から第４スイッチ素子１１１、１１２、１１３および１１４を、ＳＷ１１１、１１２、１１３および１１４とそれぞれ表記する場合がある。  
【００１９】
ＳＷ１１１は、内部の寄生ダイオードに順方向電流が第１インバータ１２０に向けて流れるよう配置される。ＳＷ１１２は、寄生ダイオードに順方向電流が電源１０１に向けて流れるよう配置される。ＳＷ１１３は、寄生ダイオードに順方向電流が第２インバータ１３０に向けて流れるよう配置される。ＳＷ１１４は、寄生ダイオードに順方向電流が電源１０１に向けて流れるよう配置される。  
【００２０】
電源遮断回路１１０は、図示するように、逆接続保護用の第５および第６スイッチ素子１１５、１１６をさらに有していてもよい。第５および第６スイッチ素子１１５、１１６は、典型的に、寄生ダイオードを有するＭＯＳＦＥＴの半導体スイッチである。第５スイッチ素子１１５は、ＳＷ１１２に直列に接続され、寄生ダイオードにおいて第１インバータ１２０に向けて順方向電流が流れるよう配置される。第６スイッチ素子１１６は、ＳＷ１１４に直列に接続され、寄生ダイオードにおいて第２インバータ１３０に向けて順方向電流が流れるよう配置される。仮に電源１０１が逆向きに接続された場合においても、逆接続保護用の２つのスイッチ素子によって逆電流を遮断することができる。  
【００２１】
図示する例に限られず、使用するスイッチ素子の個数は、設計仕様などを考慮して適宜決定される。特に車載分野においては、安全性の観点から高い品質保証が要求されるので、各インバータに用いる複数のスイッチ素子を設けておくことが好ましい。  
【００２２】
電源１０１は、例えば、第１および第２インバータ１２０、１３０に共通の単一電源である。電源１０１は所定の電源電圧（例えば、１２Ｖ）を生成する。電源として、例えば直流電源が用いられる。ただし、電源は、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。また、電源１０１は、第１インバータ１２０用の電源および第２インバータ１３０用の電源を個別に備えていてもよい。  
【００２３】
電源１０１と電源遮断回路１１０との間にコイル１０２が設けられている。コイル１０２は、ノイズフィルタとして機能し、各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、または各インバータで発生する高周波ノイズを電源側に流出させないように平滑化する。  
【００２４】
各インバータの電源ラインには、コンデンサ１０３が接続される。コンデンサ１０３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１０３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。
【００２５】
第１インバータ１２０は、３個のレグを有するブリッジ回路を備える。各レグは、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有する。Ａ相レグは、ローサイドスイッチ素子１２１Ｌおよびハイサイドスイッチ素子１２１Ｈを有する。Ｂ相レグは、ローサイドスイッチ素子１２２Ｌおよびハイサイドスイッチ素子１２２Ｈを有する。Ｃ相レグは、ローサイドスイッチ素子１２３Ｌおよびハイサイドスイッチ素子１２３Ｈを有する。スイッチ素子として、例えばＦＥＴまたはＩＧＢＴを用いることができる。以下、スイッチ素子としてＭＯＳＦＥＴを用いる例を説明し、スイッチ素子をＳＷと表記する場合がある。例えば、ローサイドスイッチ素子１２１Ｌ、１２２Ｌおよび１２３Ｌは、ＳＷ１２１Ｌ、１２２Ｌおよび１２３Ｌと表記される。  
【００２６】
第１インバータ１２０は、Ａ相、Ｂ相およびＣ相の各相の巻線に流れる電流を検出する電流センサ１５０（図４を参照）に含まれる３個のシャント抵抗１２１Ｒ、１２２Ｒおよび１２３Ｒを備える。電流センサ１５０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）を含む。例えば、シャント抵抗１２１Ｒ、１２２Ｒおよび１２３Ｒは、第１インバータ１２０の３個のレグに含まれる３個のローサイドスイッチ素子とＧＮＤとの間にそれぞれ接続される。具体的には、シャント抵抗１２１ＲはＳＷ１２１ＬとＳＷ１１１との間に電気的に接続され、シャント抵抗１２２ＲはＳＷ１２２ＬとＳＷ１１１との間に電気的に接続され、シャント抵抗１２３ＲはＳＷ１２３ＬとＳＷ１１１との間に電気的に接続される。シャント抵抗の抵抗値は、例えば０．５ｍΩ〜１．０ｍΩ程度である。  
