JP6551464B2 - 電力変換装置、および、電力変換回路 - Google Patents

Description

本発明は、電力変換装置、および、電力変換回路に関するものである。

特許文献１に示されるように、バッテリの逆接続時に、正常時とは逆方向の電流が制御回路に流れるのを防止するための回路が知られている。この回路は、電源端子と制御回路とを接続する電源配線に直列接続された２つのＦＥＴを有する。２つのＦＥＴがＰチャネル型のＭＯＳＦＥＴである場合、２つのＦＥＴのソース同士が接続され、２つのＦＥＴの一方のドレインが電源端子側に、他方のＦＥＴのドレインが制御回路側に接続されている。このため、一方のＦＥＴの寄生ダイオードのアノードが電源端子側になっている。他方の寄生ダイオードのカソードが一方のＦＥＴ側になっている。

特許第４４８３７５１号公報

上記の特許文献１の回路構成では、バッテリの逆接続時に２つのＦＥＴの寄生ダイオードの一方に逆バイアスが印加される。そのため、逆接続時の電流が制御回路に流れるのが防止される。

しかしながら特許文献１に記載の回路は２つのＦＥＴを有する。そのために体格が増大する虞がある。

そこで本発明は、逆接続時の通電による損傷と体格の増大が抑制された電力変換装置、および、電力変換回路を提供することを目的とする。

開示された発明の１つは、電源（４００）が接続される正極端子（１００ａ）と負極端子（１００ｂ）との間で並列接続される第１電気回路（３０）と第２電気回路（５０）とを備える電力変換装置であって、
第１電気回路は、正極端子と負極端子との間で直列接続された複数の第１スイッチ素子（３４，３５，３６，３７，３８，３９）、および、複数の第１スイッチ素子それぞれに並列接続された第１還流ダイオード（３４ａ，３５ａ，３６ａ，３７ａ，３８ａ，３９ａ）を備える複数の第１レグ（３１，３２，３３）を有し、
第２電気回路は、正極端子と負極端子との間で直列接続された複数の第２スイッチ素子（５４，５５，５６，５７）、および、複数の第２スイッチ素子それぞれに並列接続された第２還流ダイオード（５４ａ，５５ａ，５６ａ，５７ａ）を備える複数の第２レグ（５１，５２）と、
電源の正極端子と負極端子への逆接続時の通電から複数の第２レグを保護する保護素子（５３）と、を有し、
保護素子は複数の第２レグそれぞれと正極端子と負極端子との間で直列接続される保護スイッチ素子（５８）、および、アノード電極が負極端子側、カソード電極が正極端子側となるように保護スイッチ素子に並列接続された保護ダイオード（５８ａ）を有し、
第１還流ダイオードは第２還流ダイオードよりも電流定格が高く、
正極端子と負極端子との間で直列接続される複数の第２還流ダイオードと保護ダイオードの順方向電圧の総和は、正極端子と負極端子との間で直列接続される複数の第１還流ダイオードの順方向電圧の総和よりも大きい。

開示された他の発明の１つは、電源（４００）が接続される正極端子（１００ａ）と負極端子（１００ｂ）との間で電気回路（３０）と並列接続される電力変換回路であって、
電気回路は、正極端子と負極端子との間で直列接続された複数の第１スイッチ素子（３４，３５，３６，３７，３８，３９）、および、複数の第１スイッチ素子それぞれに並列接続された第１還流ダイオード（３４ａ，３５ａ，３６ａ，３７ａ，３８ａ，３９ａ）を備える複数の第１レグ（３１，３２，３３）を有しており、
正極端子と負極端子との間で直列接続された複数の第２スイッチ素子（５４，５５，５６，５７）、および、複数の第２スイッチ素子それぞれに並列接続された第２還流ダイオード（５４ａ，５５ａ，５６ａ，５７ａ）を備える複数の第２レグ（５１，５２）と、
電源の正極端子と負極端子への逆接続時の通電から複数の第２レグを保護する保護素子（５３）と、を有し、
保護素子は複数の第２レグそれぞれと正極端子と負極端子との間で直列接続される保護スイッチ素子（５８）、および、アノード電極が負極端子側、カソード電極が正極端子側となるように保護スイッチ素子に並列接続された保護ダイオード（５８ａ）を有し、
第１還流ダイオードは第２還流ダイオードよりも電流定格が高く、
正極端子と負極端子との間で直列接続される複数の第２還流ダイオードと保護ダイオードの順方向電圧の総和は、正極端子と負極端子との間で直列接続される複数の第１還流ダイオードの順方向電圧の総和よりも大きい。

これによれば、電源（４００）の逆接続時に、第２還流ダイオード（５４ａ，５５ａ，５６ａ，５７ａ）と保護ダイオード（５８ａ）ではなく、第１還流ダイオード（３４ａ，３５ａ，３６ａ，３７ａ，３８ａ，３９ａ）に電流が積極的に流れる。これにより第２電気回路（５０）（電力変換回路）への逆接続時の通電が抑制される。このように１つの保護素子（５３）であっても、電力変換回路への逆接続時の通電が抑制される。このため電力変換回路の体格の増大が抑制される。この結果、電力変換装置の体格の増大が抑制される。

