JP2006180606A - 電圧駆動素子の制御装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】システム全体の損失を効率的に低減する。
【解決手段】電圧駆動素子の出力コレクタ電流が所定の電流値より小さく、かつ、電圧駆動素子をPWM制御する際のキャリア周波数が所定周波数より低い場合には、ゲート電圧を第1のゲート電圧から第2のゲート電圧に増大することによる定常損失の低減量が電圧駆動素子の駆動電力増大量より大きいと判断して、電圧駆動素子のゲート端子に、第2のゲート電圧を印加する。
【選択図】図7
【解決手段】電圧駆動素子の出力コレクタ電流が所定の電流値より小さく、かつ、電圧駆動素子をPWM制御する際のキャリア周波数が所定周波数より低い場合には、ゲート電圧を第1のゲート電圧から第2のゲート電圧に増大することによる定常損失の低減量が電圧駆動素子の駆動電力増大量より大きいと判断して、電圧駆動素子のゲート端子に、第2のゲート電圧を印加する。
【選択図】図7
Description
本発明は、電圧によってオン/オフ動作が制御される電圧駆動素子の制御装置に関する。
従来、IGBT等の電圧駆動素子の制御装置において、定常損失を低減するために、負荷電流の大きさに応じて、ゲート電圧を変更する技術が知られている(特許文献1参照)。
しかしながら、定常損失は、負荷電流によって変化するだけでなく、電圧駆動素子を駆動制御する際の駆動周波数や温度によっても変化するので、負荷電流のみに基づいて、ゲート電圧を変更する従来の技術では、必ずしも電力損失を低減できないという問題があった。
本発明による電圧駆動素子の制御装置は、ゲート電圧を第1のゲート電圧から第2のゲート電圧に増大することによる定常損失の低減量が電圧駆動素子の駆動電力増大量より大きい条件が成立したか否かを判定し、条件が成立したと判定すると、電圧駆動素子のゲート端子に第2のゲート電圧を印加することを特徴とする。
本発明による電圧駆動素子の制御装置によれば、ゲート電圧を第1のゲート電圧から第2のゲート電圧に増大することによる定常損失の低減量が電圧駆動素子の駆動電力増大量より大きい条件が成立した場合に、電圧駆動素子のゲート端子に第2のゲート電圧を印加するようにしたので、装置全体の損失を適格に低減することができる。
以下では、一実施の形態における電圧駆動素子の制御装置によって、電圧駆動素子であるIGBTを制御する例について説明する。図1は、IGBTを用いた3相交流インバータの1相分の回路を示している。この3相交流インバータは、例えば、電気自動車に搭載されて使用される。このインバータ回路では、基準電位Vsと負荷用電源VBとの間に、直列に2つのIGBT1a,1bが接続されており、PWM制御によって、IGBT1a,1bを交互にオン/オフすることにより、負荷L1に交流電流Ioを出力することができる。IGBT1a,1bには、それぞれダイオードD1,D2が逆並列に接続されている。
IGBT1a,1bのゲート端子は、それぞれ、ゲート抵抗R1,R2を介して、駆動回路101,102の出力端子に接続されている。駆動回路101は、NPNトランジスタ2aおよびPNPトランジスタ3aによるプッシュプル回路で構成されている。同様に、駆動回路102は、NPNトランジスタ2bおよびPNPトランジスタ3bによるプッシュプル回路で構成されている。駆動回路101,102の電源VN,VPは、それぞれ互いに絶縁されており、電源回路103によって供給される。また、駆動回路101,102には、制御装置110が出力する制御信号であるND,PDが、フォトカプラ108,109を介して、絶縁伝送される。
