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WO2019049449A1 - 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 - Google Patents

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 Download PDF

Info

Publication number
WO2019049449A1
WO2019049449A1 PCT/JP2018/022031 JP2018022031W WO2019049449A1 WO 2019049449 A1 WO2019049449 A1 WO 2019049449A1 JP 2018022031 W JP2018022031 W JP 2018022031W WO 2019049449 A1 WO2019049449 A1 WO 2019049449A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
inverter
phase separation
phase
leg
legs
Prior art date
Application number
PCT/JP2018/022031
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
アハマッド ガデリー
Original Assignee
日本電産株式会社
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 日本電産株式会社 filed Critical 日本電産株式会社
Priority to JP2019540767A priority Critical patent/JPWO2019049449A1/ja
Publication of WO2019049449A1 publication Critical patent/WO2019049449A1/ja

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Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B62—LAND VEHICLES FOR TRAVELLING OTHERWISE THAN ON RAILS
    • B62D—MOTOR VEHICLES; TRAILERS
    • B62D5/00—Power-assisted or power-driven steering
    • B62D5/04—Power-assisted or power-driven steering electrical, e.g. using an electric servo-motor connected to, or forming part of, the steering gear
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M7/00—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output
    • H02M7/42—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal
    • H02M7/44—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters
    • H02M7/48—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode

Definitions

  • the present disclosure relates to a power conversion device, a motor module, and an electric power steering device.
  • Patent Document 1 discloses a motor drive device having a first system and a second system.
  • the first system is connected to a first winding set of the motor, and includes a first inverter unit, a power supply relay, a reverse connection protection relay, and the like.
  • the second system is connected to a second winding set of the motor, and includes a second inverter unit, a power supply relay, a reverse connection protection relay, and the like.
  • the power supply relay receives from the power supply the failed system or the failed winding. Shut off the power supply to the grid connected to the wire set. It is possible to continue motor drive using the other system which has not failed.
  • Patent documents 2 and 3 also disclose a motor drive device having a first system and a second system. Even if one system or one winding set fails, the motor drive can be continued by the system which has not failed.
  • Patent Document 4 discloses a motor drive device having four electrical separation means and two inverters and converting power supplied to a three-phase motor.
  • one electrical separation means is provided between the power supply and the inverter, and one electrical separation means is provided between the inverter and GND. It is possible to drive the motor with a non-faulty inverter using the neutral point of the winding in the faulted inverter. At that time, the failed inverter is separated from the power supply and GND by putting the two electrical separation means connected to the failed inverter into the cut off state.
  • An embodiment of the present disclosure provides a power converter that can improve motor output in control at the time of abnormality.
  • An exemplary power converter of the present disclosure converts power from a power source into power supplied to a motor having n-phase (n is an integer of 3 or more) windings Y-connected at one end.
  • An inverter having n legs connected to the other end of the n-phase winding, each including a low-side switch element and a high-side switch element, the power supply, and the n-phase winding
  • a sub-inverter having a first phase separation relay circuit that switches connection / non-connection via an inverter for each phase, and at least one leg connected in parallel with the n legs of the inverter, the n-phase And a second phase separation relay circuit for switching connection / disconnection between the power supply and the n-phase winding via the sub-inverter.
  • n-phase conduction control (typically, by appropriately determining the on / off states of the first phase separation relay circuit and the second phase separation relay circuit according to the control mode
  • Three-phase energization control can be performed continuously.
  • a power converter capable of improving a motor output in control at the time of abnormality, a motor module including the power converter, and an electric power steering apparatus including the motor module are provided.
  • FIG. 1 is a block diagram illustrating an exemplary block configuration of a motor module 1000 according to an exemplary embodiment 1.
  • FIG. 2 is a circuit diagram showing a circuit configuration of the power conversion device 100 according to the exemplary embodiment 1.
  • FIG. 3 is a schematic view showing the configuration of the bidirectional switch SW_2W.
  • FIG. 4 is a block diagram showing a typical block configuration of control circuit 300.
  • FIG. 5 is a graph illustrating a current waveform (sine wave) obtained by plotting current values flowing through the windings M1, M2, and M3 in accordance with the three-phase conduction control.
  • FIG. 5 is a graph illustrating a current waveform (sine wave) obtained by plotting current values flowing through the windings M1, M2, and M3 in accordance with the three-phase conduction control.
  • FIG. 6 is a graph showing the relationship between the number of revolutions per unit time (rps) of the motor and the torque T (N ⁇ m).
  • FIG. 7 is a circuit diagram showing a circuit configuration of a power conversion device 100A according to an exemplary embodiment 2.
  • FIG. 8 is a schematic view showing a typical configuration of an electric power steering apparatus 2000 according to an exemplary embodiment 3. As shown in FIG.
  • the implementation of the present disclosure will be exemplified taking a power conversion apparatus that converts power from a power supply into power supplied to a three-phase motor having three-phase (U-phase, V-phase, W-phase) windings.
  • the form will be described.
  • a power conversion device that converts power from a power supply to power supplied to an n-phase motor having n-phase (n is an integer of 4 or more) windings such as four-phase or five-phase is also within the scope of the present disclosure. .
  • FIG. 1 schematically shows a typical block configuration of a motor module 1000 according to the present embodiment.
  • Motor module 1000 typically includes power converter 100, motor 200, control circuit 300, and angle sensor 500.
  • the angle sensor 500 may not be necessary depending on the motor control method (for example, sensorless control).
  • the motor module 1000 can be modularized and manufactured and sold as an electromechanical integrated motor having, for example, a motor, a sensor, a driver and a controller.
  • a system for driving a motor which can include components other than the motor among the components of the motor module can be referred to as a "motor drive system".
  • the motor drive system can also be modularized and manufactured and sold.
  • Power converter 100 includes an inverter 110, a sub-inverter 120, a first phase separation relay circuit 130, a second phase separation relay circuit 140, and a current sensor 400.
  • Power converter 100 can convert the power from power supply 101 (see FIG. 2) into the power to be supplied to motor 200.
  • Inverter 110 is connected to motor 200.
  • the inverter 110 can convert DC power into three-phase AC power which is a pseudo-sine wave of U-phase, V-phase and W-phase.
  • “connection” between components (components) mainly means electrical connection.
  • the motor 200 is, for example, a three-phase alternating current motor.
  • the motor 200 has a U-phase winding M1, a V-phase winding M2, and a W-phase winding M3.
  • One ends of the windings M1, M2 and M3 are Y-connected.
  • the control circuit 300 is configured of a microcontroller or the like. Control circuit 300 controls power conversion device 100 based on input signals from current sensor 400 and angle sensor 500. As the control method, there are, for example, vector control, pulse width modulation (PWM) or direct torque control (DTC).
  • PWM pulse width modulation
  • DTC direct torque control
  • the angle sensor 500 is, for example, a resolver or a Hall IC.
  • the angle sensor 500 is also realized by a combination of an MR sensor having a magnetoresistive (MR) element and a sensor magnet.
  • the angle sensor 500 detects the rotation angle (hereinafter referred to as “rotation signal”) of the rotor of the motor 200, and outputs a rotation signal to the control circuit 300.
  • FIG. 2 schematically shows the circuit configuration of the power conversion device 100 according to the present embodiment.
  • the power supply 101 generates a predetermined power supply voltage (for example, 12 V).
  • a DC power supply is used as the power supply 101.
  • the power supply 101 may be an AC-DC converter or a DC-DC converter, or may be a battery (storage battery).
  • a fuse 102 is connected between the power supply 101 and the inverter 110.
  • the fuse 102 can interrupt a large current that can flow from the power supply 101 to the inverter 110 or the sub-inverter 120.
  • a relay or the like may be used instead of the fuse.
  • a coil is provided between the power supply 101 and the inverter 110.
  • the coil functions as a noise filter and smoothes high frequency noise contained in the voltage waveform supplied to the inverter or high frequency noise generated by the inverter so as not to flow out to the power supply 101 side.
  • a capacitor is connected to the power supply terminal of the inverter.
  • the capacitor is a so-called bypass capacitor, which suppresses voltage ripple.
  • the capacitor is, for example, an electrolytic capacitor, and the capacity and the number to be used are appropriately determined according to design specifications and the like.
  • the inverter 110 comprises a bridge circuit having three legs. Each leg has a high side switch element and a low side switch element.
  • the U-phase leg has a high side switch element SW_AH and a low side switch element SW_AL.
  • the V-phase leg has a high side switch element SW_BH and a low side switch element SW_BL.
  • the W-phase leg has a high side switch element SW_CH and a low side switch element SW_CL.
  • a switch element for example, a field effect transistor (typically, a MOSFET) in which a parasitic diode is formed, or a combination of an insulated gate bipolar transistor (IGBT) and a free wheeling diode connected in parallel thereto can be used.
  • a field effect transistor typically, a MOSFET
  • IGBT insulated gate bipolar transistor
  • the inverter 110 is, for example, a current sensor 400 (see FIG. 1) for detecting a current (sometimes referred to as “phase current”) flowing through the windings of each of the U, V and W phases. , Shunt resistance (not shown) on each leg.
  • the current sensor 400 has a current detection circuit (not shown) that detects the current flowing in each shunt resistor.
  • a shunt resistor may be connected between the low side switch element and ground in each leg.
  • the number of shunt resistors is not limited to three.
  • the number of shunt resistors to be used and the arrangement of the shunt resistors are appropriately determined in consideration of product cost, design specifications and the like.
  • the U-phase leg of inverter 110 (specifically, node na between high-side switch element SW_AH and low-side switch element SW_AL) is connected to the other end of U-phase winding M1 of motor 200. Similar to the node na, the node nb of the V-phase leg is connected to the other end of the V-phase winding M2, and the node nc of the W-phase leg is connected to the other end of the W-phase winding M3.
  • Sub-inverter 120 can be connected to the other end of windings M1, M2 and M3.
  • the sub-inverter of the present disclosure may have at least one leg connected in parallel with the three legs of the inverter.
  • the sub-inverter 120 has one leg D connected in parallel to the three legs of the inverter 110.
  • the leg D has a high side switch element SW_DH and a low side switch element SW_DL.
  • the leg D like the leg of the inverter 110, can have a shunt resistance.
  • the node nd between the high side switch element SW_DH and the low side switch element SW_DL of the leg D can be connected to the windings M1, M2, and M3 via a second phase separation relay circuit 140 described later.
  • the inverter 110 can be regarded as an inverter provided with four phase legs of A phase, B phase, C phase and D phase.
  • the inverter 110 and the sub-inverter 120 can be manufactured as one bridge circuit comprising four legs including the leg D.
  • the first phase separation relay circuit 130 switches connection / disconnection between the power supply 101 and the inverter 110 for each phase.
  • the first phase separation relay circuit 130 can switch connection / disconnection between the power supply 101 and the windings M1, M2 and M3 via the inverter 110 for each phase.
  • the first phase separation relay circuit 130 in the inverter 110, three first phases connected between a node on the high side, which is a power supply line, and three high side switch elements SW_AH, SW_BH and SW_CH. It has three phase separation relays ISW_AH, ISW_BH and ISW_CH which are separation relays.
  • the phase separation relay ISW_AH is in the U phase leg.
  • the phase separation relay ISW_BH is in the V phase leg.
  • the phase separation relay ISW_CH is in the W phase leg.
  • the first phase separation relay circuit 130 further includes three second phases connected between the low side node, which is the GND line, and the three low side switch elements SW_AL, SW_BL and SW_CL in the inverter 110. It has three phase separation relays ISW_AL, ISW_BL and ISW_CL which are separation relays.
  • the phase separation relay ISW_AL is in the U phase leg.
  • Phase separation relay ISW_BL is in the V phase leg.
  • the phase separation relay ISW_CL is in the W phase leg.
  • a semiconductor switch such as a MOSFET can be used as the phase separation relay.
  • Other semiconductor switches such as thyristors and analog switch ICs or mechanical relays may be used.
  • a combination of IGBTs and diodes can be used.
  • a MOSFET having a parasitic diode inside is illustrated as a switch element of the inverter 110 and each phase separation relay.
  • the high side phase separation relay and the high side switch element are connected in series so that the forward current flows in the same direction to the internal parasitic diode.
  • the low-side phase separation relay and the low-side switch element are connected in series such that the forward current flows in the same direction to the internal parasitic diode.
  • the second phase separation relay circuit 140 switches connection / disconnection between the power supply 101 and the windings M1, M2 and M3 via the sub-inverter 120.
  • the second phase separation relay circuit 140 according to the present embodiment can switch connection / non-connection between the sub-inverter 120 and the windings M1, M2 and M3 for each phase.
  • the second phase separation relay circuit 140 is a three phase separation relay ISW_AD as three third phase separation relays, which switches connection / disconnection between the leg D of the sub-inverter 120 and the windings M1, M2 and M3. , ISW_BD and ISW_CD.
  • One end of the phase separation relay ISW_AD is connected to the node nd of the leg D, and the other end is connected to the other end of the winding M1.
  • One end of the phase separation relay ISW_BD is connected to the node nd of the leg D, and the other end is connected to the other end of the winding M2.
  • One end of the phase separation relay ISW_CD is connected to the node nd of the leg D, and the other end is connected to the other end of the winding M3.
  • one end of the three phase separation relays ISW_AD, ISW_BD and ISW_CD is commonly connected to the node nd of the leg D.
  • FIG. 3 schematically shows the configuration of the bidirectional switch SW_2W.
  • a bidirectional switch SW_2W as illustrated can be used as the three phase separation relays ISW_AD, ISW_BD, and ISW_CD.
  • the bi-directional switch SW_2W can be configured by combining the two one-way switches SW_1W such that the internal diodes face in opposite directions.
  • FIG. 4 schematically shows a typical block configuration of the control circuit 300. As shown in FIG. 4
  • the control circuit 300 includes, for example, a power supply circuit 310, an input circuit 320, a controller 330, a drive circuit 340, and a ROM 350.
  • Control circuit 300 is connected to power converter 100.
  • the control circuit 300 controls the power conversion device 100, specifically, by controlling the inverter 110, the sub-inverter 120, the first phase separation relay circuit 130, and the second phase separation relay circuit 140 (see FIG. 1).
  • the motor 200 can be driven.
  • the control circuit 300 can achieve closed loop control by controlling the target position, rotational speed, and current of the rotor.
  • a torque sensor may be used instead of the angle sensor 500 (see FIG. 1). In this case, the control circuit 300 can control the target motor torque.
  • the power supply circuit 310 generates DC voltages (for example, 3 V, 5 V) necessary for each block in the circuit.
  • Input circuit 320 receives a motor current value (hereinafter, referred to as “actual current value”) detected by current sensor 400.
  • the input circuit 320 converts the level of the actual current value to the input level of the controller 330 as necessary, and outputs the actual current value to the controller 330.
  • the input circuit 320 is typically an analog-to-digital converter.
  • the controller 330 is an integrated circuit that controls the entire motor module 1000, and is, for example, a microcontroller or a field programmable gate array (FPGA).
  • FPGA field programmable gate array
  • the controller 330 receives the rotation signal of the rotor detected by the angle sensor 500.
  • the controller 330 sets a target current value in accordance with the actual current value, the rotation signal of the rotor, and the like, generates a PWM signal, and outputs the PWM signal to the drive circuit 340.
  • the controller 330 generates a PWM signal for controlling the switching operation (turn on or turn off) of each switch element in the inverter 110 and the sub-inverter 120 of the power conversion device 100.
  • the controller 330 can further generate a signal that determines the on / off state of each phase separation relay in each phase separation relay circuit of the power conversion device 100.
  • the drive circuit 340 is typically a gate driver (or predriver).
  • Drive circuit 340 generates a control signal (typically, a gate control signal) for controlling the switching operation of each switch element in inverter 110 and sub-inverter 120 in accordance with the PWM signal, and applies the control signal to each switch element.
  • the drive circuit 340 generates on / off control signals (analog signals) according to signals from the controller 330 that determine the on / off state of each phase separation relay, and those control signals are It is possible to give to
  • the gate driver may not be required. In that case, the function of the gate driver may be implemented in the controller 330.
  • the ROM 350 is, for example, a writable memory (for example, a PROM), a rewritable memory (for example, a flash memory), or a read only memory.
  • the ROM 350 stores a control program including instructions for causing the controller 330 to control the power conversion apparatus 100.
  • the control program is temporarily expanded in a RAM (not shown) at boot time.
  • Control modes of the power conversion device 100 include control modes at normal and abnormal times.
  • the control circuit 300 (mainly the controller 330) can switch the control of the power conversion device 100 from the control mode in the normal state to the control mode in the abnormal state.