上記したように第１還流ダイオード（３４ａ，３５ａ，３６ａ，３７ａ，３８ａ，３９ａ）は第２還流ダイオード（５４ａ，５５ａ，５６ａ，５７ａ）よりも電流定格が高くなっている。そのため、逆接続時の通電があったとしても、第１電気回路（３０）での損傷が抑制される。

なお、特許請求の範囲に記載の請求項、および、課題を解決するための手段それぞれに記載の要素に括弧付きで符号をつけている。この括弧付きの符号は実施形態に記載の各構成要素との対応関係を簡易的に示すためのものであり、実施形態に記載の要素そのものを必ずしも示しているわけではない。括弧付きの符号の記載は、いたずらに特許請求の範囲を狭めるものではない。

第１実施形態にかかるモータ制御装置の概略構成を示すブロック図である。 ロータインバータの概略構成を示す上面図である。 逆接続時の電流を示すブロック図である。 逆接続時の電流量を示すグラフ図である。 逆接続時の電流量を説明するための簡略的な回路図である。

以下、本発明の電力変換装置を車両用のモータ制御装置に適用した場合の実施形態を図に基づいて説明する。

（第１実施形態）
図１〜図５に基づいて本実施形態にかかるモータ制御装置１００を説明する。モータ制御装置１００は、図示しない上位ＥＣＵからの要求指令に基づいてモータ２００を制御する。モータ制御装置１００とモータ２００とによって、いわゆるＩＳＧが構成されている。ＩＳＧはIntegrated Starter Generatorの略である。

モータ制御装置１００とモータ２００とは一体になっている。すなわちモータ制御装置１００とモータ２００とは、いわゆる機電一体型の構成になっている。

モータ２００はベルトを介して車両に搭載された内燃機関のクランクシャフトと連結されている。したがってモータ２００とクランクシャフトとは互いに連動して回転する。モータ２００がモータ制御装置１００によって回転すると、その回転がクランクシャフトに伝わる。これによってクランクシャフトが回転する。これとは逆に、クランクシャフトが回転すると、その回転がモータ２００に伝わる。これによってモータ２００が回転する。モータ制御装置１００によってモータ２００が自律回転する。これにより内燃機関の始動、若しくは、車両走行のアシストが成される。またクランクシャフトの回転に応じてモータ２００が回転する。これによりモータ２００は発電する。以下においては先ずモータ２００を概説した後、モータ制御装置１００を説明する。

図１に示すようにモータ２００はロータ２０１とステータ２０２を有する。この他にモータ２００は、図示しないシャフトとプーリを有する。シャフトは回転可能にモータ制御装置１００のケース３００に設けられている。シャフトの先端はケース３００の外部に露出されている。このシャフトの先端にプーリが設けられている。このプーリに上記のベルトが連結されている。これによりクランクシャフトの回転がベルトを介してプーリに伝達される。逆に言えば、シャフトの回転がベルトを介してクランクシャフトに伝達される。モータ２００が回転電機に相当する。

シャフトの中央部はケース３００内に収納されている。このシャフトの中央部にロータ２０１が設けられている。そしてロータ２０１の周囲にステータ２０２が設けられている。

ロータ２０１はロータコイル２０３を有する。また図示しないがロータ２０１はロータコイル２０３をシャフトに固定する固定部を有する。固定部は円筒形状を成している。固定部の中空にシャフトが挿入固定されている。ロータコイル２０３は固定部の内部に設けられている。そしてロータコイル２０３はシャフトに設けられた配線（図示略）と電気的に接続されている。この配線はシャフトのスリップリングと電気的に接続されている。スリップリングはシャフトの軸周りに円環状に形成されている。この円環状のスリップリングにブラシが接触している。そしてこのブラシがモータ制御装置１００と電気的に接続されている。このブラシにモータ制御装置１００から電流が供給される。この電流は、ブラシ、スリップリング、および、配線を介してロータコイル２０３に供給される。これによりロータコイル２０３で磁界が発生する。ロータ２０１が巻線形回転子に相当する。

ステータ２０２はステータコイル２０４を有する。また図示しないがステータ２０２はステータコイル２０４の設けられるステータコアを有する。ステータコアは円筒形状を成している。ステータコアの中空に、シャフトとともにロータ２０１が設けられている。ステータコイル２０４は、Ｕ相ステータコイル２０５、Ｖ相ステータコイル２０６、および、Ｗ相ステータコイル２０７を有する。ステータ２０２が巻線形固定子に相当する。

Ｕ相ステータコイル２０５、Ｖ相ステータコイル２０６、および、Ｗ相ステータコイル２０７それぞれはモータ制御装置１００とバスバーを介して一体的に連結されている。Ｕ相ステータコイル２０５、Ｖ相ステータコイル２０６、および、Ｗ相ステータコイル２０７には、モータ制御装置１００から三相交流が供給される。Ｕ相ステータコイル２０５、Ｖ相ステータコイル２０６、および、Ｗ相ステータコイル２０７には、互いに位相が電気角で１２０°ずれた交流が供給される。これによりＵ相ステータコイル２０５、Ｖ相ステータコイル２０６、および、Ｗ相ステータコイル２０７から、ロータ２０１を回転させるための三相回転磁界が発生する。この三相回転磁界がロータコイル２０３と交差する。

