JP4223379B2 - スイッチングデバイスの制御装置およびモーターの駆動回路の制御装置 - Google Patents

Description

本発明はスイッチングデバイスの制御装置に関し、特にサージ電圧抑制のためのスナバ回路を有したスイッチングデバイスの制御装置に関する。

インバータなどの電力変換装置においては、スイッチングデバイスとして、パワーＭＯＳＦＥＴや、ＩＧＢＴ（絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ：Insulated Gate Bipolar Transistor）が用いられるが、これらのスイッチングデバイスにおいては、スイッチング時のサージ電圧の抑制と、電力損失の低減とが重要な課題である。

例えば特許文献１には、サージ電圧を抑制すべきスイッチングデバイスのゲートに、２つの抵抗可変手段を接続し、制御電圧を分圧してゲート電圧としてスイッチングデバイスに印加することで、ゲート電圧の時間的な変化を抑制して、スイッチング時のサージ電圧を抑制する半導体デバイスの駆動装置が開示されている。

特開2001−217697号公報（図１）

上述した特許文献１の半導体デバイスの駆動装置では、スナバ回路を有する構成については考慮されておらず、特許文献１の構成にスナバ回路を付加すると、スナバ回路に不具合が発生した場合に、サージ電圧が増大したり、電力損失が増大する可能性を含んでおり、例えば、昨今注目されているハイブリッド自動車（モーターとエンジンとを動力源として使用する自動車）のモーターの制御に使用するような場合、スナバ回路に不具合が発生すると、自動車の駆動に支障を来す可能性がある。

本発明は上記のような問題点を解消するためになされたもので、サージ電圧抑制のためのスナバ回路を有したスイッチングデバイスにおいて、スナバ回路に不具合が発生した場合でも、サージ電圧の増大や電力損失の増大を防止したスイッチングデバイスの制御装置を提供するとともに、当該制御装置を備えた自動車のモーターの駆動回路の制御装置を提供することを目的とする。

請求項１記載のスイッチングデバイスの制御装置は、前記スイッチングデバイスの駆動制御を行う駆動装置と、前記スイッチングデバイスのスイッチング動作時に発生するサージ電圧抑制のために、少なくともキャパシタを有して構成されるスナバ回路と、前記スイッチングデバイスの主電極間の電圧を検出する電圧検出装置と、前記電圧検出装置の検出電圧を監視して前記サージ電圧を検知する検出電圧監視装置と、前記検出電圧監視装置からの指示に基づいて前記スイッチングデバイスの制御状態を変更する制御状態変更装置とを備え、前記検出電圧監視装置は、前記サージ電圧との比較対象であって、予め設定された第１および第２の規定値を有し、前記サージ電圧が前記第１の規定値を越えた場合には、前記制御状態変更装置に指示して前記スイッチングデバイスの制御状態を通常制御状態から第１の制御状態に移行させ、前記スイッチングデバイスが前記第１の制御状態にある場合に、前記サージ電圧が前記第２の規定値を越える状態となった場合には、前記制御状態変更装置に指示して前記スイッチングデバイスの制御状態を前記第１の制御状態から第２の制御状態に移行させることで、前記サージ電圧を抑制する。

請求項９記載のモーターの駆動回路の制御装置は、駆動源としてモーターを含む自動車の、前記モーターの駆動回路の制御装置であって、前記制御装置は、請求項１記載のスイッチングデバイスの制御装置を備える。

本発明に係る請求項１記載のスイッチングデバイスの制御装置によれば、サージ電圧が第１の規定値を越えた場合には、スイッチングデバイスの制御状態を通常制御状態から第１の制御状態に移行させ、スイッチングデバイスが第１の制御状態にある場合に、サージ電圧が第２の規定値を越える状態となった場合には、制御状態変更装置に指示してスイッチングデバイスの制御状態を第１の制御状態から第２の制御状態に移行させてサージ電圧を抑制するので、スナバ回路の不具合を放置することでスイッチングデバイスに不具合が発生することを防止できる。また、スナバ回路の不具合の検知に際しては、予め設定された第１および第２の規定値を不具合判定の指標として使用し、２段階に分けて不具合判定を行うので、誤判定の発生を低減できる。