  • the on / off states of the phase separation relays of the first phase separation relay circuit 130 and the second phase separation relay circuit 140 are determined.
  • the first phase separation relay circuit 130 is turned on” means that all the phase separation relays ISW_AH, ISW_BH, ISW_CH, ISW_AL, ISW_BL and ISW_CL of the first phase separation relay circuit 130 are turned on. Do. "The first phase separation relay circuit 130 is turned off” means that all the phase separation relays ISW_AH, ISW_BH, ISW_CH, ISW_AL, ISW_BL and ISW_CL are turned off.
  • the inverter 110 When the first phase separation relay circuit 130 is turned on, the inverter 110 is electrically connected to the power supply 101. When the first phase separation relay circuit 130 is turned off, the inverter 110 is electrically separated from the power supply 101.
  • the U-phase leg is electrically separated from the power supply 101 by turning off the phase separation relays ISW_AH and ISW_AL.
  • the V-phase and W-phase legs remain connected to the power supply 101.
  • the second phase separation relay circuit 140 is turned on” means that all phase separation relays of the second phase separation relay circuit 140 are turned on.
  • the second phase separation relay circuit 140 is turned off means that all phase separation relays of the second phase separation relay circuit 140 are turned off.
  • connection / disconnection between the leg D of the sub-inverter 120 and the windings M1, M2 and M3 for each phase can be connected only to the winding M1 by turning on the phase separation relay ISW_AD and turning off the phase separation relays ISW_BD and ISW_CD.
  • “normal” indicates that the inverter 110, the sub-inverter 120, and the windings M1, M2 and M3 of the motor 200 do not have a failure.
  • “Abnormal” mainly refers to occurrence of a failure in a switch element in the bridge circuit of the inverter 110.
  • the failure of the switch element mainly refers to the open failure and the short failure of the semiconductor switch element (FET).
  • FET semiconductor switch element
  • Open fault refers to a fault in which the source-drain of FET is opened (in other words, resistance rds between source-drain becomes high impedance), and "short fault” is in the source-drain of FET Refers to a short circuit failure.
  • the control circuit 300 (mainly the controller 330) turns on the first phase separation relay circuit 130 and turns off the second phase separation relay circuit 140.
  • the inverter 110 is connected to the power supply 101 by this control.
  • windings M 1, M 2 and M 3 are electrically connected to power supply 101 via inverter 110.
  • leg D of sub-inverter 120 is electrically isolated from windings M1, M2 and M3. Power is not supplied from the power supply 101 to the motor 200 via the sub-inverter 120.
  • the control circuit 300 is capable of energizing the three-phase windings M1, M2 and M3 by controlling the switching operation of the switch element of the inverter 110.
  • energization control is referred to as “three-phase energization control”.
  • FIG. 5 exemplifies a current waveform (sine wave) obtained by plotting current values flowing in the windings M1, M2 and M3 in accordance with the three-phase conduction control.
  • the horizontal axis indicates the motor electrical angle (deg), and the vertical axis indicates the current value (A).
  • I pk represents the maximum value (peak current value) of the phase current flowing in each phase.
  • the sum of the currents flowing through the three-phase windings in consideration of the current direction is “0” for each electrical angle.
  • the control circuit 300 controls the switching operation of each switch element of the inverter 110 so that, for example, the pseudo sine wave shown in FIG. 5 is obtained. Thereby, power conversion device 100 can receive power of control of control circuit 300 to energize windings M1, M2 and M3.
  • the drive circuit 340 detects the failure of the switch element by monitoring the voltage Vds between the drain and the source of the switch element and comparing the predetermined threshold voltage with Vds.
  • the threshold voltage is set in the drive circuit 340 by data communication with an external IC (not shown) and an external component, for example.
  • the drive circuit 340 is connected to the port of the controller 330 and notifies the controller 330 of a failure detection signal. For example, when the drive circuit 340 detects a failure of the switch element, the drive circuit 340 asserts a failure detection signal.
  • the controller 330 receives the asserted fault detection signal, it can read out the internal data of the drive circuit 340 to determine which switch element among the plurality of switch elements in the inverter 110 is faulty. is there.
  • the controller 330 can also detect a failure of the switch element based on the difference between the actual current value of the motor and the target current value.
  • the failure detection is not limited to these methods, and a wide variety of known methods for failure detection can be used.
  • the controller 330 switches control of the power conversion device 100 from normal control to abnormal control.
  • the timing at which control is switched from normal to abnormal is about 10 msec to 30 msec after the fault detection signal is asserted.
  • control circuit 300 controls one of phase separation relays ISW_AH, ISW_BH and ISW_CH in first phase separation relay circuit 130 in an abnormal control.
  • control circuit 300 turns on the phase separation relay connected to the other end of the winding connected to the failed leg among phase separation relays ISW_AD, ISW_BD and ISW_CD in second phase separation relay circuit 140. And turn off the other two phase separation relays.
  • failure of a switch element of a leg may be referred to as “leg failure”.
  • power conversion device 100 uses three legs other than the failed leg of the three legs of inverter 110 and three legs D of sub-inverter 120 to form a three-phase winding.
  • the wire can be energized.
  • control circuit 300 turns off the phase separation relays ISW_AH, ISW_AL of the U phase leg including the failed switch element, and four of the V phase and W phase legs.
  • the phase separation relays ISW_BH, ISW_BL, ISW_CH and ISW_CL are turned on.
  • control circuit 300 turns on phase separation relay ISW_AD connected to winding M1, and turns off phase separation relays ISW_BD and ISW_CD connected to windings M2 and M3. Do.
  • control circuit 300 can continue three-phase conduction control using the V-phase leg of inverter 110, the W-phase leg, and leg D of sub-inverter 120. That is, the leg D of the sub-inverter 120 can function as the U-phase leg of the inverter 110.
  • control circuit 300 turns off the phase separation relays ISW_BH and ISW_BL of the V phase leg including the failed switch element, and four of the U and W phase legs.
  • the phase separation relays ISW_AH, ISW_AL, ISW_CH and ISW_CL are turned on.
  • control circuit 300 turns on phase separation relay ISW_BD connected to winding M2, and turns off phase separation relays ISW_AD, ISW_CD connected to windings M1 and M3.
  • three-phase conduction control can be continued using the U-phase leg of the inverter 110, the W-phase leg, and the leg D of the sub-inverter 120. That is, the leg D of the sub-inverter 120 can function as the V-phase leg of the inverter 110.
  • the leg D of the sub-inverter 120 can be used as the leg of the broken phase.
  • the present disclosure can also be suitably used to drive a multiphase motor having four or more phase windings.
  • FIG. 6 shows the relationship between the number of revolutions per unit time (rps) of the motor and the torque T (N ⁇ m).
  • the horizontal axis of the graph indicates the rotational speed, and the vertical axis indicates the value of the normalized torque.
  • the rotation speed Wmn represents the maximum rotation speed.
  • Wcn represents the number of revolutions at a change point at which the torque rapidly changes in the motor output characteristic.
  • the so-called TN curve shown in FIG. 6 shows the characteristics of the motor output obtained in the normal control and the motor output obtained in the abnormal control.
  • the torque value obtained by the control at the time of abnormality is a value normalized by the torque value obtained by the control at the normal time.
  • FIG. 6 shows motor output characteristics in control at the time of abnormality obtained by the control method disclosed in Patent Documents 1 (Japanese Patent Application Laid-Open No. 2016-34204) and 4 (Japanese Patent No. 5797751). .
  • the motor is driven using one of the first system and the second system which has not failed in the control at the time of abnormality.
  • the maximum value of the phase current in abnormal control is reduced to about 50% compared to that in normal control, so the torque obtained in abnormal control is also reduced to about 50% compared to that in normal control.
  • the maximum rotation speed Wmn is maintained.
  • the motor drive device of Patent Document 4 it is possible to independently control the current flowing through the three-phase winding in the control at the normal time.
  • the motor in the control at the time of abnormality, the motor is driven substantially only by the inverter on one side using the neutral point of the failed inverter. Since the maximum value of the phase voltage applied to the windings of each phase is reduced to about 58% compared to that at normal time, the maximum rotational speed obtained by control at normal time is the maximum rotational speed Wmn at normal time It falls to about 58% compared with. As a result, the high speed rotation area is reduced to the low speed side, and the motor can not be driven at a higher speed. On the other hand, since the maximum value of the phase current of the motor does not change in the normal and abnormal control, the torque is maintained.
  • the same three-phase energization control as in the normal state can be performed even in the abnormal state. Therefore, in the control at the abnormal time, the same torque as the control at the normal time can be obtained. Furthermore, since the maximum value of the phase voltage applied to the windings of each phase does not change in the normal and abnormal control, the maximum rotational speed Wmn can be maintained, and the rotational speed Wcn can be maintained. Can. That is, the motor output characteristics do not change between normal and abnormal control.
  • the torque, the maximum number of revolutions Wmn of the motor and the number of revolutions Wcn of the motor can be maintained at the same values as in the normal state in the control at the time of abnormality.
  • the motor output that is, the drive range of the motor.
  • higher torque can be obtained in the high speed rotation region.
  • Motor output characteristics in control at the time of abnormality can be further improved.
  • Second Embodiment Structure of Power Converter 100A
  • the structures of the sub-inverter 120 and the second phase separation relay circuit 140 of the power conversion device 100A according to the present embodiment are different from those of the power conversion device 100 according to the first embodiment.
  • the description common to the first embodiment will be omitted, and the difference will be mainly described.
  • FIG. 7 schematically shows the circuit configuration of the power conversion device 100A according to the present embodiment.
  • sub-inverter 120 has three legs of U-phase leg, V-phase leg and W-phase leg.
  • the U-phase leg has a high side switch element SW_DAH and a low side switch element SW_DAL.
  • the V-phase leg has a high side switch element SW_DBH and a low side switch element SW_DBL.
  • the W-phase leg has a high side switch element SW_DCH and a low side switch element SW_DCL.
  • the three legs of sub-inverter 120 are connected to the other ends of windings M1, M2 and M3. Specifically, the node nda between the high side switch element SW_DAH and the low side switch element SW_DAL of the U phase leg is connected to the other end of the winding M1 together with the node na of the inverter 110. Node ndb of the V-phase leg is connected to the other end of winding M2 together with node nb of inverter 110. The node ndc of the W-phase leg is connected to the other end of the winding M3 together with the node nc of the inverter 110.
  • the second phase separation relay circuit 140 switches connection / disconnection between the power supply 101 and the sub-inverter 120.
  • the second phase separation relay circuit 140 has a phase separation relay ISW_DH which is a third phase separation relay and a phase separation relay ISW_DL which is a fourth phase separation relay.
  • the phase separation relay ISW_DH is connected between the high side node ndh connecting the three high side switch elements SW_DAH, SW_DBH and SW_DCH of the sub-inverter 120 and the power supply 101.
  • the phase separation relay ISW_DL is connected between a low side node ndl connecting the three low side switch elements SW_DAL, SW_DBL and SW_DCL of the sub-inverter 120 and GND.
  • control circuit 300 turns on the first phase separation relay circuit 130 and turns off the second phase separation relay circuit 140 as described in the first embodiment.
  • the inverter 110 is connected to the power supply 101, and the sub-inverter 120 is separated from the power supply 101.
  • Control circuit 300 performs three-phase conduction control using inverter 110.
  • control circuit 300 controls one of phase separation relays ISW_AH, ISW_BH and ISW_CH in first phase separation relay circuit 130 in an abnormal control.
  • phase separation relay connected to the failed leg of the inverter 110 and the phase separation relay connected to the broken leg among the phase separation relays ISW_AL, ISW_BL and ISW_CL, and the other four Turn on the phase separation relay of Control circuit 300 further turns on phase separation relays ISW_DH and ISW_DL of second phase separation relay circuit 140.
  • Control circuit 300 includes two legs other than the broken leg of the three legs of inverter 110 and the other end of the winding connected to the broken leg of the three legs of sub-inverter 120.
  • the three-phase conduction control can be performed using the legs connected together.
  • the control circuit 300 turns off the phase separation relays ISW_AH, ISW_AL of the U phase leg including the failed switch element, and four of the V phase and W phase legs.
  • the phase separation relays ISW_BH, ISW_BL, ISW_CH and ISW_CL are turned on.
  • Control circuit 300 further turns on phase separation relays ISW_DH and ISW_DL of second phase separation relay circuit 140.
  • control circuit 300 can continue three-phase conduction control using the V-phase leg of W, the U-phase leg of sub-inverter 120, and the V-phase leg of inverter 110. That is, the U-phase leg of sub-inverter 120 can be functioned as the U-phase leg of inverter 110.
  • control circuit 300 turns off the four phase separation relays ISW_AH, ISW_AL, ISW_BH and ISW_BL of the U phase leg including the failed switch element and the V phase leg, and , W phase leg phase separation relays ISW_CH, ISW_CL are turned on.
  • Control circuit 300 further turns on phase separation relays ISW_DH and ISW_DL of second phase separation relay circuit 140.
  • control circuit 300 can continue the three-phase conduction control using the W-phase leg of inverter 110, the U-phase leg and the V-phase leg of sub-inverter 120. That is, the U-phase leg and the V-phase leg of the sub-inverter 120 can function as the U-phase leg and the V-phase leg of the inverter 110.
  • control circuit 300 can continue the three-phase conduction control using the three legs of the sub-inverter 120 instead of the inverter 110.
  • three-phase energization control can be continuously performed by using the leg of the sub-inverter 120 in control at the time of abnormality, and further, a motor in control at the time of abnormality Output characteristics can be further improved.
  • FIG. 8 schematically shows a typical configuration of the electric power steering apparatus 2000 according to the present embodiment.
  • Vehicles such as automobiles generally have an electric power steering (EPS) device.
  • the electric power steering apparatus 2000 according to the present embodiment has a steering system 520 and an auxiliary torque mechanism 540 that generates an auxiliary torque.
  • Electric power steering apparatus 2000 generates an assist torque that assists a steering torque of a steering system generated by a driver operating a steering wheel. The assist torque reduces the burden on the driver's operation.
  • the steering system 520 includes, for example, a steering handle 521, a steering shaft 522, free shaft joints 523A and 523B, a rotating shaft 524, a rack and pinion mechanism 525, rack shafts 526, left and right ball joints 552A and 552B, tie rods 527A and 527B, knuckles And 528A, 528B, and left and right steering wheels 529A, 529B.
  • the auxiliary torque mechanism 540 includes, for example, a steering torque sensor 541, an electronic control unit (ECU) 542 for a car, a motor 543, a reduction mechanism 544, and the like.
  • the steering torque sensor 541 detects a steering torque in the steering system 520.
  • the ECU 542 generates a drive signal based on a detection signal of the steering torque sensor 541.
  • the motor 543 generates an auxiliary torque corresponding to the steering torque based on the drive signal.
  • the motor 543 transmits the generated assist torque to the steering system 520 via the reduction mechanism 544.
  • the ECU 542 includes, for example, the controller 330 and the drive circuit 340 according to the first embodiment.
  • an electronic control system is built around an ECU.
  • a motor drive unit is constructed by the ECU 542, the motor 543 and the inverter 545.
  • the motor module 1000 according to Embodiment 1 or 2 can be suitably used for the unit.
  • Embodiments of the present disclosure are also suitably used in motor control systems such as shift by wire, steering by wire, X by wire such as brake by wire, and traction motors.
  • a motor control system according to an embodiment of the present disclosure may be mounted on an autonomous vehicle that complies with levels 0 to 4 (standards of automation) defined by the Japanese government and the United States Department of Transportation Road Traffic Safety Administration (NHTSA).
  • levels 0 to 4 standards of automation
  • Embodiments of the present disclosure can be widely used in a variety of devices equipped with various motors, such as vacuum cleaners, dryers, ceiling fans, washing machines, refrigerators, and electric power steering devices.