ロータコイル２０３とステータコイル２０４それぞれに電流が流れると、両者から磁界が発生する。これによってロータコイル２０３に回転トルクが発生する。上記したようにモータ制御装置１００からステータコイル２０４に三相交流が供給されると、回転トルクの発生方向が順次変化する。それによってシャフトが回転し始める。シャフトとともにプーリも回転する。この回転がベルトを介してクランクシャフトに伝達される。この結果クランクシャフトも回転する。

これとは逆に、内燃機関が燃焼駆動してクランクシャフトが自律回転すると、その回転がベルトを介してプーリに伝達される。また、車輪の回転によってクランクシャフトが連れ回されると、その回転がベルトを介してプーリに伝達される。それによってプーリとともにシャフトが回転する。これによりロータコイル２０３も回転する。ロータコイル２０３の発する磁界がステータコイル２０４と交差する。それによってステータコイル２０４に誘起電圧が発生する。これによりステータコイル２０４に電流が流れる。この電流がモータ制御装置１００を介して車両のバッテリ４００に供給される。バッテリ４００が電源に相当する。

次に、モータ制御装置１００を説明する。図１に示すようにモータ制御装置１００はバッテリ４００と電気的に接続するための正極端子１００ａと負極端子１００ｂを有する。正極端子１００ａはバッテリ４００の正極に接続される。負極端子１００ｂはバッテリ４００の負極に接続される。正極端子１００ａと負極端子１００ｂとの間に平滑コンデンサ１００ｃが接続される。

図１に示すようにモータ制御装置１００は、正極端子１００ａと負極端子１００ｂとの間で並列接続されたステータインバータ３０とロータインバータ５０を有する。またモータ制御装置１００はこれらステータインバータ３０とロータインバータ５０を制御するＩＳＧＥＣＵ１０、および、ステータインバータ３０とロータインバータ５０の電流を検出する電流センサ７０を有する。ステータインバータ３０が第１電気回路と電気回路に相当する。ロータインバータ５０が第２電気回路と電力変換回路に相当する。

ＩＳＧＥＣＵ１０は、ステータインバータ３０とロータインバータ５０それぞれと電気的に接続されている。そしてＩＳＧＥＣＵ１０は、車両に搭載された上位ＥＣＵとバスなどを介して通信可能になっている。ＩＳＧＥＣＵ１０には上位ＥＣＵから要求指令が入力される。ＩＳＧＥＣＵ１０は入力された要求指令および電流センサ７０の検出信号などに基づいて、ステータインバータ３０とロータインバータ５０を制御するための制御信号を生成する。ＩＳＧＥＣＵ１０はその制御信号をステータインバータ３０とロータインバータ５０に出力する。これによりステータインバータ３０とロータインバータ５０の駆動が制御される。

ステータインバータ３０は、正極端子１００ａと負極端子１００ｂとの間で並列接続されたＵ相レグ３１、Ｖ相レグ３２、および、Ｗ相レグ３３を有する。これらレグが第１レグに相当する。

これら３つのレグそれぞれは正極端子１００ａから負極端子１００ｂに向かって順に直列接続されたハイサイドスイッチ素子とローサイドスイッチ素子を有する。詳しく言えば、Ｕ相レグ３１はＵ相ハイサイドスイッチ素子３４とＵ相ローサイドスイッチ素子３５を有する。Ｖ相レグ３２はＶ相ハイサイドスイッチ素子３６とＶ相ローサイドスイッチ素子３７を有する。Ｗ相レグ３３はＷ相ハイサイドスイッチ素子３８とＷ相ローサイドスイッチ素子３９を有する。これらスイッチ素子が第１スイッチ素子に相当する。

ステータインバータ３０を構成するスイッチ素子はＭＯＳＦＥＴである。そのためにこれらスイッチ素子それぞれは寄生ダイオードを有する。すなわちＵ相ハイサイドスイッチ素子３４はＵ相ハイサイドダイオード３４ａを有する。Ｕ相ローサイドスイッチ素子３５はＵ相ローサイドダイオード３５ａを有する。Ｖ相ハイサイドスイッチ素子３６はＶ相ハイサイドダイオード３６ａを有する。Ｖ相ローサイドスイッチ素子３７はＶ相ローサイドダイオード３７ａを有する。Ｗ相ハイサイドスイッチ素子３８はＷ相ハイサイドダイオード３８ａを有する。Ｗ相ローサイドスイッチ素子３９はＷ相ローサイドダイオード３９ａを有する。これら寄生ダイオードのカソード電極は正極端子１００ａ側にある。アノード電極は負極端子１００ｂ側にある。これら寄生ダイオードが第１還流ダイオードに相当する。

図１に示すようにＵ相ステータコイル２０５、Ｖ相ステータコイル２０６、および、Ｗ相ステータコイル２０７それぞれの一端は互いに接続されている。これによりＵ相ステータコイル２０５、Ｖ相ステータコイル２０６、および、Ｗ相ステータコイル２０７はＹ結線されている。そしてＵ相ステータコイル２０５の他端がＵ相ハイサイドスイッチ素子３４とＵ相ローサイドスイッチ素子３５の中点に接続されている。Ｖ相ステータコイル２０６の他端がＶ相ハイサイドスイッチ素子３６とＶ相ローサイドスイッチ素子３７の中点に接続されている。Ｗ相ステータコイル２０７の他端がＷ相ハイサイドスイッチ素子３８とＷ相ローサイドスイッチ素子３９の中点に接続されている。

