JP2014090660A - 電気モータを制御するためのシステムおよび方法 - Google Patents

Abstract

【課題】バッテリの逆極性状態での操作を可能にした、電気モータの制御のためのシステムを提供する。
【解決手段】システム１００が、電源１１４と、電気モータ１１２に直列接続されて、これを「オン」状態と「オフ」状態とに切り替えるスイッチング素子１１６と、スイッチング素子１１６を制御する制御素子１１８と、電気モータ１１２に並列接続されたサイリスタ１２４とを備え、サイリスタ１２４の導通状態または非導通状態が、制御素子１１８によって制御される。サイリスタ１２４が電流を導通するように、サイリスタ１２４の状態をバッテリの正極性状態で切り替え、サイリスタ１２４が電流を導通しないように、サイリスタ１２４の状態をバッテリの逆極性状態で切り替えるステップ２１２とを含む。
【選択図】図１

Description

[0001]本発明は、ソリッド・ステート・リレー（ＳＳＲ）を備える電気−電子回路に関する。より詳細には、本発明は、直流モータを制御するためのＳＳＲを備える電気−電子回路に関する。

[0002]当技術分野では、電気−機械リレーが広く知られており、様々なタイプの電力制御および電気的用途で、広く使用されている。通例コイルおよび接点を備えるこれら機械的装置は、可動部分が存在することに関連する必然的な問題にもかかわらずかなり信頼できる。付加的には、機械的リレーは、電気的スパークおよびアークを受ける。

[0003]さらに、機械的リレーは、「オン」状態と「オフ」状態間の急激な遷移を生じさせ、遷移の度に回路中で高い電流ピークを発生させる。こうした電流ピークは、例えば、回路の接点を溶融させ、電気システムが機能不全となる可能性がある。

[0004]現今では、直流電気モータの制御用の自動車の電気−電子用途を含め、様々な用途で、電気−機械リレーの代替としてソリッド・ステート・リレー（ＳＳＲ）が使用されている。とりわけ、過電流制御がより優れていること、サイズおよび重量を低減できること、電力の損失がより少ないこと、動作周波数がより高いことを含め、機械的装置に勝る数多くのＳＳＲの利点に注目することができる。

[0005]ただし、上記の用途では、電気−機械リレーに比較すると、ＳＳＲは、バッテリの逆極性時の外部保護回路が必要であること、すなわち、電源電極の極性が逆になるときに不利であるということが明らかになっている。

[0006]極性反転に対する保護のために最も一般的に使用されている解決策は、以下のものである。
（ｉ）電力線と直列にダイオードを使用する。ただし、電力損失のことを考慮すると、この技法は、低電流システム用のみに適用され得る。
（ｉｉ）電力線をオンおよびオフに切り替えることができる電気−機械リレーと直列にダイオードを使用する。ただし、こうしたスイッチング装置を使用すると、本明細書中で先に述べたように、必然的に電気−機械リレーに特有の全ての問題を伴う。
（ｉｉｉ）または、電力線を切り替えるためにＰ−チャネルＭＯＳＦＥＴを使用する。ただし、この解決策は、Ｐ−チャネル素子の接合部抵抗が高いことから電力損失が問題となる。さらに、こうした素子は、比較的低電流の回路中での使用に限られる。

[0007]さらに、モータの切り替え用にＮ−チャネルＭＯＳＦＥＴ（Ｎ−ＭＯＳ）素子が採用され得る。ただし、こうした素子内には、バッテリの正極性(direct battery polarity)での動作時の逆電圧ピーク（例えば、モータがオフになるとき）に対するいかなる保護もない。したがって、この電力が、Ｎ−ＭＯＳ素子で散逸されると、この素子に過熱が生じる。

[0008]ダイオードをモータに並列接続すると、逆電圧ピークは、Ｎ−ＭＯＳ素子に損傷を与えずに散逸されるので、上記の問題を解決する。ただし、バッテリの逆極性状態では、このダイオードでは、電流がモータを通らずＮ−ＭＯＳ素子に直接流れることになり、それによって、Ｎ−ＭＯＳ素子に損傷を与える。

