JP4093678B2 - 電動機制御装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、電力変換半導体を用いて電動機を駆動する電動機制御装置において、電力変換半導体の過熱防止並びに電動機制御装置の温度管理に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の過熱保護機能を内蔵した電動機制御装置の第一の例を図１４に示す。この図１４に示す第一の例では、電動機として三相交流電動機、電力変換器としてインバータを用いている。
図１４において、１Ａは電動機制御装置、２は電動機、３Ａは制御演算装置、４Ａは電力変換半導体である。電力変換半導体４Ａは、三相のスイッチングアーム（Ｕ相アーム，Ｖ相アーム，Ｗ相アーム）と、過熱識別手段８Ａと、過熱保護手段９Ａとを備えている。スイッチングアームの一つであるＵ相アームは、上アームスイッチング素子５ａ、下アームスイッチング素子５ｂ、上アームフリーホイーリング素子６ａ、下アームフリーホイーリング素子６ｂ、上アームゲート開閉素子７ａ、下アームゲート開閉素子７ｂ、サーミスタ１０，１１で構成されている。尚、Ｖ相アーム，Ｗ相アームの構成も同様である。また、ここでは、スイッチング素子としてバイポーラトランジスタを用いており、図中、Ｃ，Ｇ，Ｅはコレクタ，ゲート，エミッタを示している。
一般的に、電動機制御装置１Ａは図示しない電源装置からの直流電力を交流電力に変換して電動機２に供給する。この際、直流電力から交流電力への変換は、電力変換半導体４Ａのパワー素子を構成するスイッチング素子をスイッチングすることにより実行される。尚、パワー素子は、スイッチング素子とフリーホイーリング素子とから構成される。また、スイッチングのために制御演算装置３Ａにて生成されるゲート駆動信号がゲート開閉素子を介してスイッチング素子のゲートＧに接続されている。スイッチングにより電流が導通するとスイッチング素子の内部損失にて発熱する。ここで過度に過熱するとスイッチング素子が破壊してしまうおそれがある。そのため、スイッチング素子が破壊しないよう温度を監視し、所定温度に達した場合に制御演算装置３Ａからスイッチング素子のゲートに至る信号を中断（ゲートカット）し、スイッチング素子に導通する電流を遮断して過熱保護が行われる。また、過熱保護を行っている場合には保護機能作動アラーム信号が制御演算装置３Ａへ伝送される。ここで図中、温度の検出とゲートカットを行うか否かの判定は、サーミスタ１０の信号を用いて過熱識別手段８Ａでなされる。また、ゲートカットを行うための信号生成は過熱保護手段９Ａでなされ、ゲートカットの実行はゲート開閉素子７ａ，７ｂでなされる。尚、サーミスタ１０はスイッチング素子の温度を正確に反映するためにスイッチング素子の近傍に配置される。
また、サーミスタ１０とは別に、制御演算装置３Ａへスイッチング素子の温度を通知する手段としてスイッチング素子の周辺にサーミスタ１１が配置される。制御演算装置３Ａでは、例えばマイコンまたはＡ／Ｄ変換器にてサーミスタ１１からスイッチング素子の温度情報を得、この温度情報（信号）を用いてスイッチング素子の温度が過度に上昇しないようゲート駆動信号を操作する。
【０００３】
また、第二の従来例として、特開平１０−２１０７９号公報に記載される電力変換半導体の温度信号を用いてスイッチング素子の過熱保護を行う制御装置がある。この第二の従来例は過熱保護を行う電動機制御装置を電気自動車に適用したものである。この第二の従来例を図１５に示す。
図１５において、２は電動機、１２はバッテリ、１３は電力変換器、１４は車輪、１５は電力変換用ＥＣＵ（電子コントロールユニット）、１６はアクセルペダル、１７は温度センサである。
電源装置たるバッテリ１２には電力変換器１３が接続され、電力変換器１３に車両駆動用の電動機２が接続されている。電動機２の駆動力が回転軸や差動歯車装置を介して車輪１４に伝達され、車両の推進力となる。電力変換器１３には電力変換半導体が備えられている。また、電力変換器１３は電力変換器用ＥＣＵ１５によって制御され、電力変換器１３内の電力変換半導体は電力変換器用ＥＣＵ１５から入力されるゲート駆動信号に従ってスイッチング動作する。このスイッチング動作によりバッテリ１２から供給される直流電力が交流電力に変換されて電動機２に供給される。
電力変換器用ＥＣＵ１５はアクセルペダル１６と接続されていて、運転者がアクセルペダル１６を踏み込んだ際の踏み込み量をアクセル開度Ａ％として検出する。但し、アクセルペダル全踏時のアクセル開度は１００％である。
また、電力変換器用ＥＣＵ１５は電力変換器１３のケース内に取付けられた温度センサ１７と接続され、スイッチング素子の温度ＩＮＶ−Ｔを得る。さらに、電力変換器用ＥＣＵ１５は素子温度ＩＮＶ−Ｔを基に単位時間当たりの素子温度の変化量を求めて温度変化率ΔＴ／Δｔとする。
電力変換器用ＥＣＵ１５はアクセル開度Ａ％から電動機２が出力すべきトルクを求め、求めたトルクをトルク指令Ｔ＊とする。さらに、次の２種類の制限率（第一制限率α，第二制限率β）をトルク指令Ｔ＊に乗算し、調整後のトルク指令Ｔ＊となす。このときの第一制限率αは素子温度ＩＮＶ−Ｔに基づいて定められる。素子温度ＩＮＶ−Ｔが制限開始温度Ｔ１以下のときは第一制限率αは１００％である。素子温度ＩＮＶ−Ｔが制限開始温度Ｔ１よりも高くなると、その時の素子温度ＩＮＶ−Ｔに対応する第一制限率αがトルク指令Ｔ＊に掛けられる。素子温度ＩＮＶ−Ｔが零出力温度Ｔ２以上に達すると第一制限率αが０になり、トルク指令Ｔ＊も０になる。
第二制限率βは温度変化率ΔＴ／Δｔに基づいて定められる。第二制限率は素子温度ＩＮＶ−Ｔが上記の制限開始温度Ｔ１以上のときに用いられる。温度変化率ΔＴ／Δｔが第一基準値δ１以下のときは第二制限率αは１００％である。温度変化率ΔＴ／Δｔが第一基準値δ１よりも高くなると、そのときの変化率ΔＴ／Δｔに対応する第二制限率βがトルク指令Ｔ＊に掛けられる。温度変化率ΔＴ／Δｔが第二基準値δ２以上になれば第二制限率βが０になり、トルク指令Ｔ＊も０になる。
電力変換器用ＥＣＵ１５は上記によって求められた調整後のトルク指令Ｔ＊に従い、これに対応する電動機通電電流の指令値Ｉ＊が求められる。そしてこの電流指令値Ｉ＊に基づき電力変換半導体のスイッチング素子をスイッチングすることにより、電動機２の発生トルクを調整後のトルク指令Ｔ＊と一致するように制御する。
以上のように、この第二の従来例においては、スイッチング素子温度が高く、かつ、急上昇した場合にはトルク指令を大幅に調整してスイッチング素子の過熱を防止する。スイッチング素子の温度が高いが急上昇していない場合には、急上昇時ほど大幅にトルク指令を調整しない。このようにして、必要な度合いに応じたトルク調整を行いつつ、スイッチング素子の過熱防止を図ることができる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上述した第一の従来例によれば、電力変換半導体におけるスイッチング素子の温度上昇に対して、スイッチング停止（ゲートカット）による過熱保護、並びに、温度上昇の監視による過熱防止が可能となる。
しかしながら第一の従来例によれば、過熱保護に用いる温度センサであるサーミスタ１０と，制御演算装置３Ａへスイッチング素子の温度を伝達する温度センサであるサーミスタ１１とが別々のものであり、また、配置で見た場合のスイッチング素子のチップからの距離，センサそれぞれの電気特性のばらつきにより、サーミスタ１０とサーミスタ１１が指すスイッチング素子の温度は精度良く一致させることが困難であった。このため、サーミスタ１０による過熱保護が発生するより以前に、サーミスタ１１による温度監視にて過熱防止のために、電力変換半導体４Ａをスイッチングするゲート信号を操作しようとした場合、ゲート信号を操作し始めるしきい値温度を低い値に設定してセンサのばらつきを吸収する必要がある。しかしこのように、しきい値温度を低い値に設定すると通常の動作時にも頻繁に過熱防止処理を行ってしまう可能性があり実用的ではない。逆に、しきい値温度を通常の（低くない）値に設定すると、センサのばらつき如何によっては、過熱防止処理を行うよりも以前にサーミスタ１０による過熱保護が行われ、スイッチング素子のスイッチングが停止して制御が中断してしまうおそれがある。かかる性質は、本発明が対象とする電動機制御装置においては好ましくない。
【０００５】
また、第二の従来例によれば、電力変換半導体のスイッチング素子の温度が急上昇した場合でも、スイッチング素子温度の単位時間当たりの変化率に応じて電動機のトルク指令しいては通電電流指令を調整することによりスイッチング素子の過熱を防止することができる。また、スイッチング素子温度が高い状態であるか低い状態であるかその度合いに応じてトルク指令の調整量を増減することで、必要度に応じたトルク調整を行う。
しかし、第二の従来例の場合、断線あるいはスイッチング素子の温度センサの故障など何らかの理由により電力変換器用ＥＣＵ１５に接続されるスイッチング素子の温度信号が急変した場合には、スイッチング素子温度の単位時間当たりの変化率が大きいことからトルク指令を大幅に調整することにより、電動機の発生トルクが急激に変化してしまう。この性質は、電気自動車を含めて車載用の電動機制御装置においては、制御の連続性を損なうため、車両の挙動に与える影響を考えると好ましくない。
【０００６】
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、電力変換半導体のパワー素子を構成するスイッチング素子の温度を速い応答性にて精度良く検出できて、スイッチング素子の過熱を適切に防止でき、さらには、制御の連続性を損なうことのない電動機制御装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明による電動機制御装置は、高電位側のスイッチング素子と低電位側のスイッチング素子とを直列接続したスイッチングアームを複数相、直流電力入力に並列接続し、上記各スイッチングアームの各スイッチング素子間より交流電力を交流電動機に供給するように構成するとともに、制御演算装置を具備し、この制御演算装置により上記各スイッチング素子のスイッチングを制御して上記電動機の通電電流を制御するようにした電動機制御装置において、各相毎の上記スイッチング素子の近傍にＰＮ接合を含む半導体素子を配置するとともに、各相毎のスイッチング素子の近傍に配置された各々の半導体素子に一定電流を流す定電流回路を接続するように構成して、上記一定電流の値が上記半導体素子自身を過熱させないような低い値に設定され、かつ、上記半導体素子のＰＮ接合間の順方向電圧値を検出することで上記スイッチング素子の温度を認識し、この認識したスイッチング素子の温度に基づいて上記スイッチング素子が過熱状態であると判定した場合に上記スイッチング素子をオフ状態に設定する過熱防止手段を備え、さらに、上記制御演算装置は、調整前の電流指令値の絶対値の上下限値を制限する電流指令上下限制限値を算出して出力する監視手段と、上記電流指令上下限制限値に基いて調整後の電流指令値を演算する電流指令値演算手段と、上記調整後の電流指令値に基いて上記電動機に通電する電流を制御する電流制御手段とを備え、上記監視手段は、上記電流指令値演算手段から出力される調整前の電流指令値と過熱識別手段から出力される各相のスイッチング素子温度とを入力して複数のゲインを算出するゲイン算出手段と、上記電流指令上下限制限値を出力する出力手段とを備え、上記ゲイン算出手段が、調整前の電流指令値と温度余裕と温度余裕変化率とを用いて第１ゲインを算出する第１ゲイン算出手段と、温度余裕変化率の変動成分を用いて第２ゲインを算出する第２ゲイン算出手段と、各相のスイッチング素子温度を用いて第３ゲインを算出する第３ゲイン算出手段とを備え、上記第１ゲイン算出手段が、第１の定数と各相のスイッチング素子温度のうちの最大値との差である温度余裕を一定の演算周期毎に求めて、演算周期当たりの温度余裕変化率を求め、演算周期当たりの温度余裕変化率に第１の調整ゲインを乗じた第１の値と第２の定数との差を求めて、この差と上記温度余裕に第２の調整ゲインを乗じた第２の値とを乗算して第３の値を算出し、かつ、演算周期毎に入力される複数の調整前の電流指令値の絶対値の総和が所定値以上になった場合に徐々に小さくなる第３の調整ゲインを算出して、この第３の調整ゲインと第３の値とを乗算することによって第１ゲインを算出し、第２ゲイン算出手段が、現在の温度余裕変化率と前回の温度余裕変化率との差である周期当たりの温度余裕変化率の変動成分を算出し、この変動成分と第３の定数とを比較して、変動成分が当該第３の定数よりも大きい場合には、時間の経過に対応して徐々に減少する第２ゲインを算出し、第３ゲイン算出手段が、各相のスイッチング素子温度のうちの最大値と最小値との差を求め、この差が第４の定数よりも大きい場合、又は、当該最小値が第５の定数よりも小さい場合には、時間の経過に対応して徐々に減少する第３ゲインを算出し、出力手段が、第１ゲイン乃至第３ゲインのうちの最小値を上記電流指令上下限制限値として出力したことを特徴とする。
