(57)【要約】突入電流抑制装置は、直流電源から機械式開閉器を介して流れる突入電流を抑制する突入電流抑制装置であって、機械式開閉器を介して直流電源の正側端子に一端が接続される第一のコンデンサと、第一のコンデンサの他端と直流電源の負側端子との間で第一のコンデンサの他端と直流電源１の負側端子とに接続される半導体スイッチング素子と、半導体スイッチング素子に並列接続される抵抗素子と、半導体スイッチング素子を制御する制御回路とを備え、制御回路は、第一の出力ポートを有し、機械式開閉器の閉路の後、第一の出力ポートから半導体スイッチング素子にＰＷＭ信号を出力することによって、半導体スイッチング素子のオン時間及びオフ時間を制御する。
2020059262.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流電源から機械式開閉器を介して流れる突入電流を抑制する突入電流抑制装置であって、
前記機械式開閉器を介して前記直流電源の正側端子に一端が接続される第一のコンデンサと、
前記第一のコンデンサの他端と前記直流電源の負側端子との間で前記第一のコンデンサの他端と前記直流電源の負側端子とに接続される半導体スイッチング素子と、
前記半導体スイッチング素子に並列接続される抵抗素子と、
前記半導体スイッチング素子を制御する制御回路とを備え、
前記制御回路は、第一の出力ポートを有し、前記機械式開閉器の閉路の後、前記第一の出力ポートから前記半導体スイッチング素子にＰＷＭ信号を出力することによって、前記半導体スイッチング素子のオン時間及びオフ時間を制御する
突入電流抑制装置。
【請求項２】
前記第一の出力ポートと前記半導体スイッチング素子との間で前記第一の出力ポートと前記半導体スイッチング素子とに接続される遅延回路をさらに備える
請求項１に記載の突入電流抑制装置。
【請求項３】
前記遅延回路は、前記ＰＷＭ信号の波形を矩形波状から鋸波状に変換する
請求項２に記載の突入電流抑制装置。
【請求項４】
前記制御回路は、前記ＰＷＭ信号のデューティ比を漸増させる
請求項１に記載の突入電流抑制装置。
【請求項５】
前記制御回路は、所定の時間にわたって前記ＰＷＭ信号を出力した後、前記半導体スイッチング素子をオン状態に維持するオン信号を出力する
請求項１に記載の突入電流抑制装置。
【請求項６】
一端が前記第一のコンデンサの前記一端に接続されるインダクタと、
前記インダクタの他端と、前記第一のコンデンサの前記他端との間に接続される第二のコンデンサとをさらに備える
請求項１に記載の突入電流抑制装置。
【請求項７】
前記半導体スイッチング素子は、電界効果トランジスタである
請求項１に記載の突入電流抑制装置。
【請求項８】
請求項１に記載の突入電流抑制装置と、
前記直流電源から電力が供給されるインバータとを備え、
前記制御回路は、前記インバータを駆動する駆動信号を出力する第二の出力ポートをさらに有する
モータ駆動装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、直流電源から機械式開閉器を介して流れる突入電流を抑制する突入電流抑制装置及びモータ駆動装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、例えば、車載用機器であって、正側及び負側の電源接続端子間にコンデンサを備える機器が用いられている。このような機器のうち、補器バッテリより機械式開閉器を介して電力供給されるものは、機械式開閉器が閉路する際に、コンデンサに流れ込む比較的大きな充電電流、言い換えると、突入電流、が発生する。このような突入電流により機械式開閉器の接点において、溶融などの損傷が生じる場合がある。このため、定格電流の大きな機械式開閉器を使用したり、コンデンサを備える機器に突入電流の電流値を抑制する工夫を施したりするなどの対策が一般的に行われている。コンデンサへの突入電流を抑制する従来技術としては、例えば特許文献１に記載された技術がある。【０００３】
図４は、従来技術の突入電流抑制技術の一例が用いられる電源保護回路の構成を示す回路図である。【０００４】
図４に示されるように、特許文献１に記載された電源保護回路１２０は、コンデンサ１０３、抵抗素子１０４、ＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ−Ｏｘｉｄｅ−Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  Ｆｉｅｌｄ−Ｅｆｆｅｃｔ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）１０５及び１０６、ボディダイオード１０５ａ及び１０６ａ、並びに、駆動制御部１２１を備える。駆動制御部１２１は、駆動回路１０８、制御回路１０９、及び、ＤＣ／ＤＣコンバータ１１０を有する。なお、図４には、直流電源１０１、外部スイッチ１０２及び負荷側回路１１１も併せて示されている。【０００５】
以下、図４及び図５を用い、電源保護回路１２０の動作を説明する。図５は、従来技術の電源保護回路１２０の動作を示すグラフである。図５には、外部スイッチ１０２の状態、コンデンサ１０３に流れる電流Ｉ３、コンデンサ１０３に印加される電圧Ｖ３、ＤＣ／ＤＣコンバータ１１０の状態、及び、制御回路１０９の状態と時間との関係が示されている。【０００６】
図４に示される外部スイッチ１０２が、時刻ｔ１でオン状態に切り替えられると、直流電源１０１から、コンデンサ１０３及び抵抗素子１０４からなる直列回路に電流Ｉ３が流れ、コンデンサ１０３の電圧Ｖ３が増大する。続く時刻ｔ２でＤＣ／ＤＣコンバータ１１０が起動し、制御回路１０９及び駆動回路１０８への電力供給が開始される。この時、ＭＯＳＦＥＴ１０５が導通することで、コンデンサ１０３の電圧Ｖ３がさらに増大する。また、コンデンサ１０３の電圧Ｖ３が直流電源１０１の電圧に近づくことにより、電流Ｉ３は低下する。続く時刻ｔ３には、コンデンサ１０３の電圧と直流電源１０１の電圧とが一致するため、電流Ｉ３は０になる。【０００７】
以上のように、従来技術では、開閉器である外部スイッチ１０２がオン状態（閉路）に切り替えられた直後は、抵抗素子１０４を流れる電流によりコンデンサ１０３が充電される。その後、ＤＣ／ＤＣコンバータ１１０の起動によりＭＯＳＦＥＴ１０５が導通する。しかし、抵抗素子１０４を流れる電流によりコンデンサ１０３の予備充電が行われているので、電流Ｉ３が過剰に大きくなることなく充電が継続される。このように、外部スイッチ１０２の閉路により発生する突入電流が抑制されるため、ＭＯＳＦＥＴ１０５に要求される定格電流を低減できる。【０００８】
しかしながら、ＭＯＳＦＥＴ１０５は比較的長時間連続通電されるため、許容損失値の比較的大きい、外囲器（いわゆるパワーパッケージ）を有する製品が必要であり、電源保護回路１２０は、更なる小型化、低コスト化が必要である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２０１４−１８７７６８号公報
【発明の概要】
【００１０】
本発明は、上記課題を解決するもので、小型化及び低コスト化が可能な突入電流抑制装置及びモータ駆動装置を提供することを目的とする。
【００１１】
本発明に係る突入電流抑制装置の第１の態様は、直流電源から機械式開閉器を介して流れる突入電流を抑制する突入電流抑制装置であって、機械式開閉器を介して直流電源の正側端子に一端が接続される第一のコンデンサと、第一のコンデンサの他端と直流電源の負側端子との間で第一のコンデンサの他端と直流電源の負側端子とに接続される半導体スイッチング素子と、半導体スイッチング素子に並列接続される抵抗素子と、半導体スイッチング素子を制御する制御回路とを備える。制御回路は、第一の出力ポートを有し、機械式開閉器の閉路の後、第一の出力ポートから半導体スイッチング素子にＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ  Ｗｉｄｔｈ  Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）信号を出力することによって、半導体スイッチング素子のオン時間及びオフ時間を制御する。
【００１２】
このように、機械式開閉器の閉路の後に、半導体スイッチング素子をＰＷＭ信号によってオンオフ制御することにより、半導体スイッチング素子を介して第一のコンデンサに流れる突入電流のピーク値を抑制できる。また、半導体スイッチング素子における電力損失に伴う温度上昇を抑制できる。したがって、半導体スイッチング素子に要求される定格電流を低減できる。よって、半導体スイッチング素子を小型化及び低コスト化できる。これに伴い、突入電流抑制装置を小型化及び低コスト化できる。