本発明に係る請求項９記載のモーターの駆動回路の制御装置によれば、スナバ回路の不具合を放置することでスイッチングデバイスに不具合が発生することを防止できるので、車両の駆動に寄与するスイッチングデバイス に不具合が発生して自動車の運行に自動車の運行に支障を来すことを防止できる。

＜実施の形態＞
以下、図１〜図７を用いて本発明に係るスイッチングデバイスの制御装置の実施の形態について説明する。

＜Ａ．装置構成＞
図１に、本発明に係るスイッチングデバイスの制御装置を含む電力変換装置を備えた３相モーターの駆動回路の構成を示す。図１に示すように、３相モーターＭの電源となる主電源ＤＰＷがＰ−Ｎ線間に配設され、モーターＭの各々の相には、電力変換装置としてインバータ１００、１０１、１０２が接続されている。

インバータ１００、１０１、１０２は、それぞれＰ−Ｎ線間にトーテムポール接続されたＩＧＢＴなどのパワーデバイスであるトランジスタＴ１およびＴ２、Ｔ３およびＴ４、Ｔ５およびＴ６の組を有している。トーテムポール接続されたトランジスタＴ１およびＴ２、Ｔ３およびＴ４、Ｔ５およびＴ６は、ハーフブリッジを構成し、各々の出力端子Ｕ、Ｖ、Ｗには、モーターＭの各相の入力端子が接続されている。また、トランジスタＴ１〜Ｔ６には、各々フリーホイールダイオードＤ１〜Ｄ６が逆並列接続されている。

ここで、主電源ＤＰＷは、電源ＰＷと、電源ＰＷから供給される電圧を昇圧する昇圧回路ＢＶとを備え、昇圧回路ＢＶから出力される電圧が主電源ＤＰＷの出力電圧となる。

なお、インバータ１００、１０１、１０２の構成要素は、トランジスタとダイオードだけではなく、詳細な構成についてはインバータ１００を例に採って図２を用いて以下に説明する。

図２に示すようにインバータ１００は、Ｐ−Ｎ線間に接続されたトランジスタＴ１およびＴ２に対して、それぞれゲート制御信号を相補的に与えることで交互にオン・オフ制御するインバータ制御装置１１０と、Ｐ−Ｎ線間に配設され、スナバ回路を構成するキャパシタ１と、Ｐ−Ｎ線間に配設され、抵抗分割によりＰ−Ｎ線間の電圧を検出することでトランジスタＴ１およびＴ２のサージ電圧を検知する電圧検出抵抗（電圧検出装置）２とを有し、インバータ制御装置１１０に含まれるドライバ（駆動装置）６および７から、トランジスタＴ１およびＴ２に対して、それぞれゲート制御信号を与える構成となっている。

ここで、電力線であるＰ線側のトランジスタＴ１は、出力端子Ｕの電位を基準電位として、当該基準電位と主電源ＤＰＷが供給する電源電位との間でスイッチング動作するデバイスであり、高電位側デバイスと呼称される。また、トランジスタＴ２は接地電位を基準電位として、当該基準電位と出力端子Ｕの電位との間でスイッチング動作するデバイスであり、低電位側デバイスと呼称される。

ドライバ６および７は、それぞれ電源１１および１２によって駆動し、それぞれデバイス制御信号発生装置９から与えられるパルス状の制御信号Ｓ６およびＳ７に基づいて制御されるが、高電位側にあるドライバ６には、接地電位を基準として生成されたパルス状の制御信号Ｓ６を直接に与えることができないので、制御信号Ｓ６の正および負のレベル遷移に応答して、パルス状の信号を発生させるレベルシフト回路８を介して与える構成となっている。

なお、デバイス制御信号発生装置９は、インバータ１００の外部から与えられる入力信号Ｓ０によって制御される構成となっている。

また、レベルシフト回路８は、例えば高耐圧のＭＯＳトランジスタによって実現され、ドライバ６および７は、ＣＭＯＳインバータあるいはそれに相当する構成によって実現されるが、何れの構成についても周知であるので説明は省略する。

そして、ドライバ６および７の出力であるゲート制御信号は、それぞれゲート抵抗可変装置（制御状態変更装置）４および５を介してトランジスタＴ１およびＴ２に与えられる構成となっている。