【００２７】
第１インバータ１２０と同様に、第２インバータ１３０は、３個のレグを有するブリッジ回路を備える。Ａ相レグは、ローサイドスイッチ素子１３１Ｌおよびハイサイドスイッチ素子１３１Ｈを有する。Ｂ相レグは、ローサイドスイッチ素子１３２Ｌおよびハイサイドスイッチ素子１３２Ｈを有する。Ｃ相レグは、ローサイドスイッチ素子１３３Ｌおよびハイサイドスイッチ素子１３３Ｈを有する。また、第２インバータ１３０は、３個のシャント抵抗１３１Ｒ、１３２Ｒおよび１３３Ｒを備える。それらのシャント抵抗は、３個のレグに含まれる３個のローサイドスイッチ素子とＧＮＤとの間に接続される。  
【００２８】
各インバータに対し、シャント抵抗の数は３つに限られない。例えば、Ａ相、Ｂ相用の２つのシャント抵抗、Ｂ相、Ｃ相用の２つのシャント抵抗、および、Ａ相、Ｃ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】
図１に示す例では、第１リレー回路１８０は、モータ２００の各相の巻線の一端とＧＮＤとの間に接続される。第２リレー回路１９０は、モータ２００の各相の巻線の他端とＧＮＤとの間に接続される。  
【００３０】
第１リレー回路１８０は、Ａ相の第１リレー１８１、Ｂ相の第２リレー１８２およびＣ相の第３リレー１８３を備える。第１リレー１８１は、Ａ相の巻線Ｍ１の一端とＧＮＤとの間に接続される。第２リレー１８２は、Ｂ相の巻線Ｍ２の一端とＧＮＤとの間に接続される。第３リレー１８３は、Ｃ相の巻線Ｍ３の一端とＧＮＤとの間に接続される。図１に示す例では、電力変換装置１００は電源遮断回路１１０を備える。このため、図１に示す例では、第１リレー１８１は、Ａ相の巻線Ｍ１の一端とＳＷ１１１との間に接続される。第２リレー１８２は、Ｂ相の巻線Ｍ２の一端とＳＷ１１１との間に接続される。第３リレー１８３は、Ｃ相の巻線Ｍ３の一端とＳＷ１１１との間に接続される。  
【００３１】
第１インバータ１２０のＳＷ１２１ＬおよびＳＷ１２１Ｈは、Ａ相の巻線Ｍ１の一端に接続される。ＳＷ１２２ＬおよびＳＷ１２２Ｈは、Ｂ相の巻線Ｍ２の一端に接続される。ＳＷ１２３ＬおよびＳＷ１２３Ｈは、Ｃ相の巻線Ｍ３の一端に接続される。第１リレー１８１は、ＳＷ１２１Ｌと並列に、Ａ相の巻線Ｍ１の一端に接続される。第２リレー１８２は、ＳＷ１２２Ｌと並列に、Ｂ相の巻線Ｍ２の一端に接続される。第３リレー１８３は、ＳＷ１２３Ｌと並列に、Ｃ相の巻線Ｍ３の一端に接続される。  
【００３２】
第２リレー回路１９０は、Ａ相の第４リレー１９１、Ｂ相の第５リレー１９２およびＣ相の第６リレー１９３を備える。第４リレー１９１は、Ａ相の巻線Ｍ１の他端とＧＮＤとの間に接続される。第５リレー１９２は、Ｂ相の巻線Ｍ２の他端とＧＮＤとの間に接続される。第６リレー１９３は、Ｃ相の巻線Ｍ３の他端とＧＮＤとの間に接続される。図１に示す例では、電力変換装置１００は電源遮断回路１１０を備える。このため、図１に示す例では、第４リレー１９１は、Ａ相の巻線Ｍ１の他端とＳＷ１１３との間に接続される。第５リレー１９２は、Ｂ相の巻線Ｍ２の他端とＳＷ１１３との間に接続される。第６リレー１９３は、Ｃ相の巻線Ｍ３の他端とＳＷ１１３との間に接続される。  
【００３３】
第２インバータ１３０のＳＷ１３１ＬおよびＳＷ１３１Ｈは、Ａ相の巻線Ｍ１の他端に接続される。ＳＷ１３２ＬおよびＳＷ１３２Ｈは、Ｂ相の巻線Ｍ２の他端に接続される。ＳＷ１３３ＬおよびＳＷ１３３Ｈは、Ｃ相の巻線Ｍ３の他端に接続される。第４リレー１９１は、ＳＷ１３１Ｌと並列に、Ａ相の巻線Ｍ１の他端に接続される。第５リレー１９２は、ＳＷ１３２Ｌと並列に、Ｂ相の巻線Ｍ２の他端に接続される。第６リレー１９３は、ＳＷ１３３Ｌと並列に、Ｃ相の巻線Ｍ３の他端に接続される。  
【００３４】
リレー回路の中の各リレーは、例えばマイクロコントローラまたは専用ドライバによって制御され得る。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。  
【００３５】
図１に示す例では、第１リレー回路１８０および第２リレー回路１９０のそれぞれは、モータ２００の巻線とＧＮＤとの間に接続されていた。第１リレー回路１８０および第２リレー回路１９０のそれぞれは、モータ２００の巻線と電源１０１との間に接続されてもよい。  