【００１３】
また、本発明に係る突入電流抑制装置の第２の態様は、第１の態様において、第一の出力ポートと半導体スイッチング素子との間で第一の出力ポートと半導体スイッチング素子とに接続される遅延回路をさらに備えてもよい。
【００１４】
これにより、矩形波状の波形を有するＰＷＭ信号の波形を変形させることができる。よって、半導体スイッチング素子のオン時間調整の自由度を高めることができる。したがって、半導体スイッチング素子に流れる突入電流の調整の自由度を高めることができる。
【００１５】
また、本発明に係る突入電流抑制装置の第３の態様は、第２の態様において、遅延回路は、ＰＷＭ信号の波形を矩形波状から鋸波状に変換してもよい。
【００１６】
これにより、ＰＷＭ信号を半導体スイッチング素子に入力する場合より、半導体スイッチング素子のオン時間を短縮できる。したがって、半導体スイッチング素子に流れる突入電流をより一層低減できる。
【００１７】
また、本発明に係る突入電流抑制装置の第４の態様は、第１の態様において、制御回路は、ＰＷＭ信号のデューティ比を漸増させてもよい。
【００１８】
突入電流抑制装置の半導体スイッチング素子に突入電流が流れるに伴って、徐々に、第一のコンデンサが充電され、第一のコンデンサに印加される電圧が上昇する。この電圧と直流電源の出力電圧との差が減少するに伴って、突入電流のピーク値が減少する。そこで、制御回路は、ＰＷＭ信号のデューティ比を漸増させることにより、半導体スイッチング素子のオン時間を漸増させる。これにより、ＰＷＭ信号の周期毎に流れる突入電流の量をほぼ一定にできる。よって、半導体スイッチング素子の定格電流の範囲内で、最大限の突入電流を流し続けることができる。したがって、第一のコンデンサの充電に要する時間（言い換えると、突入電流抑制装置の起動に要する時間）を低減できる。
【００１９】
また、本発明に係る突入電流抑制装置の第５の態様は、第１の態様において、制御回路は、所定の時間にわたってＰＷＭ信号を出力した後、半導体スイッチング素子をオン状態に維持するオン信号を出力してもよい。
【００２０】
これにより、第一のコンデンサの充電が終了した後に、半導体スイッチング素子をオン状態に維持できる。よって、第一のコンデンサと直流電源との間を導通状態に維持できる。したがって、半導体スイッチング素子によって第一のコンデンサなどの機能が阻害されることを抑制できる。
【００２１】
また、本発明に係る突入電流抑制装置の第６の態様は、第１の態様において、一端が第一のコンデンサの一端に接続されるインダクタと、インダクタの他端と、第一のコンデンサの他端との間に接続される第二のコンデンサとをさらに備えてもよい。
【００２２】
これにより、π型の高周波フィルタを構成できる。したがって、例えば、マイクロコントローラなどからなる制御回路で発生するクロックノイズなどの高周波ノイズが直流電源側に漏洩することを抑制できる。
【００２３】
また、本発明に係る突入電流抑制装置の第７の態様は、第１の態様において、半導体スイッチング素子は、電界効果トランジスタであってよい。
【００２４】
また、本発明に係るモータ駆動装置の一態様は、上記突入電流抑制装置と、直流電源から電力が供給されるインバータとを備え、制御回路は、インバータを駆動する駆動信号を出力する第二の出力ポートをさらに有する。
【００２５】
本発明により、小型化及び低コスト化が可能な突入電流抑制装置及びモータ駆動装置を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】図１は、実施の形態に係る突入電流抑制装置及びモータ駆動装置の構成を示す回路図である。
【図２】図２は、実施の形態に係る突入電流抑制装置の特性を示す図である。
【図３】図３は、図２の一部拡大図である。
【図４】図４は、従来技術の突入電流抑制技術の一例が用いられる電源保護回路の構成を示す回路図である。
【図５】図５は、従来技術の電源保護回路の動作を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて詳細に説明する。なお、以下で説明する実施の形態は、いずれも本発明の一具体例を示すものである。以下の実施の形態で示される数値、形状、構成要素、構成要素の配置位置及び接続形態、ステップ、ステップの順序等は、一例であり、本発明を限定する主旨ではない。また、以下の実施の形態における構成要素のうち、本発明の最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。また、各図は、必ずしも厳密に図示したものではない。各図において、実質的に同一の構成については同一の符号を付し、重複する説明は省略又は簡略化する。
【００２８】
（実施の形態）
実施の形態に係る突入電流抑制装置及びモータ駆動装置について説明する。
【００２９】
［構成］
本実施の形態に係る突入電流抑制装置及びモータ駆動装置の構成について図１を用いて説明する。図１は、実施の形態に係る突入電流抑制装置１０及びモータ駆動装置２０の構成を示す回路図である。
【００３０】
図１に示されるように、モータ駆動装置２０は、突入電流抑制装置１０とインバータ１１とを備える。図１には、モータ駆動装置２０に加えて、モータ駆動装置２０に電力を供給する直流電源１と、直流電源１と接続される機械式開閉器２と、モータ駆動装置２０が駆動するモータに含まれるモータ巻線１３とが示されている。
【００３１】
直流電源１は、突入電流抑制装置１０及びモータ駆動装置２０に直流電力を供給する電源である。直流電源１は、例えば、補器バッテリである。直流電源１の正側端子は機械式開閉器２の一端と接続され、負側端子は接地される。
【００３２】
機械式開閉器２は、機械的に導通及び非導通を切り替える開閉器である。機械式開閉器２として、例えば、機械式リレーを用いることができる。
【００３３】
モータ巻線１３は、例えば、ブラシレスモータなどに用いられる巻線である。
【００３４】
突入電流抑制装置１０は、直流電源１から機械式開閉器２を介して流れる突入電流を抑制する装置である。突入電流抑制装置１０は、第一のコンデンサ３と、半導体スイッチング素子５と、抵抗素子４と、制御回路９とを備える。突入電流抑制装置１０は、さらに、遅延回路６と、インダクタ７と、第二のコンデンサ８と、第三のコンデンサ１２とを備える。
【００３５】
第一のコンデンサ３は、電圧平滑化用の容量素子である。第一のコンデンサ３、インダクタ７及び第二のコンデンサ８はπ型の高周波フィルタを形成する。第一のコンデンサ３は、機械式開閉器２を介して直流電源１の正側端子に一端が接続される。第一のコンデンサ３として、例えば電解コンデンサを用いることができる。第一のコンデンサ３の一端（正側端子）は、機械式開閉器２の他端（直流電源１と接続されていない方の端子）及びインダクタ７の一端に接続される。第一のコンデンサ３の他端（負側端子）は、抵抗素子４の一端、半導体スイッチング素子５のドレイン（Ｄ）端子、及び、第二のコンデンサ８の負側端子と接続される。
【００３６】
半導体スイッチング素子５は、突入電流を抑制するための素子である。半導体スイッチング素子５は、第一のコンデンサ３の他端と直流電源１の負側端子との間で第一のコンデンサ３の他端と直流電源１の負側端子とに接続される。半導体スイッチング素子５は、ＭＯＳＦＥＴである。半導体スイッチング素子５は、半導体を用いたスイッチング素子であれば特に限定されない。半導体スイッチング素子５は、例えば、ＭＯＳＦＥＴ以外の電界効果トランジスタ（Ｆｉｅｌｄ−Ｅｆｆｅｃｔ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ、ＦＥＴ）などであってもよい。半導体スイッチング素子５のゲート（Ｇ）端子は、制御回路９に接続される。ゲート端子は、遅延回路６を介して、制御回路９の第一の出力ポートＴ１に接続される。半導体スイッチング素子５のソース（Ｓ）端子は、接地される。
【００３７】
抵抗素子４は、突入電流を抑制する素子であり、半導体スイッチング素子５に並列接続される。具体的には、抵抗素子４は、半導体スイッチング素子５のドレイン端子とソース端子との間に接続される。抵抗素子４の抵抗値は、例えば、１００Ω〜１ＭΩ程度である。
【００３８】