ゲート抵抗可変装置４は、固定抵抗４１および可変抵抗４２を有し、ゲート抵抗可変装置５は、固定抵抗５１および可変抵抗５２を有している。可変抵抗４２および５２は、それぞれ検出電圧監視装置３から与えられる可変抵抗制御信号Ｓ２１およびＳ２２に基づいて抵抗値が制御される構成となっている。

なお、高電位側にある可変抵抗４２に対しては、接地電位を基準として生成された可変抵抗制御信号Ｓ２１を直接に与えることができないので、レベルシフト回路８を介して与える構成となっている。

ここで、可変抵抗５２を例に採り、図３を用いてその構成の一例について説明する。
図３に示すように、可変抵抗５２は、直列に接続された複数の抵抗（ここでは抵抗５２１、５２２、５２３および５２４）と、各抵抗にそれぞれ並列に接続されたトランジスタ（ここではバイポーラトランジスタＴ５２１、Ｔ５２２、Ｔ５２３およびＴ５２４）と、トランジスタＴ５２１〜Ｔ５２４のベースに電圧を与えて、トランジスタＴ５２１〜Ｔ５２４のオン・オフ制御を行う可変抵抗制御装置ＶＲＣとを備えている。可変抵抗制御装置ＶＲＣは、検出電圧監視装置３から与えられる可変抵抗制御信号Ｓ２２に対応させて、予め設定したトランジスタＴ５２１〜Ｔ５２４の組み合わせをオンあるいはオフさせることで、所望の抵抗値を得るものである。

なお、トランジスタＴ１およびＴ２のゲート抵抗は、トランジスタＴ１およびＴ２が通常制御状態にある場合は、それぞれ固定抵抗４１および５１の抵抗値に相当し、可変抵抗４２および５２の抵抗値は、ほぼゼロに等しくなるように設定されている。そして、抵抗値の制御が必要になった場合には、ゲート抵抗が増えるように可変抵抗４２および５２を制御することになる。

ここで、可変抵抗制御装置ＶＲＣは、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）などのような、用途を特化した集積回路で実現することができる。

なお、図３の例では、複数の抵抗を直列に接続した構成を示したが、これに限定されるものではなく、抵抗を並列に接続した構成を含めることで、抵抗値のより細かい調整が可能となることは言うまでもない。

ここで、再び図２の説明に戻る。
検出電圧監視装置３は、電圧検知抵抗２で検出された電圧を信号Ｓ１として受け、予め設けた規定値との比較結果に基づいて、トランジスタＴ１およびＴ２の制御状態の変更の要否を判定する機能と、当該判定結果に基づいて可変抵抗制御信号Ｓ２１およびＳ２２を生成して出力する機能と、トランジスタＴ１およびＴ２の制御状態を変更した場合には、外部に対してその旨を通知する通知信号Ｓ３を出力する機能と有し、例えばマイクロコンピュータを含んで構成されている。

また、検出電圧監視装置３は、デバイス制御信号発生装置９に電流制御信号Ｓ４を与えて、トランジスタＴ１およびＴ２に流れる主電流を制限する機能も併せて有している。

＜Ｂ．装置動作＞
＜Ｂ−１．ゲート抵抗とサージ電圧との関係について＞
次に、インバータ制御装置１１０の動作説明に先立って、ゲート抵抗とスイッチングデバイスのサージ電圧の関係について、図４〜図６を用いて説明する。

図４は、トランジスタ（ＩＧＢＴ）ＴＸと、トランジスタＴＸに逆並列に接続されたダイオードＤＸとを有する構成において、トランジスタＴＸのターンオン時の電流の流れを模式的に示す図であり、図５はターンオフ時の電流の流れを模式的に示す図である。

図４に示すように、トランジスタＴＸのゲートとエミッタとの間には入力容量Ｃｉが存在し、ゲートとコレクタとの間には帰還容量Ｃｒが存在しており、ターンオン時には、まず入力容量Ｃｉが充電されるように電流Ｉ１が流れる。

そして、ゲート電圧がしきい値に達すると、トランジスタＴＸがオンすることで、コレクタ電圧が低下し、帰還容量Ｃｒが放電する。

一方、図５に示すように、ターンオフ時には、ゲート電流は入力容量Ｃｉの放電によりゲート電圧をしきい値電圧以下とし、トランジスタＴＸをオフしようとするが、これによりコレクタ電圧が上昇するので帰還容量Ｃｒが充電されることになる。