【００３６】
図２は、第１リレー回路１８０および第２リレー回路１９０のそれぞれが、モータ２００の巻線と電源１０１との間に接続されている電力変換装置１００を示す図である。  
【００３７】
図２に示す例では、第１リレー１８１は、Ａ相の巻線Ｍ１の一端と電源１０１の電源ラインとの間に接続される。第２リレー１８２は、Ｂ相の巻線Ｍ２の一端と電源１０１の電源ラインとの間に接続される。第３リレー１８３は、Ｃ相の巻線Ｍ３の一端と電源１０１の電源ラインとの間に接続される。図２に示す例では、電力変換装置１００は電源遮断回路１１０を備える。このため、図２に示す例では、第１リレー１８１は、Ａ相の巻線Ｍ１の一端とＳＷ１１５との間に接続される。第２リレー１８２は、Ｂ相の巻線Ｍ２の一端とＳＷ１１５との間に接続される。第３リレー１８３は、Ｃ相の巻線Ｍ３の一端とＳＷ１１５との間に接続される。  
【００３８】
第１リレー１８１は、ＳＷ１２１Ｈと並列に、Ａ相の巻線Ｍ１の一端に接続される。第２リレー１８２は、ＳＷ１２２Ｈと並列に、Ｂ相の巻線Ｍ２の一端に接続される。第３リレー１８３は、ＳＷ１２３Ｈと並列に、Ｃ相の巻線Ｍ３の一端に接続される。  
【００３９】
第２リレー回路１９０の第４リレー１９１は、Ａ相の巻線Ｍ１の他端と電源１０１の電源ラインとの間に接続される。第５リレー１９２は、Ｂ相の巻線Ｍ２の他端と電源１０１の電源ラインとの間に接続される。第６リレー１９３は、Ｃ相の巻線Ｍ３の他端と電源１０１の電源ラインとの間に接続される。図２に示す例では、電力変換装置１００は電源遮断回路１１０を備える。このため、図２に示す例では、第４リレー１９１は、Ａ相の巻線Ｍ１の他端とＳＷ１１６との間に接続される。第５リレー１９２は、Ｂ相の巻線Ｍ２の他端とＳＷ１１６との間に接続される。第６リレー１９３は、Ｃ相の巻線Ｍ３の他端とＳＷ１１６との間に接続される。  
【００４０】
第４リレー１９１は、ＳＷ１３１Ｈと並列に、Ａ相の巻線Ｍ１の他端に接続される。第５リレー１９２は、ＳＷ１３２Ｈと並列に、Ｂ相の巻線Ｍ２の他端に接続される。第６リレー１９３は、ＳＷ１３３Ｈと並列に、Ｃ相の巻線Ｍ３の他端に接続される。  
【００４１】
電力変換装置１００は、ＧＮＤに接続されるリレー回路と、電源に接続されるリレー回路との両方を備えてもよい。  
【００４２】
図３は、ＧＮＤに接続されるリレー回路と、電源に接続されるリレー回路との両方を備える電力変換装置１００を示す図である。  
【００４３】
図３に示す電力変換装置１００は、第１ハイサイドリレー回路１８０Ｈと、第１ローサイドリレー回路１８０Ｌと、第２ハイサイドリレー回路１９０Ｈと、第２ローサイドリレー回路１９０Ｌとを備える。  
【００４４】
第１ローサイドリレー回路１８０Ｌが備えるリレー１８１Ｌ、１８２Ｌ、１８３Ｌは、図１に示す第１リレー回路１８０が備えるリレー１８１、１８２、１８３と同様の構成を有する。第２ローサイドリレー回路１９０Ｌが備えるリレー１９１Ｌ、１９２Ｌ、１９３Ｌは、図１に示す第２リレー回路１９０が備えるリレー１９１、１９２、１９３と同様の構成を有する。  
【００４５】
第１ハイサイドリレー回路１８０Ｈが備えるリレー１８１Ｈ、１８２Ｈ、１８３Ｈは、図２に示す第１リレー回路１８０が備えるリレー１８１、１８２、１８３と同様の構成を有する。第２ハイサイドリレー回路１９０Ｈが備えるリレー１９１Ｈ、１９２Ｈ、１９３Ｈは、図２に示す第２リレー回路１９０が備えるリレー１９１、１９２、１９３と同様の構成を有する。  
【００４６】
このように、電力変換装置１００は、ＧＮＤに接続されるリレー回路と、電源に接続されるリレー回路との両方を備えてもよい。  
【００４７】
上述したとおり、第２インバータ１３０は、第１インバータ１２０の構造と実質的に同じ構造を備え、さらに、第２リレー回路１９０は、第１リレー回路１８０の構造と実質的に同じ構造を備える。実施形態の説明においては、説明の便宜上、例えば、紙面の左側のインバータを第１インバータ１２０と表記し、右側のインバータを第２インバータ１３０と表記している。ただし、このような表記は、本開示を限定する意図で解釈されてはならない。例えば、第１および第２インバータ１２０、１３０は、電力変換装置１００の構成要素として区別なく用いられ得る。  