制御回路９は、半導体スイッチング素子５を制御する回路である。制御回路９は、第一の出力ポートＴ１を有する。制御回路９は、機械式開閉器２の閉路の後、第一の出力ポートＴ１から半導体スイッチング素子５にＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ  Ｗｉｄｔｈ  Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）信号を出力することによって、半導体スイッチング素子５のオン時間及びオフ時間を制御する。制御回路９は、インバータ１１を駆動する駆動信号を出力する第二の出力ポートＴ２をさらに有する。制御回路９は、例えば、マイクロコントローラ（以下マイコンと略記）で実現できる。マイコンは、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ  Ａｃｃｅｓｓ  Ｍｅｍｏｒｙ）、プログラムが格納されたＲＯＭ（Ｒｅａｄ  Ｏｎｌｙ  Ｍｅｍｏｒｙ）、プログラムを実行するプロセッサ（Ｃｅｎｔｒａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ  Ｕｎｉｔ、ＣＰＵ）、タイマ、入出力回路などを有する１チップの半導体集積回路である。制御回路９は、マイコン以外の電気回路などで実現されてもよい。制御回路９は、電力入力用の正側端子及び負側端子を有する。制御回路９の正側端子は、機械式開閉器２及びインダクタ７を介して直流電源１の正側端子に接続される。制御回路９の負側端子は、接地される。
【００３９】
第三のコンデンサ１２は、制御回路９に並列接続される容量素子である。より具体的には、第三のコンデンサ１２は、制御回路９の正側端子と負側端子との間に接続される。第三のコンデンサ１２は、突入電流抑制装置１０の特性を調整するために用いられる。第三のコンデンサ１２として、静電容量が０．１μＦ程度のセラミックコンデンサが用いられる。
【００４０】
インダクタ７は、第一のコンデンサ３及び第二のコンデンサ８とともにπ型の高周波フィルタを形成する素子である。インダクタ７の一端が第一のコンデンサ３の一端に接続され、インダクタ７の他端が、第二のコンデンサ８の一端に接続される。
【００４１】
第二のコンデンサ８は、第一のコンデンサ３及びインダクタ７とともにπ型の高周波フィルタを形成する。第二のコンデンサ８は、インダクタ７の他端（第一のコンデンサ３が接続される端子の反対側の端子）と、第一のコンデンサ３の他端（機械式開閉器２が接続される正側端子の反対側の端子）との間に接続される。第二のコンデンサ８として、例えば、電解コンデンサが用いられる。第二のコンデンサ８の正側端子及び負側端子は、それぞれ、インダクタ７の他端、及び、第一のコンデンサ３の他端に接続される。
【００４２】
遅延回路６は、制御回路９の第一の出力ポートＴ１と半導体スイッチング素子５との間で第一の出力ポートＴ１と半導体スイッチング素子５とに接続される。遅延回路６は、第一の出力ポートＴ１から出力されるＰＷＭ信号の波形を変換する回路である。遅延回路６は、ＰＷＭ信号の波形を矩形波状から鋸波状に変換する。遅延回路６は、第四のコンデンサ１５と、抵抗素子１４及び１６とを有する。第四のコンデンサ１５は、一端が半導体スイッチング素子５のゲート端子に接続され、他端が接地される。抵抗素子１４は、一端が半導体スイッチング素子５のゲート端子に接続され、他端が制御回路９の第一の出力ポートＴ１に接続される。抵抗素子１６は、一端が半導体スイッチング素子５のゲート端子に接続され、他端が接地される。
【００４３】
［動作及び作用］
以上のように構成された突入電流抑制装置１０及びモータ駆動装置２０の動作及び作用について、図２及び図３を用いて説明する。図２は、実施の形態に係る突入電流抑制装置１０の特性を示す図である。図２には、第一のコンデンサ３の正側端子の電圧ＶＧ、半導体スイッチング素子５のドレイン端子電圧ＶＤ、ＰＷＭ信号Ｖｐｏ１、半導体スイッチング素子５のゲート端子電圧ＶＧＳ、ドレイン電流ＩＤ、及び、突入電流ＩＳの時間波形が示されている。図３は、図２の一部拡大図である。図３には、図２に示される破線枠ＩＩＩの内部が拡大して示されている。
【００４４】
図２に示されるように、最初に、時刻ｔ＝ｔ０の初期状態において、機械式開閉器２は、開路（オフ）状態であり、第一のコンデンサ３の正側端子の電圧ＶＧは、０Ｖである。
【００４５】
時刻ｔ＝ｔ１に、機械式開閉器２は閉路（オン）され、第一のコンデンサ３の正側端子の電圧ＶＧは、ゼロより大きいＶＧ１となる。半導体スイッチング素子５のドレイン端子電圧ＶＤもＶＧ１へ一旦上昇する。しかしながら、抵抗素子４を介して電流ＩＲが流れることにより、第一のコンデンサ３及び第二のコンデンサ８の充電が開始されるので、ドレイン端子電圧ＶＤは時刻ｔ＝ｔ１以降、継続的に低下する。図２に示される突入電流ＩＳは、抵抗素子４に流れる電流ＩＲと半導体スイッチング素子５のドレイン電流ＩＤとの和に相当する。時刻ｔ＝ｔ１から後述する時刻ｔ＝ｔ２までは、ドレイン電流ＩＤは０であるため、ＩＳ＝ＩＲである。図２に示されるように、時刻ｔ＝ｔ１から時刻ｔ＝ｔ２までは、突入電流ＩＳは、継続的に低下する。ここで、抵抗素子４の抵抗値は、十分大きい値に設定されているため、この期間における突入電流ＩＳは十分小さい。
【００４６】
時刻ｔ＝ｔ１から所定時間経過した時刻ｔ＝ｔ２に、制御回路９は、第一の出力ポートＴ１よりＰＷＭ信号Ｖｐｏ１の出力を開始する。ここで、時刻ｔ＝ｔ１から時刻ｔ＝ｔ２までの所定時間は、制御回路９の起動に要する時間である。制御回路９は、ＰＷＭ信号Ｖｐｏ１のデューティ比を、０％から１００％まで時間の経過とともに漸増させる。ＰＷＭ信号は遅延回路６によって平滑化された後、半導体スイッチング素子５のゲート端子へ入力される。これにより、ゲート端子電圧ＶＧＳは、時刻ｔ＝ｔ２以降、徐々に上昇する。ゲート端子電圧ＶＧＳが、スレッシュホールド電圧Ｖｔｈに達すると、半導体スイッチング素子５は導通する。半導体スイッチング素子５の導通時の動作について図３を用いて説明する。
【００４７】
図３に示されるように、時刻ｔ＝ｔ３以前において、例えば、ＰＭＷ信号Ｖｐｏ１のパルス幅がｔｐ０のときには、半導体スイッチング素子５のゲート端子電圧ＶＧＳの値が、スレッシュホールド電圧Ｖｔｈ未満である。このため、時刻ｔ＝ｔ３以前においては、半導体スイッチング素子５は導通せず、ドレイン電流ＩＤは発生していない。
【００４８】
時刻ｔ＝ｔ３以降、制御回路９の第一の出力ポートＴ１から出力されるＰＷＭ信号Ｖｐｏ１のパルス幅がｔｐ１のときに、ゲート端子電圧ＶＧＳが、Ｖｔｈに到達する。これに伴い、電流ｉｐ１が微小期間ｔｐ１１だけ発生する。以降、デューティ比が漸増、すなわち、ＰＷＭ信号のパルス幅がｔｐ２、ｔｐ３、ｔｐ４、ｔｐ５、ｔｐ６、ｔｐ７と拡大するに従い、ゲート端子電圧ＶＧＳが増大する。これに伴い、電流ｉｐ２、ｉｐ３、ｉｐ４、ｉｐ５、ｉｐ６、ｉｐ７というようにパルス状のドレイン電流ＩＤが発生する。通電時間は、ｔｐ２２、ｔｐ３３、ｔｐ４４、ｔｐ５５、ｔｐ６６、ｔｐ７７と拡大する。一方、電流ｉｐ２、ｉｐ３、ｉｐ４、ｉｐ５、ｉｐ６、ｉｐ７のピーク値は低下する。これは、第一のコンデンサ３及び第二のコンデンサ８の充電の進行により、半導体スイッチング素子５のドレイン端子電圧ＶＤが時刻ｔ＝ｔ３における電圧値ＶＤ３から徐々に低下するためである。
【００４９】
以上のような作用により、半導体スイッチング素子５で発生する電力損失は、半導体スイッチング素子５を連続導通状態とする場合、及び、遅延回路６を用いず制御回路９からのＰＷＭ信号により直接半導体スイッチング素子５のゲートを駆動する場合に比べ、微小な値に留まる。また、制御回路９がＰＷＭ信号のデューティ比を漸増させることにより、半導体スイッチング素子５のオン時間は漸増するが、一方で、ドレイン電流ＩＤのピーク値は漸減する。このため、ＰＷＭの周期毎に流れる突入電流の量、及び、突入電流に伴う半導体スイッチング素子５における電力損失をほぼ一定にできる。したがって、半導体スイッチング素子５の定格電流の範囲内で、最大限の突入電流を流し続けることができる。このため、第一のコンデンサ３の充電に要する時間（言い換えると、突入電流抑制装置１０の起動に要する時間）を低減できる。
【００５０】
時刻ｔ＝ｔ４以降では、ドレイン端子電圧ＶＤは０となり、半導体スイッチング素子５が導通しても、第一のコンデンサ３及び第二のコンデンサ８を充電する電流は発生しない。
【００５１】
次に、図２に戻り、時刻ｔ＝ｔ５に至ると、制御回路９の第一の出力ポートＴ１から出力されるＰＷＭ信号はデューティ比１００％、すなわち、ＤＣ信号になる。さらに言い換えると、制御回路９は、所定の時間にわたってＰＷＭ信号を出力した後、半導体スイッチング素子５をオン状態に維持するオン信号を連続的に出力する。したがって、時刻ｔ＝ｔ５以降、半導体スイッチング素子５は、導通状態を維持する。