このように、トランジスタＴＸのターンオン、ターンオフに際しては、ゲート電流によって入力容量Ｃｉが充放電され、その充放電時間はゲート抵抗ＲＸの抵抗値によって変わることとなる。

すなわち、ゲート抵抗ＲＸの抵抗値を小さくすれば、ゲート電流が大きくなるので入力容量Ｃｉの充放電時間が短くなり、トランジスタＴＸのスイッチング速度（ターンオン、ターンオフの速度）が速くなる。逆に、ゲート抵抗ＲＸの抵抗値を大きくすれば、ゲート電流が小さくなるので入力容量Ｃｉの充放電時間が長くなり、トランジスタＴＸのスイッチング速度が遅くなる。

ここで、図６にスイッチングデバイスの動作特性を示す。図６に示されるように、スイッチングデバイスのサージ電圧とは、ターンオフ時（コレクタ電流が遮断される時）にコレクタ電圧Ｖｃが定常値よりも突出して最大になる時の電圧であり、主回路の寄生インダクタンスと、ターンオフ時の主電流（コレクタ電流Ｉｃ）の電流勾配（ｄｉ／ｄｔ）の積で与えられるので、ターンオフ速度が速いとｄｉ／ｄｔが大きくなり、サージ電圧が大きくなる。逆に、ターンオフ速度が遅いとｄｉ／ｄｔが小さくなり、サージ電圧が小さくなる。従って、サージ電圧を小さくしたければ、ゲート抵抗の抵抗値を大きくしてターンオフ速度を遅くすれば良いということになる。

しかし、ターンオフ速度を遅くすると電力損失が大きくなる。すなわち、図６においてハッチングを施した領域Ａ１およびＡ２で示されるように、スイッチング時の電力損失は、ターンオオン時およびターンオフ時の過渡領域におけるコレクタ電流Ｉｃとコレクタ電圧Ｖｃの積の時間積分により得られるので、ゲート抵抗の抵抗値が大きくなってｄｉ／ｄｔが小さくなると、領域Ａ１およびＡ２の面積、すなわちスイッチング時の電力損失が増えることとなる。従って、サージ電圧を小さくするために無制限にゲート抵抗の抵抗値を大きくすることはできない。

＜Ｂ−２．スナバ回路について＞
そこで、サージ電圧の抑制には、スナバ回路を用いることが多い。スナバ回路には、キャパシタおよび抵抗を用いたＲＣスナバ回路、キャパシタ、抵抗およびダイオードを用いた非充電型ＲＣＤスナバ回路、充電型ＲＣＤスナバ回路などが使用される。

図２に示すインバータ１００では、最も単純なスナバ回路として、キャパシタ１で構成されるスナバを備えた例を示したが、上述したＲＣスナバ回路、非充電型ＲＣＤスナバ回路および充電型ＲＣＤスナバ回路の何れを使用しても良く、また、これ以外のスナバ回路を使用しても良い。

しかし、何れのスナバ回路においても共通するのは、キャパシタがサージのエネルギーを吸収するという点であるが、キャパシタがオープン（ショートの反対）状態になると、キャパシタの容量がゼロとなり、サージのエネルギーを吸収できず、逆にサージ電圧が増大するという可能性がある。そして、サージ電圧が増大した状態でスイッチングデバイスの動作を続けると、スイッチングデバイスに負荷がかかるだけでなく、スイッチングデバイスの耐圧以上のサージ電圧が加わった場合には、スイッチングデバイスの機能が損なわれる可能性もある。

しかし、図２に示すインバータ制御装置１１０では、スナバ回路の動作状態を検知するための電圧検知抵抗２を備え、電圧検知抵抗２で検出された電圧を検出電圧監視装置３に与えて、サージ電圧を抑制する構成となっているので、スナバ回路およびスイッチングデバイスの機能が損なわれることを防止できる。以下、インバータ制御装置１１０の動作について具体的に説明する。

＜Ｂ−３．インバータ制御装置の動作＞
図７に示すフローチャートを用いてインバータ制御装置１１０の動作について説明する。
図７に示すように、インバータ１００の制御が始まると、まず検出電圧監視装置３は、現状の制御状態の確認を行う。具体的には、ステップＳＴ１において、制御状態が第１制御状態であるか否かを確認し、第１制御状態である場合にはステップＳＴ６に進み、第１制御状態ではない場合、すなわち通常制御状態あるいは第２制御状態である場合にはステップＳＴ２に進む。

