JP2009296846A - 車両用インバータ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】インバータ回路のスイッチング損失の増大を抑制しつつ、インバータ回路のスイッチング速度を調整する際のパラメータの値を取得するための検出回路を不要とする。
【解決手段】車両用インバータ装置は、ＩＧＢＴ１１ａ〜１１ｆを３相ブリッジ接続したインバータ回路を備えたインバータ部１と、インバータ部１の各ＩＧＢＴのゲート端子を制御する駆動指令回路２とを備える。駆動指令回路２は、モータ５に印加すべき要求トルクに基づいて、インバータ部１に備えられたＩＧＢＴ１１ａ〜１１ｆのオン・オフ期間およびＩＧＢＴ１１ａ〜１１ｆのスイッチング速度をスイッチ制御回路１３ａ〜１３ｆを介して制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は、車両に搭載されたモータを駆動するためのインバータ回路を備えた車両用インバータ装置に関する。

従来、モータなどの負荷を駆動するためのインバータ回路では、高電流をスイッチングした場合、スイッチング時の電流変化や回路のインダクタンス成分などの要因により、スイッチング素子をオン／オフする際に、スイッチング素子に悪影響を与える要因となる可能性があるサージ電圧が発生する。サージ電圧の発生を抑制するには、例えばインバータ回路を構成するスイッチング素子であるＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）のゲート抵抗の抵抗値の制御を行い、インバータ回路のスイッチング速度を遅延させることが有効である。しかし、この方法ではサージ電圧は低下するものの、スイッチング素子のスイッチング損失が大幅に増大してしまう。一方、サージ電圧に耐えるように素子の耐圧性能を向上させると、スイッチング素子の導通損失が増大してしまう。

特に、ハイブリッド電気自動車などのように、通常の走行中の出力電流に対して、始動時や減速時の高トルクアシスト時や高トルク回生時に高電流をスイッチングする必要があるシステムにおいては、高電流が流れている時にサージ電圧がスイッチング素子の耐圧を超えないように設定した抵抗値のまま使用領域の全域をスイッチングした場合、通常の電流域で必要以上にインバータ回路のスイッチング速度を遅延させることになり、通常の電流域での効率が低下する。

特許文献１には、電源電圧の実測値、指令電流値、または／およびＩＧＢＴ素子の温度をパラメータとして、ＩＧＢＴ素子に印可されるサージ電圧を含めた電圧がＩＧＢＴ素子の許容サージ耐圧を下回る所定電圧値となるようにゲート抵抗の抵抗値を調整する技術が開示されている。

特許文献２には、電源電圧の実測値をパラメータとして、ゲート抵抗の抵抗値を調整する技術が開示されている。

特許文献３には、イグニッションやアクセル、ブレーキ、車速、更にはギアなどの状態をセンサで検出し、センサの検出値に基づく車両の状態に応じて、インバータ回路に設けられたスイッチング素子を駆動するためのスイッチング駆動回路の時定数を制御する技術が開示されている。

特開２００１−１６９４０７号公報 特開２００４−２７４９１１号公報 特開２００４−７２８０４号公報

上記のように、センサの出力値に基づいてインバータ回路のスイッチング速度を調整する技術では、例えば、電源電圧の実測値を検出するための検出回路を設ける必要がある。

本発明は、インバータ回路のスイッチング損失の増大を抑制しつつ、インバータ回路のスイッチング速度を調整する際のパラメータの値を取得するための検出回路を不要とすることを目的とする。

本発明に係る車両用インバータ装置は、車両に搭載されたモータを駆動するためのインバータ回路を備えた車両用インバータ装置において、前記モータに要求される要求トルクに基づいて、前記インバータ回路に備えられたスイッチ素子のオン・オフ期間および当該スイッチ素子のスイッチング速度を制御するスイッチ制御回路を備えたことを特徴とする。

本発明に係る車両用インバータ装置の１つの態様では、前記スイッチ制御回路は、要求トルクが小さいほど、前記スイッチ素子のスイッチング速度が速くなるように、前記スイッチ素子のスイッチング速度を制御することを特徴とする。

本発明によれば、インバータ回路に備えられたスイッチ素子のオン・オフ期間および当該スイッチ素子のスイッチング速度をモータの要求トルクに基づいて制御することで、インバータ回路のスイッチング速度を調整する際のパラメータの値を取得するための検出回路を特別に設けることなく、インバータ回路のスイッチング損失の増大を抑制することができる。