また、上記第１ゲイン算出手段、第２ゲイン算出手段、第３ゲイン算出手段に加えて、電動機温度信号を用いて第４ゲインを算出する第４ゲイン算出手段を備えたゲイン算出手段を構成し、第４ゲイン算出手段が、第６の定数と電動機温度信号との差である電動機温度余裕を求めて、この電動機温度余裕に第４の調整ゲインを乗じた第４の値を算出し、かつ、上記演算周期毎に入力される複数の調整前の電流指令の絶対値の総和が所定値以上になった場合に徐々に大きくなる第５の調整ゲインを算出して、この第５の調整ゲインと第７の定数との差を求めて、この差と第４の値とを乗算することによって第４ゲインを算出し、出力手段が、第１ゲイン乃至第４ゲインのうちの最小値を上記電流指令上下限制限値として出力したことを特徴とする。
また、上記制御演算装置を、上記スイッチング素子の温度とスイッチング素子の出力端子電圧値とに基づいて上記スイッチング素子に通電する電流値を算出する通電電流算出手段を備えるものとした。
また、上記過熱防止手段に、所定温度での上記半導体素子の順方向電圧値を予め記憶しておき、上記スイッチング素子の温度が変化した場合の変動を絶対量として認識させるようにした。
また、上記過熱防止手段は、上記スイッチング素子の温度を上記制御演算装置にアナログ信号で伝えるようにしたり、上記スイッチング素子の過熱防止を現在実施しているか否かの情報を上記制御演算装置にディジタル信号で出力するようにする。また、上記各相のスイッチング素子のうち最も温度の高いものを認識し、この最も高い温度に基づいて判定を行うようにする。
また、上記スイッチング素子が形成されたチップ領域内、あるいはこのチップ領域のごく近傍に上記半導体素子を配置するようにした。
また、上記半導体素子としては、例えば、温度検出ダイオードを用いる。上記スイッチング素子として例えばバイポーラトランジスタを用い、上記電圧検出手段で、このスイッチング素子としてのバイポーラトランジスタのコレクタ−エミッタ間電圧値を検出するようにする。
【０００８】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
以下、本発明における電動機制御装置の実施の形態１を図１，２に基づいて説明する。
図１は、本発明の電動機制御装置の構成例を示すブロック図である。尚、ここでは、車載用を例にして説明するが、車載用以外にも使用できることはいうまでもない。
図１において、１は車載用電動機制御装置、２は電動機、３は制御演算装置、４は車載用電力変換半導体である。電力変換装置としての車載用電力変換半導体４は、三相のスイッチングアーム（Ｕ相アーム，Ｖ相アーム，Ｗ相アーム）と、過熱識別手段８と、過熱保護手段９と、後述の温度検出用ダイオードに電流を供給する定電流回路１８とを備えている。スイッチングアームの一つであるＵ相アームは、上アームスイッチング素子５ａ、下アームスイッチング素子５ｂ、上アームフリーホイーリング素子６ａ、下アームフリーホイーリング素子６ｂ、上アームゲート開閉素子７ａ、下アームゲート開閉素子７ｂ、温度検出ダイオード１９で構成されている。尚、Ｖ相アーム，Ｗ相アームの構成も同様である。また、スイッチング素子としてはバイポーラトランジスタを用いている。
尚、１個のスイッチング素子と１個のフリーホイーリングダイオードとにより１個のパワー素子が構成される。即ち、三相交流の一相に当たり２個のパワー素子が直列接続されており、直流電力入力の高電位側に連なる側を上アーム、低電位側に連なる側を下アームと呼ぶ。パワー素子を構成するスイッチング素子の温度センサとして機能する上記温度検出ダイオード１９はパワー素子と同一基板上に形成されている。
上記過熱識別手段８は、ＰＮ接合を含む半導体素子である上記温度検出用ダイオード１９のアノード−カソード間（ＰＮ接合間）に発生する順方向電圧値を入力して、この入力した順方向電圧値の変動を読み取って過熱保護を行うか否かを判定するものである。この過熱識別手段８は、過熱保護を行うと判定した場合にゲート信号の中断指示信号（以下、ゲートカット指示信号という）を過熱保護手段９に出力する。尚、過熱識別手段８と過熱保護手段９とで過熱防止手段を構成する。
過熱保護手段９は、上記過熱識別手段８Ａからのゲートカット指示信号を入力した場合に、ゲート開閉素子にこのゲート開閉素子をオフにする信号を出力して、制御演算装置３からスイッチング素子に至るゲート信号の伝達を中断させる。
即ち、この実施の形態１の車載用電動機制御装置１は、上述した構成を持つ車載用電力変換半導体４と制御演算装置３とで構成される。
【０００９】
次に動作を説明する。
車載用電力変換半導体４は図示しない電源装置に接続されており、入力した直流電力を交流電力に変換して電動機２に供給する。この際、直流電力から交流電力への変換は車載用電力変換半導体４のパワー素子を構成するスイッチング素子をスイッチングすることにより実行される。制御演算装置３では電動機２に所望の動作を行わせるべく、通電する電流の指令値を演算し、電流指令値どおりの電流が流れるようにスイッチング素子をＯＮ／ＯＦＦするゲート信号を生成する。ゲート信号は各相の上アーム，下アームのスイッチング素子のゲートＧに伝達される。
スイッチングにより電流が通電するとスイッチング素子が内部損失にて発熱する。スイッチング素子が発熱するとスイッチング素子が過熱破損するおそれがある。そのため、過熱識別手段８にてスイッチング素子の温度を検出し、過熱保護を行うためにゲート信号のゲートカットを行うか否かを判定する。過熱識別手段８はゲートカットを行うと判定した場合は、過熱保護手段９にゲートカット指示信号を送る。過熱保護手段９はゲートカット指示信号を受けると、ゲート開閉手段にゲートカット信号を送ってゲート開閉手段を閉じ、制御演算手段３からスイッチング素子へのゲート信号の伝達を中断させる。
過熱識別手段８によるスイッチング素子の温度検出は、具体的には次のように行われる。定電流回路１８から流れ出る一定電流ｉｆは温度検出ダイオード１９のアノード側に流れ込んでカソード側から流れ出る。この時の通電電流は温度検出ダイオード１９に流れ込む際の極性から順方向電流と呼ばれる。また、温度検出ダイオード１９のアノード−カソード間に発生する電位差は順方向電圧ｖｆと呼ばれる。過熱識別手段８は温度検出ダイオード１９のアノードとカソードに接続されており、順方向電圧ｖｆを入力する。
ここで、温度検出ダイオード１９の順方向電圧ｖｆと順方向電流ｉｆとの間には図２に示すような特性が成り立つ。即ち、温度検出ダイオード１９の接合部分温度Ｔｊに依存して、順方向電流ｉｆに対する順方向電圧ｖｆが変動する。変動の方向は、接合部分温度Ｔｊの上昇に対して順方向電圧の低下である。
温度検出ダイオード１９に一定の順方向電流ｉｆが通電した場合の順方向電圧ｖｆは、接合部分温度Ｔｊに対して図３に示すような特性を持つ。即ち、接合部分温度Ｔｊが上昇するのに対して順方向電圧ｖｆは減少する。従って、一定の順方向電流が通電される温度検出ダイオード１９の順方向電圧ｖｆの変動を読み取れば、温度検出ダイオード１９の接合部分温度Ｔｊの変化を検知できる。
つまり、過熱識別手段８は温度検出ダイオード１９の順方向電圧ｖｆを入力して温度検出ダイオード１９の接合部分温度Ｔｊの変動を認識する。このとき、温度検出ダイオード１９がスイッチング素子の近傍に配置されること及び温度検出ダイオード１９の順方向電流ｉｆをダイオード自身が過熱しない低い値に設定することにより、温度検出ダイオード１９の接合部分温度Ｔｊをスイッチング素子の温度と読み替えることができる。
【００１０】
以上のように、パワー素子と同一基板上に形成されスイッチング素子の近傍に配置される温度検出ダイオードに一定の順方向電流を通電し、温度検出ダイオードの順方向電圧を読み取ることでスイッチング素子の温度を認識することが可能となる。この温度検出は、従来用いていたサーミスタによる温度検出よりも格段に早く応答するため、スイッチング素子の温度上昇を短時間で精度良く検出することでスイッチング素子の過熱保護特性を向上することが可能となる。
【００１１】
実施の形態２．
過熱識別手段８に、所定温度での温度検出ダイオード１９の順方向電圧値を記憶しておくようにしてもよい。
図３を用いて説明する。温度Ｔｊ０での順方向電圧Ｖｆ０とする。ここからスイッチング素子の温度が変動した結果、検出した順方向電圧値がＶｆ１であったとすると、現在の温度Ｔｊ１は｛Ｔｊ０−（Ｖｆ１−Ｖｆ０）｝に見合った温度変動として決まる。ここで接合部分温度の変化率ΔＴｊに対する順方向電圧値の変化量Δｖｆは接合部分に依らず一定であることから、ある順方向電圧値に対する接合部分温度の絶対値が定まれば、順方向電圧が何れに変動しても、その時々の接合部分の絶対量を検出することができる。そのため、所定の温度、例えば、常温時などのスイッチング素子の温度を過熱識別手段８Ａに依らず認識できる温度での温度検出ダイオード１９の順方向電圧値を記憶することにより、その後、スイッチング素子の温度が変動したとしても接合部分の温度，すなわち、スイッチング素子の温度を絶対量として速い追従性で精度良く算出することができる。
【００１２】
実施の形態３．
図４に示すように、過熱識別手段８に、アナログ信号としてのスイッチング素子の温度情報（信号）を制御演算装置３へ伝送する機能を付加してもよい。
即ち、定電流回路１８によって温度検出ダイオード１９に順方向電流が通電されると、この時の温度検出ダイオード１９の順方向電圧ｖｆが過熱識別手段８に入力される。過熱識別手段８では実施の形態１あるいは実施の形態２と同様にスイッチング素子の温度を算出する。続いて、算出したスイッチング素子温度に基づいて、過熱保護を行うためにゲート信号のゲートカットを行うか否かを判定する。過熱識別手段８はゲートカットを行うと判定した場合は、過熱保護手段９にゲートカット指示信号を送る。これとともに、過熱識別手段８は制御演算装置３へスイッチング素子温度の絶対量をアナログ信号として伝達する。制御演算装置３は入力したスイッチング素子の温度情報を用いてパワー素子を構成するスイッチング素子のゲート信号を操作する。ここで、スイッチング素子の温度情報は過熱識別手段８Ａの内部にてゲートカットを行うか否かの判定条件に用いるものと同等であることから、スイッチング素子の温度がゲートカットを行うしきい値温度に達する以前にスイッチング素子の発熱が抑制されるようゲート信号を操作すれば、車載用電動機制御装置１が制御動作中、過熱保護のためのゲートカットによって制御動作が中断して車両の挙動に大きな影響を与えてしまうことはない。
ここで、過熱識別手段８から制御演算装置３へ伝送されるスイッチング素子温度情報は、例えば、スイッチング素子の温度の単位時間当たりの変化量，車載用電動機制御装置１が始動してからのスイッチング素子の温度の増減など、あるいはこれらの組合わせであってもよい。
【００１３】
実施の形態４．
過熱識別手段８に、過熱保護を実施しているか否かの情報をディジタル信号で制御演算装置３へ伝送する機能を付加してもよい。
即ち、過熱識別手段８は算出したスイッチング素子温度に基づいて、過熱保護を行うためにゲート信号のゲートカットを行うか否かを判定する。過熱識別手段８はゲートカットを行うと判定した場合は、過熱保護手段９にゲートカット指示信号を送るとともに、ディジタル信号として制御演算装置３へ現在過熱保護を実施しているか否かを伝達する。ここで言うディジタル信号は、論理素子のＨｉｇｈ／Ｌｏｗの２値レベルであっても良いし、２値レベルの時間的な組み合わせによるシリアル通信であってもよい。
続いて、制御演算装置３は入力した現在過熱保護を実施しているか否かの情報に基づいて、過熱保護が解除されるまでの間に車両の挙動の安全性を確保するための所定の動作を行ったり、過熱保護が早期に解除されるよう例えば放熱のためのファン、ブロアの駆動制御を行う。上記所定の動作としては、エンジン車におけるオーバーヒートワーニング表示のように、ランプや音声等によって運転者に警告を発したり、また、ハイブリットカーにて駆動電動機の制御を行うような場合は、過熱保護のために通電電流の制御を行っている間は電動機の出力も抑制されることから、電動機の出力不足を見越したエンジンの出力制御を行うといった動作が考えられる。
ここで、過熱識別手段８Ａから制御演算装置３へ伝達される情報は、例えば、過去過熱保護が実施されたか否か、過去過熱保護が一定回数以上実施されたか否か、過熱保護が実施されるしきい値温度よりも所定の値分低い温度まで上昇したか否か、現時点より一定時間後に過熱保護が実施されるか否かなど、あるいはこれらの組み合わせであってもよい。
【００１４】
実施の形態５．
各相のスイッチング素子の発熱状況に応じて過熱保護を実施できる形態を図５に基づいて説明する。ここでは、Ｕ，Ｖ，Ｗの各相のアームは、実施の形態１と同様に、温度検出ダイオードがパワー素子と同一基板上に形成されている。尚、Ｖ相アーム，Ｗ相アームの構成はＵ相アームの構成と同様であるが、図においてはそれぞれ異なるアルファベットの符号を付してある。
各相の温度検出ダイオード１９ａ，１９ｂ，１９ｃは過熱識別手段８にパラレルに接続されており、また、各相の温度検出ダイオード１９ａ，１９ｂ，１９ｃには定電流回路１８が接続されている。また、各相の温度検出ダイオード１９ａ，１９ｂ，１９ｃを過熱識別手段８にパラレルに接続しているのは、温度検出ダイオード１９ａ，１９ｂ，１９ｃの順方向電圧Ｖｆｕ，Ｖｆｖ，Ｖｆｗを検出する場合において、基準電位を１つにでき、入力線が４本ですむようになるからである。但し、順方向電圧Ｖｆｕ，Ｖｆｖ，Ｖｆｗを検出できるように接続するのであれば接続の仕方は問わない。