検出電圧監視装置３は、電圧検知抵抗２で検出されたＰ−Ｎ線間の分圧電圧に基づいてトランジスタＴ１およびＴ２の制御状態を変更することができるが、制御状態を変更した場合には、各状態に対応して、検出電圧監視装置３内に、例えばフラグを立てることで、現状の制御状態が何であるかを認識することができる。

＜Ｂ−３−１．通常制御状態から第１制御状態への移行＞
ステップＳＴ２では、制御状態が第２制御状態であるか否かを確認し、第２制御状態ではない場合、すなわち通常制御状態である場合にはステップＳＴ３に進み、第２制御状態である場合には、ステップＳＴ１以下の動作を繰り返す。

ステップＳＴ３では、電圧検知抵抗２で検出された検出電圧と、予め設定された規定値１との比較を行う。すなわち、電圧検知抵抗２はＰ−Ｎ線間の分圧電圧を測定しており、測定された分圧電圧は、検出電圧監視装置３に与えられ、検出電圧監視装置３では、最大ピーク電圧、すなわちサージ電圧をモニターしており、トランジスタＴ１およびＴ２が通常制御状態である場合には、規定値１と最大ピーク電圧との比較を行う。

なお、最大ピーク電圧を取得するには、電圧検知抵抗２から与えられる分圧電圧を任意の間隔でサンプリングするようにし、例えば、ドライバ６がオフ信号を出力してからトランジスタＴ１のコレクタ電圧が電源電圧に戻るまでの期間に複数回測定された分圧電圧の中から最大の電圧を選択して最大ピーク電圧としても良いし、電圧検知抵抗２から与えられる分圧電圧を連続的に取り込み、ドライバ６がオフ信号を出力してからトランジスタＴ１のコレクタ電圧が電源電圧に戻るまでの期間の最大電圧を一般的なピーク検出回路等により検出するようにしても良い。

ここで、通常制御状態とは、トランジスタＴ１およびＴ２のゲート抵抗が、それぞれ固定抵抗４１および５１の抵抗値に相当するように設定されている状態であり、スナバ回路が正常で、寄生インダクタンスにより発生するサージ電圧が、スイッチングデバイスの耐圧を越えない状態である場合を指す。

従って、規定値１は、通常制御状態のゲート抵抗値で、スナバ回路が正常な場合に寄生インダクタンスにより発生するサージ電圧以上であって、通常制御状態のゲート抵抗値で、スナバ回路がオープン状態になった場合に寄生インダクタンスにより発生するサージ電圧以下の電圧値となるように設定される。

そして、ステップＳＴ３における規定値１と検出電圧（最大ピーク電圧）との比較の結果、検出電圧の方が大きいと判定された場合、すなわち、スナバ回路が正常な場合よりも大きなサージ電圧が検出された場合には、ステップＳＴ４において、通常制御状態から第１制御状態に移行し、検出電圧（最大ピーク電圧）が規定値１以下と判定された場合は、ステップＳＴ１以下の動作を繰り返す。

ここで、第１制御状態とは、検出電圧監視装置３が、可変抵抗制御信号Ｓ２１およびＳ２２を出力してゲート抵抗可変装置４および５を操作し、トランジスタＴ１およびＴ２のゲート抵抗値を変更してトランジスタＴ１およびＴ２の動作を変更した状態を指す。具体的には、先に図４〜図６を用いて説明したように、ゲート抵抗の抵抗値を大きくしてターンオフ速度を遅くしてサージ電圧を低減している状態を指す。

このように、ゲート抵抗を可変することでサージ電圧を低減させる構成を採ることで、サージ電圧を確実に低減させることができる。

なお、これも先に説明したが、ゲート抵抗の抵抗値を大きくすると、スイッチング時の電力損失が増えるので、ゲート抵抗の抵抗値には上限を設け、固定抵抗４１および５１の抵抗値から、当該上限値までの範囲までが可変となるように可変抵抗４２および５２の調整範囲が設定されている。

従って、可変抵抗４２および５２の調整に際しては、抵抗値を段階的に変更するものとし、第１制御状態ではそのうちの第１段階の変更を行う。

なお、一般的には、サージ電圧は、最大電流を使用しているときに発生した場合であっても、スイッチングデバイスの耐圧以下となるように設定されており、さらに、サージ電圧が大きくなると、外部の装置に伝導されるノイズが大きくなるので、伝導ノイズが許容範囲に収まるようにサージ電圧が設定されている。