以上の電気的な接続構成により、ＩＳＧＥＣＵ１０からの制御信号によって、例えばＵ相ハイサイドスイッチ素子３４、Ｖ相ローサイドスイッチ素子３７、および、Ｗ相ローサイドスイッチ素子３９が閉状態になるとステータコイル２０４に電流が流れる。詳しく言えば、正極端子１００ａから負極端子１００ｂへと向かって、Ｕ相ハイサイドスイッチ素子３４、Ｕ相ステータコイル２０５、Ｖ相ステータコイル２０６、および、Ｖ相ローサイドスイッチ素子３７を介して電流が流れる。正極端子１００ａから負極端子１００ｂへと向かって、Ｕ相ハイサイドスイッチ素子３４、Ｕ相ステータコイル２０５、Ｗ相ステータコイル２０７、および、Ｗ相ローサイドスイッチ素子３９を介して電流が流れる。

なお、ステータインバータ３０のすべてのスイッチ素子が開状態の場合、寄生ダイオードに逆バイアスが印加される。そのためステータインバータ３０に電流は流れない。しかしながらバッテリ４００がモータ制御装置１００に逆接続される場合、すなわち、図３に示すようにバッテリ４００の正極が負極端子１００ｂに接続され、負極が正極端子１００ａに接続される場合、寄生ダイオードに順バイアスが印加される。そのため実線矢印で示すように、スイッチ素子が開状態だとしても、ステータインバータ３０に電流が流れる。具体的に言えば、負極端子１００ｂから正極端子１００ａへと向かって、Ｕ相ローサイドダイオード３５ａとＵ相ハイサイドダイオード３４ａを介して電流が流れる。負極端子１００ｂから正極端子１００ａへと向かって、Ｖ相ローサイドダイオード３７ａとＶ相ハイサイドダイオード３６ａを介して電流が流れる。負極端子１００ｂから正極端子１００ａへと向かって、Ｗ相ローサイドダイオード３９ａとＷ相ハイサイドダイオード３８ａを介して電流が流れる。なお図３では電流を明示するために、適宜構成要素の図示を省略している。

このようにバッテリ４００がモータ制御装置１００に逆接続される場合、負極端子１００ｂから正極端子１００ａへと向かう電流がステータインバータ３０の寄生ダイオードに流れる。本実施形態では、ステータインバータ３０を構成するスイッチ素子としてモジュール型のパワーＭＯＳＦＥＴを採用している。そのためにこのスイッチ素子と寄生ダイオードそれぞれの電流定格は高く、上記のバッテリ４００の逆接続時の電流にも耐えるように設計されている。ステータインバータ３０を構成するスイッチ素子にはいわゆる片面冷却システムが採用されている。

ステータインバータ３０を構成するスイッチ素子はシリコンから成る。そのためこのスイッチ素子の寄生ダイオードの順方向電圧Ｖｆは０．６Ｖ程度になっている。図４に示すように、寄生ダイオードに０．６Ｖ以上の電圧が印加されると電流量が急増する。

ロータインバータ５０は、正極端子１００ａと負極端子１００ｂとの間で並列接続されたＥ相レグ５１とＦ相レグ５２を有する。これらレグが第２レグに相当する。ロータインバータ５０はフルブリッジ回路を構成している。またロータインバータ５０は保護素子５３を有する。保護素子５３は正極端子１００ａと負極端子１００ｂとの間で、Ｅ相レグ５１とＦ相レグ５２それぞれと直列接続されている。これらＥ相レグ５１、Ｆ相レグ５２、および、保護素子５３それぞれは図２に示すプリント基板５０ａに搭載されている。このプリント基板５０ａにはＩＳＧＥＣＵ１０も搭載されている。

なお図２ではプリント基板５０ａの表面にＥ相レグ５１、Ｆ相レグ５２、保護素子５３とともにＩＳＧＥＣＵ１０が搭載された構成を示している。しかしながら、例えばプリント基板５０ａの表面にＥ相レグ５１、Ｆ相レグ５２、および、保護素子５３を搭載し、プリント基板５０ａの裏面にＩＳＧＥＣＵ１０を搭載してもよい。

Ｅ相レグ５１は正極端子１００ａから負極端子１００ｂに向かって順に直列接続されたＥ相ハイサイドスイッチ素子５４とＥ相ローサイドスイッチ素子５５を有する。Ｆ相レグ５２は正極端子１００ａから負極端子１００ｂに向かって順に直列接続されたＦ相ハイサイドスイッチ素子５６とＦ相ローサイドスイッチ素子５７を有する。これらスイッチ素子が第２スイッチ素子に相当する。

保護素子５３は正極端子１００ａとＥ相ハイサイドスイッチ素子５４との間に設けられた保護スイッチ素子５８を有する。この保護スイッチ素子５８は正極端子１００ａとＦ相ハイサイドスイッチ素子５６との間にも位置している。このように、保護スイッチ素子５８はＥ相レグ５１とＦ相レグ５２それぞれに対して共通に設けられている。

保護スイッチ素子５８は、ロータコイル２０３に通電する場合、ＩＳＧＥＣＵ１０によって閉状態に制御される。ＩＳＧＥＣＵ１０は、イグニッションスイッチオン時において、バッテリ４００が正常に正極端子１００ａと負極端子１００ｂとに接続されているか否かを判断する。バッテリ４００が正常に正極端子１００ａと負極端子１００ｂと接続していると判断した場合に、ＩＳＧＥＣＵ１０は保護スイッチ素子５８を常時閉状態に制御する。