【００４８】
〔１−２．モータモジュール１０００の構造〕  図４は、本実施形態によるモータモジュール１０００のブロック構成を模式的に示している。  
【００４９】
モータモジュール１０００は、電力変換装置１００と、モータ２００と、モータ制御装置３００とを備える。  
【００５０】
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、電力変換装置１００およびモータ制御装置３００から構成される、モータ２００以外のユニットをモジュール化して製造および販売し得る。  
【００５１】
モータ制御装置３００は、例えば、電源回路３１０と、角度センサ３２０と、入力回路３３０と、コントローラ３４０と、駆動回路３５０と、ＲＯＭ３６０とを備える。モータ制御装置３００は、電力変換装置１００に接続され、電力変換装置１００を制御することによりモータ２００を駆動する制御回路である。  
【００５２】
モータ制御装置３００は、目的とするモータ２００のロータの位置、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、モータ制御装置３００は、角度センサ３２０に代えてトルクセンサを備えてもよい。この場合、モータ制御装置３００は、目的とするモータトルクを制御することができる。
【００５３】
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。  
【００５４】
角度センサ３２０は、例えばレゾルバまたはホールＩＣである。または、角度センサ３２０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３２０は、ロータの回転角（以下、「回転信号」と表記する。）を検出し、回転信号をコントローラ３４０に出力する。  
【００５５】
入力回路３３０は、電流センサ１５０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。）を受け取って、実電流値のレベルをコントローラ３４０の入力レベルに必要に応じて変換し、実電流値をコントローラ３４０に出力する。入力回路３３０は、例えばアナログデジタル変換回路である。  
【００５６】
コントローラ３４０は、駆動回路３５０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。  
【００５７】
コントローラ３４０は、電力変換装置１００の第１および第２インバータ１２０、１３０における各ＳＷ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。コントローラ３４０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３５０に出力する。コントローラ３４０は、電力変換装置１００の電源遮断回路１１０における各ＳＷのオン・オフを制御してもよい。さらに、コントローラ３４０は、第１リレー回路１８０および第２リレー回路１９０のオン・オフ状態を切替えることが可能である。または、駆動回路３５０がコントローラ３４０の制御の下で、各リレー回路のオン・オフ状態の切替えを実行してもよい。ここで、リレー回路をオンするとは、例えば、そのリレー回路内の全てのリレーをオンすることである。リレー回路をオフするとは、例えば、そのリレー回路内の全てのリレーをオフすることである。例えば、第１リレー回路１８０のオフ状態は、リレー１８１、１８２および１８３の全てがオフ状態であることを指し、オン状態はそれらのリレーが全てオン状態であることを指す。  
【００５８】
駆動回路３５０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３５０は、第１および第２インバータ１２０、１３０における各ＳＷのＭＯＳＦＥＴのスイッチング動作を制御する制御信号（ゲート制御信号）をＰＷＭ信号に従って生成し、各ＳＷのゲートに制御信号を与える。また、駆動回路３５０は、電源遮断回路１１０における各ＳＷのオン・オフを制御する制御信号を、コントローラ３４０からの指示に従って生成してもよい。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３４０に実装され得る。  
【００５９】