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Abstract

電力変換装置は、一端同士がＹ結線されたｎ相（ｎは３以上の整数）モータの巻線の他端に接続され、各々が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含むｎ個のレグを有するインバータと、電源とｎ相の巻線との、インバータを介した接続・非接続を相毎に切替える第１相分離リレー回路と、インバータのｎ個のレグと並列接続された少なくとも１個のレグを有し、ｎ相の巻線の他端に接続されるサブインバータと、電源とｎ相の巻線との、サブインバータを介した接続・非接続を切替える第２相分離リレー回路と、を備える。

Description

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
本開示は、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。
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。　
特許文献１は、第１系統および第２系統を有するモータ駆動装置を開示している。第１系統は、モータの第１巻線組に接続され、第１インバータ部、電源リレーおよび逆接続保護リレーなどを有する。第２系統は、モータの第２巻線組に接続され、第２インバータ部、電源リレーおよび逆接続保護リレーなどを有する。モータ駆動装置に故障が生じていないとき、第１系統および第２系統の両方を用いてモータを駆動することが可能である。これに対し、第１系統および第２系統の一方、または、第１巻線組および第２巻線組の一方に故障が生じたとき、電源リレーは、電源から、故障した系統または故障した巻線組に接続された系統への電力供給を遮断する。故障していない他方の系統を用いてモータ駆動を継続させることが可能である。　
特許文献２および３も、第１系統および第２系統を有するモータ駆動装置を開示している。一方の系統または一方の巻線組が故障したとしても、故障していない系統によってモータ駆動を継続させることができる。　
特許文献４は、４つの電気的分離手段、および、２つのインバータを有し、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。
特開２０１６－３４２０４号公報 特開２０１６－３２９７７号公報 特開２００８－１３２９１９号公報 特許第５７９７７５１号公報
上述した従来の技術では、異常時の制御におけるモータ出力のさらなる向上が求められていた。　
本開示の実施形態は、異常時の制御におけるモータ出力を向上させることが可能な電力変換装置を提供する。
本開示の例示的な電力変換装置は、電源からの電力を、一端同士がＹ結線された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あって、前記ｎ相の巻線の他端に接続され、各々が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含むｎ個のレグを有するインバータと、前記電源と前記ｎ相の巻線との、前記インバータを介した接続・非接続を相毎に切替える第１相分離リレー回路と、前記インバータの前記ｎ個のレグと並列接続された少なくとも１個のレグを有するサブインバータであって、前記ｎ相の巻線の他端に接続されるサブインバータと、前記電源と前記ｎ相の巻線との、前記サブインバータを介した接続・非接続を切替える第２相分離リレー回路と、を備える。
本開示の例示的な実施形態によると、第１相分離リレー回路および第２相分離リレー回路のオン・オフ状態を制御モードに応じて適切に決定することによりｎ相通電制御（典型的には三相通電制御）を継続して行うことができる。これにより、異常時の制御におけるモータ出力を向上させることが可能な電力変換装置、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１は、例示的な実施形態１によるモータモジュール１０００の典型的なブロック構成を示すブロック図である。 図２は、例示的な実施形態１による電力変換装置１００の回路構成を示す回路図である。 図３は、双方向スイッチＳＷ＿２Ｗの構成を示す模式図である。 図４は、制御回路３００の典型的なブロック構成を示すブロック図である。 図５は、三相通電制御に従って巻線Ｍ１、Ｍ２およびＭ３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は、モータの単位時間当たりの回転数（ｒｐｓ）とトルクＴ（Ｎ・ｍ）との関係を示すグラフである。 図７は、例示的な実施形態２による電力変換装置１００Ａの回路構成を示す回路図である。 図８は、例示的な実施形態３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。
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。　
本明細書において、電源からの電力を、三相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ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。　