しかし、本願発明は、サージ電圧を抑制するための機構、例えばスナバ回路が不具合となった場合にも対応できる制御装置を得ることを目的としているので、例えばスナバ回路が存在しない状態での評価を行った上で、ゲート抵抗値の上限値や、変更値（上述した第１段階の変更値や、後述する第２段階の変更値）を設定しており、サージ電圧がスイッチングデバイスの耐圧以下にでき、かつ、ゲート抵抗値の変更に起因して、電力損失による発熱によりスイッチングデバイスに不具合が発生することを防止することを最優先とし、伝導ノイズ発生の防止については優先度を下げる場合もある。

なお、最大電流を使用している状態で、サージ電圧がスイッチングデバイスの耐圧以下になるようにゲート抵抗値を増やすと、電力損失による発熱を抑制できず、スイッチングデバイスに不具合が発生する可能性がある場合には、主電流を低減するようにスイッチングデバイスのスイッチング制御を変更するようにしても良い。

すなわち、トランジスタＴ１およびＴ２は、デバイス制御信号発生装置９（図２参照）が発するパルス状の制御信号Ｓ６およびＳ７に基づいてオン、オフ制御されており、オン時間およびオフ時間を変更することで、主電流の電流値を変更することができる。従って、ゲート抵抗値の変更による電力損失が問題になる場合には、主電流の電流値も変更する場合がある。

ステップＳＴ４において第１制御状態に移行した後、その情報をステップＳＴ５においてスナバ回路故障の予備判定が出されたとして、外部に通知する。

すなわち、通常制御状態から第１制御状態に移行する場合とは、スナバ回路が正常な場合よりも大きなサージ電圧が検出された場合であり、スナバ回路が例えばオープン状態になるような不具合が発生している可能性が考えられる。ただし、スナバ回路の不具合が確定されたわけではないので予備的な判定として扱っている。

そこで、不具合発生の可能性をインバータ制御装置１１０の外部、例えば、インバータ制御装置１１０よりも上位の制御システムに通知することで、当該上位システムが必要に応じて制御方法を変更するなどの措置を採ることができるようにする。

例えば、先に説明したように、主電流を低減するようにスイッチングデバイスのスイッチング制御を変更した場合には、モーターＭ（図２参照）の駆動に使用できる電流が減っているので、上位システムは、それに応じた対応を実行する必要が生じる。

より具体的には、インバータ制御装置１１０が、ハイブリッド自動車（モーターとエンジンとを動力源として使用する自動車）のモーターを制御するものである場合、モーターの駆動力が低下した場合には、その低下分をエンジンの駆動力で補うように制御するなどの措置を採る必要が生じるが、スナバ回路故障の予備判定が出されたという情報を受けた上位システムは、上記措置を速やかに実行することが可能となる。なお、本発明の制御装置をハイブリッド自動車に適用する場合については、後にさらに説明する。

ステップＳＴ５において、スナバ回路故障の予備判定を外部に通知した後は、ステップＳＴ１以下の動作を繰り返す。

＜Ｂ−３−２．第１制御状態から第２制御状態への移行＞
次に、ステップＳＴ１において、制御状態が第１制御状態であると判断された場合の動作について説明する。

ステップＳＴ６では、電圧検知抵抗２で検出された検出電圧と、予め設定された規定値２との比較を行う。すなわち、検出電圧監視装置３では、トランジスタＴ１およびＴ２が第１制御状態である場合には、規定値２と電圧検知抵抗２で測定された最大ピーク電圧との比較を行う。

第１制御状態では、ゲート抵抗可変装置４および５の可変抵抗４２および５２が操作されて、固定抵抗４１および５１の抵抗値に可変抵抗４２および５２の抵抗値が加わって、ゲート抵抗が通常制御状態よりも増加した状態にある。