以上に示したロータインバータ５０を構成するスイッチ素子はＭＯＳＦＥＴである。そのためにスイッチ素子それぞれは寄生ダイオードを有する。すなわちＥ相ハイサイドスイッチ素子５４はＥ相ハイサイドダイオード５４ａを有する。Ｅ相ローサイドスイッチ素子５５はＥ相ローサイドダイオード５５ａを有する。Ｆ相ハイサイドスイッチ素子５６はＦ相ハイサイドダイオード５６ａを有する。Ｆ相ローサイドスイッチ素子５７はＦ相ローサイドダイオード５７ａを有する。保護スイッチ素子５８は保護ダイオード５８ａを有する。これら寄生ダイオードのカソード電極は正極端子１００ａ側にある。アノード電極は負極端子１００ｂ側にある。Ｅ相レグ５１およびＦ相レグ５２それぞれの寄生ダイオードが第２還流ダイオードに相当する。

Ｅ相ハイサイドスイッチ素子５４とＥ相ローサイドスイッチ素子５５の中点、および、Ｆ相ハイサイドスイッチ素子５６とＦ相ローサイドスイッチ素子５７の中点それぞれに上記のブラシが接続されている。ブラシはシャフトのスリップリングと接触し、スリップリングは配線を介してロータコイル２０３と電気的に接続されている。このようにＥ相ハイサイドスイッチ素子５４とＥ相ローサイドスイッチ素子５５の中点、および、Ｆ相ハイサイドスイッチ素子５６とＦ相ローサイドスイッチ素子５７の中点それぞれはロータコイル２０３と電気的に接続されている。具体的に言えば、図１に示すようにＥ相ハイサイドスイッチ素子５４とＥ相ローサイドスイッチ素子５５の中点がロータコイル２０３の一端と電気的に接続されている。Ｆ相ハイサイドスイッチ素子５６とＦ相ローサイドスイッチ素子５７の中点がロータコイル２０３の他端と電気的に接続されている。

以上の接続構成により、ＩＳＧＥＣＵ１０からの制御信号によって、例えば保護スイッチ素子５８、Ｅ相ハイサイドスイッチ素子５４、および、Ｆ相ローサイドスイッチ素子５７が閉状態になるとロータコイル２０３の一端から他端に向かって電流が流れる。すなわち、正極端子１００ａから負極端子１００ｂへと向かって、保護スイッチ素子５８、Ｅ相ハイサイドスイッチ素子５４、ロータコイル２０３、および、Ｆ相ローサイドスイッチ素子５７を介して電流が流れる。また、例えば保護スイッチ素子５８、Ｆ相ハイサイドスイッチ素子５６、および、Ｅ相ローサイドスイッチ素子５５が閉状態になるとロータコイル２０３の他端から一端に向かって電流が流れる。すなわち、正極端子１００ａから負極端子１００ｂへと向かって、保護スイッチ素子５８、Ｆ相ハイサイドスイッチ素子５６、ロータコイル２０３、および、Ｅ相ローサイドスイッチ素子５５を介して電流が流れる。

なお、ロータインバータ５０のすべてのスイッチ素子が開状態の場合、寄生ダイオードに逆バイアスが印加される。そのためロータインバータ５０に電流は流れない。しかしながら図３に示すようにバッテリ４００がモータ制御装置１００に逆接続されている場合、寄生ダイオードに順バイアスが印加される。そのためロータインバータ５０に電流が流れようとする。しかしながら、後述する理由によりロータインバータ５０への通電が抑制される。ロータインバータ５０を構成するスイッチ素子はステータインバータ３０を構成するスイッチ素子よりも電流定格は低くなっている。ロータインバータ５０はステータインバータ３０よりも体格が小さくなっている。このロータインバータ５０とステータインバータ３０の電流定格の違いは、形成材料、チップサイズ、および、放熱構造などの違いによって生じる。

電流センサ７０は、ステータコイル２０４とロータコイル２０３の電流量を検出するものである。より具体的に言えば、電流センサ７０は、ステータインバータ３０とロータインバータ５０に設けられたシャント抵抗である。電流センサ７０は、Ｕ相シャント抵抗７１、Ｖ相シャント抵抗７２、Ｗ相シャント抵抗７３、Ｅ相シャント抵抗７４、および、Ｆ相シャント抵抗７５を有する。

Ｕ相シャント抵抗７１はＵ相ローサイドスイッチ素子３５と負極端子１００ｂとの間に設けられている。Ｖ相シャント抵抗７２はＶ相ローサイドスイッチ素子３７と負極端子１００ｂとの間に設けられている。Ｗ相シャント抵抗７３はＷ相ローサイドスイッチ素子３９と負極端子１００ｂとの間に設けられている。Ｅ相シャント抵抗７４はＥ相ローサイドスイッチ素子５５と負極端子１００ｂとの間に設けられている。Ｆ相シャント抵抗７５はＦ相ローサイドスイッチ素子５７と負極端子１００ｂとの間に設けられている。