【００１５】
次に動作を説明する。
過熱識別手段８は各温度検出ダイオード１９ａ，１９ｂ，１９ｃの各順方向電圧Ｖｆｕ，Ｖｆｖ，Ｖｆｗを入力し、続いて、各温度検出ダイオード１９ａ，１９ｂ，１９ｃの接合部分温度Ｔｊｕ，Ｔｊｖ，Ｔｊｗの変動を認識する。このとき、各温度検出ダイオード１９ａ，１９ｂ，１９ｃがスイッチング素子の近傍に形成されること及び温度検出ダイオード１９ａ，１９ｂ，１９ｃの順方向電流ｉｆをダイオード自身が過熱しない低い値に設定することにより、Ｕ相温度検出ダイオード１９ａの接合部分温度ＴｊｕをＵ相スイッチング素子の温度と，Ｖ相温度検出ダイオード１９ｂの接合部分温度ＴｊｖをＶ相スイッチング素子の温度と，Ｗ相温度検出ダイオード１９ｃの接合部分温度ＴｊｗをＷ相スイッチング素子の温度と読み替えることができる。
【００１６】
以上のように、各相のスイッチングアーム毎に、温度検出ダイオードをパワー素子と同一基板上に形成し、温度検出ダイオードに一定の順方向電流を通電し、温度検出ダイオードの順方向電圧を読み取ることで各相のスイッチング素子の温度を精度良く検出することが可能となる。従って、判定の基準となるスイッチング素子温度を各相のスイッチング素子の内で最大の温度とすることにより、各相のスイッチング素子の発熱状況に偏りが見られたとしても最も過熱しているスイッチング素子の温度に応じて的確に過熱保護を実施する事が可能となる。
【００１７】
実施の形態６．
尚、図６に示すように、一単位のパワー素子は、半導体基板上でスイッチング素子をなすチップ領域とフリーホイーリングダイオードをなすチップ領域とから構成される。ここで、スイッチング素子は小単位の電流を通電するスイッチング素子が複数個並列された形態となる。従って、スイッチング素子に電流が通電して発熱することを鑑みるとスイッチング素子をなすチップ領域内の温度を検出するのが望ましい。よって、温度検出ダイオードをスイッチング素子のチップ領域にごく近接して、あるいはチップ領域の内部に形成することにより、過熱保護の対象であるスイッチング素子のチップ温度を熱伝導の遅れなく精度良く検出することが可能となる。
【００１８】
実施の形態７．
以下、温度監視手段を内蔵した制御演算装置３を組み合わせた車載用電動機制御装置について図７，図８に基づいて説明する。
図７は実施の形態７による車載用電動機制御装置のブロック構成図である。図７において、３は制御演算装置であり、温度監視手段２０，電流指令演算手段２１，電流制御手段２２を備えている。尚、車載用電力変換半導体４の構成は図５と同じである。
図８は上記温度監視手段の内部構成図であり、図において、３０は絶対値回路、３１ａ，３９，４６は１回演算周期前出力器、３１ｂは２回演算周期前出力器３１ｍはｍ回演算周期前出力器、３２は加算器、３３はゲイン算出マップ、３４は最大値出力器、３５，６１は最小値出力器、３６，４２，５０，５８は定数出力器、３８，４１は係数器、３７，４０，４３，４７，５３は減算器、４４，４５は乗算器、４８，５４，５５は比較器、４９，５７はゲイン演算出力手段、５１，５９は時間ゲインテーブル、５２，６０は論理選択スイッチ、５６は論理演算器である。
【００１９】
次に動作を説明する。
まず、図５と同様に、各温度検出ダイオード１９ａ，１９ｂ，１９ｃに順方向電流ｉｆが通電され、続いて、過熱識別手段８は各温度検出ダイオード１９ａ，１９ｂ，１９ｃの順方向電圧Ｖｆｕ，Ｖｆｖ，Ｖｆｗを入力して各相スイッチング素子の温度Ｔｊｕ，Ｔｊｖ，Ｔｊｗを算出する。このとき、実施の形態２のように、所定の温度，例えば、常温時などスイッチング素子の温度を過熱識別手段８に依らず認識できる温度での各温度検出ダイオード１９ａ，１９ｂ，１９ｃの順方向電圧Ｖｆｕ，Ｖｆｖ，Ｖｆｗを記憶することにより、スイッチング素子の温度を絶対値として精度良く算出することが可能である。過熱識別手段８は算出したＴｊｕ，Ｔｊｖ，Ｔｊｗに基づいて過熱保護を行うためにゲートカットを行うか否かを判定し、ゲートカットを行うと判定した場合は過熱保護手段９へ信号が伝達される。さらに、過熱識別手段８から各相スイッチング素子温度信号としてスイッチング素子温度Ｔｊｕ，Ｔｊｖ，Ｔｊｗが出力される。
【００２０】
次に、電流指令演算手段２１から出力される調整前の電流指令Ｉ＊並びにスイッチング素子温度Ｔｊｕ，Ｔｊｖ，Ｔｊｗが温度監視手段２０へ入力されると、電流指令上下限制限値ＬＭＴ（Ｉ＊）が電流演算指令手段２１に出力される。
具体的には、図８に示すように、スイッチング素子温度Ｔｊｕ，Ｔｊｖ，Ｔｊｗが最大値出力器３４に入力されるとＴｊｕ，Ｔｊｖ，Ｔｊｗの内の最大値Ｔｊｍａｘが選択されて出力される。そして、減算器３７は、定数出力器３６より出力された定数Ｔｍａｘ＿Ｔｊから最大値Ｔｊｍａｘを減じて温度余裕Ｔｊｍａｒｇｉｎを出力する。ここで定数Ｔｍａｘ＿Ｔｊはスイッチング素子が過熱破損する温度相当の値が設定されている。続いて係数器３８でＴｊｍａｒｇｉｎがＫａ倍されて電動機２に通電すべき電流の上下限値相当の値を出力する。つまり、温度余裕Ｔｊｍａｒｇｉｎに応じて通電電流が制限される仕組みであり、ゲインＫａは通電電流量に対するスイッチング素子の温度上昇度合い、放熱性能などによって定められる。
また、温度余裕Ｔｊｍａｒｇｉｎは１回演算周期前出力器３９に入力されて演算周期１回前の温度余裕Ｔｊｍａｒｇｉｎ（ｎ−１）が出力される。ここで、演算周期は、時間の経過を離散的に取り扱うものであり、周期をΔｔで表す。また、現在周期の温度余裕はＴｊｍａｒｇｉｎ（ｎ）、ｍ回演算周期前の温度余裕はＴｊｍａｒｇｉｎ（ｎ−ｍ）という具合に表現する。次に減算器４０では、現在周期の温度余裕Ｔｊｍａｒｇｉｎ（ｎ）から１回前周期の温度余裕Ｔｊｍａｒｇｉｎ（ｎ−１）が減じられ、周期Δｔ当たりの温度余裕変化率（Ｔｊｍａｒｇｉｎ（ｎ）−Ｔｊｍａｒｇｉｎ（ｎ−１））／Δｔ＝ΔＴｊｍａｒｇｉｎ／Δｔが出力される。続いて係数器４１に変化率（ΔＴｊｍａｒｇｉｎ／Δｔ）が入力され、ゲインＫｂが乗じられる。減算器４３では、定数出力器４２の出力から係数器４１の出力が減じられて、１．０−Ｋｂ×（ΔＴｊｍａｒｇｉｎ／Δｔ）が出力される。続いて、乗算器４４により係数器３８の出力と減算器４３の出力とが乗算される。ここで、１．０−Ｋｂ×（ΔＴｊｍａｒｇｉｎ／Δｔ）を乗算することは、電動機２に通電すべき電流の上下下限値相当の値（Ｋｂ×Ｔｊｍａｒｇｉｎ）を周期Δｔ当たりの温度余裕変化率（ΔＴｊｍａｒｇｉｎ／Δｔ）に応じて調整することに相当している。即ち、温度余裕の減少度合いが大きいならば電流の上下限制限値を小さく設定し、逆に温度余裕の増加度合いが大きいならば電流の上下限制限値を大きく設定する。
【００２１】
一方、電流指令演算手段２１から出力される調整前電流指令Ｉ＊がフィードバックされて絶対値回路３０に入力され、調整前電流指令Ｉ＊の絶対値｜Ｉ＊｜が出力される。｜Ｉ＊｜を各演算周期前出力器３１ａ〜３１ｍに入力すると、それぞれ｜Ｉ＊｜（ｎ−１），｜Ｉ＊｜（ｎ−２），………｜Ｉ＊｜（ｎ−ｍ）が出力される。続いて、｜Ｉ＊｜（ｎ−１），｜Ｉ＊｜（ｎ−２），………｜Ｉ＊｜（ｎ−ｍ）並びに｜Ｉ＊｜（ｎ）を加算器３２に入力して総和Σ｜Ｉ＊｜を得た後、ゲイン算出マップ３３に入力すると総和Σ｜Ｉ＊｜に応じた調整ゲイン量が出力される。乗算器４５では、乗算器４４の出力とゲイン算出マップからの出力とが掛け合わされて出力される。即ち、過去ｍ×Δｔの期間の調整前電流指令Ｉ＊の絶対値の総和Σ｜Ｉ＊｜の量に応じて電動機２に通電すべき電流の上下限制限値を調整することに相当する。ゲイン算出マップ３３は通電電流量に対する放熱性能などによって定められる。
【００２２】
また、スイッチング素子温度Ｔｊｕ，Ｔｊｖ，Ｔｊｗが最小値出力器３５に入力され、Ｔｊｕ，Ｔｊｖ，Ｔｊｗの内の最小値Ｔｊｍｉｎが出力される。つづいて、減算器５３により、最大値出力器３４の出力Ｔｊｍａｘと最小値出力器３５の出力Ｔｊｍｉｎとの差，即ち、各相スイッチング素子の最高温度と最小温度の差（Ｔｊｍａｘ−Ｔｊｍｉｎ）が出力される。次に減算器５３の出力を比較器５４に入力すると（Ｔｊｍａｘ−Ｔｊｍｉｎ）と定数Ｔａの大小が判定され、（Ｔｊｍａｘ−Ｔｊｍｉｎ）＞Ｔａの場合は論理１が出力され、（Ｔｊｍａｘ−Ｔｊｍｉｎ）≦Ｔａの場合は論理０が出力される。また、最小値出力器３５の出力Ｔｊｍｉｎが比較器５５に出力されて、定数Ｔｂと比較され、Ｔｂ＞Ｔｊｍｉｎの場合は論理１が出力され、Ｔｂ≦Ｔｊｍｉｎの場合は論理０が出力される。次にＯＲ論理演算器５６による論理演算により１か０が出力される。
ＯＲ論理演算器５６の出力がゲイン演算手段５７に入力されて、電動機２に通電すべき電流の上下限制限値相当の値が出力される。ここで、ゲイン演算手段５７は定数出力器５８，時間ゲインテーブル５９，及び論理選択スイッチ６０とから構成されている。ゲイン演算手段５７は、入力する論理が０の場合には定数出力器５８の値Ｇａを出力し、入力する論理が１の場合には時間ゲインテーブル５９の値Ｇｂ（ｔ）を出力するものである。時間ゲインテーブル５９の詳細を図９に示す。図９中、横軸はイベント発生時刻からの時間ｔ、縦軸はゲイン出力値を表す。即ち、ゲイン演算手段への入力論理が０から１に切り替わった時刻をイベント発生時刻として、これ以降の経過時間に対応したゲイン出力値Ｇｂを出力していく。図９中のゲインＧｂは、イベント発生直後の値がＧａであり、徐々に減少していってやがて０になる。これはすなわち、温度検出ダイオード１９ａ〜１９ｃから過熱識別手段８を経て温度監視手段２０へ至る信号伝達の間に、ダイオードの破損，信号線の断線などの何らかの故障が発生した場合に、各相のスイッチング素子間の温度差（Ｔｊｍａｘ−Ｔｊｍｉｎ）が急に大きくなったことや最低温度Ｔｊｍｉｎが急低下したことを検知し、これに対応して制御の連続性を損なうことなく電動機２の動作を時間的に緩やかに制限していくことになる。
【００２３】
また、減算器４０の出力である温度余裕変化率（ΔＴｊｍａｒｇｉｎ／Δｔ）を１回演算周期前出力器４６に入力すると１回前周期の温度余裕変化率（ΔＴｊｍａｒｇｉｎ／Δｔ（ｎ−１））が出力される。続いて、減算器４７にて現在周期の温度余裕変化率（ΔＴｊｍａｒｇｉｎ／Δｔ（ｎ））から１回前周期の温度余裕変化率（ΔＴｊｍａｒｇｉｎ／Δｔ（ｎ−１））が減じられ、周期Δｔ当たりの温度余裕変化率の変動成分が出力される。次に比較器４８にて、減算器４７の出力である温度余裕変化率の変動成分と定数Ｄａの大小が比較され、（温度余裕変化率の変動成分）＞定数Ｄａの場合は論理１が出力され、（温度余裕変化率の変動成分）≦定数Ｄａの場合は論理０が出力される。
比較器４８の出力がゲイン演算手段５７に入力されて、電動機２に通電すべき電流の上下限制限値相当の値が出力される。ここで、ゲイン演算手段４９は、定数出力器５０，時間ゲインテーブル５１，及び論理選択スイッチ５２とから構成されている。ゲイン演算手段４９は、入力する論理が０の場合には定数出力器５０の値Ｇｃを出力し、入力する論理が１の場合には時間ゲインテーブル５１の値Ｇｄ（ｔ）を出力するものである。時間ゲインテーブル５１の詳細は図９と同様である。即ち、ゲイン演算手段への入力論理が０から１に切り替わった時刻をイベント発生時刻として、これ以降の経過時間に対応したゲイン出力値Ｇｄを出力していく。ゲインＧｂは、イベント発生直後の値がＧｃであり、徐々に減少していってやがて０になる。これはすなわち、温度検出ダイオード１９ａ〜１９ｃから過熱識別手段８を経て温度監視手段２０へ至る信号伝達の間に、ダイオードの破損，信号線の断線などの何らかの故障が発生した場合に、各相のスイッチング素子の最高温度差が急に大きくなったことを検知し、これに対応して制御の連続性を損なうことなく電動機２の動作を時間的に緩やかに制限していくことになる。
【００２４】
次に、最小値出力器６１は、乗算器４５，ゲイン演算手段４９，５７の出力を入力して、その内の最小値を電流指令上下限制限値ＬＭＴ（Ｉ＊）として出力する。
【００２５】
電流指令演算手段２１は、温度監視手段２０から出力されてくる電流指令上下限制限値ＬＭＴ（Ｉ＊）を入力して、調整前電流指令Ｉ＊の絶対値の上下限をＬＭＴ（Ｉ＊）に制限し、これを調整後の電流指令Ｉ＊＊として電流制御手段２２に出力する。
電流制御手段２２は、電動機２の通電電流が電流指令Ｉ＊＊どおりになるように各スイッチング素子のゲート信号を生成して出力する。尚、電流指令演算手段２１での電流指令の演算方法、及び電流制御手段２２での電流制御方法、ゲート信号生成方法は公知の様々な手法が存在するので、ここでは詳述しない。
【００２６】
以上のように、実施の形態７によれば、スイッチング素子の温度と電動機への電流指令値とを時系列的に監視する構成としたので、スイッチング素子の温度上昇度合いに応じた適切な過熱防止が可能となり、さらに、温度検出ダイオードの損傷，温度情報信号の断線などを検知して、これに応じて電動機の動作を緩やかに変化させることで、制御の連続性を損なうことなく車両の挙動に影響を与えずにすむという効果がある。
【００２７】
実施の形態８
実施の形態７の態様に加えて、電動機の過熱防止機能を備えたものとしてもよい。すなわち、本実施の形態８の温度監視手段は、図１０に示すように、電動機温度センサ７０からの電動機温度信号も入力するものである。
温度監視手段２０は、図８の構成に加えて、図１１に示すように、電動機２の温度情報を入力して処理する構成を備えている。