従って、この状態ではサージ電圧が抑制されているはずであるが、ステップＳＴ６の処理を行うのは、以下の理由からである。

すなわち、先に説明したように第１制御状態では、可変抵抗４２および５２の抵抗値は第１段階の値に変更されているが、そのゲート抵抗値では、スイッチングデバイスの耐圧を越えない電圧までサージ電圧を抑制できないほどスナバ回路の不具合の程度が大きい場合があること、また、ステップＳＴ３で検出された最大ピーク電圧が、スナバ回路の不具合に起因するものではなく、電磁ノイズ等に起因する擬似的、一時的な現象である可能性もあり、その場合に第１制御状態を維持し続けることは電力損失の点でも得策ではないからである。

なお、規定値２は、第１制御状態のゲート抵抗値で、スナバ回路が正常な場合に寄生インダクタンスにより発生するサージ電圧以上であって、第１制御状態のゲート抵抗値で、スナバ回路がオープン状態になった場合に寄生インダクタンスにより発生するサージ電圧以下の電圧値となるように設定される。

ステップＳＴ６において検出電圧が規定値２よりも大きいと判定されると、ステップＳＴ７において判定回数を１つインクリメントする。これは、第１制御状態を維持した状態でステップＳＴ１以下の処理を繰り返した場合に、検出電圧が規定値２よりも大きいと判定された回数を検出電圧監視装置３においてカウントする処理である。

なお、ステップＳＴ６において検出電圧が規定値２以下であると判定された場合には、検出電圧監視装置３においてカウントされた判定回数をリセットし（ステップＳＴ１１）、ゲート抵抗可変装置４および５の可変抵抗４２および５２の抵抗値をゼロに戻して通常制御状態に復帰し（ステップＳＴ１２）、その後はステップＳＴ１以下の動作を繰り返す。スイッチングデバイスの制御状態が通常制御状態に復帰することで、必要以上の電力損失が低減される。

ステップＳＴ７において判定回数（ＣＯＮＴ）を１つインクリメント（ＣＯＮＴ＋１）した後、ステップＳＴ８において、判定回数と予め定めた規定回数との比較を行う。

この処理は、第１制御状態にあってもサージ電圧が規定値２を越えている状態が持続しているか否かを確認する処理であり、判定回数が規定回数を越えるということは、スナバ回路の不具合が確定的になったことを意味する。

そこで、判定回数が規定回数を越えた場合はステップＳＴ９において、第１制御状態から第２制御状態に移行し、判定回数が規定回数以下である場合は、第１制御状態を維持してステップＳＴ１以下の動作を繰り返す。

なお、先に説明したように電磁ノイズ等によっても擬似的なサージ電圧が検出される可能性があるので、規定回数は誤判定を防止するという観点に立って決定され、インバータ制御装置１１０を電磁ノイズが多い環境下で使用する場合には、規定回数を比較的多く設定し、電磁ノイズが少ない環境下で使用する場合には、規定回数は数回程度でも良い。

このように、サージ電圧が規定値２を越えている状態が持続しているか否かを確認した後に第２制御状態に移行するので、判定の精度を高めることができる。

また、判定回数が規定回数を越える場合に、サージ電圧が規定値２を越える状態が持続しているものと判断するので、判断基準が明確となり、また、規定回数を変更することで容易に判断の精度を高めることができる。

ここで、第２制御状態とは、検出電圧監視装置３が、可変抵抗制御信号Ｓ２１およびＳ２２を出力してゲート抵抗可変装置４および５を操作し、トランジスタＴ１およびＴ２のゲート抵抗値を第２段階にまで変更して、トランジスタＴ１およびＴ２の動作状態をさらに変更した状態を指す。

第２制御状態に移行する目的は、スナバ回路の不具合が確定的である場合、第１制御状態のままトランジスタＴ１およびＴ２の動作を続行すると、トランジスタＴ１およびＴ２そのものに耐圧能力の低下や、発熱等の不具合が発生する可能性があるので、トランジスタＴ１およびＴ２のゲート抵抗値をさらに増やしてサージ電圧を低減させて、トランジスタＴ１およびＴ２を保護するためである。

ただし、先に説明したように、ゲート抵抗の抵抗値を大きくすると、スイッチング時の電力損失が増えるので、上述した第２段階の変更値は、サージ電圧を低減できるとともに、電力損失による発熱によりスイッチングデバイスに不具合が発生することを防止できるような値に設定される。