ＲＯＭ３６０は、コントローラ３４０に電気的に接続される。ＲＯＭ３６０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。ＲＯＭ３６０は、コントローラ３４０にモータ制御装置３００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している。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。  
【００６０】
なお、図示する例では、１個のモータ制御装置３００が第１および第２インバータ１２０、１３０の両方を制御していたが、モータモジュール１０００は複数のモータ制御装置３００を備えてもよい。例えば、モータモジュール１０００が２個のモータ制御装置３００を備え、一方のモータ制御装置３００が第１インバータ１２０を制御し、他方のモータ制御装置３００が第２インバータ１３０を制御してもよい。  
【００６１】
〔１−３．電力変換装置１００の動作〕
＜正常時の制御＞
モータ制御装置３００は、電源遮断回路１１０のＳＷ１１１、１１２、１１３および１１４を全てオンする。電源遮断回路１１０の逆接続保護用のＳＷ１１５、１１６は常時オン状態であるとする。これにより、電源１０１と第１インバータ１２０とが電気的に接続され、かつ、電源１０１と第２インバータ１３０とが電気的に接続される。また、第１インバータ１２０とＧＮＤとが電気的に接続され、かつ、第２インバータ１３０とＧＮＤとが電気的に接続される。また、モータ制御装置３００は、第１リレー回路１８０および第２リレー回路１９０をオフする。これにより、第１リレー回路１８０を介した第１インバータ１２０とＧＮＤおよび電源１０１との接続は遮断され、第２リレー回路１９０を介した第２インバータ１３０とＧＮＤおよび電源１０１との接続は遮断される。この接続状態において、モータ制御装置３００は、第１および第２インバータ１２０、１３０の両方を用いて巻線Ｍ１、Ｍ２およびＭ３を通電することによりモータ２００を駆動する。本明細書において、三相の巻線を通電することを「三相通電制御」と呼ぶこととする。  
【００６２】
図５は、三相通電制御に従って電力変換装置１００を制御したときにモータ２００のＡ相、Ｂ相およびＣ相の各巻線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）を示す。図５の電流波形において、電気角３０°毎に電流値をプロットしている。Ｉｐｋは各相の最大電流値（ピーク電流値）を表す。  
【００６３】
図５に示される電流波形において、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」となる。ただし、電力変換装置１００の回路構成によれば、三相の巻線に流れる電流を独立に制御することができるために、電流の総和が「０」とはならない制御を行うことも可能である。その場合、インバータの回路内に零相電流が流れ得る。その結果、零相電流の影響を受けて制御誤差が発生し得る。厳密には、三相の巻線に流れる電流の総和は電気角毎に「０」にはならない点に留意されたい。例えば、モータ制御装置３００は、図５に示される電流波形が得られるＰＷＭ制御によって第１および第２インバータ１２０、１３０の各ＳＷのスイッチング動作を制御することが可能である。  
【００６４】
＜異常時の制御＞
上述したように、異常とは主としてスイッチ素子（ＦＥＴ）に故障が発生したことを意味する。ＦＥＴの故障には、大きく分けて「オープン故障」と「ショート故障」とがある。「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。スイッチ素子ＳＷのオープン故障とは、ＳＷが常にオフ状態（遮断状態）となり、オン状態（導通状態）にならない故障を指す。スイッチ素子ＳＷのショート故障とは、ＳＷが常にオン状態となり、オフ状態にならない故障を指す。  
【００６５】
再び図１を参照する。電力変換装置１００の動作時において故障が発生する場合、通常は、第１および第２インバータ１２０および１３０の１２個のスイッチ素子のうちの１つのスイッチ素子がランダムに故障するランダム故障が発生すると考えられる。ただし、複数のスイッチ素子が連鎖的に故障することも発生することが想定される。連鎖的な故障とは、例えば１つのレグの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に故障が同時に発生することを意味する。本開示は、これらの故障を範疇とする。  