【００２８】
次に動作を説明する。
尚、図８と同じ部分の動作は同じなので省略する。
電動機温度センサ７０より電動機２の温度Ｔｍｔが検出され、温度監視手段２０に入力されると、減算器７２において、定数出力器７１からの定数Ｔｍａｘ＿ＭＴから上記Ｔｍｔが減じられて電動機温度余裕Ｔｍｔｍａｒｇｉｎが出力される。ここで、定数Ｔｍａｘ＿ＭＴは電動機２が過熱損傷する温度相当の値に設定される。続いて電動機温度余裕Ｔｍｔｍａｒｇｉｎは係数器７３によりゲインＫｃが乗じられて電動機２に通電すべき電流の上下限制限値相当の値として出力される。つまり、電動機温度余裕Ｔｍｔｍａｒｇｉｎの値に応じて通電電流が制限される仕組みであり、ゲインＫｃは通電電流量に対する電動機２の温度上昇度合い、放熱性能などによって定められる。また、加算器３２が出力する、｜Ｉ＊｜（ｎ−１），｜Ｉ＊｜（ｎ−２），………｜Ｉ＊｜（ｎ−ｍ）並びに｜Ｉ＊｜（ｎ）の総和Σ｜Ｉ＊｜がゲイン算出マップ７４に入力されると総和Σ｜Ｉ＊｜の量に応じた調整ゲイン量が出力される。ここで、調整ゲイン量は総和Σ｜Ｉ＊｜が小さい場合は０あるいはごく小さい値に設定され、総和Σ｜Ｉ＊｜が大きくなると増加するように設定される。さらに、定数出力器７５からは定数１．０が出力される。減算器７６では、定数１．０からゲイン算出マップ７４の出力が減じられて出力される。ここで、｛１．０−（ゲイン算出マップ７４の出力）｝を乗算することは、電動機温度余裕に関連した電動機２に通電すべき電流の上下限相当の値Ｔｍｔｍａｒｇｉｎ×Ｋｃを、過去ｍ×Δｔの期間の調整前電流指令Ｉ＊の絶対値の総和Σ｜Ｉ＊｜の量に応じて調整することに相当している。すなわち、総和Σ｜Ｉ＊｜の量が大きくなるにつれ電流の上下制限値を小さく設定する。
【００２９】
次に、最小値出力器６１は、乗算器７７，４５，ゲイン演算手段４９，５７の出力を入力して、その内の最小値を電流指令上下限制限値ＬＭＴ（Ｉ＊）として出力する。電流指令演算手段２１は、温度監視手段２０から出力されてくる電流指令上下限制限値ＬＭＴ（Ｉ＊）を入力して、調整前電流指令Ｉ＊の絶対値の上下限をＬＭＴ（Ｉ＊）に制限し、これを調整後の電流指令Ｉ＊＊として電流制御手段２２に出力する。
電流制御手段２２は、電動機２の通電電流が電流指令Ｉ＊＊どおりになるように各スイッチング素子のゲート信号を生成して出力する。
【００３０】
以上により、スイッチング素子の過熱防止とともに、電動機の過熱防止も可能となる。
【００３１】
実施の形態９
温度検出ダイオードの順方向電圧に基づいて温度を検出する構成に加え、スイッチング素子として使用しているバイポーラトランジスタのコレクタ−エミッタ間電圧を検出して、スイッチング素子に通電する電流値を算出する手段を備えた構成としてもよい。
この実施の形態９を図１２，図１３に基づいて説明する。
図１２において、８０はスイッチング素子のコレクタ−エミッタ間電圧を検出するＶｃｅ電圧検出手段、８１はＶｃｅ電圧検出手段８０で検出されたコレクタ−エミッタ間電圧に基づいてスイッチング素子に通電する電流値を算出する通電電流値演算手段である。
【００３２】
次に本実施の形態９のスイッチング素子通電電流検出の動作原理を説明する。
図１３はスイッチング素子のコレクタ電流Ｉｃとコレクタ−エミッタ間飽和電圧Ｖｃｅ（ｓａｔ）の特性を示す。ここで、スイッチング素子のゲートＧには、スイッチング素子を飽和領域で使用するに十分な大きさの電圧が印加される。スイッチング素子がＯＮしてコレクタ電流Ｉｃが通電するとスイッチング素子のコレクタＣ−エミッタＥ間に電圧Ｖｃｅ（ｓａｔ）が発生する。この時の、コレクタ電流Ｉｃの量に対するコレクタ−エミッタ間飽和電圧Ｖｃｅ（ｓａｔ）の量の特性は、スイッチング素子の接合部分温度Ｔｊｓｗ及びゲートＧに印加する電圧に依存して変化するが、スイッチング素子により固有に定まる。従って、ゲートＧに印加する電圧と接合部分温度Ｔｊｓｗが既知であれば、この特性によりコレクタ−エミッタ間飽和電圧Ｖｃｅ（ｓａｔ）から、コレクタ電流Ｉｃ，つまりスイッチング素子に通電する電流値を検出することが可能となる。
【００３３】
次に動作を説明する。
Ｖｃｅ電圧検出手段８０により、スイッチング素子のコレクタ−エミッタ間電圧値が検出され、コレクタ−エミッタ間電圧信号として通電電流値演算手段８１に出力される。また、定電流回路１８により温度検出ダイオード１９ａには一定の順方向電流ｉｆが供給され、過熱識別手段８に温度検出ダイオード１９ａの順方向電圧ｖｆが入力される。過熱識別手段８は順方向電圧ｖｆに基づいてスイッチング素子温度信号Ｔｊを通電電流値演算手段８１に出力する。通電電流値演算手段８１は、コレクタ−エミッタ間電圧信号とスイッチング素子温度信号Ｔｊとを入力すると、図１３のようなコレクタ電流Ｉｃとコレクタ−エミッタ間飽和電圧Ｖｃｅ（ｓａｔ）の特性に基づいて、スイッチング素子に通電する電流（コレクタ電流Ｉｃ相当）を算出する。尚、通電電流値演算手段８１には、図１３のようなコレクタ電流Ｉｃとコレクタ−エミッタ間飽和電圧Ｖｃｅ（ｓａｔ）の特性を、スイッチング素子温度Ｔｊへの依存性も含めて近似式あるいは参照テーブルマップといったような形式で記憶させておけばよい。
【００３４】
以上によれば、スイッチング素子に通電する電流値を速い応答性にて精度良く算出することが可能となる。
【００３５】
尚、実施の形態９においては、スイッチング素子としてＦＥＴを用い、このＦＥＴのドレイン電圧（出力端子電圧）を検出する電圧検出手段を設けて、スイッチング素子に通電する電流値を算出する手段を備えた構成としてもよい。
また、実施の形態９の図１２においては、過熱保護手段９を備えていないが、過熱保護手段９を設ければ、過熱防止を行えることは言うまでもない。
【００３６】
また、各実施の形態において、温度検出用ダイオードの代わりに、トランジスタのＰＮ接合を用いるようにしてもよい。要は、ＰＮ接合を含む含む半導体素子をスイッチング素子の近傍に設けるようにすればよい。
また、各実施の形態において、スイッチング素子としてＦＥＴを用いてもよい。この場合は、制御対象はソース及びソース電圧となる。
【００３７】
【発明の効果】
以上のように、この発明によれば、スイッチング素子の近傍にＰＮ接合を含む半導体素子を配置するとともに、各相毎のスイッチング素子の近傍に配置された各々の半導体素子に一定電流を流す定電流回路を接続するように構成して、上記一定電流の値が上記半導体素子自身を過熱させないような低い値に設定され、かつ、上記半導体素子のＰＮ接合間の順方向電圧値を検出することで上記スイッチング素子の温度を認識し、この認識したスイッチング素子の温度に基づいて上記スイッチング素子が過熱状態であると判定した場合に上記スイッチング素子をオフ状態に設定する過熱防止手段を備えるので、電力変換半導体のパワー素子を構成するスイッチング素子の温度を速い応答性にて精度良く検出でき、スイッチング素子の過熱を適切に防止できるとともに、上記半導体素子の損傷や配線断線などの故障の場合に応じて電動機の動作を緩やかに変化させるために上記電流指令値を制限する監視手段を有する制御演算装置を備えるので、上記効果に加え、制御の連続性を損なわない電動機制御装置が得られる。
また、電動機の温度も加味して、さらに、電動機についても適切な過熱防止を行える電動機制御装置が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 この発明の実施の形態１による電動機制御装置の構成図である。
【図２】 実施の形態１を説明するための図である。
【図３】 実施の形態２を説明するための図である。
【図４】 実施の形態３，４による電動機制御装置の構成図である。
【図５】 実施の形態５による電動機制御装置の構成図である。
【図６】 実施の形態６で使用するパワー素子の一例を示す図である。
【図７】 実施の形態７による電動機制御装置の構成図である。
【図８】 実施の形態７の温度監視手段の内部構成図である。
【図９】 実施の形態７の温度監視手段内の時間ゲインテーブルを示す図である。
【図１０】 実施の形態８による電動機制御装置の構成図である。
【図１１】 実施の形態８の温度監視手段の内部構成図である。
【図１２】 実施の形態９による電動機制御装置の構成図である。
【図１３】 実施の形態９の動作原理を説明するための図である。
【図１４】 第一の従来例としての電動機制御装置を示す構成図である。
【図１５】 第二の従来例としての車載用電動機制御装置を示す構成図である。
【符号の説明】
１ 電動機制御装置、２ 電動機、３ 制御演算装置、４ 電力変換半導体、５ａ〜５ｆ スイッチング素子、８ 過熱識別手段、９ 過熱保護手段、
１８ 定電流回路、１９ａ〜１９ｃ 温度検出ダイオード、２０ 温度監視手段、２１電流指令演算手段、２２ 電流制御手段、７０ 電動機温度センサ、
８０ Ｖｃｅ電圧検出手段、８１ 通電電流値演算手段。
【発明の属する技術分野】
この発明は、電力変換半導体を用いて電動機を駆動する電動機制御装置において、電力変換半導体の過熱防止並びに電動機制御装置の温度管理に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の過熱保護機能を内蔵した電動機制御装置の第一の例を図１４に示す。この図１４に示す第一の例では、電動機として三相交流電動機、電力変換器としてインバータを用いている。
図１４において、１Ａは電動機制御装置、２は電動機、３Ａは制御演算装置、４Ａは電力変換半導体である。電力変換半導体４Ａは、三相のスイッチングアーム（Ｕ相アーム，Ｖ相アーム，Ｗ相アーム）と、過熱識別手段８Ａと、過熱保護手段９Ａとを備えている。スイッチングアームの一つであるＵ相アームは、上アームスイッチング素子５ａ、下アームスイッチング素子５ｂ、上アームフリーホイーリング素子６ａ、下アームフリーホイーリング素子６ｂ、上アームゲート開閉素子７ａ、下アームゲート開閉素子７ｂ、サーミスタ１０，１１で構成されている。尚、Ｖ相アーム，Ｗ相アームの構成も同様である。また、ここでは、スイッチング素子としてバイポーラトランジスタを用いており、図中、Ｃ，Ｇ，Ｅはコレクタ，ゲート，エミッタを示している。
一般的に、電動機制御装置１Ａは図示しない電源装置からの直流電力を交流電力に変換して電動機２に供給する。この際、直流電力から交流電力への変換は、電力変換半導体４Ａのパワー素子を構成するスイッチング素子をスイッチングすることにより実行される。尚、パワー素子は、スイッチング素子とフリーホイーリング素子とから構成される。また、スイッチングのために制御演算装置３Ａにて生成されるゲート駆動信号がゲート開閉素子を介してスイッチング素子のゲートＧに接続されている。スイッチングにより電流が導通するとスイッチング素子の内部損失にて発熱する。ここで過度に過熱するとスイッチング素子が破壊してしまうおそれがある。そのため、スイッチング素子が破壊しないよう温度を監視し、所定温度に達した場合に制御演算装置３Ａからスイッチング素子のゲートに至る信号を中断（ゲートカット）し、スイッチング素子に導通する電流を遮断して過熱保護が行われる。また、過熱保護を行っている場合には保護機能作動アラーム信号が制御演算装置３Ａへ伝送される。ここで図中、温度の検出とゲートカットを行うか否かの判定は、サーミスタ１０の信号を用いて過熱識別手段８Ａでなされる。また、ゲートカットを行うための信号生成は過熱保護手段９Ａでなされ、ゲートカットの実行はゲート開閉素子７ａ，７ｂでなされる。尚、サーミスタ１０はスイッチング素子の温度を正確に反映するためにスイッチング素子の近傍に配置される。
また、サーミスタ１０とは別に、制御演算装置３Ａへスイッチング素子の温度を通知する手段としてスイッチング素子の周辺にサーミスタ１１が配置される。制御演算装置３Ａでは、例えばマイコンまたはＡ／Ｄ変換器にてサーミスタ１１からスイッチング素子の温度情報を得、この温度情報（信号）を用いてスイッチング素子の温度が過度に上昇しないようゲート駆動信号を操作する。
【０００３】
また、第二の従来例として、特開平１０−２１０７９号公報に記載される電力変換半導体の温度信号を用いてスイッチング素子の過熱保護を行う制御装置がある。この第二の従来例は過熱保護を行う電動機制御装置を電気自動車に適用したものである。この第二の従来例を図１５に示す。
図１５において、２は電動機、１２はバッテリ、１３は電力変換器、１４は車輪、１５は電力変換用ＥＣＵ（電子コントロールユニット）、１６はアクセルペダル、１７は温度センサである。
電源装置たるバッテリ１２には電力変換器１３が接続され、電力変換器１３に車両駆動用の電動機２が接続されている。電動機２の駆動力が回転軸や差動歯車装置を介して車輪１４に伝達され、車両の推進力となる。電力変換器１３には電力変換半導体が備えられている。また、電力変換器１３は電力変換器用ＥＣＵ１５によって制御され、電力変換器１３内の電力変換半導体は電力変換器用ＥＣＵ１５から入力されるゲート駆動信号に従ってスイッチング動作する。このスイッチング動作によりバッテリ１２から供給される直流電力が交流電力に変換されて電動機２に供給される。
電力変換器用ＥＣＵ１５はアクセルペダル１６と接続されていて、運転者がアクセルペダル１６を踏み込んだ際の踏み込み量をアクセル開度Ａ％として検出する。但し、アクセルペダル全踏時のアクセル開度は１００％である。