【００５２】
時刻ｔ＝ｔ５以降、制御回路９は図示しない外部からの指令に基づき、第二の出力ポートＴ２からインバータ１１へ駆動信号を出力する。これにより、インバータ１１は、モータ巻線１３へ電力供給を開始する。こうして、モータ駆動装置２０は、モータ巻線１３を含むモータを駆動できる。
【００５３】
上述したように制御回路９及びインバータ１１が動作する際、制御回路９のクロックの動作、及び、インバータ１１の動作に伴うノイズ（高周波数の微小電圧変動）が発生する。しかしながら、本実施の形態に係る突入電流抑制装置１０では、第一のコンデンサ３、第二のコンデンサ８及びインダクタ７で構成されるπ型フィルタにより、直流電源１及びこれにつながる図示しない機器へのノイズの漏洩を抑制できる。
【００５４】
以上のように、本実施の形態に係る突入電流抑制装置１０は、直流電源１から機械式開閉器２を介して流れる突入電流を抑制する突入電流抑制装置１０であって、機械式開閉器を介して直流電源１の正側端子に一端が接続される第一のコンデンサ３と、第一のコンデンサ３の他端と直流電源１の負側端子との間で第一のコンデンサ３の他端と直流電源１の負側端子とに接続される半導体スイッチング素子５と、半導体スイッチング素子５に並列接続される抵抗素子４と、半導体スイッチング素子５を制御する制御回路９とを備える。制御回路９は、第一の出力ポートＴ１を有し、機械式開閉器２の閉路の後、第一の出力ポートＴ１から半導体スイッチング素子５にＰＷＭ信号を出力することによって、半導体スイッチング素子５のオン時間及びオフ時間を制御する。
【００５５】
このように、機械式開閉器２の閉路の後に、半導体スイッチング素子５をＰＷＭ信号によってオンオフ制御することにより、半導体スイッチング素子５を介して第一のコンデンサ３に流れる突入電流のピーク値を抑制できる。また、半導体スイッチング素子５における電力損失に伴う温度上昇を抑制できる。よって、半導体スイッチング素子５に要求される定格電流を低減できる。したがって、半導体スイッチング素子５を小型化及び低コスト化できる。これに伴い、突入電流抑制装置１０を小型化及び低コスト化できる。具体的には、従来技術では、半導体スイッチング素子として、大型のパワーパッケージを有するＭＯＳＦＥＴを用いる必要がある。一方、本実施の形態に係る突入電流抑制装置１０においては、半導体スイッチング素子５として、許容損失の小さい小型の小信号外囲器を有するＭＯＳＦＥＴなどを用いることが可能となる。
【００５６】
また、突入電流抑制装置１０は、第一の出力ポートＴ１と半導体スイッチング素子５との間で第一の出力ポートＴ１と半導体スイッチング素子５とに接続される遅延回路６を備える。
【００５７】
これにより、矩形波状の波形を有するＰＷＭ信号の波形を変形させることができる。よって、半導体スイッチング素子５のオン時間調整の自由度を高めることができる。したがって、半導体スイッチング素子５に流れる突入電流の調整の自由度を高めることができる。
【００５８】
また、突入電流抑制装置１０において、遅延回路６は、図３に示されるように、ＰＷＭ信号の波形を矩形波状から鋸波状に変換する。
【００５９】
これにより、ＰＷＭ信号を半導体スイッチング素子５に入力する場合より、半導体スイッチング素子５のオン時間を短縮できる。したがって、半導体スイッチング素子５に流れる突入電流をより一層低減できる。
【００６０】
また、突入電流抑制装置１０において、制御回路９は、ＰＷＭ信号のデューティ比を漸増させる。
【００６１】
上述のとおり、突入電流抑制装置１０の半導体スイッチング素子５に突入電流が流れるに伴って、徐々に、第一のコンデンサ３が充電され、第一のコンデンサ３に印加される電圧が上昇する。この電圧と直流電源１の出力電圧との差が減少するに伴って、突入電流のピーク値が減少する。そこで、制御回路９は、ＰＷＭ信号のデューティ比を漸増させることにより、半導体スイッチング素子５のオン時間を漸増させる。これにより、ＰＷＭの周期毎に流れる突入電流の量、及び、突入電流に伴う半導体スイッチング素子５における電力損失をほぼ一定にできる。よって、半導体スイッチング素子５の定格電流の範囲内で、最大限の突入電流を流し続けることができる。したがって、第一のコンデンサ３の充電に要する時間（言い換えると、突入電流抑制装置１０の起動に要する時間）を低減できる。
【００６２】
また、突入電流抑制装置１０において、制御回路９は、所定の時間にわたってＰＷＭ信号を出力した後、半導体スイッチング素子５をオン状態に維持するオン信号を出力する。
【００６３】
これにより、第一のコンデンサ３の充電が終了した後に、半導体スイッチング素子５をオン状態に維持できる。よって、第一のコンデンサ３と直流電源１との間を導通状態に維持できる。したがって、半導体スイッチング素子５によって第一のコンデンサ３などの機能が阻害されることを抑制できる。
【００６４】
また、突入電流抑制装置１０は、一端が第一のコンデンサ３の一端に接続されるインダクタ７と、インダクタ７の他端と、第一のコンデンサ３の他端との間に接続される第二のコンデンサ８とを備える。
【００６５】
これにより、π型の高周波フィルタを構成できる。したがって、例えば、マイコンなどからなる制御回路９で発生するクロックノイズなどの高周波ノイズが直流電源１側に漏洩することを抑制できる。
【００６６】
また、半導体スイッチング素子５は、電界効果トランジスタである。
【００６７】
また、モータ駆動装置２０は、突入電流抑制装置１０と、直流電源１から電力が供給されるインバータ１１とを備え、制御回路９は、インバータ１１を駆動する駆動信号を出力する第二の出力ポートＴ２を有する。
【００６８】
これにより、突入電流を抑制でき、かつ、小型化及び低コスト化が可能なモータ駆動装置２０を実現できる。
【００６９】
（変形例など）
以上、実施の形態に係る突入電流抑制装置１０及びモータ駆動装置２０について説明したが、本発明は、実施の形態に限定されるものではない。
【００７０】
例えば、実施の形態に係る突入電流抑制装置１０は、遅延回路６を備えたが、遅延回路６は必須の構成要素ではない。例えば、半導体スイッチング素子５に流れる突入電流を十分に抑制できる程度に短いパルス幅のＰＷＭ信号を制御回路９が出力できる場合には、突入電流抑制装置１０は遅延回路６を備えなくてもよい。
【００７１】
また、実施の形態に係る突入電流抑制装置１０は、インダクタ７及び第二のコンデンサ８を備えたが、これらの素子は必須の構成要素ではない。例えば、制御回路９などにおけるノイズが小さい場合、及び、直流電源１側に他の機器が接続されていない場合などには、突入電流抑制装置１０はこれらの素子を備えなくてもよい。
【００７２】
また、実施の形態に係る突入電流抑制装置１０では、制御回路９は、半導体スイッチング素子５のオン時間を漸増させたが、オン時間の態様はこれに限定されない。例えば、半導体スイッチング素子５のオン時間は一定でもよい。この場合にも、突入電流を低減する効果を得ることができる。
【００７３】
そのほか、実施の形態に対して当業者が思いつく各種変形を施して得られる形態、又は、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で実施の形態における構成要素及び機能を任意に組み合わせることで実現される形態も本発明に含まれる。
【産業上の利用可能性】
【００７４】
本発明に係る突入電流抑制装置及びモータ駆動装置は、ブラシレスモータの駆動装置など直流電源の正負極間に比較的大容量の静電容量値を有するコンデンサを備えたインバータなどの機器に利用できる。本発明に係る突入電流抑制装置及びモータ駆動装置は、車載用機器などのバッテリからリレーなどの機械式開閉器を介して電力供給される機器に、特に、有効である。また、本発明に係る突入電流抑制装置及びモータ駆動装置においては、小信号用のＭＯＳＦＥＴを適用可能である。したがって、小型化及び低価格化が求められるモータ駆動装置などにも有用である。
【符号の説明】
【００７５】
１  直流電源
２  機械式開閉器
３  第一のコンデンサ
４、１４、１６  抵抗素子
５  半導体スイッチング素子
６  遅延回路
７  インダクタ
８  第二のコンデンサ
９  制御回路
１０  突入電流抑制装置
１１  インバータ
１２  第三のコンデンサ
１３  モータ巻線
１５  第四のコンデンサ
２０  モータ駆動装置
【図１】
2020059262.tif 000003
【図２】
2020059262.tif 000004
【図３】
2020059262.tif 000005
【図４】
2020059262.tif 000006
【図５】