本発明を実施するための最良の形態（以下、「実施形態」と称す）について、以下図面を用いて説明する。

図１は、本実施形態に係る車両用インバータ装置を示す回路構成図である。本実施形態では、モータに印加すべき要求電圧値に基づいて、インバータ回路に備えられたスイッチ素子のオン・オフ期間およびスイッチ素子のスイッチング速度を制御する車両用インバータ装置について説明する。

図１において、車両用インバータ装置は、例えばスイッチ素子としてＩＧＢＴを３相ブリッジ接続したインバータ回路を備えたインバータ部１と、インバータ部１の各ＩＧＢＴのゲート端子を制御する駆動指令回路２とを備える。駆動指令回路２は、電子制御ユニット（ＥＣＵ）の一部として構成することができ、例えば、車両に備えられた不図示のアクセルセンサによって検出されたアクセル開度からモータに対する要求トルクを算出し、当該要求トルクが得られるように、インバータ部１の各スイッチ素子のオン・オフ期間を制御する。なお、要求トルクの算出方法は、周知の方法を用いることができ、例えばアクセル開度と要求トルクとの関係を示す参照マップを予め駆動指令回路２がアクセス可能なメモリに記憶しておき、駆動指令回路２は当該メモリの参照マップを参照することで、検出したアクセル開度に対応する要求トルクを特定することで、要求トルクを算出してもよい。また、このように各スイッチ素子のオン・オフ期間を制御することで、モータ駆動用電源４から供給された直流電力をインバータ部１において３相交流電力に変換して、変換された３相交流電力によりモータ５を駆動し、モータ５に要求トルクを発生させる。

なお、電源４と並列に接続されるコンデンサ６は、電源電圧を安定させるためのいわゆる平滑コンデンサである。また、インバータ回路に設けられるスイッチ素子は、ＩＧＢＴには限らず、逆阻止サイリスタ、ＧＴＯ（Ｇａｔｅ Ｔｕｒｎ Ｏｆｆ ｔｈｙｒｉｓｔｏｒ）、バイポーラトランジスタ、ＭＯＳＦＥＴなどを用いても良い。

インバータ部１は、３相ブリッジ接続したＩＧＢＴ１１ａ〜１１ｆと、ＩＧＴＢ１１ａ〜１１ｆのそれぞれのコレクタ端子とエミッタ端子間に、カソード端子がコレクタ端子へ、アノード端子がエミッタ端子へそれぞれ接続されたＦＷＤ（Ｆｒｅｅ Ｗｈｅｅｌｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ：転流ダイオード）１２ａ〜１２ｆとを備える。また、インバータ部１は、ＩＧＢＴ１１ａ〜１１ｆのそれぞれのゲート端子に接続され、ＩＧＢＴ１１ａ〜１１ｆのそれぞれのオン・オフ期間およびスイッチング速度を制御するスイッチ制御回路１３ａ〜１３ｆを備える。

図２は、各スイッチ制御回路１３ａ〜１３ｆ（以下、総称して「スイッチ制御回路１３」と称す）のより詳細な回路構成の一例を示す図である。

スイッチ制御回路１３は、駆動指令回路２から供給されるオン・オフ期間制御信号Ｓ１に基づいてＩＧＢＴ１１のオン・オフ期間を制御するオン・オフ期間制御回路１３１と、駆動指令回路２から供給される速度制御信号Ｓ２に基づいてＩＧＢＴ１１のスイッチング速度を制御する速度制御回路１３２とを含む。

オン・オフ期間制御信号Ｓ１は、ＩＧＢＴ１１のオン・オフ制御を信号のＤｕｔｙ（デューティ）比で表した信号であり、バッファ５１を介して例えばフォトカプラ５２へ入力される。フォトカプラ５２では、光を媒体に信号を中継することにより、フォトカプラ５２の入力端子と出力端子とを絶縁し、入力端子側と出力端子側との電位の差を許容して信号を中継することができる。フォトカプラ５２の出力は、更にバッファ５３ａへ供給され、ゲート抵抗５４ａを介してオン・オフ期間制御回路１３１の出力として、オン・オフ期間制御回路１３１の出力に接続されたＩＧＢＴ１１のゲート端子に供給され、ＩＧＢＴ１１を駆動する。

一方、速度制御信号Ｓ２は、ＩＧＢＴ１１のスイッチング速度を信号のＤｕｔｙ比で表した信号であり、絶縁型ＰＷＭ／電圧変換回路５５へ入力される。絶縁型ＰＷＭ／電圧変換回路５５は、速度制御信号Ｓ２を、当該速度制御信号Ｓ２に示されるデューティ比に対応する電圧レベルに変換する。絶縁型ＰＷＭ／電圧変換回路５５の出力は、コンパレータ５６ａ〜５６ｆへ供給され、スイッチ制御回路１３の電源電圧を抵抗５７ａ〜５７ｇにより分圧して生成した各電圧レベルとそれぞれ比較される。なお、絶縁型ＰＷＭ／電圧変換回路５５は、例えば入出力信号をトランス結合することで容易に実現することができる。