また、電力変換器用ＥＣＵ１５は電力変換器１３のケース内に取付けられた温度センサ１７と接続され、スイッチング素子の温度ＩＮＶ−Ｔを得る。さらに、電力変換器用ＥＣＵ１５は素子温度ＩＮＶ−Ｔを基に単位時間当たりの素子温度の変化量を求めて温度変化率ΔＴ／Δｔとする。
電力変換器用ＥＣＵ１５はアクセル開度Ａ％から電動機２が出力すべきトルクを求め、求めたトルクをトルク指令Ｔ＊とする。さらに、次の２種類の制限率（第一制限率α，第二制限率β）をトルク指令Ｔ＊に乗算し、調整後のトルク指令Ｔ＊となす。このときの第一制限率αは素子温度ＩＮＶ−Ｔに基づいて定められる。素子温度ＩＮＶ−Ｔが制限開始温度Ｔ１以下のときは第一制限率αは１００％である。素子温度ＩＮＶ−Ｔが制限開始温度Ｔ１よりも高くなると、その時の素子温度ＩＮＶ−Ｔに対応する第一制限率αがトルク指令Ｔ＊に掛けられる。素子温度ＩＮＶ−Ｔが零出力温度Ｔ２以上に達すると第一制限率αが０になり、トルク指令Ｔ＊も０になる。
第二制限率βは温度変化率ΔＴ／Δｔに基づいて定められる。第二制限率は素子温度ＩＮＶ−Ｔが上記の制限開始温度Ｔ１以上のときに用いられる。温度変化率ΔＴ／Δｔが第一基準値δ１以下のときは第二制限率αは１００％である。温度変化率ΔＴ／Δｔが第一基準値δ１よりも高くなると、そのときの変化率ΔＴ／Δｔに対応する第二制限率βがトルク指令Ｔ＊に掛けられる。温度変化率ΔＴ／Δｔが第二基準値δ２以上になれば第二制限率βが０になり、トルク指令Ｔ＊も０になる。
電力変換器用ＥＣＵ１５は上記によって求められた調整後のトルク指令Ｔ＊に従い、これに対応する電動機通電電流の指令値Ｉ＊が求められる。そしてこの電流指令値Ｉ＊に基づき電力変換半導体のスイッチング素子をスイッチングすることにより、電動機２の発生トルクを調整後のトルク指令Ｔ＊と一致するように制御する。
以上のように、この第二の従来例においては、スイッチング素子温度が高く、かつ、急上昇した場合にはトルク指令を大幅に調整してスイッチング素子の過熱を防止する。スイッチング素子の温度が高いが急上昇していない場合には、急上昇時ほど大幅にトルク指令を調整しない。このようにして、必要な度合いに応じたトルク調整を行いつつ、スイッチング素子の過熱防止を図ることができる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上述した第一の従来例によれば、電力変換半導体におけるスイッチング素子の温度上昇に対して、スイッチング停止（ゲートカット）による過熱保護、並びに、温度上昇の監視による過熱防止が可能となる。
しかしながら第一の従来例によれば、過熱保護に用いる温度センサであるサーミスタ１０と，制御演算装置３Ａへスイッチング素子の温度を伝達する温度センサであるサーミスタ１１とが別々のものであり、また、配置で見た場合のスイッチング素子のチップからの距離，センサそれぞれの電気特性のばらつきにより、サーミスタ１０とサーミスタ１１が指すスイッチング素子の温度は精度良く一致させることが困難であった。このため、サーミスタ１０による過熱保護が発生するより以前に、サーミスタ１１による温度監視にて過熱防止のために、電力変換半導体４Ａをスイッチングするゲート信号を操作しようとした場合、ゲート信号を操作し始めるしきい値温度を低い値に設定してセンサのばらつきを吸収する必要がある。しかしこのように、しきい値温度を低い値に設定すると通常の動作時にも頻繁に過熱防止処理を行ってしまう可能性があり実用的ではない。逆に、しきい値温度を通常の（低くない）値に設定すると、センサのばらつき如何によっては、過熱防止処理を行うよりも以前にサーミスタ１０による過熱保護が行われ、スイッチング素子のスイッチングが停止して制御が中断してしまうおそれがある。かかる性質は、本発明が対象とする電動機制御装置においては好ましくない。
【０００５】
また、第二の従来例によれば、電力変換半導体のスイッチング素子の温度が急上昇した場合でも、スイッチング素子温度の単位時間当たりの変化率に応じて電動機のトルク指令しいては通電電流指令を調整することによりスイッチング素子の過熱を防止することができる。また、スイッチング素子温度が高い状態であるか低い状態であるかその度合いに応じてトルク指令の調整量を増減することで、必要度に応じたトルク調整を行う。
しかし、第二の従来例の場合、断線あるいはスイッチング素子の温度センサの故障など何らかの理由により電力変換器用ＥＣＵ１５に接続されるスイッチング素子の温度信号が急変した場合には、スイッチング素子温度の単位時間当たりの変化率が大きいことからトルク指令を大幅に調整することにより、電動機の発生トルクが急激に変化してしまう。この性質は、電気自動車を含めて車載用の電動機制御装置においては、制御の連続性を損なうため、車両の挙動に与える影響を考えると好ましくない。
【０００６】
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、電力変換半導体のパワー素子を構成するスイッチング素子の温度を速い応答性にて精度良く検出できて、スイッチング素子の過熱を適切に防止でき、さらには、制御の連続性を損なうことのない電動機制御装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明による電動機制御装置は、高電位側のスイッチング素子と低電位側のスイッチング素子とを直列接続したスイッチングアームを複数相、直流電力入力に並列接続し、上記各スイッチングアームの各スイッチング素子間より交流電力を交流電動機に供給するように構成するとともに、制御演算装置を具備し、この制御演算装置により上記各スイッチング素子のスイッチングを制御して上記電動機の通電電流を制御するようにした電動機制御装置において、各相毎の上記スイッチング素子の近傍にＰＮ接合を含む半導体素子を配置するとともに、各相毎のスイッチング素子の近傍に配置された各々の半導体素子に一定電流を流す定電流回路を接続するように構成して、上記一定電流の値が上記半導体素子自身を過熱させないような低い値に設定され、かつ、上記半導体素子のＰＮ接合間の順方向電圧値を検出することで上記スイッチング素子の温度を認識し、この認識したスイッチング素子の温度に基づいて上記スイッチング素子が過熱状態であると判定した場合に上記スイッチング素子をオフ状態に設定する過熱防止手段を備え、さらに、上記制御演算装置は、調整前の電流指令値の絶対値の上下限値を制限する電流指令上下限制限値を算出して出力する監視手段と、上記電流指令上下限制限値に基いて調整後の電流指令値を演算する電流指令値演算手段と、上記調整後の電流指令値に基いて上記電動機に通電する電流を制御する電流制御手段とを備え、上記監視手段は、上記電流指令値演算手段から出力される調整前の電流指令値と過熱識別手段から出力される各相のスイッチング素子温度とを入力して複数のゲインを算出するゲイン算出手段と、上記電流指令上下限制限値を出力する出力手段とを備え、上記ゲイン算出手段が、調整前の電流指令値と温度余裕と温度余裕変化率とを用いて第１ゲインを算出する第１ゲイン算出手段と、温度余裕変化率の変動成分を用いて第２ゲインを算出する第２ゲイン算出手段と、各相のスイッチング素子温度を用いて第３ゲインを算出する第３ゲイン算出手段とを備え、上記第１ゲイン算出手段が、第１の定数と各相のスイッチング素子温度のうちの最大値との差である温度余裕を一定の演算周期毎に求めて、演算周期当たりの温度余裕変化率を求め、演算周期当たりの温度余裕変化率に第１の調整ゲインを乗じた第１の値と第２の定数との差を求めて、この差と上記温度余裕に第２の調整ゲインを乗じた第２の値とを乗算して第３の値を算出し、かつ、演算周期毎に入力される複数の調整前の電流指令値の絶対値の総和が所定値以上になった場合に徐々に小さくなる第３の調整ゲインを算出して、この第３の調整ゲインと第３の値とを乗算することによって第１ゲインを算出し、第２ゲイン算出手段が、現在の温度余裕変化率と前回の温度余裕変化率との差である周期当たりの温度余裕変化率の変動成分を算出し、この変動成分と第３の定数とを比較して、変動成分が当該第３の定数よりも大きい場合には、時間の経過に対応して徐々に減少する第２ゲインを算出し、第３ゲイン算出手段が、各相のスイッチング素子温度のうちの最大値と最小値との差を求め、この差が第４の定数よりも大きい場合、又は、当該最小値が第５の定数よりも小さい場合には、時間の経過に対応して徐々に減少する第３ゲインを算出し、出力手段が、第１ゲイン乃至第３ゲインのうちの最小値を上記電流指令上下限制限値として出力したことを特徴とする。
また、上記第１ゲイン算出手段、第２ゲイン算出手段、第３ゲイン算出手段に加えて、電動機温度信号を用いて第４ゲインを算出する第４ゲイン算出手段を備えたゲイン算出手段を構成し、第４ゲイン算出手段が、第６の定数と電動機温度信号との差である電動機温度余裕を求めて、この電動機温度余裕に第４の調整ゲインを乗じた第４の値を算出し、かつ、上記演算周期毎に入力される複数の調整前の電流指令の絶対値の総和が所定値以上になった場合に徐々に大きくなる第５の調整ゲインを算出して、この第５の調整ゲインと第７の定数との差を求めて、この差と第４の値とを乗算することによって第４ゲインを算出し、出力手段が、第１ゲイン乃至第４ゲインのうちの最小値を上記電流指令上下限制限値として出力したことを特徴とする。
また、上記制御演算装置を、上記スイッチング素子の温度とスイッチング素子の出力端子電圧値とに基づいて上記スイッチング素子に通電する電流値を算出する通電電流算出手段を備えるものとした。
また、上記過熱防止手段に、所定温度での上記半導体素子の順方向電圧値を予め記憶しておき、上記スイッチング素子の温度が変化した場合の変動を絶対量として認識させるようにした。
また、上記過熱防止手段は、上記スイッチング素子の温度を上記制御演算装置にアナログ信号で伝えるようにしたり、上記スイッチング素子の過熱防止を現在実施しているか否かの情報を上記制御演算装置にディジタル信号で出力するようにする。また、上記各相のスイッチング素子のうち最も温度の高いものを認識し、この最も高い温度に基づいて判定を行うようにする。
また、上記スイッチング素子が形成されたチップ領域内、あるいはこのチップ領域のごく近傍に上記半導体素子を配置するようにした。
また、上記半導体素子としては、例えば、温度検出ダイオードを用いる。上記スイッチング素子として例えばバイポーラトランジスタを用い、上記電圧検出手段で、このスイッチング素子としてのバイポーラトランジスタのコレクタ−エミッタ間電圧値を検出するようにする。
【０００８】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
以下、本発明における電動機制御装置の実施の形態１を図１，２に基づいて説明する。
図１は、本発明の電動機制御装置の構成例を示すブロック図である。尚、ここでは、車載用を例にして説明するが、車載用以外にも使用できることはいうまでもない。
図１において、１は車載用電動機制御装置、２は電動機、３は制御演算装置、４は車載用電力変換半導体である。電力変換装置としての車載用電力変換半導体４は、三相のスイッチングアーム（Ｕ相アーム，Ｖ相アーム，Ｗ相アーム）と、過熱識別手段８と、過熱保護手段９と、後述の温度検出用ダイオードに電流を供給する定電流回路１８とを備えている。スイッチングアームの一つであるＵ相アームは、上アームスイッチング素子５ａ、下アームスイッチング素子５ｂ、上アームフリーホイーリング素子６ａ、下アームフリーホイーリング素子６ｂ、上アームゲート開閉素子７ａ、下アームゲート開閉素子７ｂ、温度検出ダイオード１９で構成されている。尚、Ｖ相アーム，Ｗ相アームの構成も同様である。また、スイッチング素子としてはバイポーラトランジスタを用いている。
尚、１個のスイッチング素子と１個のフリーホイーリングダイオードとにより１個のパワー素子が構成される。即ち、三相交流の一相に当たり２個のパワー素子が直列接続されており、直流電力入力の高電位側に連なる側を上アーム、低電位側に連なる側を下アームと呼ぶ。パワー素子を構成するスイッチング素子の温度センサとして機能する上記温度検出ダイオード１９はパワー素子と同一基板上に形成されている。
上記過熱識別手段８は、ＰＮ接合を含む半導体素子である上記温度検出用ダイオード１９のアノード−カソード間（ＰＮ接合間）に発生する順方向電圧値を入力して、この入力した順方向電圧値の変動を読み取って過熱保護を行うか否かを判定するものである。この過熱識別手段８は、過熱保護を行うと判定した場合にゲート信号の中断指示信号（以下、ゲートカット指示信号という）を過熱保護手段９に出力する。尚、過熱識別手段８と過熱保護手段９とで過熱防止手段を構成する。
過熱保護手段９は、上記過熱識別手段８Ａからのゲートカット指示信号を入力した場合に、ゲート開閉素子にこのゲート開閉素子をオフにする信号を出力して、制御演算装置３からスイッチング素子に至るゲート信号の伝達を中断させる。
即ち、この実施の形態１の車載用電動機制御装置１は、上述した構成を持つ車載用電力変換半導体４と制御演算装置３とで構成される。
【０００９】
次に動作を説明する。