ＩＳＧＥＣＵ１０は、これらシャント抵抗の抵抗値を記憶しており、この抵抗値と、シャント抵抗の両端電圧とから、各レグのローサイドスイッチに流れる電流量を検出し、ステータコイル２０４とロータコイル２０３に流動する電流量を推定する。なお、電流センサ７０としては上記例に限定されず、例えば、電流の流動によって発生する磁界に基づいて、電流量を検出する構成を採用することもできる。

次に、バッテリ４００の逆接続時における電流の流動を説明する。ロータインバータ５０を構成するスイッチ素子は、ステータインバータ３０を構成するスイッチ素子と同様にしてシリコンから成る。そのためロータインバータ５０を構成するスイッチ素子の寄生ダイオードの順方向電圧Ｖｆも図４に示すように０．６Ｖ程度になっている。

図５に、ステータインバータ３０の構成要素の代表としてＵ相レグ３１を示す。Ｖ相レグ３２とＷ相レグ３３はＵ相レグ３１と特性が同一なので、その記載を省略している。同様にして、図５に、ロータインバータ５０の構成要素の代表として保護素子５３とＥ相レグ５１を示す。Ｆ相レグ５２はＥ相レグ５１と特性が同一なので、その記載を省略している。

図５に示すようにＵ相レグ３１ではＵ相ローサイドダイオード３５ａとＵ相ハイサイドダイオード３４ａが直列接続されている。そのためＵ相レグ３１の順方向電圧の総和は１．２Ｖ程度になっている。これに対してＥ相レグ５１ではＥ相ローサイドダイオード５５ａ、Ｅ相ハイサイドダイオード５４ａ、および、保護ダイオード５８ａが直列接続されている。そのためＥ相レグ５１の順方向電圧の総和は１．８Ｖ程度になっている。このようにＥ相レグ５１はＵ相レグ３１よりも直列接続されたダイオードの数が多いため、順方向電圧の総和が大きくなっている。これは、他のＦ相レグ５２、Ｖ相レグ３２、Ｗ相レグ３３でも同様である。そのため、ロータインバータ５０の各レグは、ステータインバータ３０の各レグよりも順方向電圧の総和が大きくなっている。

図５に示すように正極端子１００ａと負極端子１００ｂにバッテリ４００が逆接続されると、負極端子１００ｂが高電位側、正極端子１００ａが低電位側になる。図５では負極端子１００ｂの電位を記号Ｔで示している。

この逆接続時に、Ｕ相レグ３１に例えば図４に示す電流ＩＵが流れると、Ｕ相レグ３１のＵ相ローサイドダイオード３５ａとＵ相ハイサイドダイオード３４ａそれぞれに０．９Ｖ程度の電圧が印加される。そのため、図５に示すように負極端子１００ｂと正極端子１００ａとの間の電圧は１．８Ｖ程度になる。この１．８Ｖが保護ダイオード５８ａ、Ｅ相ローサイドダイオード５５ａ、および、Ｅ相ハイサイドダイオード５４ａにも印加される。この場合、保護ダイオード５８ａ、Ｅ相ローサイドダイオード５５ａ、および、Ｅ相ハイサイドダイオード５４ａそれぞれには、０．６Ｖ程度の電圧が印加される。上記したようにロータインバータ５０を構成するスイッチ素子の寄生ダイオードの順方向電圧Ｖｆは０．６Ｖ程度である。そのためこの際にＥ相レグ５１を流れる電流ＩＥは、図４に示すようにほぼゼロになる。

さらに例示すれば、例えば上記の電流ＩＵの２倍程度の電流が流れる場合、Ｕ相ローサイドダイオード３５ａとＵ相ハイサイドダイオード３４ａそれぞれに１．０Ｖ程度の電圧が印加されることになる。そのため、負極端子１００ｂと正極端子１００ａとの間の電圧は２．０Ｖ程度になる。この場合、保護ダイオード５８ａ、Ｅ相ローサイドダイオード５５ａ、および、Ｅ相ハイサイドダイオード５４ａそれぞれには、０．６７Ｖ程度の電圧が印加される。そのためこの際にＥ相レグ５１を流れる電流ＩＥは、やはりゼロに近い値になる。以上に示したように、図４に示すダイオードのＩ−Ｖ特性、および、順方向電圧の総和の差のために、バッテリ４００の逆接続時におけるロータインバータ５０での電流の流動が抑制される。

次に、本実施形態にかかるモータ制御装置１００とロータインバータ５０の作用効果を説明する。上記したように、ロータインバータ５０の各レグは、保護素子５３のために、ステータインバータ３０の各レグよりも順方向電圧の総和が大きくなっている。そのため、バッテリ４００の逆接続時に、ロータインバータ５０の各レグのダイオードではなく、ステータインバータ３０の各レグのダイオードに電流が積極的に流れる。これによりロータインバータ５０の各レグへの逆接続時の通電が抑制される。このように１つの保護素子５３であっても、ロータインバータ５０への逆接続時の通電が抑制される。そのため保護素子を２つ有する構成と比べてロータインバータ５０の体格の増大が抑制される。この結果、モータ制御装置１００の体格の増大が抑制される。

上記したようにステータインバータ３０を構成するスイッチ素子と寄生ダイオードそれぞれの電流定格は高く、バッテリ４００の逆接続時の電流にも耐えるように設計されている。そのため、逆接続時の通電があったとしても、ステータインバータ３０での損傷が抑制される。