（実施形態１）

〔モータモジュール１０００および電力変換装置１００の構造〕

　図１は、本実施形態によるモータモジュール１０００の典型的なブロック構成を模式的に示している。
モータモジュール１０００は、典型的に、電力変換装置１００、モータ２００、制御回路３００および角度センサ５００を備える。モータ制御手法（例えばセンサレス制御）によっては、角度センサ５００は不要な場合がある。
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、モータを駆動するためのシステムであり、モータモジュールの構成要素のうちのモータ以外の構成要素を備え得るシステムを「モータ駆動システム」と呼ぶことができる。そのモータ駆動システムもモジュール化され、製造および販売され得る。　
電力変換装置１００は、インバータ１１０、サブインバータ１２０、第１相分離リレー回路１３０、第２相分離リレー回路１４０および電流センサ４００を有する。電力変換装置１００は、電源１０１（図２を参照）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可能である。インバータ１１０は、モータ２００に接続される。例えば、インバータ１１０は、直流電力を、Ｕ相、Ｖ相およびＷ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。本明細書において、部品（構成要素）同士の間の「接続」とは、主に電気的な接続を意味する。　
モータ２００は、例えば三相交流モータである。モータ２００は、Ｕ相の巻線Ｍ１、Ｖ相の巻線Ｍ２およびＷ相の巻線Ｍ３を有する。巻線Ｍ１、Ｍ２およびＭ３の一端同士はＹ結線されている。　
制御回路３００は、マイクロコントローラなどから構成される。制御回路３００は、電流センサ４００および角度センサ５００からの入力信号に基づいて電力変換装置１００を制御する。その制御手法として、例えばベクトル制御、パルス幅変調（ＰＷＭ）または直接トルク制御（ＤＴＣ）がある。　
角度センサ５００は、例えばレゾルバまたはホールＩＣである。角度センサ５００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５００は、モータ２００のロータの回転角（以下、「回転信号」と表記する。）を検出し、回転信号を制御回路３００に出力する。　
図２を参照して、電力変換装置１００の具体的な回路構成を説明する。　
図２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。　
電源１０１は、所定の電源電圧（例えば１２Ｖ）を生成する。電源１０１として、例えば直流電源が用いられる。ただし、電源１０１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。　
ヒューズ１０２が、電源１０１とインバータ１１０との間に接続される。ヒューズ１０２は、電源１０１からインバータ１１０またはサブインバータ１２０に流れ得る大電流を遮断することができる。ヒューズの代わりにリレーなどを用いてもよい。　
図示されていないが、電源１０１とインバータ１１０との間にコイルが設けられる。コイルは、ノイズフィルタとして機能し、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、またはインバータで発生する高周波ノイズを電源１０１側に流出させないように平滑化する。また、インバータの電源端子には、コンデンサが接続される。コンデンサは、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。　
インバータ１１０は、３個のレグを有するブリッジ回路を備える。各レグは、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有する。Ｕ相レグは、ハイサイドスイッチ素子ＳＷ＿ＡＨおよびローサイドスイッチ素子ＳＷ＿ＡＬを有する。Ｖ相レグは、ハイサイドスイッチ素子ＳＷ＿ＢＨおよびローサイドスイッチ素子ＳＷ＿ＢＬを有する。Ｗ相レグは、ハイサイドスイッチ素子ＳＷ＿ＣＨおよびローサイドスイッチ素子ＳＷ＿ＣＬを有する。スイッチ素子として、例えば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）、または、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）とそれに並列接続された還流ダイオードとの組み合わせを用いることができる。　
インバータ１１０は、例えば、Ｕ相、Ｖ相およびＷ相の各相の巻線に流れる電流（「相電流」と呼ぶ場合がある。）を検出するための電流センサ４００（図１を参照）として、シャント抵抗（不図示）を各レグに有する。電流センサ４００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）を有する。例えば、シャント抵抗は、各レグにおいて、ローサイドスイッチ素子とグランドの間に接続され得る。　
シャント抵抗の数は３つに限られない。例えば、Ｕ相、Ｖ相用の２つのシャント抵抗、Ｖ相、Ｗ相用の２つのシャント抵抗、または、Ｕ相、Ｗ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。　
インバータ１１０のＵ相レグ（具体的には、ハイサイドスイッチ素子ＳＷ＿ＡＨおよびローサイドスイッチ素子ＳＷ＿ＡＬの間のノードｎａ）は、モータ２００のＵ相の巻線Ｍ１の他端に接続される。ノードｎａと同様に、Ｖ相レグのノードｎｂは、Ｖ相の巻線Ｍ２の他端に接続され、Ｗ相レグのノードｎｃは、Ｗ相の巻線Ｍ３の他端に接続される。　
サブインバータ１２０は、巻線Ｍ１、Ｍ２およびＭ３の他端に接続することが可能である。本開示のサブインバータは、インバータの３個のレグと並列接続された少なくとも１個のレグを有し得る。図２に示す回路構成では、サブインバータ１２０は、インバータ１１０の３個のレグと並列接続された１個のレグＤを有する。レグＤは、ハイサイドスイッチ素子ＳＷ＿ＤＨおよびローサイドスイッチ素子ＳＷ＿ＤＬを有する。レグＤは、インバータ１１０のレグと同様に、シャント抵抗を有することができる。　
レグＤのハイサイドスイッチ素子ＳＷ＿ＤＨおよびローサイドスイッチ素子ＳＷ＿ＤＬの間のノードｎｄは、後述する第２相分離リレー回路１４０を介して巻線Ｍ１、Ｍ２およびＭ３に接続することが可能である。　
例えば、インバータ１１０を、Ａ相、Ｂ相、Ｃ相およびＤ相の四相のレグを備えるインバータと見なすことができる。インバータ１１０およびサブインバータ１２０は、レグＤを含む４個のレグを備える１個のブリッジ回路として製造され得る。　
第１相分離リレー回路１３０は、電源１０１とインバータ１１０との接続・非接続を相毎に切替える。換言すると、第１相分離リレー回路１３０は、電源１０１と、巻線Ｍ１、Ｍ２およびＭ３との、インバータ１１０を介した接続・非接続を相毎に切替えることができる。
第１相分離リレー回路１３０は、インバータ１１０において、電源ラインであるハイサイド側のノードと、３個のハイサイドスイッチ素子ＳＷ＿ＡＨ、ＳＷ＿ＢＨおよびＳＷ＿ＣＨとの間に接続された、３個の第１相分離リレーである３個の相分離リレーＩＳＷ＿ＡＨ、ＩＳＷ＿ＢＨおよびＩＳＷ＿ＣＨを有する。相分離リレーＩＳＷ＿ＡＨはＵ相レグにある。相分離リレーＩＳＷ＿ＢＨはＶ相レグにある。相分離リレーＩＳＷ＿ＣＨはＷ相レグにある。
第１相分離リレー回路１３０は、さらに、インバータ１１０において、ＧＮＤラインであるローサイド側のノードと、３個のローサイドスイッチ素子ＳＷ＿ＡＬ、ＳＷ＿ＢＬおよびＳＷ＿ＣＬとの間に接続された、３個の第２相分離リレーである３個の相分離リレーＩＳＷ＿ＡＬ、ＩＳＷ＿ＢＬおよびＩＳＷ＿ＣＬを有する。相分離リレーＩＳＷ＿ＡＬはＵ相レグにある。相分離リレーＩＳＷ＿ＢＬはＶ相レグにある。相分離リレーＩＳＷ＿ＣＬはＷ相レグにある。　
相分離リレーとして、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。　
図２には、インバータ１１０のスイッチ素子および各相分離リレーとして、内部に寄生ダイオードを有するＭＯＳＦＥＴを例示している。各相のレグにおいて、ハイサイド側の相分離リレーおよびハイサイドスイッチ素子は、順方向電流が、内部の寄生ダイオードに同方向に流れるよう直列に接続される。ローサイド側の相分離リレーおよびローサイドスイッチ素子は、順方向電流が、内部の寄生ダイオードに同方向に流れるよう直列に接続される。　
第２相分離リレー回路１４０は、電源１０１と、巻線Ｍ１、Ｍ２およびＭ３との、サブインバータ１２０を介した接続・非接続を切替える。本実施形態による第２相分離リレー回路１４０は、サブインバータ１２０と、巻線Ｍ１、Ｍ２およびＭ３との接続・非接続を相毎に切替えることができる。　
第２相分離リレー回路１４０は、サブインバータ１２０のレグＤと、巻線Ｍ１、Ｍ２およびＭ３との接続・非接続を切替える、３個の第３相分離リレーである３個の相分離リレーＩＳＷ＿ＡＤ、ＩＳＷ＿ＢＤおよびＩＳＷ＿ＣＤを有する。相分離リレーＩＳＷ＿ＡＤの一端は、レグＤのノードｎｄに接続され、その他端は、巻線Ｍ１の他端に接続される。相分離リレーＩＳＷ＿ＢＤの一端は、レグＤのノードｎｄに接続され、その他端は、巻線Ｍ２の他端に接続される。相分離リレーＩＳＷ＿ＣＤの一端は、レグＤのノードｎｄに接続され、その他端は、巻線Ｍ３の他端に接続される。このように、３個の相分離リレーＩＳＷ＿ＡＤ、ＩＳＷ＿ＢＤおよびＩＳＷ＿ＣＤの一端は、レグＤのノードｎｄに共通に接続されている。　
図３は、双方向スイッチＳＷ＿２Ｗの構成を模式的に示している。　
３個の相分離リレーＩＳＷ＿ＡＤ、ＩＳＷ＿ＢＤおよびＩＳＷ＿ＣＤとして、図示するような双方向スイッチＳＷ＿２Ｗを用いることができる。内部のダイオードが互いに逆方向を向くよう２個の一方向スイッチＳＷ＿１Ｗを組み合わせることによって、双方向スイッチＳＷ＿２Ｗを構成することができる。　
図４は、制御回路３００の典型的なブロック構成を模式的に示している。　
制御回路３００は、例えば、電源回路３１０と、入力回路３２０と、コントローラ３３０と、駆動回路３４０と、ＲＯＭ３５０とを備える。制御回路３００は、電力変換装置１００に接続される。制御回路３００は、電力変換装置１００を、具体的には、インバータ１１０、サブインバータ１２０、第１相分離リレー回路１３０および第２相分離リレー回路１４０（図１を参照）を制御することにより、モータ２００を駆動することができる。制御回路３００は、目的とするロータの位置、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、角度センサ５００（図１を参照）に代えてトルクセンサを用いてもよい。この場合、制御回路３００は、目的とするモータトルクを制御することができる。　
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。　
入力回路３２０は、電流センサ４００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。）を受け取る。入力回路３２０は、コントローラ３３０の入力レベルに実電流値のレベルを必要に応じて変換し、実電流値をコントローラ３３０に出力する。入力回路３２０は、典型的にはアナログデジタル変換回路である。　
コントローラ３３０は、モータモジュール１０００の全体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。　
コントローラ３３０は、角度センサ５００によって検出されたロータの回転信号を受信する。コントローラ３３０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３４０に出力する。　
コントローラ３３０は、電力変換装置１００のインバータ１１０およびサブインバータ１２０における各スイッチ素子のスイッチング動作（ターンオンまたはターンオフ）を制御するためのＰＷＭ信号を生成する。コントローラ３３０は、さらに、電力変換装置１００の各相分離リレー回路内の各相分離リレーのオン・オフの状態を決定する信号を生成することができる。　
駆動回路３４０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３４０は、インバータ１１０およびサブインバータ１２０における各スイッチ素子のスイッチング動作を制御する制御信号（典型的にはゲート制御信号）をＰＷＭ信号に従って生成し、各スイッチ素子にその制御信号を与える。本実施形態では、駆動回路３４０は、コントローラ３３０からの、各相分離リレーのオン・オフの状態を決定する信号に従って、オン・オフの制御信号（アナログ信号）を生成し、その制御信号をそれらに与えることが可能である。　
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３３０に実装され得る。　
ＲＯＭ３５０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。ＲＯＭ３５０は、コントローラ３３０に電力変換装置１００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する。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。