車載用電力変換半導体４は図示しない電源装置に接続されており、入力した直流電力を交流電力に変換して電動機２に供給する。この際、直流電力から交流電力への変換は車載用電力変換半導体４のパワー素子を構成するスイッチング素子をスイッチングすることにより実行される。制御演算装置３では電動機２に所望の動作を行わせるべく、通電する電流の指令値を演算し、電流指令値どおりの電流が流れるようにスイッチング素子をＯＮ／ＯＦＦするゲート信号を生成する。ゲート信号は各相の上アーム，下アームのスイッチング素子のゲートＧに伝達される。
スイッチングにより電流が通電するとスイッチング素子が内部損失にて発熱する。スイッチング素子が発熱するとスイッチング素子が過熱破損するおそれがある。そのため、過熱識別手段８にてスイッチング素子の温度を検出し、過熱保護を行うためにゲート信号のゲートカットを行うか否かを判定する。過熱識別手段８はゲートカットを行うと判定した場合は、過熱保護手段９にゲートカット指示信号を送る。過熱保護手段９はゲートカット指示信号を受けると、ゲート開閉手段にゲートカット信号を送ってゲート開閉手段を閉じ、制御演算手段３からスイッチング素子へのゲート信号の伝達を中断させる。
過熱識別手段８によるスイッチング素子の温度検出は、具体的には次のように行われる。定電流回路１８から流れ出る一定電流ｉｆは温度検出ダイオード１９のアノード側に流れ込んでカソード側から流れ出る。この時の通電電流は温度検出ダイオード１９に流れ込む際の極性から順方向電流と呼ばれる。また、温度検出ダイオード１９のアノード−カソード間に発生する電位差は順方向電圧ｖｆと呼ばれる。過熱識別手段８は温度検出ダイオード１９のアノードとカソードに接続されており、順方向電圧ｖｆを入力する。
ここで、温度検出ダイオード１９の順方向電圧ｖｆと順方向電流ｉｆとの間には図２に示すような特性が成り立つ。即ち、温度検出ダイオード１９の接合部分温度Ｔｊに依存して、順方向電流ｉｆに対する順方向電圧ｖｆが変動する。変動の方向は、接合部分温度Ｔｊの上昇に対して順方向電圧の低下である。
温度検出ダイオード１９に一定の順方向電流ｉｆが通電した場合の順方向電圧ｖｆは、接合部分温度Ｔｊに対して図３に示すような特性を持つ。即ち、接合部分温度Ｔｊが上昇するのに対して順方向電圧ｖｆは減少する。従って、一定の順方向電流が通電される温度検出ダイオード１９の順方向電圧ｖｆの変動を読み取れば、温度検出ダイオード１９の接合部分温度Ｔｊの変化を検知できる。
つまり、過熱識別手段８は温度検出ダイオード１９の順方向電圧ｖｆを入力して温度検出ダイオード１９の接合部分温度Ｔｊの変動を認識する。このとき、温度検出ダイオード１９がスイッチング素子の近傍に配置されること及び温度検出ダイオード１９の順方向電流ｉｆをダイオード自身が過熱しない低い値に設定することにより、温度検出ダイオード１９の接合部分温度Ｔｊをスイッチング素子の温度と読み替えることができる。
【００１０】
以上のように、パワー素子と同一基板上に形成されスイッチング素子の近傍に配置される温度検出ダイオードに一定の順方向電流を通電し、温度検出ダイオードの順方向電圧を読み取ることでスイッチング素子の温度を認識することが可能となる。この温度検出は、従来用いていたサーミスタによる温度検出よりも格段に早く応答するため、スイッチング素子の温度上昇を短時間で精度良く検出することでスイッチング素子の過熱保護特性を向上することが可能となる。
【００１１】
実施の形態２．
過熱識別手段８に、所定温度での温度検出ダイオード１９の順方向電圧値を記憶しておくようにしてもよい。
図３を用いて説明する。温度Ｔｊ０での順方向電圧Ｖｆ０とする。ここからスイッチング素子の温度が変動した結果、検出した順方向電圧値がＶｆ１であったとすると、現在の温度Ｔｊ１は｛Ｔｊ０−（Ｖｆ１−Ｖｆ０）｝に見合った温度変動として決まる。ここで接合部分温度の変化率ΔＴｊに対する順方向電圧値の変化量Δｖｆは接合部分に依らず一定であることから、ある順方向電圧値に対する接合部分温度の絶対値が定まれば、順方向電圧が何れに変動しても、その時々の接合部分の絶対量を検出することができる。そのため、所定の温度、例えば、常温時などのスイッチング素子の温度を過熱識別手段８Ａに依らず認識できる温度での温度検出ダイオード１９の順方向電圧値を記憶することにより、その後、スイッチング素子の温度が変動したとしても接合部分の温度，すなわち、スイッチング素子の温度を絶対量として速い追従性で精度良く算出することができる。
【００１２】
実施の形態３．
図４に示すように、過熱識別手段８に、アナログ信号としてのスイッチング素子の温度情報（信号）を制御演算装置３へ伝送する機能を付加してもよい。
即ち、定電流回路１８によって温度検出ダイオード１９に順方向電流が通電されると、この時の温度検出ダイオード１９の順方向電圧ｖｆが過熱識別手段８に入力される。過熱識別手段８では実施の形態１あるいは実施の形態２と同様にスイッチング素子の温度を算出する。続いて、算出したスイッチング素子温度に基づいて、過熱保護を行うためにゲート信号のゲートカットを行うか否かを判定する。過熱識別手段８はゲートカットを行うと判定した場合は、過熱保護手段９にゲートカット指示信号を送る。これとともに、過熱識別手段８は制御演算装置３へスイッチング素子温度の絶対量をアナログ信号として伝達する。制御演算装置３は入力したスイッチング素子の温度情報を用いてパワー素子を構成するスイッチング素子のゲート信号を操作する。ここで、スイッチング素子の温度情報は過熱識別手段８Ａの内部にてゲートカットを行うか否かの判定条件に用いるものと同等であることから、スイッチング素子の温度がゲートカットを行うしきい値温度に達する以前にスイッチング素子の発熱が抑制されるようゲート信号を操作すれば、車載用電動機制御装置１が制御動作中、過熱保護のためのゲートカットによって制御動作が中断して車両の挙動に大きな影響を与えてしまうことはない。
ここで、過熱識別手段８から制御演算装置３へ伝送されるスイッチング素子温度情報は、例えば、スイッチング素子の温度の単位時間当たりの変化量，車載用電動機制御装置１が始動してからのスイッチング素子の温度の増減など、あるいはこれらの組合わせであってもよい。
【００１３】
実施の形態４．
過熱識別手段８に、過熱保護を実施しているか否かの情報をディジタル信号で制御演算装置３へ伝送する機能を付加してもよい。
即ち、過熱識別手段８は算出したスイッチング素子温度に基づいて、過熱保護を行うためにゲート信号のゲートカットを行うか否かを判定する。過熱識別手段８はゲートカットを行うと判定した場合は、過熱保護手段９にゲートカット指示信号を送るとともに、ディジタル信号として制御演算装置３へ現在過熱保護を実施しているか否かを伝達する。ここで言うディジタル信号は、論理素子のＨｉｇｈ／Ｌｏｗの２値レベルであっても良いし、２値レベルの時間的な組み合わせによるシリアル通信であってもよい。
続いて、制御演算装置３は入力した現在過熱保護を実施しているか否かの情報に基づいて、過熱保護が解除されるまでの間に車両の挙動の安全性を確保するための所定の動作を行ったり、過熱保護が早期に解除されるよう例えば放熱のためのファン、ブロアの駆動制御を行う。上記所定の動作としては、エンジン車におけるオーバーヒートワーニング表示のように、ランプや音声等によって運転者に警告を発したり、また、ハイブリットカーにて駆動電動機の制御を行うような場合は、過熱保護のために通電電流の制御を行っている間は電動機の出力も抑制されることから、電動機の出力不足を見越したエンジンの出力制御を行うといった動作が考えられる。
ここで、過熱識別手段８Ａから制御演算装置３へ伝達される情報は、例えば、過去過熱保護が実施されたか否か、過去過熱保護が一定回数以上実施されたか否か、過熱保護が実施されるしきい値温度よりも所定の値分低い温度まで上昇したか否か、現時点より一定時間後に過熱保護が実施されるか否かなど、あるいはこれらの組み合わせであってもよい。
【００１４】
実施の形態５．
各相のスイッチング素子の発熱状況に応じて過熱保護を実施できる形態を図５に基づいて説明する。ここでは、Ｕ，Ｖ，Ｗの各相のアームは、実施の形態１と同様に、温度検出ダイオードがパワー素子と同一基板上に形成されている。尚、Ｖ相アーム，Ｗ相アームの構成はＵ相アームの構成と同様であるが、図においてはそれぞれ異なるアルファベットの符号を付してある。
各相の温度検出ダイオード１９ａ，１９ｂ，１９ｃは過熱識別手段８にパラレルに接続されており、また、各相の温度検出ダイオード１９ａ，１９ｂ，１９ｃには定電流回路１８が接続されている。また、各相の温度検出ダイオード１９ａ，１９ｂ，１９ｃを過熱識別手段８にパラレルに接続しているのは、温度検出ダイオード１９ａ，１９ｂ，１９ｃの順方向電圧Ｖｆｕ，Ｖｆｖ，Ｖｆｗを検出する場合において、基準電位を１つにでき、入力線が４本ですむようになるからである。但し、順方向電圧Ｖｆｕ，Ｖｆｖ，Ｖｆｗを検出できるように接続するのであれば接続の仕方は問わない。
【００１５】
次に動作を説明する。
過熱識別手段８は各温度検出ダイオード１９ａ，１９ｂ，１９ｃの各順方向電圧Ｖｆｕ，Ｖｆｖ，Ｖｆｗを入力し、続いて、各温度検出ダイオード１９ａ，１９ｂ，１９ｃの接合部分温度Ｔｊｕ，Ｔｊｖ，Ｔｊｗの変動を認識する。このとき、各温度検出ダイオード１９ａ，１９ｂ，１９ｃがスイッチング素子の近傍に形成されること及び温度検出ダイオード１９ａ，１９ｂ，１９ｃの順方向電流ｉｆをダイオード自身が過熱しない低い値に設定することにより、Ｕ相温度検出ダイオード１９ａの接合部分温度ＴｊｕをＵ相スイッチング素子の温度と，Ｖ相温度検出ダイオード１９ｂの接合部分温度ＴｊｖをＶ相スイッチング素子の温度と，Ｗ相温度検出ダイオード１９ｃの接合部分温度ＴｊｗをＷ相スイッチング素子の温度と読み替えることができる。
【００１６】
以上のように、各相のスイッチングアーム毎に、温度検出ダイオードをパワー素子と同一基板上に形成し、温度検出ダイオードに一定の順方向電流を通電し、温度検出ダイオードの順方向電圧を読み取ることで各相のスイッチング素子の温度を精度良く検出することが可能となる。従って、判定の基準となるスイッチング素子温度を各相のスイッチング素子の内で最大の温度とすることにより、各相のスイッチング素子の発熱状況に偏りが見られたとしても最も過熱しているスイッチング素子の温度に応じて的確に過熱保護を実施する事が可能となる。
【００１７】
実施の形態６．
尚、図６に示すように、一単位のパワー素子は、半導体基板上でスイッチング素子をなすチップ領域とフリーホイーリングダイオードをなすチップ領域とから構成される。ここで、スイッチング素子は小単位の電流を通電するスイッチング素子が複数個並列された形態となる。従って、スイッチング素子に電流が通電して発熱することを鑑みるとスイッチング素子をなすチップ領域内の温度を検出するのが望ましい。よって、温度検出ダイオードをスイッチング素子のチップ領域にごく近接して、あるいはチップ領域の内部に形成することにより、過熱保護の対象であるスイッチング素子のチップ温度を熱伝導の遅れなく精度良く検出することが可能となる。
【００１８】
実施の形態７．
以下、温度監視手段を内蔵した制御演算装置３を組み合わせた車載用電動機制御装置について図７，図８に基づいて説明する。
図７は実施の形態７による車載用電動機制御装置のブロック構成図である。図７において、３は制御演算装置であり、温度監視手段２０，電流指令演算手段２１，電流制御手段２２を備えている。尚、車載用電力変換半導体４の構成は図５と同じである。
図８は上記温度監視手段の内部構成図であり、図において、３０は絶対値回路、３１ａ，３９，４６は１回演算周期前出力器、３１ｂは２回演算周期前出力器３１ｍはｍ回演算周期前出力器、３２は加算器、３３はゲイン算出マップ、３４は最大値出力器、３５，６１は最小値出力器、３６，４２，５０，５８は定数出力器、３８，４１は係数器、３７，４０，４３，４７，５３は減算器、４４，４５は乗算器、４８，５４，５５は比較器、４９，５７はゲイン演算出力手段、５１，５９は時間ゲインテーブル、５２，６０は論理選択スイッチ、５６は論理演算器である。
【００１９】
次に動作を説明する。
まず、図５と同様に、各温度検出ダイオード１９ａ，１９ｂ，１９ｃに順方向電流ｉｆが通電され、続いて、過熱識別手段８は各温度検出ダイオード１９ａ，１９ｂ，１９ｃの順方向電圧Ｖｆｕ，Ｖｆｖ，Ｖｆｗを入力して各相スイッチング素子の温度Ｔｊｕ，Ｔｊｖ，Ｔｊｗを算出する。このとき、実施の形態２のように、所定の温度，例えば、常温時などスイッチング素子の温度を過熱識別手段８に依らず認識できる温度での各温度検出ダイオード１９ａ，１９ｂ，１９ｃの順方向電圧Ｖｆｕ，Ｖｆｖ，Ｖｆｗを記憶することにより、スイッチング素子の温度を絶対値として精度良く算出することが可能である。過熱識別手段８は算出したＴｊｕ，Ｔｊｖ，Ｔｊｗに基づいて過熱保護を行うためにゲートカットを行うか否かを判定し、ゲートカットを行うと判定した場合は過熱保護手段９へ信号が伝達される。さらに、過熱識別手段８から各相スイッチング素子温度信号としてスイッチング素子温度Ｔｊｕ，Ｔｊｖ，Ｔｊｗが出力される。
【００２０】
次に、電流指令演算手段２１から出力される調整前の電流指令Ｉ＊並びにスイッチング素子温度Ｔｊｕ，Ｔｊｖ，Ｔｊｗが温度監視手段２０へ入力されると、電流指令上下限制限値ＬＭＴ（Ｉ＊）が電流演算指令手段２１に出力される。