【００６６】
電力変換装置１００を長期間使用すると、ランダム故障が起こる可能性がある。なお、ランダム故障は、製造時に発生し得る製造故障とは異なる。２つのインバータの複数のスイッチ素子のうちの１つでも故障すると、上記の正常時の三相通電制御はもはや不可能となる。  
【００６７】
故障検知の一例として、駆動回路３５０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３５０に設定される。駆動回路３５０は、コントローラ３４０のポートと接続され、故障検知信号をコントローラ３４０に通知する。例えば、駆動回路３５０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３４０は、アサートされた故障検知信号を受信すると、駆動回路３５０の内部データを読み出して、複数のスイッチ素子のうちのどのスイッチ素子が故障しているのかを判別する。  
【００６８】
故障検知の他の一例としては、コントローラ３４０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。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。  
【００６９】
コントローラ３４０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。  
【００７０】
図６および図７は、第１インバータ１２０のＡ相レグの２つのスイッチ素子が連鎖的に故障した場合の回路内のスイッチ素子およびリレー回路のオン・オフ状態を示している。  
【００７１】
例えば、第１インバータ１２０におけるＡ相レグのＳＷ１２１Ｈ、１２１Ｌが連鎖的にオープン故障したとする。上述したように、正常時の三相通電制御において、インバータの回路内に零相電流が流れ得る。  
【００７２】
ここで、仮に第１リレー回路１８０が電源１０１およびＧＮＤの両方に接続されていない構成を考える。モータ制御装置３００は、モータ制御を正常時の制御から異常時の制御に切替える場合、第１リレー回路１８０をオンし、かつ、電源遮断回路１１０のＳＷ１１１、１１２をオフする。第２リレー回路１９０はオフしたままである。これにより、電源１０１およびＧＮＤから第１インバータ１２０を電気的に分離し、第１リレー回路１８０のノードＮ１８をモータ２００の中性点として機能させることができる。換言すると、モータ２００の結線をＹ結線に切替えることができる。  
【００７３】
但し、このような制御に従いＳＷ１１１、１１２がオフされると、ノードＮ１８、すなわち、中性点は、電源１０１およびＧＮＤから絶縁されてしまう。従って、それまで回路内に存在していた零相電流の電流経路が突然断たれることとなる。過電圧が発生し、そのことが回路内の電子部品、例えばＳＷの破損を誘発することが起こり得る。  
【００７４】
図６に示す本実施形態による電力変換装置１００では、第１リレー回路１８０は、ＳＷ１１１を介してＧＮＤに接続されている。第１リレー回路１８０をオンにしてノードＮ１８に中性点を構成したタイミングでは、ＳＷ１１１をオンにしておく。ノードＮ１８はＧＮＤから絶縁されないので、ノードＮ１８とＧＮＤとの間で零相電流Ｉｚの経路が確保される。  
【００７５】
図７に示す本実施形態による電力変換装置１００では、第１リレー回路１８０は、ＳＷ１１２、１１５を介して電源１０１に接続されている。第１リレー回路１８０をオンにしてノードＮ１８に中性点を構成したタイミングでは、ＳＷ１１２、１１５をオンにしておく。ノードＮ１８は電源１０１から絶縁されないので、ノードＮ１８と電源１０１との間で零相電流Ｉｚの経路が確保される。  
【００７６】
本実施形態の電力変換装置１００では、第１リレー回路１８０をオンにして中性点を構成するとき、回路内に残存していた零相電流を外部に逃がすことができる。その結果、回路内の電子部品の破損を効果的に抑制することが可能となる。  
【００７７】
また、第１リレー回路１８０をオンにして中性点を構成するタイミングでは、第１インバータ１２０の故障していないスイッチ素子はオンにしてもよい。これにより、零相電流をより効率良く外部に逃がすことができる。  