　電力変換装置１００の制御モードに、正常時および異常時の制御モードがある。制御回路３００（主としてコントローラ３３０）は、電力変換装置１００の制御を正常時の制御モードから異常時の制御モードに切替えることができる。その制御モードに応じて、第１相分離リレー回路１３０および第２相分離リレー回路１４０の各相分離リレーのオン・オフの状態が決定される。
以下、第１相分離リレー回路１３０および第２相分離リレー回路１４０のオン・オフ状態と、オン・オフ状態における、電源１０１、インバータ１１０、サブインバータ１２０、巻線Ｍ１、Ｍ２およびＭ３の電気的な接続関係とを詳細に説明する。　
本明細書において、「第１相分離リレー回路１３０がオンする」とは、第１相分離リレー回路１３０の全ての相分離リレーＩＳＷ＿ＡＨ、ＩＳＷ＿ＢＨ、ＩＳＷ＿ＣＨ、ＩＳＷ＿ＡＬ、ＩＳＷ＿ＢＬおよびＩＳＷ＿ＣＬがオンすることを意味する。「第１相分離リレー回路１３０がオフする」とは、全ての相分離リレーＩＳＷ＿ＡＨ、ＩＳＷ＿ＢＨ、ＩＳＷ＿ＣＨ、ＩＳＷ＿ＡＬ、ＩＳＷ＿ＢＬおよびＩＳＷ＿ＣＬがオフすることを意味する。　
第１相分離リレー回路１３０がオンすると、インバータ１１０は電源１０１に電気的に接続される。第１相分離リレー回路１３０がオフすると、インバータ１１０は電源１０１から電気的に分離される。

　上述したとおり、電源１０１とインバータ１１０の３個のレグとの接続・非接続を相毎に切替えることが可能である。例えば、相分離リレーＩＳＷ＿ＡＨ、ＩＳＷ＿ＡＬをオフすることにより、Ｕ相レグは電源１０１から電気的に分離される。Ｖ相およびＷ相レグは電源１０１に接続されたままである。
本明細書において、「第２相分離リレー回路１４０がオンする」とは、第２相分離リレー回路１４０の全ての相分離リレーがオンすることを意味する。「第２相分離リレー回路１４０がオフする」とは、第２相分離リレー回路１４０の全ての相分離リレーがオフすることを意味する。　
図２に示す回路構成では、第２相分離リレー回路１４０がオンすると、サブインバータ１２０、より具体的には、サブインバータ１２０のレグＤは、巻線Ｍ１、Ｍ２およびＭ３に接続される。第２相分離リレー回路１４０がオフすると、レグＤは、巻線Ｍ１、Ｍ２およびＭ３から電気的に分離される。

　上述したとおり、サブインバータ１２０のレグＤと、巻線Ｍ１、Ｍ２およびＭ３との接続・非接続を相毎に切替えることが可能である。例えば、相分離リレーＩＳＷ＿ＡＤをオンにし、かつ、相分離リレーＩＳＷ＿ＢＤ、ＩＳＷ＿ＣＤをオフにすることにより、レグＤは巻線Ｍ１にのみ接続可能である。

〔電力変換装置１００の動作〕

　以下、モータモジュール１０００の動作の具体例を説明し、主として電力変換装置１００の動作の具体例を説明する。　

（１．正常時の制御）

　先ず、電力変換装置１００の正常時の制御方法の具体例を説明する。　
本明細書において、「正常」とは、インバータ１１０、サブインバータ１２０、モータ２００の巻線Ｍ１、Ｍ２およびＭ３に故障が生じていないことを指す。「異常」とは、主に、インバータ１１０のブリッジ回路内のスイッチ素子において故障が発生することを指す。スイッチ素子の故障は、主として半導体スイッチ素子（ＦＥＴ）の、オープン故障およびショート故障を指す。「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。　
正常時の制御モードでは、制御回路３００（主にコントローラ３３０）は、第１相分離リレー回路１３０をオンし、かつ、第２相分離リレー回路１４０をオフする。この制御により、インバータ１１０は電源１０１に接続される。換言すると、巻線Ｍ１、Ｍ２およびＭ３は、インバータ１１０を介して電源１０１に電気的に接続される。また、サブインバータ１２０のレグＤは、巻線Ｍ１、Ｍ２およびＭ３から電気的に分離される。電源１０１からサブインバータ１２０を介してモータ２００に電力は供給されない。　
制御回路３００は、インバータ１１０のスイッチ素子のスイッチング動作を制御することにより、三相の巻線Ｍ１、Ｍ２およびＭ３を通電することが可能である。本明細書では、このような通電制御を、「三相通電制御」と呼ぶ。　
図５は、三相通電制御に従って巻線Ｍ１、Ｍ２およびＭ３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）を示している。Ｉｐｋは各相を流れる相電流の最大値（ピーク電流値）を表している。一般的なＹ結線の結線方式のモータでは、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」である。　
制御回路３００は、例えば、図５に示される擬似正弦波が得られるようにインバータ１１０の各スイッチ素子のスイッチング動作を制御する。これにより、電力変換装置１００は制御回路３００の制御を受けて、巻線Ｍ１、Ｍ２およびＭ３を通電することができる。　

（２．異常時の制御）

　電力変換装置１００を長期間使用すると、インバータ１１０のスイッチ素子に故障が起こる可能性がある。これらの故障は、製造時に発生し得る製造故障とは異なる。そのような故障が発生すると、上述した正常時の制御は不可能となる。　
故障検知の一例として、駆動回路３４０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３４０に設定される。駆動回路３４０は、コントローラ３３０のポートと接続され、故障検知信号をコントローラ３３０に通知する。例えば、駆動回路３４０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３３０は、アサートされた故障検知信号を受信すると、駆動回路３４０の内部データを読み出して、インバータ１１０における複数のスイッチ素子の中でどのスイッチ素子が故障しているのかを判別することが可能である。　
故障検知の他の一例として、コントローラ３３０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。　
コントローラ３３０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。　
インバータ１１０の３個のレグのうちの１個のレグが故障した場合、異常時の制御において、制御回路３００は、第１相分離リレー回路１３０の中の相分離リレーＩＳＷ＿ＡＨ、ＩＳＷ＿ＢＨおよびＩＳＷ＿ＣＨのうちの、インバータ１１０の故障したレグに接続された相分離リレーと、相分離リレーＩＳＷ＿ＡＬ、ＩＳＷ＿ＢＬおよびＩＳＷ＿ＣＬのうちの、故障したレグに接続された相分離リレーと、をオフし、かつ、残りの４個の相分離リレーをオンする。さらに、制御回路３００は、第２相分離リレー回路１４０の中の相分離リレーＩＳＷ＿ＡＤ、ＩＳＷ＿ＢＤおよびＩＳＷ＿ＣＤのうちの、故障したレグに接続された巻線の他端に接続された相分離リレーをオンし、他の２個の相分離リレーをオフする。本明細書では、レグのスイッチ素子が故障することを「レグが故障する」と呼ぶ場合がある。　
電力変換装置１００は制御回路３００の制御を受けて、インバータ１１０の３個のレグのうちの故障したレグ以外の２個のレグと、サブインバータ１２０のレグＤとを用いて、三相の巻線を通電することができる。　
以下、例示的な故障パターンを挙げ、各相分離リレー回路内の相分離リレーの制御方法を詳細に説明する。　
再び図２を参照する。　
例えば、インバータ１１０のＵ相レグにおけるハイサイドスイッチ素子ＳＷ＿ＡＨがオープン故障した場合を考える。その場合、制御回路３００は、第１相分離リレー回路１３０において、その故障したスイッチ素子を含むＵ相レグの相分離リレーＩＳＷ＿ＡＨ、ＩＳＷ＿ＡＬをオフにし、かつ、Ｖ相およびＷ相レグの４個の相分離リレーＩＳＷ＿ＢＨ、ＩＳＷ＿ＢＬ、ＩＳＷ＿ＣＨおよびＩＳＷ＿ＣＬをオンにする。さらに、制御回路３００は、第２相分離リレー回路１４０において、巻線Ｍ１に接続された相分離リレーＩＳＷ＿ＡＤをオンし、かつ、巻線Ｍ２、Ｍ３に接続された相分離リレーＩＳＷ＿ＢＤ、ＩＳＷ＿ＣＤをオフする。　
これらの制御により、故障したＵ相レグは電源１０１から電気的に分離される。巻線Ｍ２、Ｍ３は、インバータ１１０のＶ相およびＷ相レグを介して電源１０１に接続される。一方、Ｕ相の巻線Ｍ１は、インバータ１１０のＵ相レグに代えてサブインバータ１２０のレグＤに接続される。この接続状態において、制御回路３００は、インバータ１１０のＶ相レグ、Ｗ相レグおよびサブインバータ１２０のレグＤを用いて三相通電制御を継続することができる。つまり、サブインバータ１２０のレグＤをインバータ１１０のＵ相レグとして機能させることが可能となる。　
例えば、インバータ１１０のＶ相レグにおけるハイサイドスイッチ素子ＳＷ＿ＢＨがオープン故障した場合を考える。その場合、制御回路３００は、第１相分離リレー回路１３０において、その故障したスイッチ素子を含むＶ相レグの相分離リレーＩＳＷ＿ＢＨ、ＩＳＷ＿ＢＬをオフし、かつ、Ｕ相およびＷ相レグの４個の相分離リレーＩＳＷ＿ＡＨ、ＩＳＷ＿ＡＬ、ＩＳＷ＿ＣＨおよびＩＳＷ＿ＣＬをオンする。さらに、制御回路３００は、第２相分離リレー回路１４０において、巻線Ｍ２に接続された相分離リレーＩＳＷ＿ＢＤをオンし、かつ、巻線Ｍ１、Ｍ３に接続された相分離リレーＩＳＷ＿ＡＤ、ＩＳＷ＿ＣＤをオフする。これらの制御により、インバータ１１０のＵ相レグ、Ｗ相レグおよびサブインバータ１２０のレグＤを用いて三相通電制御を継続することができる。つまり、サブインバータ１２０のレグＤをインバータ１１０のＶ相レグとして機能させることができる。　
例えば、四相交流モータを駆動する、四相のレグを有するインバータにおいて、一相のレグが故障した場合、サブインバータ１２０のレグＤをその故障した相のレグとして用いることが可能となる。このように、本開示は、四相以上の巻線を有する多相モータの駆動にも好適に利用することができる。　
本実施形態によれば、異常時の制御において、サブインバータ１２０のレグＤを代用することにより３個のレグを用いた三相通電制御を継続して行うことができる。　
図６は、モータの単位時間当たりの回転数（ｒｐｓ）とトルクＴ（Ｎ・ｍ）の関係を示している。グラフの横軸は、回転数を示し、縦軸は、正規化トルクの値を示す。回転数のＷｍｎは最大回転数を表す。Ｗｃｎは、モータ出力特性において、トルクが急激に変化する変化点における回転数を表す。　
図６に示されるいわゆるＴ－Ｎ曲線は、正常時の制御で得られるモータ出力および異常時の制御で得られるモータ出力の特性を示す。異常時の制御で得られるトルク値は、正常時の制御で得られるトルク値で正規化した値を示す。また、比較例として、特許文献１（特開２０１６－３４２０４号公報）および４（特許第５７９７７５１号公報）に開示された制御手法により得られる、異常時の制御におけるモータ出力特性を図６に示す。　
特許文献１のモータ駆動装置では、異常時の制御において第１系統および第２系統の故障していない一方を用いてモータは駆動される。異常時の制御における相電流の最大値は、正常時の制御におけるそれと比べ約５０％に低下するので、異常時の制御で得られるトルクも、正常時の制御におけるそれと比べ約５０％に低下する。一方、各相の巻線に印加される相電圧の最大値は、正常時および異常時の制御で変化しないので、最大回転数Ｗｍｎは維持される。　
特許文献４のモータ駆動装置では、正常時の制御において、三相の巻線に流れる電流を独立に制御することが可能である。これに対し、異常時の制御では、故障したインバータの中性点を利用して実質的に片側のインバータのみでモータは駆動される。各相の巻線に印加される相電圧の最大値は、正常時のそれと比べ約５８％に低下するので、正常時の制御で得られる最大の回転数は、正常時の最大回転数Ｗｍｎと比べ約５８％に低下する。これにより、高速回転領域が低速側に縮小され、モータをより高速に駆動することができない。一方、モータの相電流の最大値は、正常時および異常時の制御で変化しないので、トルクは維持される。　
本実施形態によると、正常時と同じ三相通電制御を異常時においても行うことができる。従って、異常時の制御において正常時の制御と同じトルクを得ることができる。さらに、各相の巻線に印加される相電圧の最大値は、正常時および異常時の制御で変化しないので、最大回転数Ｗｍｎを維持することができ、また、回転数Ｗｃｎを維持することができる。つまり、正常時と異常時の制御の間でモータ出力特性は変わらない。　
以上を纏めると、図６に示すように、従来と比較して、異常時の制御において、トルク、モータの最大回転数Ｗｍｎおよび回転数Ｗｃｎを正常時と同じ値に維持することができる。その結果、モータ出力、つまり、モータの駆動範囲を改善することが可能となる。特に、高速回転領域においてより高いトルクを得ることができる。異常時の制御におけるモータ出力特性をさらに向上させることができる。　