2020059262.tif 000007
【手続補正書】
【提出日】令和2年12月16日(2020.12.16)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、直流電源から機械式開閉器を介して流れる突入電流を抑制する突入電流抑制装置及びモータ駆動装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、例えば、車載用機器であって、正側及び負側の電源接続端子間にコンデンサを備える機器が用いられている。このような機器のうち、補器バッテリより機械式開閉器を介して電力供給されるものは、機械式開閉器が閉路する際に、コンデンサに流れ込む比較的大きな充電電流、言い換えると、突入電流、が発生する。このような突入電流により機械式開閉器の接点において、溶融などの損傷が生じる場合がある。このため、定格電流の大きな機械式開閉器を使用したり、コンデンサを備える機器に突入電流の電流値を抑制する工夫を施したりするなどの対策が一般的に行われている。コンデンサへの突入電流を抑制する従来技術としては、例えば特許文献１に記載された技術がある。
【０００３】
図４は、従来技術の突入電流抑制技術の一例が用いられる電源保護回路の構成を示す回路図である。
【０００４】
図４に示されるように、特許文献１に記載された電源保護回路１２０は、コンデンサ１０３、抵抗素子１０４、ＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ−Ｏｘｉｄｅ−Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  Ｆｉｅｌｄ−Ｅｆｆｅｃｔ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）１０５及び１０６、ボディダイオード１０５ａ及び１０６ａ、並びに、駆動制御部１２１を備える。駆動制御部１２１は、駆動回路１０８、制御回路１０９、及び、ＤＣ／ＤＣコンバータ１１０を有する。なお、図４には、直流電源１０１、外部スイッチ１０２及び負荷側回路１１１も併せて示されている。
【０００５】
以下、図４及び図５を用い、電源保護回路１２０の動作を説明する。図５は、従来技術の電源保護回路１２０の動作を示すグラフである。図５には、外部スイッチ１０２の状態、コンデンサ１０３に流れる電流Ｉ３、コンデンサ１０３に印加される電圧Ｖ３、ＤＣ／ＤＣコンバータ１１０の状態、及び、制御回路１０９の状態と時間との関係が示されている。
【０００６】
図４に示される外部スイッチ１０２が、時刻ｔ１でオン状態に切り替えられると、直流電源１０１から、コンデンサ１０３及び抵抗素子１０４からなる直列回路に電流Ｉ３が流れ、コンデンサ１０３の電圧Ｖ３が増大する。続く時刻ｔ２でＤＣ／ＤＣコンバータ１１０が起動し、制御回路１０９及び駆動回路１０８への電力供給が開始される。この時、ＭＯＳＦＥＴ１０５が導通することで、コンデンサ１０３の電圧Ｖ３がさらに増大する。また、コンデンサ１０３の電圧Ｖ３が直流電源１０１の電圧に近づくことにより、電流Ｉ３は低下する。続く時刻ｔ３には、コンデンサ１０３の電圧と直流電源１０１の電圧とが一致するため、電流Ｉ３は０になる。
【０００７】
以上のように、従来技術では、開閉器である外部スイッチ１０２がオン状態（閉路）に切り替えられた直後は、抵抗素子１０４を流れる電流によりコンデンサ１０３が充電される。その後、ＤＣ／ＤＣコンバータ１１０の起動によりＭＯＳＦＥＴ１０５が導通する。しかし、抵抗素子１０４を流れる電流によりコンデンサ１０３の予備充電が行われているので、電流Ｉ３が過剰に大きくなることなく充電が継続される。このように、外部スイッチ１０２の閉路により発生する突入電流が抑制されるため、ＭＯＳＦＥＴ１０５に要求される定格電流を低減できる。
【０００８】
しかしながら、ＭＯＳＦＥＴ１０５は比較的長時間連続通電されるため、許容損失値の比較的大きい、外囲器（いわゆるパワーパッケージ）を有する製品が必要であり、電源保護回路１２０は、更なる小型化、低コスト化が必要である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２０１４−１８７７６８号公報
【発明の概要】
【００１０】
本発明は、上記課題を解決するもので、小型化及び低コスト化が可能な突入電流抑制装置及びモータ駆動装置を提供することを目的とする。
【００１１】
本発明に係る突入電流抑制装置の第１の態様は、直流電源から機械式開閉器を介して流れる突入電流を抑制する突入電流抑制装置であって、機械式開閉器を介して直流電源の正側端子に一端が接続される第一のコンデンサと、第一のコンデンサの他端と直流電源の負側端子との間で第一のコンデンサの他端と直流電源の負側端子とに接続される半導体スイッチング素子と、半導体スイッチング素子に並列接続される抵抗素子と、半導体スイッチング素子を制御する制御回路とを備える。制御回路は、第一の出力ポートを有し、機械式開閉器の閉路の後、第一の出力ポートから半導体スイッチング素子にＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ  Ｗｉｄｔｈ  Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）信号を出力することによって、半導体スイッチング素子のオン時間及びオフ時間を制御する。
【００１２】
このように、機械式開閉器の閉路の後に、半導体スイッチング素子をＰＷＭ信号によってオンオフ制御することにより、半導体スイッチング素子を介して第一のコンデンサに流れる突入電流のピーク値を抑制できる。また、半導体スイッチング素子における電力損失に伴う温度上昇を抑制できる。したがって、半導体スイッチング素子に要求される定格電流を低減できる。よって、半導体スイッチング素子を小型化及び低コスト化できる。これに伴い、突入電流抑制装置を小型化及び低コスト化できる。
【００１３】
また、本発明に係る突入電流抑制装置の第２の態様は、第１の態様において、第一の出力ポートと半導体スイッチング素子との間で第一の出力ポートと半導体スイッチング素子とに接続される遅延回路をさらに備えてもよい。
【００１４】
これにより、矩形波状の波形を有するＰＷＭ信号の波形を変形させることができる。よって、半導体スイッチング素子のオン時間調整の自由度を高めることができる。したがって、半導体スイッチング素子に流れる突入電流の調整の自由度を高めることができる。
【００１５】
また、本発明に係る突入電流抑制装置の第３の態様は、第２の態様において、遅延回路は、ＰＷＭ信号の波形を矩形波状から鋸波状に変換してもよい。
【００１６】
これにより、ＰＷＭ信号を半導体スイッチング素子に入力する場合より、半導体スイッチング素子のオン時間を短縮できる。したがって、半導体スイッチング素子に流れる突入電流をより一層低減できる。
【００１７】
また、本発明に係る突入電流抑制装置の第４の態様は、第１の態様において、制御回路は、ＰＷＭ信号のデューティ比を漸増させてもよい。
【００１８】
突入電流抑制装置の半導体スイッチング素子に突入電流が流れるに伴って、徐々に、第一のコンデンサが充電され、第一のコンデンサに印加される電圧が上昇する。この電圧と直流電源の出力電圧との差が減少するに伴って、突入電流のピーク値が減少する。そこで、制御回路は、ＰＷＭ信号のデューティ比を漸増させることにより、半導体スイッチング素子のオン時間を漸増させる。これにより、ＰＷＭ信号の周期毎に流れる突入電流の量をほぼ一定にできる。よって、半導体スイッチング素子の定格電流の範囲内で、最大限の突入電流を流し続けることができる。したがって、第一のコンデンサの充電に要する時間（言い換えると、突入電流抑制装置の起動に要する時間）を低減できる。
【００１９】
また、本発明に係る突入電流抑制装置の第５の態様は、第１の態様において、制御回路は、所定の時間にわたってＰＷＭ信号を出力した後、半導体スイッチング素子をオン状態に維持するオン信号を出力してもよい。
【００２０】
これにより、第一のコンデンサの充電が終了した後に、半導体スイッチング素子をオン状態に維持できる。よって、第一のコンデンサと直流電源との間を導通状態に維持できる。したがって、半導体スイッチング素子によって第一のコンデンサなどの機能が阻害されることを抑制できる。
【００２１】
また、本発明に係る突入電流抑制装置の第６の態様は、第１の態様において、一端が第一のコンデンサの一端に接続されるインダクタと、インダクタの他端と、第一のコンデンサの他端との間に接続される第二のコンデンサとをさらに備えてもよい。