保護素子５３は、Ｅ相レグ５１とＦ相レグ５２それぞれに共通して直列接続されている。これによれば、Ｅ相レグ５１とＦ相レグ５２それぞれに保護素子５３が設けられる構成と比べて、部品点数の増大が抑制される。またロータインバータ５０の体格の増大が抑制される。これによりモータ制御装置１００の体格の増大が抑制される。

ステータインバータ３０を構成するスイッチ素子は放熱部３０ａに搭載されている。これによれば、例えば逆接続時の通電によるステータインバータ３０の温度上昇が抑制される。そのためステータインバータ３０での損傷の発生が抑制される。

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は上記した実施形態になんら制限されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲において、種々変形して実施することが可能である。

（その他の変形例）
本実施形態ではモータ２００はベルトを介して車両に搭載された内燃機関のクランクシャフトと連結されている例を示した。しかしながらモータ２００は動力分配機構を介してクランクシャフトと連結された構成を採用することもできる。

本実施形態では、保護スイッチ素子５８が正極端子１００ａとＥ相ハイサイドスイッチ素子５４との間、および、正極端子１００ａとＦ相ハイサイドスイッチ素子５６との間にも位置する例を示した。しかしながら保護スイッチ素子５８が負極端子１００ｂとＥ相ローサイドスイッチ素子５５との間、および、負極端子１００ｂとＦ相ローサイドスイッチ素子５７との間にも位置する構成を採用することもできる。

本実施形態では、ロータインバータ５０はフルブリッジ回路を構成している例を示した。しかしながらロータインバータ５０はハーフブリッジ回路を構成してもよい。

本実施形態ではステータインバータ３０とロータインバータ５０を構成するスイッチ素子はＭＯＳＦＥＴである例を示した。しかしながらステータインバータ３０とロータインバータ５０を構成するスイッチ素子としては、上記例に限定されずに、例えばＩＧＢＴを採用することもできる。この場合、スイッチ素子に対して還流ダイオードを別途逆並列接続する。

本実施形態ではステータインバータ３０を構成するスイッチ素子に片面冷却システムが採用される例を示した。しかしながらステータインバータ３０を構成するスイッチ素子を冷却するシステムとしては上記例に限定されず、例えば両面冷却システムを採用してもよい。また、流動する冷媒を用いた冷却システムであってもよい。

本実施形態ではステータインバータ３０とロータインバータ５０がシリコンから成る例を示した。しかしながらステータインバータ３０とロータインバータ５０の形成材料としては、例えばシリコンよりもバンドギャップの広い炭化ケイ素を採用してもよい。これによれば高温での動作を安定化させることができる。

また、ロータインバータ５０の各レグがステータインバータ３０の各レグよりも順方向電圧の総和が大きくなるのであれば、ロータインバータ５０とステータインバータ３０とでは形成材料が異なってもよい。例えば、ロータインバータ５０を炭化ケイ素で形成し、ステータインバータ３０をシリコンで形成してもよい。

さらに言えば、ロータインバータ５０においては、Ｅ相レグ５１およびＦ相レグ５２の形成材料と、保護素子５３の形成材料とが異なってもよい。例えば、Ｅ相レグ５１およびＦ相レグ５２をシリコンで形成し、保護素子５３を炭化ケイ素で形成してもよい。

本実施形態ではロータインバータ５０を構成するスイッチ素子はステータインバータ３０を構成するスイッチ素子よりも電流定格が低い例を示した。しかしながら、例えばロータインバータ５０のうちの保護スイッチ素子５８の電流定格を、ステータインバータ３０を構成するスイッチ素子と同等の電流定格に設定してもよい。この場合、保護スイッチ素子５８としては、ステータインバータ３０を構成するスイッチ素子と同様にして、モジュール型のパワーＭＯＳＦＥＴを採用することができる。

１０…ＩＳＧＥＣＵ、３０…ステータインバータ、３１…Ｕ相レグ、３２…Ｖ相レグ、３３…Ｗ相レグ、３４…Ｕ相ハイサイドスイッチ素子、３４ａ…Ｕ相ハイサイドダイオード、３５…Ｕ相ローサイドスイッチ素子、３５ａ…Ｕ相ローサイドダイオード、３６…Ｖ相ハイサイドスイッチ素子、３６ａ…Ｖ相ハイサイドダイオード、３７…Ｖ相ローサイドスイッチ素子、３７ａ…Ｖ相ローサイドダイオード、３８…Ｗ相ハイサイドスイッチ素子、３８ａ…Ｗ相ハイサイドダイオード、３９…Ｗ相ローサイドスイッチ素子、３９ａ…Ｗ相ローサイドダイオード、５０…ロータインバータ、５１…Ｅ相レグ、５２…Ｆ相レグ、５３…保護素子、５４…Ｅ相ハイサイドスイッチ素子、５４ａ…Ｅ相ハイサイドダイオード、５５…Ｅ相ローサイドスイッチ素子、５５ａ…Ｅ相ローサイドダイオード、５６…Ｆ相ハイサイドスイッチ素子、５６ａ…Ｆ相ハイサイドダイオード、５７…Ｆ相ローサイドスイッチ素子、５７ａ…Ｆ相ローサイドダイオード、５８…保護スイッチ素子、５８ａ…保護ダイオード、１００…モータ制御装置、１００ａ…正極端子、１００ｂ…負極端子、２００…モータ、３００…ケース、４００…バッテリ