電源回路103は、制御用電源Vccから絶縁した電源VN,VPを生成する回路であり、本実施の形態においてはフライバックコンバータである。すなわち、電源回路103は、トランスL2の一次側巻線の通電時に蓄えたエネルギーを、遮断時に2次側に伝達する構成であり、トランスL2の他に、逆流防止ダイオードD3,D4、平滑コンデンサC1,C2、一次側巻線への通電をオン/オフするトランジスタQ3、トランジスタQ3をPWM駆動する電源制御回路104、および、出力電圧をモニタし電源制御回路104へ通知するためのフィードバック回路を有する。
そのフィードバック回路は、出力電圧を分圧する抵抗R5〜R7、分圧した電圧が所定の電圧以上となると電流をシンクするシャントレギュレータ105、シャントレギュレータ105がシンクする電流によってオン/オフするフォトカプラ106、および、フォトカプラ106の通電電流を制限する制限抵抗R8を有する。制御装置110が出力する電流通知信号OCがハイレベル(Hiレベル)の時にはフォトカプラ107がオンし、抵抗R7の両端を短絡する構成となっている。抵抗R7が短絡されることによって電源制御回路104へ通知されるフィードバック電圧が可変され、電源VP,VNの電圧が小さくなる。一方、電流通知信号OCがローレベル(Loレベル)の時には、フォトカプラ107がオフするため、抵抗R7は短絡されない。抵抗R7が短絡されていない時の電源VP,VNの電圧は、抵抗R7が短絡されている場合に比べて小さくなる。
制御装置110は、後述するように、IGBT1a,1bの出力コレクタ電流の大きさ、および、IGBT1a,1bをPWM制御する際のキャリア周波数fcの大きさに基づいて、電流通知信号OCの信号レベルを切り換えて、IGBT1a,1bのゲート端子に印加するゲート電圧の大きさを変更する。ここでは、電流通知信号OCがローレベルの時のゲート電圧をVG1、電流通知信号OCがハイレベルの時のゲート電圧をVG2(>VG1)とする。
ここで、PWM制御によってオン/オフされるIGBTの電力損失は、定常損失とスイッチング損失との和で表される。3相インバータの1つのIGBTあたりのスイッチング損失Pswおよび定常損失Psatは、それぞれ式(1),(2)で表される。
Psw=1/π×Esw×fc (1)
Psat=Icp×Vce×{1/8+(D×cosθ/3/π)} (2)
ただし、Eswは、スイッチング1パルスあたりの損失であり、fcは、PWM駆動周波数(キャリア周波数)である。また、Icpは、IGBTのコレクタ電流のピーク値を、Vceは、IGBTのコレクタ−エミッタ間電圧を、Dは変調率を、cosθは力率をそれぞれ示している。
Psw=1/π×Esw×fc (1)
Psat=Icp×Vce×{1/8+(D×cosθ/3/π)} (2)
ただし、Eswは、スイッチング1パルスあたりの損失であり、fcは、PWM駆動周波数(キャリア周波数)である。また、Icpは、IGBTのコレクタ電流のピーク値を、Vceは、IGBTのコレクタ−エミッタ間電圧を、Dは変調率を、cosθは力率をそれぞれ示している。
式(2)より、IGBTの定常損失は、IGBTのコレクタ電流Icおよびコレクタ−エミッタ間電圧Vceの値に依存することが分かる。図2は、コレクタ電流Icと、コレクタ−エミッタ間電圧Vceとの関係を示す図であり、常温のIGBTにゲート電圧VG1およびVG2をそれぞれ印加した時の関係を示している。図2に示すように、同じ出力コレクタ電流Icで比較した場合、ゲート電圧が大きい方がコレクタ−エミッタ間電圧Vceは小さくなる。従って、式(2)より、ゲート電圧が大きいほど定常損失Psatは小さくなる。また、コレクタ電流Icが大きくなるほど、ゲート電圧VG1とVG2との間の定常損失差は大きくなる。
図3は、ゲート電圧がVG2である場合に、IGBTの温度が異なる場合のIc−Vce特性を示す図である。図3の点線はIGBTの温度が低い場合のIc−Vce特性を示しており、実線は、IGBTの温度が高い場合のIc−Vce特性を示している。図3より、コレクタ電流IcがIc1以下の場合には、同一のコレクタ電流で比較した場合、温度が高い方がコレクタ−エミッタ間電圧Vceは小さくなることが分かる。