[0009]したがって、上記の不利な点を取り除くことができる要素が必要である。

[0010]背景技術の項で検討した主題について、背景技術の項でその述べた結論のみが、従来技術であると考えられるべきではない。同様に、背景技術の項で述べた問題または背景技術の主題に関連する問題が、従来技術で今までに判明してきたことと考えられるべきではない。背景技術の項での主題は、単に、異なる手法を表し、この手法自体も発明となり得る。

[0011]本発明の第１の目的は、Ｎ−ＭＯＳスイッチング素子をベースとした、電気モータの制御のための方法およびシステムを提供して、このＮ−ＭＯＳスイッチング素子がバッテリの逆極性状態で動作することを可能にすることにある。

[0012]本発明の第２の目的は、Ｎ−ＭＯＳスイッチング素子をベースとした、電気モータの制御のための方法およびシステムを提供して、ＰＷＭを用いたシステム中で、電気モータの切り替えによって発生する逆電圧ピークに対してＮ−ＭＯＳスイッチング素子を保護するために、Ｎ−ＭＯＳ素子の電力の散逸を防ぎ、それによってその過熱を防ぐ。

[0013]上に述べた目的を達成するために、本発明は、電源と、電気モータに直列接続されてこれを「オン」状態と「オフ」状態とに切り替えるスイッチング素子と、そのスイッチング素子を制御するための制御素子と、モータに並列接続されたサイリスタとを備え、そのゲート端子が、及び、結果的にその電流の導通または非導通状態が、制御素子によって制御される、電気モータを制御するためのシステムを提供する。

[0014]加えて、本発明は、先に規定されたシステム中の電気モータを制御する方法を提供し、この方法は、サイリスタの状態をバッテリの正極性の状態で切り替えて、その結果サイリスタが電流を導通するステップと、サイリスタの状態をバッテリの逆極性の状態で切り替えて、その結果サイリスタが電流を導通しないステップとを含む。

[0015]本発明のさらなる特徴および利点は、本発明の好ましい実施形態の以下の詳細な説明を読むことでより明確になるであろうが、この実施形態は、単に、限定しない例として、添付の図面を参照することで与えられる。

[0016]ここで、本発明は、添付の図面を参照して例として説明される。

[0017]一実施形態による電気モータを制御するためのシステムの電気回路の概略図である。 [0018]一実施形態による電気モータシステムを制御する方法の流れ図である。

[0019]図１に、好ましくはパルス幅変調（ＰＭＷ）制御を利用する、車両の直流（ＤＣ）モータ１１２の制御用システム１００の電気−電子回路の限定しない例を示す。この回路は、基本的に、バッテリなどの電源１１４と、モータ１１２に直列のＮ−ＭＯＳベースのスイッチング素子（例えば、ソリッド・ステート・リレー）１１６と、電源１１４から独立に電力を供給されるマイクロコントローラなどの制御素子１１８とを備える。好ましくは、制御素子１１８は、端子１２０および端子１２２によって、Ｎ−ＭＯＳスイッチング素子１１６に接続する。このようにして、制御素子１１８は、制御信号をＮ−ＭＯＳスイッチング素子１１６に送信し、その結果、Ｎ−ＭＯＳスイッチング素子１１６が、バッテリの正極性状態またはバッテリの逆極性状態のいずれかで、モータ１１２の状態を「オン」と「オフ」との間で切り替える。

[0020]本明細書中で先に述べた従来技術の弱点を回避するために、本発明は、モータ１１２に並列接続されたサイリスタ１２４をさらに提供する。サイリスタ、特にシリコン制御整流素子（ＳＣＲ）型のものは、半導体素子であり、この素子のダイレクトセンス状態（direct sense condition）は、ゲート端子１２６に電流パルスを印加することによって制御できる。導通は、一旦ダイレクトセンスで開始されると、ゲート端子１２６の信号が無くても、これを通過する電流が、保持電流として設計された一定のスレッショルドより低くなるまで維持される。逆方向では、サイリスタ１２４は、通常のダイオードとして挙動し、すなわち電流を導通しない。