具体的には、図８に示すように、スイッチング素子温度Ｔｊｕ，Ｔｊｖ，Ｔｊｗが最大値出力器３４に入力されるとＴｊｕ，Ｔｊｖ，Ｔｊｗの内の最大値Ｔｊｍａｘが選択されて出力される。そして、減算器３７は、定数出力器３６より出力された定数Ｔｍａｘ＿Ｔｊから最大値Ｔｊｍａｘを減じて温度余裕Ｔｊｍａｒｇｉｎを出力する。ここで定数Ｔｍａｘ＿Ｔｊはスイッチング素子が過熱破損する温度相当の値が設定されている。続いて係数器３８でＴｊｍａｒｇｉｎがＫａ倍されて電動機２に通電すべき電流の上下限値相当の値を出力する。つまり、温度余裕Ｔｊｍａｒｇｉｎに応じて通電電流が制限される仕組みであり、ゲインＫａは通電電流量に対するスイッチング素子の温度上昇度合い、放熱性能などによって定められる。
また、温度余裕Ｔｊｍａｒｇｉｎは１回演算周期前出力器３９に入力されて演算周期１回前の温度余裕Ｔｊｍａｒｇｉｎ（ｎ−１）が出力される。ここで、演算周期は、時間の経過を離散的に取り扱うものであり、周期をΔｔで表す。また、現在周期の温度余裕はＴｊｍａｒｇｉｎ（ｎ）、ｍ回演算周期前の温度余裕はＴｊｍａｒｇｉｎ（ｎ−ｍ）という具合に表現する。次に減算器４０では、現在周期の温度余裕Ｔｊｍａｒｇｉｎ（ｎ）から１回前周期の温度余裕Ｔｊｍａｒｇｉｎ（ｎ−１）が減じられ、周期Δｔ当たりの温度余裕変化率（Ｔｊｍａｒｇｉｎ（ｎ）−Ｔｊｍａｒｇｉｎ（ｎ−１））／Δｔ＝ΔＴｊｍａｒｇｉｎ／Δｔが出力される。続いて係数器４１に変化率（ΔＴｊｍａｒｇｉｎ／Δｔ）が入力され、ゲインＫｂが乗じられる。減算器４３では、定数出力器４２の出力から係数器４１の出力が減じられて、１．０−Ｋｂ×（ΔＴｊｍａｒｇｉｎ／Δｔ）が出力される。続いて、乗算器４４により係数器３８の出力と減算器４３の出力とが乗算される。ここで、１．０−Ｋｂ×（ΔＴｊｍａｒｇｉｎ／Δｔ）を乗算することは、電動機２に通電すべき電流の上下下限値相当の値（Ｋｂ×Ｔｊｍａｒｇｉｎ）を周期Δｔ当たりの温度余裕変化率（ΔＴｊｍａｒｇｉｎ／Δｔ）に応じて調整することに相当している。即ち、温度余裕の減少度合いが大きいならば電流の上下限制限値を小さく設定し、逆に温度余裕の増加度合いが大きいならば電流の上下限制限値を大きく設定する。
【００２１】
一方、電流指令演算手段２１から出力される調整前電流指令Ｉ＊がフィードバックされて絶対値回路３０に入力され、調整前電流指令Ｉ＊の絶対値｜Ｉ＊｜が出力される。｜Ｉ＊｜を各演算周期前出力器３１ａ〜３１ｍに入力すると、それぞれ｜Ｉ＊｜（ｎ−１），｜Ｉ＊｜（ｎ−２），………｜Ｉ＊｜（ｎ−ｍ）が出力される。続いて、｜Ｉ＊｜（ｎ−１），｜Ｉ＊｜（ｎ−２），………｜Ｉ＊｜（ｎ−ｍ）並びに｜Ｉ＊｜（ｎ）を加算器３２に入力して総和Σ｜Ｉ＊｜を得た後、ゲイン算出マップ３３に入力すると総和Σ｜Ｉ＊｜に応じた調整ゲイン量が出力される。乗算器４５では、乗算器４４の出力とゲイン算出マップからの出力とが掛け合わされて出力される。即ち、過去ｍ×Δｔの期間の調整前電流指令Ｉ＊の絶対値の総和Σ｜Ｉ＊｜の量に応じて電動機２に通電すべき電流の上下限制限値を調整することに相当する。ゲイン算出マップ３３は通電電流量に対する放熱性能などによって定められる。
【００２２】
また、スイッチング素子温度Ｔｊｕ，Ｔｊｖ，Ｔｊｗが最小値出力器３５に入力され、Ｔｊｕ，Ｔｊｖ，Ｔｊｗの内の最小値Ｔｊｍｉｎが出力される。つづいて、減算器５３により、最大値出力器３４の出力Ｔｊｍａｘと最小値出力器３５の出力Ｔｊｍｉｎとの差，即ち、各相スイッチング素子の最高温度と最小温度の差（Ｔｊｍａｘ−Ｔｊｍｉｎ）が出力される。次に減算器５３の出力を比較器５４に入力すると（Ｔｊｍａｘ−Ｔｊｍｉｎ）と定数Ｔａの大小が判定され、（Ｔｊｍａｘ−Ｔｊｍｉｎ）＞Ｔａの場合は論理１が出力され、（Ｔｊｍａｘ−Ｔｊｍｉｎ）≦Ｔａの場合は論理０が出力される。また、最小値出力器３５の出力Ｔｊｍｉｎが比較器５５に出力されて、定数Ｔｂと比較され、Ｔｂ＞Ｔｊｍｉｎの場合は論理１が出力され、Ｔｂ≦Ｔｊｍｉｎの場合は論理０が出力される。次にＯＲ論理演算器５６による論理演算により１か０が出力される。
ＯＲ論理演算器５６の出力がゲイン演算手段５７に入力されて、電動機２に通電すべき電流の上下限制限値相当の値が出力される。ここで、ゲイン演算手段５７は定数出力器５８，時間ゲインテーブル５９，及び論理選択スイッチ６０とから構成されている。ゲイン演算手段５７は、入力する論理が０の場合には定数出力器５８の値Ｇａを出力し、入力する論理が１の場合には時間ゲインテーブル５９の値Ｇｂ（ｔ）を出力するものである。時間ゲインテーブル５９の詳細を図９に示す。図９中、横軸はイベント発生時刻からの時間ｔ、縦軸はゲイン出力値を表す。即ち、ゲイン演算手段への入力論理が０から１に切り替わった時刻をイベント発生時刻として、これ以降の経過時間に対応したゲイン出力値Ｇｂを出力していく。図９中のゲインＧｂは、イベント発生直後の値がＧａであり、徐々に減少していってやがて０になる。これはすなわち、温度検出ダイオード１９ａ〜１９ｃから過熱識別手段８を経て温度監視手段２０へ至る信号伝達の間に、ダイオードの破損，信号線の断線などの何らかの故障が発生した場合に、各相のスイッチング素子間の温度差（Ｔｊｍａｘ−Ｔｊｍｉｎ）が急に大きくなったことや最低温度Ｔｊｍｉｎが急低下したことを検知し、これに対応して制御の連続性を損なうことなく電動機２の動作を時間的に緩やかに制限していくことになる。
【００２３】
また、減算器４０の出力である温度余裕変化率（ΔＴｊｍａｒｇｉｎ／Δｔ）を１回演算周期前出力器４６に入力すると１回前周期の温度余裕変化率（ΔＴｊｍａｒｇｉｎ／Δｔ（ｎ−１））が出力される。続いて、減算器４７にて現在周期の温度余裕変化率（ΔＴｊｍａｒｇｉｎ／Δｔ（ｎ））から１回前周期の温度余裕変化率（ΔＴｊｍａｒｇｉｎ／Δｔ（ｎ−１））が減じられ、周期Δｔ当たりの温度余裕変化率の変動成分が出力される。次に比較器４８にて、減算器４７の出力である温度余裕変化率の変動成分と定数Ｄａの大小が比較され、（温度余裕変化率の変動成分）＞定数Ｄａの場合は論理１が出力され、（温度余裕変化率の変動成分）≦定数Ｄａの場合は論理０が出力される。
比較器４８の出力がゲイン演算手段５７に入力されて、電動機２に通電すべき電流の上下限制限値相当の値が出力される。ここで、ゲイン演算手段４９は、定数出力器５０，時間ゲインテーブル５１，及び論理選択スイッチ５２とから構成されている。ゲイン演算手段４９は、入力する論理が０の場合には定数出力器５０の値Ｇｃを出力し、入力する論理が１の場合には時間ゲインテーブル５１の値Ｇｄ（ｔ）を出力するものである。時間ゲインテーブル５１の詳細は図９と同様である。即ち、ゲイン演算手段への入力論理が０から１に切り替わった時刻をイベント発生時刻として、これ以降の経過時間に対応したゲイン出力値Ｇｄを出力していく。ゲインＧｂは、イベント発生直後の値がＧｃであり、徐々に減少していってやがて０になる。これはすなわち、温度検出ダイオード１９ａ〜１９ｃから過熱識別手段８を経て温度監視手段２０へ至る信号伝達の間に、ダイオードの破損，信号線の断線などの何らかの故障が発生した場合に、各相のスイッチング素子の最高温度差が急に大きくなったことを検知し、これに対応して制御の連続性を損なうことなく電動機２の動作を時間的に緩やかに制限していくことになる。
【００２４】
次に、最小値出力器６１は、乗算器４５，ゲイン演算手段４９，５７の出力を入力して、その内の最小値を電流指令上下限制限値ＬＭＴ（Ｉ＊）として出力する。
【００２５】
電流指令演算手段２１は、温度監視手段２０から出力されてくる電流指令上下限制限値ＬＭＴ（Ｉ＊）を入力して、調整前電流指令Ｉ＊の絶対値の上下限をＬＭＴ（Ｉ＊）に制限し、これを調整後の電流指令Ｉ＊＊として電流制御手段２２に出力する。
電流制御手段２２は、電動機２の通電電流が電流指令Ｉ＊＊どおりになるように各スイッチング素子のゲート信号を生成して出力する。尚、電流指令演算手段２１での電流指令の演算方法、及び電流制御手段２２での電流制御方法、ゲート信号生成方法は公知の様々な手法が存在するので、ここでは詳述しない。
【００２６】
以上のように、実施の形態７によれば、スイッチング素子の温度と電動機への電流指令値とを時系列的に監視する構成としたので、スイッチング素子の温度上昇度合いに応じた適切な過熱防止が可能となり、さらに、温度検出ダイオードの損傷，温度情報信号の断線などを検知して、これに応じて電動機の動作を緩やかに変化させることで、制御の連続性を損なうことなく車両の挙動に影響を与えずにすむという効果がある。
【００２７】
実施の形態８
実施の形態７の態様に加えて、電動機の過熱防止機能を備えたものとしてもよい。すなわち、本実施の形態８の温度監視手段は、図１０に示すように、電動機温度センサ７０からの電動機温度信号も入力するものである。
温度監視手段２０は、図８の構成に加えて、図１１に示すように、電動機２の温度情報を入力して処理する構成を備えている。
【００２８】
次に動作を説明する。
尚、図８と同じ部分の動作は同じなので省略する。
電動機温度センサ７０より電動機２の温度Ｔｍｔが検出され、温度監視手段２０に入力されると、減算器７２において、定数出力器７１からの定数Ｔｍａｘ＿ＭＴから上記Ｔｍｔが減じられて電動機温度余裕Ｔｍｔｍａｒｇｉｎが出力される。ここで、定数Ｔｍａｘ＿ＭＴは電動機２が過熱損傷する温度相当の値に設定される。続いて電動機温度余裕Ｔｍｔｍａｒｇｉｎは係数器７３によりゲインＫｃが乗じられて電動機２に通電すべき電流の上下限制限値相当の値として出力される。つまり、電動機温度余裕Ｔｍｔｍａｒｇｉｎの値に応じて通電電流が制限される仕組みであり、ゲインＫｃは通電電流量に対する電動機２の温度上昇度合い、放熱性能などによって定められる。また、加算器３２が出力する、｜Ｉ＊｜（ｎ−１），｜Ｉ＊｜（ｎ−２），………｜Ｉ＊｜（ｎ−ｍ）並びに｜Ｉ＊｜（ｎ）の総和Σ｜Ｉ＊｜がゲイン算出マップ７４に入力されると総和Σ｜Ｉ＊｜の量に応じた調整ゲイン量が出力される。ここで、調整ゲイン量は総和Σ｜Ｉ＊｜が小さい場合は０あるいはごく小さい値に設定され、総和Σ｜Ｉ＊｜が大きくなると増加するように設定される。さらに、定数出力器７５からは定数１．０が出力される。減算器７６では、定数１．０からゲイン算出マップ７４の出力が減じられて出力される。ここで、｛１．０−（ゲイン算出マップ７４の出力）｝を乗算することは、電動機温度余裕に関連した電動機２に通電すべき電流の上下限相当の値Ｔｍｔｍａｒｇｉｎ×Ｋｃを、過去ｍ×Δｔの期間の調整前電流指令Ｉ＊の絶対値の総和Σ｜Ｉ＊｜の量に応じて調整することに相当している。すなわち、総和Σ｜Ｉ＊｜の量が大きくなるにつれ電流の上下制限値を小さく設定する。
【００２９】
次に、最小値出力器６１は、乗算器７７，４５，ゲイン演算手段４９，５７の出力を入力して、その内の最小値を電流指令上下限制限値ＬＭＴ（Ｉ＊）として出力する。電流指令演算手段２１は、温度監視手段２０から出力されてくる電流指令上下限制限値ＬＭＴ（Ｉ＊）を入力して、調整前電流指令Ｉ＊の絶対値の上下限をＬＭＴ（Ｉ＊）に制限し、これを調整後の電流指令Ｉ＊＊として電流制御手段２２に出力する。
電流制御手段２２は、電動機２の通電電流が電流指令Ｉ＊＊どおりになるように各スイッチング素子のゲート信号を生成して出力する。
【００３０】
以上により、スイッチング素子の過熱防止とともに、電動機の過熱防止も可能となる。
【００３１】
実施の形態９
温度検出ダイオードの順方向電圧に基づいて温度を検出する構成に加え、スイッチング素子として使用しているバイポーラトランジスタのコレクタ−エミッタ間電圧を検出して、スイッチング素子に通電する電流値を算出する手段を備えた構成としてもよい。
この実施の形態９を図１２，図１３に基づいて説明する。
図１２において、８０はスイッチング素子のコレクタ−エミッタ間電圧を検出するＶｃｅ電圧検出手段、８１はＶｃｅ電圧検出手段８０で検出されたコレクタ−エミッタ間電圧に基づいてスイッチング素子に通電する電流値を算出する通電電流値演算手段である。
【００３２】
次に本実施の形態９のスイッチング素子通電電流検出の動作原理を説明する。
図１３はスイッチング素子のコレクタ電流Ｉｃとコレクタ−エミッタ間飽和電圧Ｖｃｅ（ｓａｔ）の特性を示す。ここで、スイッチング素子のゲートＧには、スイッチング素子を飽和領域で使用するに十分な大きさの電圧が印加される。スイッチング素子がＯＮしてコレクタ電流Ｉｃが通電するとスイッチング素子のコレクタＣ−エミッタＥ間に電圧Ｖｃｅ（ｓａｔ）が発生する。この時の、コレクタ電流Ｉｃの量に対するコレクタ−エミッタ間飽和電圧Ｖｃｅ（ｓａｔ）の量の特性は、スイッチング素子の接合部分温度Ｔｊｓｗ及びゲートＧに印加する電圧に依存して変化するが、スイッチング素子により固有に定まる。従って、ゲートＧに印加する電圧と接合部分温度Ｔｊｓｗが既知であれば、この特性によりコレクタ−エミッタ間飽和電圧Ｖｃｅ（ｓａｔ）から、コレクタ電流Ｉｃ，つまりスイッチング素子に通電する電流値を検出することが可能となる。
【００３３】
次に動作を説明する。