（実施形態２）

〔電力変換装置１００Ａの構造〕

　本実施形態による電力変換装置１００Ａのサブインバータ１２０および第２相分離リレー回路１４０の構造は、実施形態１による電力変換装置１００のそれらの構造と異なる。以下、実施形態１との共通の説明は省略し、その差異点を中心に説明する。　
図７は、本実施形態による電力変換装置１００Ａの回路構成を模式的に示している。　
サブインバータ１２０は、インバータ１１０と同様に、Ｕ相レグ、Ｖ相レグおよびＷ相レグの３個のレグを有する。Ｕ相レグは、ハイサイドスイッチ素子ＳＷ＿ＤＡＨおよびローサイドスイッチ素子ＳＷ＿ＤＡＬを有する。Ｖ相レグは、ハイサイドスイッチ素子ＳＷ＿ＤＢＨおよびローサイドスイッチ素子ＳＷ＿ＤＢＬを有する。Ｗ相レグは、ハイサイドスイッチ素子ＳＷ＿ＤＣＨおよびローサイドスイッチ素子ＳＷ＿ＤＣＬを有する。　
サブインバータ１２０の３個のレグは、巻線Ｍ１、Ｍ２およびＭ３の他端に接続される。具体的に説明すると、Ｕ相レグのハイサイドスイッチ素子ＳＷ＿ＤＡＨおよびローサイドスイッチ素子ＳＷ＿ＤＡＬの間のノードｎｄａは、インバータ１１０のノードｎａと共に、巻線Ｍ１の他端に接続される。Ｖ相レグのノードｎｄｂは、インバータ１１０のノードｎｂと共に、巻線Ｍ２の他端に接続される。Ｗ相レグのノードｎｄｃは、インバータ１１０のノードｎｃと共に、巻線Ｍ３の他端に接続される。　
第２相分離リレー回路１４０は、電源１０１とサブインバータ１２０との接続・非接続を切替える。第２相分離リレー回路１４０は、第３相分離リレーである相分離リレーＩＳＷ＿ＤＨおよび第４相分離リレーである相分離リレーＩＳＷ＿ＤＬを有する。相分離リレーＩＳＷ＿ＤＨは、サブインバータ１２０の３個のハイサイドスイッチ素子ＳＷ＿ＤＡＨ、ＳＷ＿ＤＢＨおよびＳＷ＿ＤＣＨ同士を接続するハイサイド側のノードｎｄｈと電源１０１の間に接続される。相分離リレーＩＳＷ＿ＤＬは、サブインバータ１２０の３個のローサイドスイッチ素子ＳＷ＿ＤＡＬ、ＳＷ＿ＤＢＬおよびＳＷ＿ＤＣＬ同士を接続するローサイド側のノードｎｄｌとＧＮＤの間に接続される。　

〔電力変換装置１００Ａの動作〕

　正常時の制御では、制御回路３００は、実施形態１で説明したように、第１相分離リレー回路１３０をオンして、第２相分離リレー回路１４０をオフする。これにより、インバータ１１０は電源１０１に接続されて、サブインバータ１２０は電源１０１から分離される。制御回路３００は、インバータ１１０を用いて三相通電制御を行う。　
インバータ１１０の３個のレグのうちの１個のレグが故障した場合、異常時の制御において、制御回路３００は、第１相分離リレー回路１３０の中の相分離リレーＩＳＷ＿ＡＨ、ＩＳＷ＿ＢＨおよびＩＳＷ＿ＣＨのうちの、インバータ１１０の故障したレグに接続された相分離リレーと、相分離リレーＩＳＷ＿ＡＬ、ＩＳＷ＿ＢＬおよびＩＳＷ＿ＣＬのうちの、故障したレグに接続された相分離リレーとをオフし、かつ、他の４個の相分離リレーをオンする。制御回路３００は、さらに、第２相分離リレー回路１４０の相分離リレーＩＳＷ＿ＤＨ、ＩＳＷ＿ＤＬをオンする。　
制御回路３００は、インバータ１１０の３個のレグのうちの故障したレグ以外の２個のレグと、サブインバータ１２０の３個のレグのうちの、故障したレグに接続された巻線の他端に共に接続されたレグとを用いて、三相通電制御を行うことができる。　
以下、例示的な故障パターンを挙げ、電力変換装置１００Ａの制御方法を詳細に説明する。　
例えば、インバータ１１０のＵ相レグにおけるハイサイドスイッチ素子ＳＷ＿ＡＨがオープン故障した場合を考える。その場合、制御回路３００は、第１相分離リレー回路１３０において、その故障したスイッチ素子を含むＵ相レグの相分離リレーＩＳＷ＿ＡＨ、ＩＳＷ＿ＡＬをオフにし、かつ、Ｖ相およびＷ相レグの４個の相分離リレーＩＳＷ＿ＢＨ、ＩＳＷ＿ＢＬ、ＩＳＷ＿ＣＨおよびＩＳＷ＿ＣＬをオンにする。制御回路３００は、さらに、第２相分離リレー回路１４０の相分離リレーＩＳＷ＿ＤＨ、ＩＳＷ＿ＤＬをオンする。　
これらの制御により、故障したＵ相レグは電源１０１から電気的に分離される。巻線Ｍ２、Ｍ３は、Ｖ相およびＷ相レグを介して電源１０１に接続される。また、巻線Ｍ１は、インバータ１１０のＵ相レグに代えてサブインバータ１２０のＵ相レグを介して電源１０１に接続される。この接続状態において、制御回路３００は、インバータ１１０のＶ相レグ、Ｗ相レグおよびサブインバータ１２０のＵ相レグを用いて、三相通電制御を継続することができる。つまり、サブインバータ１２０のＵ相レグをインバータ１１０のＵ相レグとして機能させることができる。　
例えば、インバータ１１０のＵ相レグのハイサイドスイッチ素子ＳＷ＿ＡＨおよびＶ相レグのハイサイドスイッチ素子ＳＷ＿ＢＨの２個のスイッチ素子がオープン故障した場合を考える。その場合、制御回路３００は、第１相分離リレー回路１３０において、その故障したスイッチ素子を含むＵ相レグ、Ｖ相レグの４個の相分離リレーＩＳＷ＿ＡＨ、ＩＳＷ＿ＡＬ、ＩＳＷ＿ＢＨおよびＩＳＷ＿ＢＬをオフし、かつ、Ｗ相レグの相分離リレーＩＳＷ＿ＣＨ、ＩＳＷ＿ＣＬをオンする。制御回路３００は、さらに、第２相分離リレー回路１４０の相分離リレーＩＳＷ＿ＤＨ、ＩＳＷ＿ＤＬをオンする。　
これらの制御により、故障したＵ相レグおよびＶ相レグは電源１０１から電気的に分離される。巻線Ｍ３は、Ｗ相レグを介して電源１０１に接続される。また、巻線Ｍ１、Ｍ２は、インバータ１１０のＵ相レグ、Ｖ相レグに代えて、サブインバータ１２０のＵ相レグ、Ｖ相レグを介して電源１０１に接続される。この接続状態において、制御回路３００は、インバータ１１０のＷ相レグ、サブインバータ１２０のＵ相レグおよびＶ相レグを用いて、三相通電制御を継続することができる。つまり、サブインバータ１２０のＵ相レグ、Ｖ相レグをインバータ１１０のＵ相レグ、Ｖ相レグとして機能させることができる。　
インバータ１１０の３個の全てのレグが故障した場合、制御回路３００は、インバータ１１０に代えてサブインバータ１２０の３個のレグを用いて三相通電制御を継続することができる。　
本実施形態によれば、実施形態１と同様に、異常時の制御において、サブインバータ１２０のレグを用いることにより三相通電制御を継続して行うことができ、さらに、異常時の制御におけるモータ出力特性をさらに向上させることができる。　