【００７８】
モータ制御装置３００は、第１リレー回路１８０をオンした後、零相電流が外部に逃げて小さくなった時点で、電源遮断回路１１０のＳＷ１１１、１１２をオフする。例えば、モータ制御装置３００は、先ず、第１リレー回路１８０をオンする。モータ制御装置３００は、零相電流を監視し、それが所定値未満になることを確認してから、ＳＷ１１１、１１２をオフする。この制御により、ＳＷ１１１、１１２、およびインバータ内のスイッチ素子の破損をより確実に防止することが可能となる。  
【００７９】
零相電流が所定値未満になった後、モータ制御装置３００は、電源遮断回路１１０のＳＷ１１１、１１２をオフする。モータ制御装置３００は、第１インバータ１２０における故障していないＳＷ１２２Ｈ、１２２Ｌ、１２３Ｈおよび１２３Ｌを全てオフする。この状態で、モータ制御装置３００は、例えば図５に示される電流波形が得られるＰＷＭ制御によって第２インバータ１３０の各スイッチ素子のスイッチング動作を制御する。このように、モータ制御装置３００は、スイッチ素子の故障後にＹ結線モータの駆動モードに速やかに切替えることができ、モータ２００の駆動を継続させることができる。  
【００８０】
図３に例示したように、電力変換装置１００が、ＧＮＤに接続されるリレー回路と、電源に接続されるリレー回路との両方を備える場合は、それらリレー回路の少なくとも一方を用いて中性点を構成することができる。この場合も、電源遮断回路１１０のスイッチ素子のオン・オフを制御することで、零相電流を外部に逃がすことができる。  
【００８１】
（実施形態２）
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している。  
【００８２】
自動車等の車両は一般に、電動パワーステアリング装置を有する。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。  
【００８３】
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を備える。  
【００８４】
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を備える。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。  
【００８５】
ＥＣＵ５４２は、例えば、実施形態１によるコントローラ３４０および駆動回路３５０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。
【産業上の利用可能性】
【００８６】
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】
【００８７】
１００    ：電力変換装置１０１    ：電源１０２    ：コイル１０３    ：コンデンサ１１０    ：電源切替回路１１１    ：第１スイッチ素子（ＳＷ）１１２    ：第２スイッチ素子（ＳＷ）１１３    ：第３スイッチ素子（ＳＷ）１１４    ：第４スイッチ素子（ＳＷ）１１５    ：第５スイッチ素子１１６    ：第６スイッチ素子１２０    ：第１インバータ１３０    ：第２インバータ１５０    ：電流センサ１８０    ：第１リレー回路１９０    ：第２リレー回路２００    ：電動モータ３００    ：モータ制御装置３１０    ：電源回路３２０    ：角度センサ３３０    ：入力回路３４０    ：マイクロコントローラ３５０    ：駆動回路３６０    ：ＲＯＭ１０００  ：モータモジュール２０００  ：電動パワーステアリング装置
【図１】
2019159664.tif 000003
【図２】
2019159664.tif 000004
【図３】
2019159664.tif 000005
【図４】
2019159664.tif 000006
【図５】
2019159664.tif 000007
【図６】
2019159664.tif 000008
【図７】
2019159664.tif 000009
【図８】
2019159664.tif 000010
【国際調査報告】
2019159664.tif 000011
2019159664.tif 000012
2019159664.tif 000013