また、コンパレータ５６ａ〜５６ｆの出力は、それぞれＡＮＤゲート５８ａ〜５８ｆへ供給され、ＡＮＤゲート５８ａ〜５８ｆにおいて、フォトカプラ５２の出力するオン・オフ期間制御信号Ｓ１から生成された信号と掛け合わせることにより、オン・オフ期間制御信号Ｓ１と同一のデューティ比を持つ信号に変換されてバッファ５３ｂ〜５３ｇへそれぞれお入力される。ここで、バッファ５３ａ及びバッファ５３ｂ〜５３ｇの出力は、それぞれ、ＩＧＢＴ１１のゲート端子をドライブするためのゲート抵抗５４ａ〜５４ｇを介して、並列にＩＧＢＴ１１へ供給される。すなわち、コンパレータ５６ａ〜５６ｆの出力によって、ＡＮＤゲート５８ａ〜５８ｆの内の複数のＡＮＤゲートが、入力されたフォトカプラ５２の出力信号をその出力へ伝達すると、ＩＧＢＴ１１のゲート端子は、複数のゲート抵抗によりドライブされることになる。

この時、スイッチ制御回路１３の電源電圧を抵抗５７ａ〜５７ｇにより分圧して生成した各電圧レベルは、抵抗５７ａと抵抗５７ｂとの接続点をＶ１、抵抗５７ｂと抵抗５７ｃとの接続点をＶ２、抵抗５７ｃと抵抗５７ｄとの接続点をＶ３、抵抗５７ｄと抵抗５７ｅとの接続点をＶ６とすると、Ｖ１＜Ｖ２＜Ｖ３＜Ｖ４＜Ｖ５＜Ｖ６であるため、速度制御信号Ｓ２によって絶縁型ＰＷＭ／電圧変換回路５５の出力の電圧値が上昇すると、コンパレータ５６ａから順に出力がＨＩＧＨ（アクティブ）になる。したがって、絶縁型ＰＷＭ／電圧変換回路５５の出力の電圧値が高ければ高い程、ＩＧＢＴ１１のゲート端子をドライブするゲート抵抗の数は多くなる。つまり、絶縁型ＰＷＭ／電圧変換回路５５の出力の電圧値が高ければ高い程、ＩＧＢＴ１１のスイッチング速度は短縮される。

このように速度制御回路１３２において、ＩＧＢＴ１１のスイッチング速度を制御することで、サージ電圧の発生を抑制する。

続いて、駆動指令回路２におけるＩＧＢＴ１１のスイッチング速度の求め方についてさらに説明する。

図３に示すように、ＩＧＢＴなどのスイッチ素子のスイッチング速度が同じであれば、サージ電圧は、モータ５の駆動電圧つまり要求トルクが小さいほど小さくなる傾向にある。一方、スイッチ素子の耐圧は、スイッチ素子の温度が同じであれば、大きな変動はない。したがって、モータ５の要求トルクが小さいほど、発生するサージ電圧が小さいため、サージ電圧がスイッチ素子の耐圧にまで達する可能性が低くなる。したがって、スイッチング速度を速くすることでサージ電圧が増加しても、モータ５の要求トルクが小さければ、サージ電圧がスイッチ素子の耐圧まで達する可能性が低くなり、スイッチ素子での損失も低減できる。

そこで、本実施形態では、要求トルクが小さいほどＩＧＢＴ１１のスイッチング速度を速める、つまり、要求トルクが小さいほどＩＧＢＴ１１のゲート抵抗を小さくする。より具体的は、駆動指令回路２は、図４に示すようなマップを予め不図示のメモリに記憶しておく。そして、駆動指令回路２は、当該マップを参照して、アクセル開度などに基づいて求められたモータ５の要求トルクに対応するゲート抵抗を求め、求めたゲート抵抗（つまり、スイッチング速度）の信号をＤｕｔｙ比で表した速度制御信号Ｓ２を生成し、スイッチ制御回路１３の速度制御回路１３２に入力する。