（実施形態３）

　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す。　
自動車等の車両は一般に、電動パワーステアリング（ＥＰＳ）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。　
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から構成され得る。　
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などから構成される。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。　
ＥＣＵ５４２は、例えば、実施形態１によるコントローラ３３０および駆動回路３４０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または２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。　
本開示の実施形態は、シフトバイワイヤ、ステアリングバイワイヤ、ブレーキバイワイヤなどのエックスバイワイヤおよびトラクションモータなどのモータ制御システムにも好適に用いられる。例えば、本開示の実施形態によるモータ制御システムは、日本政府および米国運輸省道路交通安全局（ＮＨＴＳＡ）によって定められたレベル０から４（自動化の基準）に対応した自動運転車に搭載され得る。
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。
１００、１００Ａ：電力変換装置、１０１：電源、１０２：ヒューズ、１１０：インバータ、１２０：サブインバータ、１３０：第１相分離リレー回路、１４０：第２相分離リレー回路、２００：モータ、３００：制御回路、３１０：電源回路、３２０：入力回路、３３０：マイクロコントローラ、３４０：駆動回路、３５０：ＲＯＭ、４００：電流センサ、５００：角度センサ、１０００：モータモジュール、２０００：電動パワーステアリング装置

Claims (16)

  1. 電源からの電力を、一端同士がＹ結線された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あって、

    　前記ｎ相の巻線の他端に接続され、各々が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含むｎ個のレグを有するインバータと、

    　前記電源と前記ｎ相の巻線との、前記インバータを介した接続・非接続を相毎に切替える第１相分離リレー回路と、

    　前記インバータの前記ｎ個のレグと並列接続された少なくとも１個のレグを有するサブインバータであって、前記ｎ相の巻線の他端に接続されるサブインバータと、

    　前記電源と前記ｎ相の巻線との、前記サブインバータを介した接続・非接続を切替える第２相分離リレー回路と、

    を備える電力変換装置。

  2. 　前記第２相分離リレー回路は、前記サブインバータと前記ｎ相の巻線との接続・非接続を切替える、請求項１に記載の電力変換装置。

  3. 　前記第２相分離リレー回路は、前記サブインバータの前記少なくとも１個のレグと前記ｎ相の巻線との接続・非接続を切替えるｎ個の第３相分離リレーを有する、請求項２に記載の電力変換装置。

  4. 　前記サブインバータの前記少なくとも１個のレグは、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含む１個のレグであり、

    　前記ｎ個の第３相分離リレーの一端は、前記１個のレグの前記ローサイドスイッチ素子および前記ハイサイドスイッチ素子を接続するノードに共通に接続され、

    　前記ｎ個の第３相分離リレーの他端は、前記ｎ相の巻線の他端に接続される、請求項３に記載の電力変換装置。

  5. 　前記ｎ個の第３相分離リレーの各々は、双方向スイッチである、請求項３または４に記載の電力変換装置。

  6. 　前記第２相分離リレー回路は、前記電源と前記サブインバータとの接続・非接続を切替える、請求項１に記載の電力変換装置。

  7. 　前記サブインバータの前記少なくとも１個のレグは、各々が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含むｎ個のレグであり、

    　前記サブインバータの前記ｎ個のレグは、前記ｎ相の巻線の他端に接続される、請求項６に記載の電力変換装置。

  8. 　前記第２相分離リレー回路は、

    　　前記ｎ個のレグのｎ個のハイサイドスイッチ素子同士を接続する第１ノードと前記電源の間に接続された第３相分離リレーと、

    　　前記ｎ個のレグのｎ個のローサイドスイッチ素子同士を接続する第２ノードとグランドの間に接続された第４相分離リレーと、を有する、請求項７に記載の電力変換装置。

  9. 　前記第１相分離リレー回路は、

    　　前記インバータにおいて、前記インバータの前記ｎ個のレグを接続するハイサイド側のノードとｎ個のハイサイドスイッチ素子の間に接続されたｎ個の第１相分離リレーと、

    　　前記インバータにおいて、前記インバータの前記ｎ個のレグを接続するローサイド側のノードとｎ個のローサイドスイッチ素子の間に接続されたｎ個の第２相分離リレーと、

    を有する、請求項１から８のいずれかに記載の電力変換装置。

  10. 　電力変換の制御モードとして正常時の制御モードと異常時の制御モードとを備え、

    　前記正常時の制御モードにおいて、前記第１相分離リレー回路はオンし、かつ、前記第２相分離リレー回路はオフする、請求項１から９のいずれかに記載の電力変換装置。

  11. 　電力変換の制御モードとして正常時の制御モードと異常時の制御モードとを備え、

    　前記第１相分離リレー回路は、

    　　前記インバータにおいて、前記インバータの前記ｎ個のレグを接続するハイサイド側のノードとｎ個のハイサイドスイッチ素子の間に接続されたｎ個の第１相分離リレーと、

    　　前記インバータにおいて、前記インバータの前記ｎ個のレグを接続するローサイド側のノードとｎ個のローサイドスイッチ素子の間に接続されたｎ個の第２相分離リレーと、

    を有し、

    　前記インバータの前記ｎ個のレグのうちの１個のレグが故障した場合、前記異常時の制御において、

    　　前記ｎ個の第１相分離リレーのうちの、前記インバータの故障したレグに接続された第１相分離リレーと、前記ｎ個の第２相分離リレーのうちの、前記故障したレグに接続された第２相分離リレーと、はオフし、かつ、他のｎ－１個の第１相分離リレーおよび第２相分離リレーはオンし、

    　　前記ｎ個の第３相分離リレーのうちの、前記故障したレグに接続された巻線の他端に接続された第３相分離リレーはオンし、他のｎ－１個の第３相分離リレーはオフする、請求項４に記載の電力変換装置。

  12. 　前記インバータの前記ｎ個のレグのうちの故障したレグ以外のｎ－１個のレグと、前記サブインバータの１個のレグとを用いて、前記ｎ相の巻線を通電する、請求項１１に記載の電力変換装置。

  13. 　電力変換の制御モードとして正常時の制御モードと異常時の制御モードとを備え、

    　前記第１相分離リレー回路は、

    　　前記インバータにおいて、前記インバータの前記ｎ個のレグを接続するハイサイド側のノードとｎ個のハイサイドスイッチ素子の間に接続されたｎ個の第１相分離リレーと、

    　　前記インバータにおいて、前記インバータの前記ｎ個のレグを接続するローサイド側のノードとｎ個のローサイドスイッチ素子の間に接続されたｎ個の第２相分離リレーと、

    を有し、

    　前記インバータの前記ｎ個のレグのうちの１個のレグが故障した場合、前記異常時の制御において、

    　　前記ｎ個の第１相分離リレーのうちの、前記インバータの故障したレグに接続された第１相分離リレーと、前記ｎ個の第２相分離リレーのうちの、前記故障したレグに接続された第２相分離リレーと、はオフし、かつ、他のｎ－１個の第１相分離リレーおよび第２相分離リレーはオンし、

    　　前記第２相分離リレー回路はオンする、請求項８に記載の電力変換装置。

  14. 　前記インバータの前記ｎ個のレグのうちの故障したレグ以外のｎ－１個のレグと、前記サブインバータの前記ｎ個のレグのうちの、前記インバータの故障したレグに接続された巻線の他端に接続されたレグとを用いて、前記ｎ相の巻線を通電する、請求項１３に記載の電力変換装置。

  15. 　モータと、

    　請求項１から１４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、

    を有するモータモジュール。
  16. 請求項１５に記載のモータモジュールを有する電動パワーステアリング装置。
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