図4は、IGBTの温度が高温の場合に、ゲート電圧が異なる場合のIc−Vce特性を示す図である。図4に示すように、コレクタ電流IcがIc1以下の場合には、ゲート電圧VG1とVG2との間でのコレクタ−エミッタ間電圧Vceの差は小さくなる。
以上より、コレクタ電流Icが所定の電流値Ic1以下の場合には、IGBTが高温になると、コレクタ−エミッタ間電圧Vceは小さくなり、ゲート電圧に依存する割合も小さくなる。
図5は、3相インバータのキャリア周波数に対するIGBTのスイッチング損失および定常損失を示している。コレクタ電流Icは、図2〜図4で示した所定の電流値Ic1以下とする。図5より、キャリア周波数fcが低くなると、スイッチング損失Pswは小さくなるのに対し、定常損失Psatは大きくなることが分かる。、キャリア周波数fcが低くなると、定常損失Psatが大きくなる理由について説明する。キャリア周波数fcが高い領域、すなわち、IGBTのスイッチング損失Pswが大きい領域では、IGBTの電力損失の合計が大きくなるので、IGBTの温度が上昇する。このため、図3を用いて説明したように、IGBTが高温であるときのコレクタ−エミッタ間電圧Vceが常温(低温)に比べて小さくなるため、定常損失Psatは小さくなる。
一方、キャリア周波数fcが低い領域、すなわち、IGBTのスイッチング損失Pswが小さい領域では、IGBTの電力損失の合計が小さくなるので、IGBTの温度上昇が比較的小さくなる。図3を用いて説明したように、IGBTの温度が低い場合には、高温時に比べてコレクタ−エミッタ間電圧Vceが大きくなるので、定常損失Psatは大きくなる。
また、キャリア周波数fcが低い場合(IGBTの温度が低い場合)には、エミッタ−コレクタ間電圧Vceのゲート電圧に対する影響度が大きくなるので、図5に示すように、ゲート電圧が高い方(VG2)が、ゲート電圧が低い(VG1)場合に比べて、定常損失Psatは小さくなる。
制御装置110は、インバータに接続された電動機(3相交流モータ)が安定動作するように、制御信号ND,PDをPWM駆動して、負荷L1に電流を流している。負荷L1に流れる電流Ioを制御する際、キャリア周波数が高い方が分解能を高くすることができるので、電動機を安定動作させることができる。定常的には、キャリア周波数を高い状態に保持している場合が多い。
しかし、インバータを電気自動車に搭載して使用する場合には、電動機が極低回転になる場合もある。電動機が極低回転または停止状態で電流Ioを流した場合、各相のIGBTで通電している時間が長くなるため、IGBTの電力損失が増大し、IGBTの温度が上昇してしまう。このため、電動機の回転数が低くなると、キャリア周波数を小さくしてIGBTのスイッチング損失を低減させ(図6参照)、IGBTの温度上昇を抑制する必要がある。
図5を用いて説明したように、キャリア周波数fcが高い(fc1)場合に比べて、低い(fc2)時の方が、定常損失Psatの大小に関わるゲート電圧の影響度は大きい。従って、キャリア周波数低い場合には、ゲート電圧をVG1からVG2に増大させることにより、定常損失Psatを低減することができる。
一方、ゲート電圧をVG1からVG2に増大させると、IGBTを駆動するための電源回路103の消費電力(駆動電力)も増大する。図6は、インバータ動作時のキャリア周波数fcに対する駆動電力Pdrvのゲート電圧依存性を示している。図6に示すように、キャリア周波数fcが高くなるほど、ゲート電圧をVG1に設定した時の駆動電力Pdrvと、VG2に設定した時の駆動電力Pdrvの差ΔPdrvが大きくなる。