以上の通り、本実施形態では、駆動指令回路２は要求トルクに基づいて、インバータ回路に設けられるＩＧＢＴ１１のスイッチング速度を求め、求められたスイッチング速度に対応する速度制御信号Ｓ２を生成し、速度制御回路１３２に入力し、ＩＧＢＴ１１のスイッチング速度を調整する。このように、要求トルクに基づいてＩＧＢＴ１１のスイッチング速度を制御することで、インバータ部１のスイッチング損失の増大を抑制することができる。しかも、本実施形態では、スイッチング速度を求める際のパラメータとして、要求トルク（モータ５に対する電圧指令値）を用いるため、スイッチング速度を求める際のパラメータを検知するための電圧センサなどを追加せずに実現することができる。

なお、図２に示したスイッチ制御回路１３の回路構成は一例に過ぎず、ＩＧＢＴ１１のオン・オフ期間およびスイッチング速度（ゲート抵抗）を可変可能な構成であれば、他の構成でも構わない。例えば、図５に示すように、スイッチ制御回路１３は、抵抗７１と、選択して並列に接続される抵抗７２，７４および抵抗７２，７４を接続または切り離しするトランジスタ７３，７５によって構成してもよい。このように構成する場合、スイッチ制御回路１３は、駆動指令回路２からの速度制御信号Ｓ２の入力を受けて、当該速度制御信号Ｓ２によってトランジスタ７３及び／または７４を駆動し、抵抗７２及び／または７４を抵抗７１に並列接続する、あるいは切り離すことで、ＩＧＢＴ１１のゲート抵抗（スイッチング速度）を制御する。さらに、スイッチ制御回路１３は、駆動指令回路２からのオン・オフ期間制御信号Ｓ１の入力を受けて、上記のように制御されたゲート抵抗を介して当該オン・オフ期間制御信号Ｓ１に対する出力をＩＧＢＴ１１へ供給する。

また、上記の実施形態では、スイッチング速度を調整するためのパラメータとして、要求トルク（モータ５に対する電圧指令値）のみを用いる例について説明した。しかし、スイッチング速度を求めるためのパラメータとしては、要求トルクに加えて例えば、インバータ部１に入力される入力電流や、インバータ回路を構成する各ＩＧＢＴ１１の素子温度にも基づいて、スイッチング速度を調整してもよい。つまり、要求トルクに基づいてスイッチング速度を調整するとともに、入力電流や素子温度に基づいてスイッチング速度を調整してもよい。より具体的には、サージ電圧は、入力電流が小さいほど小さい。したがって、入力電流が小さいほどスイッチング速度を速めるように、各ＩＧＢＴ１１のスイッチング速度を調整してもよい。また、ＩＧＢＴ１１の素子耐圧は、素子温度が高くなるほど高い。したがって、素子温度が高いほどスイッチング速度を速めるように、各ＩＧＢＴ１１のスイッチング速度を調整してもよい。このように、要求トルクに加えて例えば、インバータ部１に入力される入力電流や、インバータ回路を構成する各ＩＧＢＴ１１の素子温度にも基づいて、スイッチング速度を調整することで、より一層スイッチング損失を低減することができる。

さらに、上記の実施形態では、説明を簡略化するために、モータ駆動用電源４から供給された直流電力をコンデンサ６を介して直接インバータ部１に供給する例について説明したが、モータ駆動用電源４とコンデンサ６との間に、昇圧回路を設け、モータ駆動用電源４から供給される直流電力を、要求トルクに応じて昇圧回路において昇圧した後、昇圧された電力をコンデンサ６を介してインバータ部１に供給してもよい。

本実施形態に係る車両用インバータ装置を示す回路構成図である。 スイッチ制御回路の回路構成の一例を示す図である。 サージ電圧とモータの要求トルクとの関係について説明するための図である。 駆動指令回路が要求トルクに基づいてスイッチ素子のスイッチング速度（ゲート抵抗）を求める際に参照するマップの一例を示す図である。 スイッチ制御回路の回路構成の一例を示す図である。

符号の説明

１ インバータ部、２ 駆動指令回路、４ モータ駆動用電源、５ モータ、６ コンデンサ、１１ ＩＧＢＴ、１２ ＦＷＤ、１３ スイッチ制御回路。

Claims (2)

1. 車両に搭載されたモータを駆動するためのインバータ回路を備えた車両用インバータ装置において、
   前記モータに要求される要求トルクに基づいて、前記インバータ回路に備えられたスイッチ素子のオン・オフ期間および当該スイッチ素子のスイッチング速度を制御するスイッチ制御回路を備えたことを特徴とする車両用インバータ装置。
2. 請求項１に記載の車両用インバータ装置において、
   前記スイッチ制御回路は、
   要求トルクが小さいほど、前記スイッチ素子のスイッチング速度が速くなるように、前記スイッチ素子のスイッチング速度を制御する、
   ことを特徴とする車両用インバータ装置。

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