Ｖｃｅ電圧検出手段８０により、スイッチング素子のコレクタ−エミッタ間電圧値が検出され、コレクタ−エミッタ間電圧信号として通電電流値演算手段８１に出力される。また、定電流回路１８により温度検出ダイオード１９ａには一定の順方向電流ｉｆが供給され、過熱識別手段８に温度検出ダイオード１９ａの順方向電圧ｖｆが入力される。過熱識別手段８は順方向電圧ｖｆに基づいてスイッチング素子温度信号Ｔｊを通電電流値演算手段８１に出力する。通電電流値演算手段８１は、コレクタ−エミッタ間電圧信号とスイッチング素子温度信号Ｔｊとを入力すると、図１３のようなコレクタ電流Ｉｃとコレクタ−エミッタ間飽和電圧Ｖｃｅ（ｓａｔ）の特性に基づいて、スイッチング素子に通電する電流（コレクタ電流Ｉｃ相当）を算出する。尚、通電電流値演算手段８１には、図１３のようなコレクタ電流Ｉｃとコレクタ−エミッタ間飽和電圧Ｖｃｅ（ｓａｔ）の特性を、スイッチング素子温度Ｔｊへの依存性も含めて近似式あるいは参照テーブルマップといったような形式で記憶させておけばよい。
【００３４】
以上によれば、スイッチング素子に通電する電流値を速い応答性にて精度良く算出することが可能となる。
【００３５】
尚、実施の形態９においては、スイッチング素子としてＦＥＴを用い、このＦＥＴのドレイン電圧（出力端子電圧）を検出する電圧検出手段を設けて、スイッチング素子に通電する電流値を算出する手段を備えた構成としてもよい。
また、実施の形態９の図１２においては、過熱保護手段９を備えていないが、過熱保護手段９を設ければ、過熱防止を行えることは言うまでもない。
【００３６】
また、各実施の形態において、温度検出用ダイオードの代わりに、トランジスタのＰＮ接合を用いるようにしてもよい。要は、ＰＮ接合を含む含む半導体素子をスイッチング素子の近傍に設けるようにすればよい。
また、各実施の形態において、スイッチング素子としてＦＥＴを用いてもよい。この場合は、制御対象はソース及びソース電圧となる。
【００３７】
【発明の効果】
以上のように、この発明によれば、スイッチング素子の近傍にＰＮ接合を含む半導体素子を配置するとともに、各相毎のスイッチング素子の近傍に配置された各々の半導体素子に一定電流を流す定電流回路を接続するように構成して、上記一定電流の値が上記半導体素子自身を過熱させないような低い値に設定され、かつ、上記半導体素子のＰＮ接合間の順方向電圧値を検出することで上記スイッチング素子の温度を認識し、この認識したスイッチング素子の温度に基づいて上記スイッチング素子が過熱状態であると判定した場合に上記スイッチング素子をオフ状態に設定する過熱防止手段を備えるので、電力変換半導体のパワー素子を構成するスイッチング素子の温度を速い応答性にて精度良く検出でき、スイッチング素子の過熱を適切に防止できるとともに、上記半導体素子の損傷や配線断線などの故障の場合に応じて電動機の動作を緩やかに変化させるために上記電流指令値を制限する監視手段を有する制御演算装置を備えるので、上記効果に加え、制御の連続性を損なわない電動機制御装置が得られる。
また、電動機の温度も加味して、さらに、電動機についても適切な過熱防止を行える電動機制御装置が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 この発明の実施の形態１による電動機制御装置の構成図である。
【図２】 実施の形態１を説明するための図である。
【図３】 実施の形態２を説明するための図である。
【図４】 実施の形態３，４による電動機制御装置の構成図である。
【図５】 実施の形態５による電動機制御装置の構成図である。
【図６】 実施の形態６で使用するパワー素子の一例を示す図である。
【図７】 実施の形態７による電動機制御装置の構成図である。
【図８】 実施の形態７の温度監視手段の内部構成図である。
【図９】 実施の形態７の温度監視手段内の時間ゲインテーブルを示す図である。
【図１０】 実施の形態８による電動機制御装置の構成図である。
【図１１】 実施の形態８の温度監視手段の内部構成図である。
【図１２】 実施の形態９による電動機制御装置の構成図である。
【図１３】 実施の形態９の動作原理を説明するための図である。
【図１４】 第一の従来例としての電動機制御装置を示す構成図である。
【図１５】 第二の従来例としての車載用電動機制御装置を示す構成図である。
【符号の説明】
１ 電動機制御装置、２ 電動機、３ 制御演算装置、４ 電力変換半導体、５ａ〜５ｆ スイッチング素子、８ 過熱識別手段、９ 過熱保護手段、
１８ 定電流回路、１９ａ〜１９ｃ 温度検出ダイオード、２０ 温度監視手段、２１電流指令演算手段、２２ 電流制御手段、７０ 電動機温度センサ、
８０ Ｖｃｅ電圧検出手段、８１ 通電電流値演算手段。
Claims (9)
- 高電位側のスイッチング素子と低電位側のスイッチング素子とを直列接続したスイッチングアームを複数相、直流電力入力に並列接続し、上記各スイッチングアームの各スイッチング素子間より交流電力を交流電動機に供給するように構成するとともに、制御演算装置を具備し、この制御演算装置により上記各スイッチング素子のスイッチングを制御して上記電動機の通電電流を制御するようにした電動機制御装置において、
各相毎の上記スイッチング素子の近傍にＰＮ接合を含む半導体素子を配置するとともに、各相毎のスイッチング素子の近傍に配置された各々の半導体素子に一定電流を流す定電流回路を接続するように構成して、上記一定電流の値が上記半導体素子自身を過熱させないような低い値に設定され、
かつ、上記半導体素子のＰＮ接合間の順方向電圧値を検出することで上記スイッチング素子の温度を認識し、この認識したスイッチング素子の温度に基づいて上記スイッチング素子が過熱状態であると判定した場合に上記スイッチング素子をオフ状態に設定する過熱防止手段を備え、
さらに、上記制御演算装置は、調整前の電流指令値の絶対値の上下限値を制限する電流指令上下限制限値を算出して出力する監視手段と、上記電流指令上下限制限値に基いて調整後の電流指令値を演算する電流指令値演算手段と、上記調整後の電流指令値に基いて上記電動機に通電する電流を制御する電流制御手段とを備え、
上記監視手段は、上記電流指令値演算手段から出力される調整前の電流指令値と過熱識別手段から出力される各相のスイッチング素子温度とを入力して複数のゲインを算出するゲイン算出手段と、上記電流指令上下限制限値を出力する出力手段とを備え、
上記ゲイン算出手段が、調整前の電流指令値と温度余裕と温度余裕変化率とを用いて第１ゲインを算出する第１ゲイン算出手段と、温度余裕変化率の変動成分を用いて第２ゲインを算出する第２ゲイン算出手段と、各相のスイッチング素子温度を用いて第３ゲインを算出する第３ゲイン算出手段とを備え、
上記第１ゲイン算出手段が、第１の定数と各相のスイッチング素子温度のうちの最大値との差である温度余裕を一定の演算周期毎に求めて、演算周期当たりの温度余裕変化率を求め、演算周期当たりの温度余裕変化率に第１の調整ゲインを乗じた第１の値と第２の定数との差を求めて、この差と上記温度余裕に第２の調整ゲインを乗じた第２の値とを乗算して第３の値を算出し、かつ、演算周期毎に入力される複数の調整前の電流指令値の絶対値の総和が所定値以上になった場合に徐々に小さくなる第３の調整ゲインを算出して、この第３の調整ゲインと第３の値とを乗算することによって第１ゲインを算出し、
第２ゲイン算出手段が、現在の温度余裕変化率と前回の温度余裕変化率との差である周期当たりの温度余裕変化率の変動成分を算出し、この変動成分と第３の定数とを比較して、変動成分が当該第３の定数よりも大きい場合には、時間の経過に対応して徐々に減少する第２ゲインを算出し、
第３ゲイン算出手段が、各相のスイッチング素子温度のうちの最大値と最小値との差を求め、この差が第４の定数よりも大きい場合、又は、当該最小値が第５の定数よりも小さい場合には、時間の経過に対応して徐々に減少する第３ゲインを算出し、
出力手段が、第１ゲイン乃至第３ゲインのうちの最小値を上記電流指令上下限制限値として出力したことを特徴とする電動機制御装置。 - 高電位側のスイッチング素子と低電位側のスイッチング素子とを直列接続したスイッチングアームを複数相、直流電力入力に並列接続し、上記各スイッチングアームの各スイッチング素子間より交流電力を交流電動機に供給するように構成するとともに、制御演算装置を具備し、この制御演算装置により上記各スイッチング素子のスイッチングを制御して上記電動機の通電電流を制御するようにした電動機制御装置において、
各相毎の上記スイッチング素子の近傍にＰＮ接合を含む半導体素子を配置するとともに、各相毎のスイッチング素子の近傍に配置された各々の半導体素子に一定電流を流す定電流回路を接続するように構成して、上記一定電流の値が上記半導体素子自身を過熱させないような低い値に設定され、
かつ、上記半導体素子のＰＮ接合間の順方向電圧値を検出することで上記スイッチング素子の温度を認識し、この認識したスイッチング素子の温度に基づいて上記スイッチング素子が過熱状態であると判定した場合に上記スイッチング素子をオフ状態に設定する過熱防止手段を備え、
さらに、上記制御演算装置は、調整前の電流指令値の絶対値の上下限値を制限する電流指令上下限制限値を算出して出力する監視手段と、上記電流指令上下限制限値に基いて調整後の電流指令値を演算する電流指令値演算手段と、上記調整後の電流指令値に基いて上記電動機に通電する電流を制御する電流制御手段とを備え、
上記監視手段は、電動機温度信号と上記電流指令値演算手段から出力される調整前の電流指令値と過熱識別手段から出力される各相のスイッチング素子温度とを入力して複数のゲインを算出するゲイン算出手段と、上記電流指令上下限制限値を出力する出力手段とを備え、
上記ゲイン算出手段が、調整前の電流指令値と温度余裕と温度余裕変化率とを用いて第１ゲインを算出する第１ゲイン算出手段と、温度余裕変化率の変動成分を用いて第２ゲインを算出する第２ゲイン算出手段と、各相のスイッチング素子温度を用いて第３ゲインを算出する第３ゲイン算出手段と、電動機温度信号を用いて第４ゲインを算出する第４ゲイン算出手段とを備え、
上記第１ゲイン算出手段が、第１の定数と各相のスイッチング素子温度のうちの最大値との差である温度余裕を一定の演算周期毎に求めて、演算周期当たりの温度余裕変化率を求め、演算周期当たりの温度余裕変化率に第１の調整ゲインを乗じた第１の値と第２の定数との差を求めて、この差と上記温度余裕に第２の調整ゲインを乗じた第２の値とを乗算して第３の値を算出し、かつ、演算周期毎に入力される複数の調整前の電流指令値の絶対値の総和が所定値以上になった場合に徐々に小さくなる第３の調整ゲインを算出して、この第３の調整ゲインと第３の値とを乗算することによって第１ゲインを算出し、
第２ゲイン算出手段が、現在の温度余裕変化率と前回の温度余裕変化率との差である周期当たりの温度余裕変化率の変動成分を算出し、この変動成分と第３の定数とを比較して、変動成分が当該第３の定数よりも大きい場合には、時間の経過に対応して徐々に減少する第２ゲインを算出し、
第３ゲイン算出手段が、各相のスイッチング素子温度のうちの最大値と最小値との差を求め、この差が第４の定数よりも大きい場合、又は、当該最小値が第５の定数よりも小さい場合には、時間の経過に対応して徐々に減少する第３ゲインを算出し、
第４ゲイン算出手段が、第６の定数と電動機温度信号との差である電動機温度余裕を求めて、この電動機温度余裕に第４の調整ゲインを乗じた第４の値を算出し、かつ、上記演算周期毎に入力される複数の調整前の電流指令の絶対値の総和が所定値以上になった場合に徐々に大きくなる第５の調整ゲインを算出して、この第５の調整ゲインと第７の定数との差を求めて、この差と第４の値とを乗算することによって第４ゲインを算出し、
出力手段が、第１ゲイン乃至第４ゲインのうちの最小値を上記電流指令上下限制限値として出力したことを特徴とする電動機制御装置。 - 請求項１または請求項２に記載の電動機制御装置において、
上記過熱防止手段に、所定温度での上記半導体素子の順方向電圧値を予め記憶しておき、上記スイッチング素子の温度が変化した場合の変動を絶対量として認識させるようにしたことを特徴とする電動機制御装置。 - 請求項１または請求項２に記載の電動機制御装置において、
上記過熱防止手段は、上記スイッチング素子の温度を上記制御演算装置にアナログ信号で伝えるようにしたことを特徴とする電動機制御装置。 - 請求項１または請求項２に記載の電動機制御装置において、
上記過熱防止手段は、上記スイッチング素子の過熱防止を現在実施しているか否かの情報を上記制御演算装置にディジタル信号で出力するようにしたことを特徴とする電動機制御装置。 - 請求項１または請求項２に記載の電動機制御装置において、
上記過熱防止手段は、上記各相のスイッチング素子のうち最も温度の高いものを認識し、この最も高い温度に基づいて判定を行うことを特徴とする電動機制御装置。 - 請求項１または請求項２に記載の電動機制御装置において、
上記スイッチング素子が形成されたチップ領域内、あるいはこのチップ領域のごく近傍に上記半導体素子を配置したことを特徴とする電動機制御装置。 - 請求項１または請求項２に記載の電動機制御装置において、
上記半導体素子として温度検出ダイオードを用いたことを特徴とする電動機制御装置。 - 請求項１または請求項２に記載の電動機制御装置において、
上記スイッチング素子としてのバイポーラトランジスタを用い、上記電圧検出手段は、上記バイポーラトランジスタのコレクタ−エミッタ間電圧値を検出することを特徴とする電動機制御装置。
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|---|---|---|---|
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