[0021]本明細書中で実施するサイリスタ１２４は、制御素子１１８によって制御されるゲート端子１２６を有する。バッテリの正極性でのシステム１００の通常の動作の間は、サイリスタ１２４は、ダイオードとして動作して、ＰＷＭを用いたモータ１１２の切り替え時に特有の逆電圧ピークを回避する。この逆電圧ピークは、Ｎ−ＭＯＳスイッチング素子１１６の素子中の電力散逸による過熱を引き起こす可能性がある。そのために、制御素子１１８は、サイリスタ１２４を常にオンにしておき、すなわち、そのゲート端子１２６に電力を印加し続ける。したがって、逆電圧ピークの存在下では、サイリスタ１２４は、モータ１１２の端子間に短絡回路を形成して、ダイオードとして動作する。

[0022]回路が、バッテリの逆極性で動作するとき、サイリスタ１２４は、制御素子１１８によって、常にオフのままである。言い換えると、制御素子１１８は、サイリスタ１２４のゲート端子１２６にパルスを印加するのを停止して、常に電流がモータ１１２を通って流れるようにし、それによって、Ｎ−ＭＯＳスイッチング素子１１６の損傷を防ぐ。

[0023]図１に示す特定の実施形態では、電源１１４は、１４．５Ｖの公称電圧値を有し、制御素子１１８は、５Ｖ電圧が供給される。一連の要素、例えば、抵抗１２８〜抵抗１３８、トランジスタ１４０および１４２、キャパシタ１４４およびダイオード１４６は、制御素子１１８によってサイリスタ１２４のゲート端子１２６に発生される、パルスの電圧に極性を与えるように採用され得る。これ以来、この特定の場合では、サイリスタ１２４は、１４．５Ｖの電圧で動作する。あるいは、制御素子１１８は、サイリスタ１２４と同じ動作電圧を有することができ、この場合には、上記の要素は必要がない。

[0024]さらに、サイリスタ１２４のゲート端子１２６に印加される電圧を調整するために、第１の抵抗１４８および第２の抵抗１５０が、電源１１４によって供給される電圧を低減するために回路中に接続され得る。したがって、制御素子１１８によって生成されるパルスの電圧と共に、サイリスタ１２４の「オン」状態（電流導通）および「オフ」状態（電流非導通）間に必要な電圧差は、バッテリの正極性状態でもバッテリの逆極性状態でも保証される。第１の抵抗１４８および第２の抵抗１５０は、好ましくは、電源１１４の電極の一方とゲート端子１２６の接続点との間に配置される。さらに好ましくは、制御素子１１８とサイリスタ１２４のゲート端子１２６との間の接続点が、第１の抵抗１４８と第２の抵抗１５０との間となる。

[0025]図２に、電源１１４と、電気モータ１１２と直列接続されたスイッチング素子１１６と、スイッチング素子１１６を制御するための制御素子１１８と、電気モータ１１２と並列接続されたサイリスタ１２４を含む、システム１００などの電気モータシステムを、制御するための方法２００の限定しない例を示す。

[0026]サイリスタが電流を導通するようにサイリスタの状態をバッテリの正極性状態で切り替えるステップ２１０では、バッテリの正極性状態のとき、電流パルスが、サイリスタ１２４のゲート端子１２６に印加されて、サイリスタ１２４を導通させる。

[0027]サイリスタが電流を導通しないようにサイリスタの状態をバッテリの逆極性状態で切り替えるステップ２１２では、バッテリの逆極性状態のとき、サイリスタ１２４がダイオードとして挙動し、電流を導通しない。

[0028]したがって、本発明は、システム１００および方法２００を提供し、Ｎ−ＭＯＳスイッチング素子１１６は、バッテリの逆極性条件下で保護され、また、バッテリの正極性条件では電圧ピークに対して保護される。