すなわち、ゲート電圧をVG1からVG2に増大すると、定常損失Psatは低減するが、駆動電力Pdrvは大きくなる。この場合、インバータから負荷L1に供給される電流Ioと、キャリア周波数fcとの組み合わせによって、定常損失Psatの差分ΔPsatと、IGBTの駆動電力の差分ΔPdrvとの間で、大小関係が変化する。従って、一実施の形態における電圧駆動素子の制御装置では、キャリア周波数fc、および、負荷L1に電流Ioを流すための電流指令値Iaに基づいて、IGBTのゲート端子に印加するゲート電圧を変更する。
図7は、制御装置110によって行われるゲート電圧変更処理の手順を示すフローチャートである。ステップS10では、負荷L1に通電する電流をIoとするための電流指令値Iaが、所定の判定電流Ia1より小さいか否かを判定する。この判定電流Ia1は、図2〜図4で示した所定のコレクタ電流Ic1(参照)と同レベルである。電流指令値Iaが判定電流Ia1より小さいと判定するとステップS20に進み、判定電流1a1以上であると判定すると、ステップS30に進む。
ステップ20では、キャリア周波数fcが所定周波数fc1より低いか否かを判定する。所定周波数fc1は、ゲート電圧増大時の駆動電力増大分ΔPdrvと、ゲート電圧増大時のIGBTの定常損失の低減分ΔPsatとが等しくなるときのキャリア周波数である。キャリア周波数fcが所定周波数fc1より低いと判定するとステップS30に進み、所定周波数fc1以上であると判定すると、ステップS40に進む。
ステップS30では、ゲート電圧をVG2に設定するため、ハイ(Hi)レベルの電流通知信号OCを出力する。一方、ステップS40では、ゲート電圧をVG1に設定するため、ロー(Low)レベルの電流通知信号OCを出力する。
一実施の形態における電圧駆動素子の制御装置が行う処理内容についてまとめておく。
(1)IGBTへの制御電流指令値Iaが所定の判定電流Ia1以上の場合、すなわち、IGBTの出力コレクタ電流が所定電流Ic1以上の場合には、定常損失を低減するために、IGBTのゲート端子に印加するゲート電圧をVG1からVG2に増大させる(図2参照)。
(2)IGBTへの制御電流指令値Iaが所定の判定電流Ia1より小さい場合、すなわち、IGBTのコレクタ電流が所定電流Ic1より小さい場合には、ゲート電圧を増大させることによる定常損失低減の効果は小さく、また、ゲート電圧を増大させることにより、駆動回路の消費電力が大きくなるため、ゲート電圧を増大させない方が好ましい。しかし、IGBTをPWM制御する際のキャリア周波数によっては、ゲート電圧を増大させることによる定常損失低減量ΔPsatがIGBTの駆動電力増大量ΔPdrvより大きくなるため、キャリア周波数に応じて、ゲート電圧を増大させる。すなわち、キャリア周波数fcが所定周波数fc1より低い場合には、定常損失の低減量ΔPsatがIGBTの駆動電力増大量ΔPdrvより大きくなるため、ゲート電圧をVG1からVG2に増大させる。一方、キャリア周波数fcが所定周波数fc1以上の場合には、ゲート電圧を増大させることによるIGBTの駆動電力増大量ΔPdrvが定常損失低減量ΔPsatより大きくなるので、ゲート電圧をVG1とする。
(1)IGBTへの制御電流指令値Iaが所定の判定電流Ia1以上の場合、すなわち、IGBTの出力コレクタ電流が所定電流Ic1以上の場合には、定常損失を低減するために、IGBTのゲート端子に印加するゲート電圧をVG1からVG2に増大させる(図2参照)。
(2)IGBTへの制御電流指令値Iaが所定の判定電流Ia1より小さい場合、すなわち、IGBTのコレクタ電流が所定電流Ic1より小さい場合には、ゲート電圧を増大させることによる定常損失低減の効果は小さく、また、ゲート電圧を増大させることにより、駆動回路の消費電力が大きくなるため、ゲート電圧を増大させない方が好ましい。しかし、IGBTをPWM制御する際のキャリア周波数によっては、ゲート電圧を増大させることによる定常損失低減量ΔPsatがIGBTの駆動電力増大量ΔPdrvより大きくなるため、キャリア周波数に応じて、ゲート電圧を増大させる。すなわち、キャリア周波数fcが所定周波数fc1より低い場合には、定常損失の低減量ΔPsatがIGBTの駆動電力増大量ΔPdrvより大きくなるため、ゲート電圧をVG1からVG2に増大させる。一方、キャリア周波数fcが所定周波数fc1以上の場合には、ゲート電圧を増大させることによるIGBTの駆動電力増大量ΔPdrvが定常損失低減量ΔPsatより大きくなるので、ゲート電圧をVG1とする。