Claims (10)

1. 電源（４００）が接続される正極端子（１００ａ）と負極端子（１００ｂ）との間で並列接続される第１電気回路（３０）と第２電気回路（５０）を備える電力変換装置であって、
   前記第１電気回路は、前記正極端子と前記負極端子との間で直列接続された複数の第１スイッチ素子（３４，３５，３６，３７，３８，３９）、および、複数の前記第１スイッチ素子それぞれに並列接続された第１還流ダイオード（３４ａ，３５ａ，３６ａ，３７ａ，３８ａ，３９ａ）を備える複数の第１レグ（３１，３２，３３）を有し、
   前記第２電気回路は、前記正極端子と前記負極端子との間で直列接続された複数の第２スイッチ素子（５４，５５，５６，５７）、および、複数の前記第２スイッチ素子それぞれに並列接続された第２還流ダイオード（５４ａ，５５ａ，５６ａ，５７ａ）を備える複数の第２レグ（５１，５２）と、
   前記電源の前記正極端子と前記負極端子への逆接続時の通電から複数の前記第２レグを保護する保護素子（５３）と、を有し、
   前記保護素子は複数の前記第２レグそれぞれと前記正極端子と前記負極端子との間で直列接続される保護スイッチ素子（５８）、および、アノード電極が前記負極端子側、カソード電極が前記正極端子側となるように前記保護スイッチ素子に並列接続された保護ダイオード（５８ａ）を有し、
   前記第１還流ダイオードは前記第２還流ダイオードよりも電流定格が高く、
   前記正極端子と前記負極端子との間で直列接続される複数の前記第２還流ダイオードと前記保護ダイオードの順方向電圧の総和は、前記正極端子と前記負極端子との間で直列接続される複数の前記第１還流ダイオードの順方向電圧の総和よりも大きい電力変換装置。
2. 前記保護スイッチ素子は、複数の前記第２レグそれぞれに共通して、前記正極端子側、若しくは、前記負極端子側に設けられる請求項１に記載の電力変換装置。
3. 前記第２電気回路を搭載するプリント基板（５０ａ）と、前記第１電気回路を搭載する放熱部（３０ａ）と、を有する請求項１または請求項２に記載の電力変換装置。
4. 前記第１電気回路は回転電機（２００）の巻線形固定子（２０２）と電気的に接続され、前記第２電気回路は前記回転電機の巻線形回転子（２０１）と電気的に接続される請求項３に記載の電力変換装置。
5. 前記回転電機は前記第１電気回路および前記第２電気回路それぞれと一体的に連結されている請求項４に記載の電力変換装置。
6. 車両に搭載される請求項５に記載の電力変換装置。
7. 前記第１スイッチ素子は前記第２スイッチ素子および前記保護スイッチ素子それぞれよりも電流定格が高い請求項１〜６いずれか１項に記載の電力変換装置。
8. 前記第１スイッチ素子および前記保護スイッチ素子それぞれは前記第２スイッチ素子よりも電流定格が高い請求項１〜６いずれか１項に記載の電力変換装置。
9. 前記第１スイッチ素子はＭＯＳＦＥＴ、前記第１還流ダイオードは前記第１スイッチ素子の寄生ダイオードであり、
   前記第２スイッチ素子はＭＯＳＦＥＴ、前記第２還流ダイオードは前記第２スイッチ素子の寄生ダイオードであり、
   前記保護スイッチ素子はＭＯＳＦＥＴ、前記保護ダイオードは前記保護スイッチ素子の寄生ダイオードである請求項１〜８いずれか１項に記載の電力変換装置。
10. 電源（４００）が接続される正極端子（１００ａ）と負極端子（１００ｂ）との間で電気回路（３０）と並列接続される電力変換回路であって、
    前記電気回路は、前記正極端子と前記負極端子との間で直列接続された複数の第１スイッチ素子（３４，３５，３６，３７，３８，３９）、および、複数の前記第１スイッチ素子それぞれに並列接続された第１還流ダイオード（３４ａ，３５ａ，３６ａ，３７ａ，３８ａ，３９ａ）を備える複数の第１レグ（３１，３２，３３）を有しており、
    前記正極端子と前記負極端子との間で直列接続された複数の第２スイッチ素子（５４，５５，５６，５７）、および、複数の前記第２スイッチ素子それぞれに並列接続された第２還流ダイオード（５４ａ，５５ａ，５６ａ，５７ａ）を備える複数の第２レグ（５１，５２）と、
    前記電源の前記正極端子と前記負極端子への逆接続時の通電から複数の前記第２レグを保護する保護素子（５３）と、を有し、
    前記保護素子は複数の前記第２レグそれぞれと前記正極端子と前記負極端子との間で直列接続される保護スイッチ素子（５８）、および、アノード電極が前記負極端子側、カソード電極が前記正極端子側となるように前記保護スイッチ素子に並列接続された保護ダイオード（５８ａ）を有し、
    前記第１還流ダイオードは前記第２還流ダイオードよりも電流定格が高く、
    前記正極端子と前記負極端子との間で直列接続される複数の前記第２還流ダイオードと前記保護ダイオードの順方向電圧の総和は、前記正極端子と前記負極端子との間で直列接続される複数の前記第１還流ダイオードの順方向電圧の総和よりも大きい電力変換回路。

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