【００２２】
これにより、π型の高周波フィルタを構成できる。したがって、例えば、マイクロコントローラなどからなる制御回路で発生するクロックノイズなどの高周波ノイズが直流電源側に漏洩することを抑制できる。
【００２３】
また、本発明に係る突入電流抑制装置の第７の態様は、第１の態様において、半導体スイッチング素子は、電界効果トランジスタであってよい。
【００２４】
また、本発明に係るモータ駆動装置の一態様は、上記突入電流抑制装置と、直流電源から電力が供給されるインバータとを備え、制御回路は、インバータを駆動する駆動信号を出力する第二の出力ポートをさらに有する。
【００２５】
本発明により、小型化及び低コスト化が可能な突入電流抑制装置及びモータ駆動装置を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】図１は、実施の形態に係る突入電流抑制装置及びモータ駆動装置の構成を示す回路図である。
【図２】図２は、実施の形態に係る突入電流抑制装置の特性を示す図である。
【図３】図３は、図２の一部拡大図である。
【図４】図４は、従来技術の突入電流抑制技術の一例が用いられる電源保護回路の構成を示す回路図である。
【図５】図５は、従来技術の電源保護回路の動作を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて詳細に説明する。なお、以下で説明する実施の形態は、いずれも本発明の一具体例を示すものである。以下の実施の形態で示される数値、形状、構成要素、構成要素の配置位置及び接続形態、ステップ、ステップの順序等は、一例であり、本発明を限定する主旨ではない。また、以下の実施の形態における構成要素のうち、本発明の最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。また、各図は、必ずしも厳密に図示したものではない。各図において、実質的に同一の構成については同一の符号を付し、重複する説明は省略又は簡略化する。
【００２８】
（実施の形態）
実施の形態に係る突入電流抑制装置及びモータ駆動装置について説明する。
【００２９】
［構成］
本実施の形態に係る突入電流抑制装置及びモータ駆動装置の構成について図１を用いて説明する。図１は、実施の形態に係る突入電流抑制装置１０及びモータ駆動装置２０の構成を示す回路図である。
【００３０】
図１に示されるように、モータ駆動装置２０は、突入電流抑制装置１０とインバータ１１とを備える。図１には、モータ駆動装置２０に加えて、モータ駆動装置２０に電力を供給する直流電源１と、直流電源１と接続される機械式開閉器２と、モータ駆動装置２０が駆動するモータに含まれるモータ巻線１３とが示されている。
【００３１】
直流電源１は、突入電流抑制装置１０及びモータ駆動装置２０に直流電力を供給する電源である。直流電源１は、例えば、補器バッテリである。直流電源１の正側端子は機械式開閉器２の一端と接続され、負側端子は接地される。
【００３２】
機械式開閉器２は、機械的に導通及び非導通を切り替える開閉器である。機械式開閉器２として、例えば、機械式リレーを用いることができる。
【００３３】
モータ巻線１３は、例えば、ブラシレスモータなどに用いられる巻線である。
【００３４】
突入電流抑制装置１０は、直流電源１から機械式開閉器２を介して流れる突入電流を抑制する装置である。突入電流抑制装置１０は、第一のコンデンサ３と、半導体スイッチング素子５と、抵抗素子４と、制御回路９とを備える。突入電流抑制装置１０は、さらに、遅延回路６と、インダクタ７と、第二のコンデンサ８と、第三のコンデンサ１２とを備える。
【００３５】
第一のコンデンサ３は、電圧平滑化用の容量素子である。第一のコンデンサ３、インダクタ７及び第二のコンデンサ８はπ型の高周波フィルタを形成する。第一のコンデンサ３は、機械式開閉器２を介して直流電源１の正側端子に一端が接続される。第一のコンデンサ３として、例えば電解コンデンサを用いることができる。第一のコンデンサ３の一端（正側端子）は、機械式開閉器２の他端（直流電源１と接続されていない方の端子）及びインダクタ７の一端に接続される。第一のコンデンサ３の他端（負側端子）は、抵抗素子４の一端、半導体スイッチング素子５のドレイン（Ｄ）端子、及び、第二のコンデンサ８の負側端子と接続される。
【００３６】
半導体スイッチング素子５は、突入電流を抑制するための素子である。半導体スイッチング素子５は、第一のコンデンサ３の他端と直流電源１の負側端子との間で第一のコンデンサ３の他端と直流電源１の負側端子とに接続される。半導体スイッチング素子５は、ＭＯＳＦＥＴである。半導体スイッチング素子５は、半導体を用いたスイッチング素子であれば特に限定されない。半導体スイッチング素子５は、例えば、ＭＯＳＦＥＴ以外の電界効果トランジスタ（Ｆｉｅｌｄ−Ｅｆｆｅｃｔ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ、ＦＥＴ）などであってもよい。半導体スイッチング素子５のゲート（Ｇ）端子は、制御回路９に接続される。ゲート端子は、遅延回路６を介して、制御回路９の第一の出力ポートＴ１に接続される。半導体スイッチング素子５のソース（Ｓ）端子は、接地される。
【００３７】
抵抗素子４は、突入電流を抑制する素子であり、半導体スイッチング素子５に並列接続される。具体的には、抵抗素子４は、半導体スイッチング素子５のドレイン端子とソース端子との間に接続される。抵抗素子４の抵抗値は、例えば、１００Ω〜１ＭΩ程度である。
【００３８】
制御回路９は、半導体スイッチング素子５を制御する回路である。制御回路９は、第一の出力ポートＴ１を有する。制御回路９は、機械式開閉器２の閉路の後、第一の出力ポートＴ１から半導体スイッチング素子５にＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ  Ｗｉｄｔｈ  Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）信号を出力することによって、半導体スイッチング素子５のオン時間及びオフ時間を制御する。制御回路９は、インバータ１１を駆動する駆動信号を出力する第二の出力ポートＴ２をさらに有する。制御回路９は、例えば、マイクロコントローラ（以下マイコンと略記）で実現できる。マイコンは、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ  Ａｃｃｅｓｓ  Ｍｅｍｏｒｙ）、プログラムが格納されたＲＯＭ（Ｒｅａｄ  Ｏｎｌｙ  Ｍｅｍｏｒｙ）、プログラムを実行するプロセッサ（Ｃｅｎｔｒａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ  Ｕｎｉｔ、ＣＰＵ）、タイマ、入出力回路などを有する１チップの半導体集積回路である。制御回路９は、マイコン以外の電気回路などで実現されてもよい。制御回路９は、電力入力用の正側端子及び負側端子を有する。制御回路９の正側端子は、機械式開閉器２及びインダクタ７を介して直流電源１の正側端子に接続される。制御回路９の負側端子は、接地される。
【００３９】
第三のコンデンサ１２は、制御回路９に並列接続される容量素子である。より具体的には、第三のコンデンサ１２は、制御回路９の正側端子と負側端子との間に接続される。第三のコンデンサ１２は、突入電流抑制装置１０の特性を調整するために用いられる。第三のコンデンサ１２として、静電容量が０．１μＦ程度のセラミックコンデンサが用いられる。
【００４０】
インダクタ７は、第一のコンデンサ３及び第二のコンデンサ８とともにπ型の高周波フィルタを形成する素子である。インダクタ７の一端が第一のコンデンサ３の一端に接続され、インダクタ７の他端が、第二のコンデンサ８の一端に接続される。
【００４１】
第二のコンデンサ８は、第一のコンデンサ３及びインダクタ７とともにπ型の高周波フィルタを形成する。第二のコンデンサ８は、インダクタ７の他端（第一のコンデンサ３が接続される端子の反対側の端子）と、第一のコンデンサ３の他端（機械式開閉器２が接続される正側端子の反対側の端子）との間に接続される。第二のコンデンサ８として、例えば、電解コンデンサが用いられる。第二のコンデンサ８の正側端子及び負側端子は、それぞれ、インダクタ７の他端、及び、第一のコンデンサ３の他端に接続される。
【００４２】