以上、一実施の形態における電圧駆動素子の制御装置によれば、IGBTのゲート電圧を第1のゲート電圧VG1から第2のゲート電圧VG2に増大することによる定常損失の低減量が、ゲート電圧を増大することによるIGBTの駆動電力増大量より大きくなる条件が成立したか否かを判定し、条件が成立した場合には、IGBTのゲート端子に第2のゲート電圧VG2を印加し、条件が成立していないと判定されると、第1のゲート電圧VG1を印加する。特に、IGBTの出力コレクタ電流の大きさ、および、IGBTをPWM制御する際のキャリア周波数の大きさに基づいて、条件が成立したか否かを判定するので、ゲート電圧を増大することによる定常損失の低減量がIGBTの駆動電力増大量より大きいか否かを適格に判断することができ、システム全体の損失を適格に低減することができる。
IGBTの出力コレクタ電流のみに基づいて、ゲート電圧を変更する従来の装置では、出力コレクタ電流が所定電流Ic1より小さく、かつ、キャリア周波数fcが所定周波数fc1より低い場合でも、ゲート電圧を変更する制御は行われなかったが、一実施の形態における電圧駆動素子の制御装置によれば、出力コレクタ電流が所定電流Ic1より小さく、かつ、キャリア周波数fcが所定周波数fc1より低い場合には、ゲート電圧をVG2に増大させることにより、システム全体の損失を低減することができる。
本発明は、上述した一実施の形態に限定されることはない。例えば、IGBTのゲート電圧を増大することによる定常損失の低減量がIGBTの駆動電力増大量より大きくなる条件が成立したか否かを、IGBTの出力コレクタ電流の大きさと、キャリア周波数fcの大きさとに基づいて判定した。上述したように、キャリア周波数が高い場合には、IGBTの温度が高くなり、キャリア周波数が低い場合には、IGBTの温度が低くなる。従って、上記条件を、IGBTの出力コレクタ電流の大きさと、IGBTの温度とに基づいて判定することもできる。図8は、IGBTの出力コレクタ電流の大きさと、IGBTの温度とに基づいて、IGBTのゲート電圧を変更する制御内容を示すフローチャートである。図8に示すフローチャートと異なるのは、ステップS100の処理である。すなわち、ステップS100では、IGBTの温度が所定温度より低いか否かを判定する。IGBTの温度が所定温度より低いと判定するとステップS30に進み、IGBTのゲート端子に印加するゲート電圧をVT2に増大させる。一方、IGBTの温度が所定温度以上であると判定するとステップS40に進み、IGBTのゲート端子にゲート電圧VG1を印加する。なお、IGBTの温度は、温度センサ(不図示)を設けて検出するようにすればよい。
また、IGBTの出力コレクタ電流の大きさ、および、キャリア周波数fcの大きさ(IGBTの温度)以外の要素に基づいて、上記条件を判定するようにしてもよい。図9は、ゲート電圧を増大させることによる定常損失低減量ΔPsatと、駆動電力増大量ΔPdとに基づいて、ゲート電圧を変更する制御内容を示すフローチャートである。既に説明しているように、定常損失低減量ΔPsatが駆動電力増大量ΔPdより大きい場合には、ゲート電圧をVG1より大きいVG2とし、定常損失低減量ΔPsatが駆動電力増大量ΔPd以下の場合には、ゲート電圧をVG1とする。
電圧駆動素子としてIGBTを挙げて説明したが、MOS−FETなどの他の電圧駆動素子にも適用することができる。