[0029]本発明について、その好ましい実施形態に関して説明してきたが、これに限定されるものではなく、後続の特許請求の範囲に記載される範囲のみに限定されるものである。さらに、第１の、第２の、などの用語の使用は、いずれの重要性の順序を意味するものではなく、第１の、第２の、などは、１つの要素を別の要素と区別するために使用される。さらに、１つの（ａ、ａｎ）などの使用は、数量を意味するものではなく、参照する部品のうち少なくとも１つの存在を意味するものである。

１００ システム
１１２ 直流（ＤＣ）モータ、モータ、電気モータ
１１４ 電源
１１６ Ｎ−ＭＯＳスイッチング素子
１１８ 制御素子
１２０ 端子
１２２ 端子
１２４ サイリスタ
１２６ ゲート端子
１２８ 抵抗
１３０ 抵抗
１３２ 抵抗
１３４ 抵抗
１３６ 抵抗
１３８ 抵抗
１４０ トランジスタ
１４２ トタンジスタ
１４４ キャパシタ
１４６ ダイオード
１４８ 第１の抵抗
１５０ 第２の抵抗
２１０ ステップ
２１２ ステップ
２００ 方法

Claims (7)

1. 電気モータ（１１２）を制御するためのシステム（１００）であって、
   電源（１１４）と、
   前記電気モータ（１１２）に直列接続されて、前記電気モータ（１１２）を「オン」状態と「オフ」状態との間で切り替えるスイッチング素子（１１６）と、
   前記スイッチング素子（１１６）を制御するように構成された制御素子（１１８）と、
   前記電気モータ（１１２）に並列接続されたサイリスタ（１２４）とを備え、前記サイリスタ（１２４）のゲート端子（１２６）が、前記制御素子（１１８）によって制御され、これにより、前記サイリスタ（１２４）の電流の導通または非導通状態が制御される、システム（１００）。
2. 前記スイッチング素子（１１６）が、パルス幅変調を用いて前記制御素子（１１８）によって制御される、請求項１に記載のシステム（１００）。
3. 前記スイッチング素子（１１６）が、Ｎ−チャネル金属酸化物半導体電界効果トランジスタスイッチング素子（１１６）を備える、請求項１に記載のシステム（１００）。
4. 前記制御素子（１１８）が、マイクロコントローラを備える、請求項１に記載のシステム（１００）。
5. 直列接続された第１の抵抗（１４８）と第２の抵抗（１５０）とをさらに備え、前記第１の抵抗（１４８）と前記第２の抵抗（１５０）の各々が、前記電源（１１４）の電極のうちの一方と前記サイリスタ（１２４）の前記ゲート端子（１２６）の接続点との間に接続された、請求項１に記載のシステム（１００）。
6. 前記制御素子（１１８）と前記サイリスタ（１２４）の前記ゲート端子（１２６）との間の前記接続点が、前記第１の抵抗（１４８）と前記第２の抵抗（１５０）との間に接続された、請求項５に記載のシステム（１００）。
7. 電源（１１４）と、電気モータ（１１２）に直列接続されて前記電気モータ（１１２）を「オン」状態と「オフ」状態との間で切り替えるスイッチング素子（１１６）と、前記スイッチング素子（１１６）を制御するための制御素子（１１８）と、前記電気モータ（１１２）に並列接続されたサイリスタ（１２４）とを備える前記電気モータ（１１２）システム（１００）を制御する方法（２００）であって、前記サイリスタ（１２４）のゲート端子（１２６）が前記制御素子（１１８）によって制御され、前記方法が、
   前記サイリスタ（１２４）が電流を導通するように、前記サイリスタ（１２４）の状態をバッテリの正極性状態で切り替えるステップ（２１０）と、
   前記サイリスタ（１２４）が電流を導通しないように、前記サイリスタ（１２４）の状態をバッテリの逆極性状態で切り替えるステップ（２１２）とを含む、方法（２００）。

Images