遅延回路６は、制御回路９の第一の出力ポートＴ１と半導体スイッチング素子５との間で第一の出力ポートＴ１と半導体スイッチング素子５とに接続される。遅延回路６は、第一の出力ポートＴ１から出力されるＰＷＭ信号の波形を変換する回路である。遅延回路６は、ＰＷＭ信号の波形を矩形波状から鋸波状に変換する。遅延回路６は、第四のコンデンサ１５と、抵抗素子１４及び１６とを有する。第四のコンデンサ１５は、一端が半導体スイッチング素子５のゲート端子に接続され、他端が接地される。抵抗素子１４は、一端が半導体スイッチング素子５のゲート端子に接続され、他端が制御回路９の第一の出力ポートＴ１に接続される。抵抗素子１６は、一端が半導体スイッチング素子５のゲート端子に接続され、他端が接地される。
【００４３】
［動作及び作用］
以上のように構成された突入電流抑制装置１０及びモータ駆動装置２０の動作及び作用について、図２及び図３を用いて説明する。図２は、実施の形態に係る突入電流抑制装置１０の特性を示す図である。図２には、第一のコンデンサ３の正側端子の電圧ＶＧ、半導体スイッチング素子５のドレイン端子電圧ＶＤ、ＰＷＭ信号Ｖｐｏ１、半導体スイッチング素子５のゲート端子電圧ＶＧＳ、ドレイン電流ＩＤ、及び、突入電流ＩＳの時間波形が示されている。図３は、図２の一部拡大図である。図３には、図２に示される破線枠ＩＩＩの内部が拡大して示されている。
【００４４】
図２に示されるように、最初に、時刻ｔ＝ｔ０の初期状態において、機械式開閉器２は、開路（オフ）状態であり、第一のコンデンサ３の正側端子の電圧ＶＧは、０Ｖである。
【００４５】
時刻ｔ＝ｔ１に、機械式開閉器２は閉路（オン）され、第一のコンデンサ３の正側端子の電圧ＶＧは、ゼロより大きいＶＧ１となる。半導体スイッチング素子５のドレイン端子電圧ＶＤもＶＧ１へ一旦上昇する。しかしながら、抵抗素子４を介して電流ＩＲが流れることにより、第一のコンデンサ３及び第二のコンデンサ８の充電が開始されるので、ドレイン端子電圧ＶＤは時刻ｔ＝ｔ１以降、継続的に低下する。図２に示される突入電流ＩＳは、抵抗素子４に流れる電流ＩＲと半導体スイッチング素子５のドレイン電流ＩＤとの和に相当する。時刻ｔ＝ｔ１から後述する時刻ｔ＝ｔ２までは、ドレイン電流ＩＤは０であるため、ＩＳ＝ＩＲである。図２に示されるように、時刻ｔ＝ｔ１から時刻ｔ＝ｔ２までは、突入電流ＩＳは、継続的に低下する。ここで、抵抗素子４の抵抗値は、十分大きい値に設定されているため、この期間における突入電流ＩＳは十分小さい。
【００４６】
時刻ｔ＝ｔ１から所定時間経過した時刻ｔ＝ｔ２に、制御回路９は、第一の出力ポートＴ１よりＰＷＭ信号Ｖｐｏ１の出力を開始する。ここで、時刻ｔ＝ｔ１から時刻ｔ＝ｔ２までの所定時間は、制御回路９の起動に要する時間である。制御回路９は、ＰＷＭ信号Ｖｐｏ１のデューティ比を、０％から１００％まで時間の経過とともに漸増させる。ＰＷＭ信号は遅延回路６によって平滑化された後、半導体スイッチング素子５のゲート端子へ入力される。これにより、ゲート端子電圧ＶＧＳは、時刻ｔ＝ｔ２以降、徐々に上昇する。ゲート端子電圧ＶＧＳが、スレッシュホールド電圧Ｖｔｈに達すると、半導体スイッチング素子５は導通する。半導体スイッチング素子５の導通時の動作について図３を用いて説明する。
【００４７】
図３に示されるように、時刻ｔ＝ｔ３以前において、例えば、ＰＭＷ信号Ｖｐｏ１のパルス幅がｔｐ０のときには、半導体スイッチング素子５のゲート端子電圧ＶＧＳの値が、スレッシュホールド電圧Ｖｔｈ未満である。このため、時刻ｔ＝ｔ３以前においては、半導体スイッチング素子５は導通せず、ドレイン電流ＩＤは発生していない。
【００４８】
時刻ｔ＝ｔ３以降、制御回路９の第一の出力ポートＴ１から出力されるＰＷＭ信号Ｖｐｏ１のパルス幅がｔｐ１のときに、ゲート端子電圧ＶＧＳが、Ｖｔｈに到達する。これに伴い、電流ｉｐ１が微小期間ｔｐ１１だけ発生する。以降、デューティ比が漸増、すなわち、ＰＷＭ信号のパルス幅がｔｐ２、ｔｐ３、ｔｐ４、ｔｐ５、ｔｐ６、ｔｐ７と拡大するに従い、ゲート端子電圧ＶＧＳが増大する。これに伴い、電流ｉｐ２、ｉｐ３、ｉｐ４、ｉｐ５、ｉｐ６、ｉｐ７というようにパルス状のドレイン電流ＩＤが発生する。通電時間は、ｔｐ２２、ｔｐ３３、ｔｐ４４、ｔｐ５５、ｔｐ６６、ｔｐ７７と拡大する。一方、電流ｉｐ２、ｉｐ３、ｉｐ４、ｉｐ５、ｉｐ６、ｉｐ７のピーク値は低下する。これは、第一のコンデンサ３及び第二のコンデンサ８の充電の進行により、半導体スイッチング素子５のドレイン端子電圧ＶＤが時刻ｔ＝ｔ３における電圧値ＶＤ３から徐々に低下するためである。
【００４９】
以上のような作用により、半導体スイッチング素子５で発生する電力損失は、半導体スイッチング素子５を連続導通状態とする場合、及び、遅延回路６を用いず制御回路９からのＰＷＭ信号により直接半導体スイッチング素子５のゲートを駆動する場合に比べ、微小な値に留まる。また、制御回路９がＰＷＭ信号のデューティ比を漸増させることにより、半導体スイッチング素子５のオン時間は漸増するが、一方で、ドレイン電流ＩＤのピーク値は漸減する。このため、ＰＷＭの周期毎に流れる突入電流の量、及び、突入電流に伴う半導体スイッチング素子５における電力損失をほぼ一定にできる。したがって、半導体スイッチング素子５の定格電流の範囲内で、最大限の突入電流を流し続けることができる。このため、第一のコンデンサ３の充電に要する時間（言い換えると、突入電流抑制装置１０の起動に要する時間）を低減できる。
【００５０】
時刻ｔ＝ｔ４以降では、ドレイン端子電圧ＶＤは０となり、半導体スイッチング素子５が導通しても、第一のコンデンサ３及び第二のコンデンサ８を充電する電流は発生しない。
【００５１】
次に、図２に戻り、時刻ｔ＝ｔ５に至ると、制御回路９の第一の出力ポートＴ１から出力されるＰＷＭ信号はデューティ比１００％、すなわち、ＤＣ信号になる。さらに言い換えると、制御回路９は、所定の時間にわたってＰＷＭ信号を出力した後、半導体スイッチング素子５をオン状態に維持するオン信号を連続的に出力する。したがって、時刻ｔ＝ｔ５以降、半導体スイッチング素子５は、導通状態を維持する。
【００５２】
時刻ｔ＝ｔ５以降、制御回路９は図示しない外部からの指令に基づき、第二の出力ポートＴ２からインバータ１１へ駆動信号を出力する。これにより、インバータ１１は、モータ巻線１３へ電力供給を開始する。こうして、モータ駆動装置２０は、モータ巻線１３を含むモータを駆動できる。
【００５３】
上述したように制御回路９及びインバータ１１が動作する際、制御回路９のクロックの動作、及び、インバータ１１の動作に伴うノイズ（高周波数の微小電圧変動）が発生する。しかしながら、本実施の形態に係る突入電流抑制装置１０では、第一のコンデンサ３、第二のコンデンサ８及びインダクタ７で構成されるπ型フィルタにより、直流電源１及びこれにつながる図示しない機器へのノイズの漏洩を抑制できる。
【００５４】
以上のように、本実施の形態に係る突入電流抑制装置１０は、直流電源１から機械式開閉器２を介して流れる突入電流を抑制する突入電流抑制装置１０であって、機械式開閉器を介して直流電源１の正側端子に一端が接続される第一のコンデンサ３と、第一のコンデンサ３の他端と直流電源１の負側端子との間で第一のコンデンサ３の他端と直流電源１の負側端子とに接続される半導体スイッチング素子５と、半導体スイッチング素子５に並列接続される抵抗素子４と、半導体スイッチング素子５を制御する制御回路９とを備える。制御回路９は、第一の出力ポートＴ１を有し、機械式開閉器２の閉路の後、第一の出力ポートＴ１から半導体スイッチング素子５にＰＷＭ信号を出力することによって、半導体スイッチング素子５のオン時間及びオフ時間を制御する。
【００５５】
このように、機械式開閉器２の閉路の後に、半導体スイッチング素子５をＰＷＭ信号によってオンオフ制御することにより、半導体スイッチング素子５を介して第一のコンデンサ３に流れる突入電流のピーク値を抑制できる。また、半導体スイッチング素子５における電力損失に伴う温度上昇を抑制できる。よって、半導体スイッチング素子５に要求される定格電流を低減できる。したがって、半導体スイッチング素子５を小型化及び低コスト化できる。これに伴い、突入電流抑制装置１０を小型化及び低コスト化できる。具体的には、従来技術では、半導体スイッチング素子として、大型のパワーパッケージを有するＭＯＳＦＥＴを用いる必要がある。一方、本実施の形態に係る突入電流抑制装置１０においては、半導体スイッチング素子５として、許容損失の小さい小型の小信号外囲器を有するＭＯＳＦＥＴなどを用いることが可能となる。
【００５６】
また、突入電流抑制装置１０は、第一の出力ポートＴ１と半導体スイッチング素子５との間で第一の出力ポートＴ１と半導体スイッチング素子５とに接続される遅延回路６を備える。
【００５７】