特許請求の範囲の構成要素と一実施の形態の構成要素との対応関係は次の通りである。すなわち、制御装置110が判定手段および制御手段をそれぞれ構成する。なお、以上の説明はあくまで一例であり、発明を解釈する上で、上記の実施形態の構成要素と本発明の構成要素との対応関係に何ら限定されるものではない。
100…インバータ回路
1a,1b…IBDT
D1〜D4…ダイオード
R1〜R12…抵抗
L1…負荷
L2…トランス
C1、C2…平滑コンデンサ
101,102…駆動回路
103…電源回路
104…電源制御回路
105…シャントレギュレータ
106〜109…フォトカプラ
110…制御装置
1a,1b…IBDT
D1〜D4…ダイオード
R1〜R12…抵抗
L1…負荷
L2…トランス
C1、C2…平滑コンデンサ
101,102…駆動回路
103…電源回路
104…電源制御回路
105…シャントレギュレータ
106〜109…フォトカプラ
110…制御装置
Claims (9)
- 電圧駆動素子のゲート電圧を第1のゲート電圧から第2のゲート電圧に増大することによる定常損失の低減量が、ゲート電圧を前記第1のゲート電圧から前記第2のゲート電圧に増大することによる電圧駆動素子の駆動電力増大量より大きくなる条件が成立したか否かを判定する判定手段と、
前記判定手段によって、ゲート電圧を前記第1のゲート電圧から前記第2のゲート電圧に増大することによる前記定常損失の低減量が前記電圧駆動素子の駆動電力増大量より大きい条件が成立したと判定されると、電圧駆動素子のゲート端子に前記第2のゲート電圧を印加し、前記条件が成立していないと判定されると、前記第1のゲート電圧を印加する制御手段を備えることを特徴とする電圧駆動素子の制御装置。 - 請求項1に記載の電圧駆動素子の制御装置において、
前記判定手段は、電圧駆動素子の出力コレクタ電流の大きさ、および、電圧駆動素子をPWM制御する際のキャリア周波数の大きさに基づいて、前記条件が成立したか否かを判定することを特徴とする電圧駆動素子の制御装置。 - 請求項2に記載の電圧駆動素子の制御装置において、
前記判定手段は、電圧駆動素子の出力コレクタ電流が所定の電流値より小さく、かつ、前記キャリア周波数が所定周波数より小さい場合に、前記条件が成立したと判定することを特徴とする電圧駆動素子の制御装置。 - 請求項2または3に記載の電圧駆動素子の制御装置において、
前記判定手段は、電圧駆動素子の出力コレクタ電流が所定の電流値より小さく、かつ、前記キャリア周波数が所定周波数以上の場合に、前記条件が成立していないと判定することを特徴とする電圧駆動素子の制御装置。 - 請求項1に記載の電圧駆動素子の制御装置において、
前記判定手段は、電圧駆動素子の出力コレクタ電流の大きさ、および、電圧駆動素子の温度に基づいて、前記条件が成立したか否かを判定することを特徴とする電圧駆動素子の制御装置。 - 請求項5に記載の電圧駆動素子の制御装置において、
前記判定手段は、電圧駆動素子の出力コレクタ電流が所定の電流値より小さく、かつ、前記電圧駆動素子の温度が所定温度より低い場合に、前記条件が成立したと判定することを特徴とする電圧駆動素子の制御装置。 - 請求項5または6に記載の電圧駆動素子の制御装置において、
前記判定手段は、電圧駆動素子の出力コレクタ電流が所定の電流値より小さく、かつ、前記電圧駆動素子の温度が所定温度以上の場合に、前記条件が成立していないと判定することを特徴とする電圧駆動素子の制御装置。 - 請求項1〜7のいずれかに記載の電圧駆動素子の制御装置において、
前記判定手段は、電圧駆動素子の出力コレクタ電流が所定の電流値以上の場合に、前記条件が成立したと判定することを特徴とする電圧駆動素子の制御装置。 - 請求項1〜8のいずれかに記載の電圧駆動素子の制御装置において、
前記電圧駆動素子は、IGBTであることを特徴とする電圧駆動素子の制御装置。
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