これにより、矩形波状の波形を有するＰＷＭ信号の波形を変形させることができる。よって、半導体スイッチング素子５のオン時間調整の自由度を高めることができる。したがって、半導体スイッチング素子５に流れる突入電流の調整の自由度を高めることができる。
【００５８】
また、突入電流抑制装置１０において、遅延回路６は、図３に示されるように、ＰＷＭ信号の波形を矩形波状から鋸波状に変換する。
【００５９】
これにより、ＰＷＭ信号を半導体スイッチング素子５に入力する場合より、半導体スイッチング素子５のオン時間を短縮できる。したがって、半導体スイッチング素子５に流れる突入電流をより一層低減できる。
【００６０】
また、突入電流抑制装置１０において、制御回路９は、ＰＷＭ信号のデューティ比を漸増させる。
【００６１】
上述のとおり、突入電流抑制装置１０の半導体スイッチング素子５に突入電流が流れるに伴って、徐々に、第一のコンデンサ３が充電され、第一のコンデンサ３に印加される電圧が上昇する。この電圧と直流電源１の出力電圧との差が減少するに伴って、突入電流のピーク値が減少する。そこで、制御回路９は、ＰＷＭ信号のデューティ比を漸増させることにより、半導体スイッチング素子５のオン時間を漸増させる。これにより、ＰＷＭの周期毎に流れる突入電流の量、及び、突入電流に伴う半導体スイッチング素子５における電力損失をほぼ一定にできる。よって、半導体スイッチング素子５の定格電流の範囲内で、最大限の突入電流を流し続けることができる。したがって、第一のコンデンサ３の充電に要する時間（言い換えると、突入電流抑制装置１０の起動に要する時間）を低減できる。
【００６２】
また、突入電流抑制装置１０において、制御回路９は、所定の時間にわたってＰＷＭ信号を出力した後、半導体スイッチング素子５をオン状態に維持するオン信号を出力する。
【００６３】
これにより、第一のコンデンサ３の充電が終了した後に、半導体スイッチング素子５をオン状態に維持できる。よって、第一のコンデンサ３と直流電源１との間を導通状態に維持できる。したがって、半導体スイッチング素子５によって第一のコンデンサ３などの機能が阻害されることを抑制できる。
【００６４】
また、突入電流抑制装置１０は、一端が第一のコンデンサ３の一端に接続されるインダクタ７と、インダクタ７の他端と、第一のコンデンサ３の他端との間に接続される第二のコンデンサ８とを備える。
【００６５】
これにより、π型の高周波フィルタを構成できる。したがって、例えば、マイコンなどからなる制御回路９で発生するクロックノイズなどの高周波ノイズが直流電源１側に漏洩することを抑制できる。
【００６６】
また、半導体スイッチング素子５は、電界効果トランジスタである。
【００６７】
また、モータ駆動装置２０は、突入電流抑制装置１０と、直流電源１から電力が供給されるインバータ１１とを備え、制御回路９は、インバータ１１を駆動する駆動信号を出力する第二の出力ポートＴ２を有する。
【００６８】
これにより、突入電流を抑制でき、かつ、小型化及び低コスト化が可能なモータ駆動装置２０を実現できる。
【００６９】
（変形例など）
以上、実施の形態に係る突入電流抑制装置１０及びモータ駆動装置２０について説明したが、本発明は、実施の形態に限定されるものではない。
【００７０】
例えば、実施の形態に係る突入電流抑制装置１０は、遅延回路６を備えたが、遅延回路６は必須の構成要素ではない。例えば、半導体スイッチング素子５に流れる突入電流を十分に抑制できる程度に短いパルス幅のＰＷＭ信号を制御回路９が出力できる場合には、突入電流抑制装置１０は遅延回路６を備えなくてもよい。
【００７１】
また、実施の形態に係る突入電流抑制装置１０は、インダクタ７及び第二のコンデンサ８を備えたが、これらの素子は必須の構成要素ではない。例えば、制御回路９などにおけるノイズが小さい場合、及び、直流電源１側に他の機器が接続されていない場合などには、突入電流抑制装置１０はこれらの素子を備えなくてもよい。
【００７２】
また、実施の形態に係る突入電流抑制装置１０では、制御回路９は、半導体スイッチング素子５のオン時間を漸増させたが、オン時間の態様はこれに限定されない。例えば、半導体スイッチング素子５のオン時間は一定でもよい。この場合にも、突入電流を低減する効果を得ることができる。
【００７３】
そのほか、実施の形態に対して当業者が思いつく各種変形を施して得られる形態、又は、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で実施の形態における構成要素及び機能を任意に組み合わせることで実現される形態も本発明に含まれる。
【産業上の利用可能性】
【００７４】
本発明に係る突入電流抑制装置及びモータ駆動装置は、ブラシレスモータの駆動装置など直流電源の正負極間に比較的大容量の静電容量値を有するコンデンサを備えたインバータなどの機器に利用できる。本発明に係る突入電流抑制装置及びモータ駆動装置は、車載用機器などのバッテリからリレーなどの機械式開閉器を介して電力供給される機器に、特に、有効である。また、本発明に係る突入電流抑制装置及びモータ駆動装置においては、小信号用のＭＯＳＦＥＴを適用可能である。したがって、小型化及び低価格化が求められるモータ駆動装置などにも有用である。
【符号の説明】
【００７５】
１    直流電源
２    機械式開閉器
３    第一のコンデンサ
４、１４、１６    抵抗素子
５    半導体スイッチング素子
６    遅延回路
７    インダクタ
８    第二のコンデンサ
９    制御回路
１０    突入電流抑制装置
１１    インバータ
１２    第三のコンデンサ
１３    モータ巻線
１５    第四のコンデンサ
２０    モータ駆動装置
【手続補正２】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流電源から機械式開閉器を介して流れる突入電流を抑制する突入電流抑制装置であって、
前記機械式開閉器を介して前記直流電源の正側端子に一端が接続される第一のコンデンサと、
前記第一のコンデンサの他端と前記直流電源の負側端子との間で前記第一のコンデンサの他端と前記直流電源の負側端子とに接続される半導体スイッチング素子と、
前記半導体スイッチング素子に並列接続される抵抗素子と、
前記半導体スイッチング素子を制御する制御回路とを備え、
前記制御回路は、第一の出力ポートを有し、前記機械式開閉器の閉路の後、前記第一の出力ポートから前記半導体スイッチング素子にＰＷＭ信号を出力することによって、前記半導体スイッチング素子のオン時間及びオフ時間を制御する
突入電流抑制装置。
【請求項２】
前記第一の出力ポートと前記半導体スイッチング素子との間で前記第一の出力ポートと前記半導体スイッチング素子とに接続される遅延回路をさらに備える
請求項１に記載の突入電流抑制装置。
【請求項３】
前記遅延回路は、前記ＰＷＭ信号の波形を矩形波状から鋸波状に変換する
請求項２に記載の突入電流抑制装置。
【請求項４】
前記制御回路は、前記ＰＷＭ信号のデューティ比を漸増させる
請求項１に記載の突入電流抑制装置。
【請求項５】
前記制御回路は、所定の時間にわたって前記ＰＷＭ信号を出力した後、前記半導体スイッチング素子をオン状態に維持するオン信号を出力する
請求項１に記載の突入電流抑制装置。
【請求項６】
一端が前記第一のコンデンサの前記一端に接続されるインダクタと、
前記インダクタの他端と、前記第一のコンデンサの前記他端との間に接続される第二のコンデンサとをさらに備える
請求項１に記載の突入電流抑制装置。
【請求項７】
前記半導体スイッチング素子は、電界効果トランジスタである
請求項１に記載の突入電流抑制装置。
【請求項８】
請求項１に記載の突入電流抑制装置と、
前記直流電源から電力が供給されるインバータとを備え、
前記制御回路は、前記インバータを駆動する駆動信号を出力する第二の出力ポートをさらに有する
モータ駆動装置。
【手続補正３】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】全図
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１】
2020059262.tif 000008
【図２】
2020059262.tif 000009
【図３】
2020059262.tif 000010
【図４】
2020059262.tif 000011
【図５】
2020059262.tif 000012
【国際調査報告】
2020059262.tif 000013
2020059262.tif 000014
2020059262.tif 000015
2020059262.tif 000016