なお、第１制御状態に移行する場合と同様に、第２制御状態に移行する場合も、最大電流を使用している状態で、サージ電圧がスイッチングデバイスの耐圧以下になるようにゲート抵抗値を増やすと、電力損失による発熱を抑制できず、スイッチングデバイスに不具合が発生する可能性がある場合には、主電流を低減するようにスイッチングデバイスのスイッチング制御を変更するようにしても良い。

ステップＳＴ９において第２制御状態に移行した後、その情報をステップＳＴ１０においてスナバ回路故障の本判定が出されたして、外部（例えば、インバータ制御装置１１０の上位システム）に通知する。

すなわち、第１制御状態から第２制御状態に移行する場合とは、スナバ回路が例えばオープン状態になるような不具合が発生している場合であるので、スナバ回路の不具合が確定したものとして扱う。

スナバ回路の不具合が確定的になったこと知得した上位システムは、可能であればシステムの動作を停止したり、自動車のようにシステムの動作を停止できない場合には、上限速度を制限したり、運転者に不具合が明確になるようにシステムの制御を変更したり、運転者に不具合を警告するなどの措置を採る。

このように、上位システムがスナバ回路の不具合の可能性の情報および不具合の情報を受け取ることで、スイッチングデバイスに不具合が発生することを積極的に防止できる。

ステップＳＴ１０において、スナバ回路故障の本判定を外部に通知した後は、ステップＳＴ１以下の動作を繰り返す。

＜Ｃ．効果＞
以上説明したように、本発明に係るスイッチングデバイスの制御装置の実施の形態によれば、サージ電圧を監視することでスナバ回路の不具合を検知し、スナバ回路の不具合を上位システムに通知することでスイッチングデバイスに不具合が発生することを防止できる。

また、スナバ回路の不具合の検知に際しては、サージ電圧に基づいて設定された規定値１および規定値２を不具合判定の指標として使用し、２段階に分けて不具合判定を行うので、誤判定の発生を低減できる。

＜Ｄ．変形例１＞
以上説明した実施の形態においては、図７を用いて説明したように、第１制御状態に移行した後は、ステップＳＴ５において、スナバ回路故障の予備判定を外部に通知する処理を行う例を示したが、この処理は必須というものではない。

先に説明したように、予備判定はスナバ回路に不具合が発生した可能性がある場合に出されるものであり、電磁ノイズが多い環境下では頻繁に出される可能性がある。それを、毎回上位システム等に通知すると、その処理のために上位システムや通信ラインの負荷が増大するので、予備判定を外部に通知する処理を最初から有さない構成としても良いし、操作者の判断で、当該処理を省略できるようにしても良い。

このような構成を採ることで、上位システムや通信ラインの負荷が増大することが防止され、上位システムの動作をスムーズに行うことができる。

＜Ｅ．変形例２＞
以上説明した実施の形態においては、図１および図２を用いて説明したように、インバータ１００を構成するインバータ制御装置１１０に本発明を適用した例を示したが、本発明の適用はインバータ制御装置に限定されるものではなく、コンバータの制御装置に適用しても良い。

コンバータはインバータとは逆の機能を有するが、装置構成としてはインバータと同様であるので本発明も同様に適用できる。

＜Ｆ．変形例３＞
以上説明した実施の形態においては、図２を用いて説明したように、Ｐ−Ｎ線間にトーテムポール接続されたトランジスタＴ１およびＴ２のゲート抵抗を共に変更する構成を示したが、例えば、高電位側デバイスには、低電位側デバイスほど主電流が流れず、スナバ回路の有無に係わらずサージ電圧が高電位側デバイスの耐圧を越えないのであれば、ゲート抵抗を変更するための構成は、低電位側デバイスのみに設ければ良い。

また、逆に、低電位側デバイスには、高電位側デバイスほど主電流が流れず、スナバ回路の有無に係わらずサージ電圧が低電位側デバイスの耐圧を越えないのであれば、ゲート抵抗を変更するための構成は、高電位側デバイスのみに設ければ良い。

＜Ｇ．ハイブリッド自動車への適用例＞
図２を用いて説明したインバータ制御装置１１０を、ハイブリッド自動車のインバータに適用した場合の構成および動作について図８〜図１０を用いて説明する。

図８はハイブリッド自動車の車両制御システムの構成を示すブロック図である。図８に示すように、ハイブリッド自動車の車両制御システムは、車両全体の制御を統括するハイブリッドＥＣＵ（Electronic Control Unit）５００を最上位システムとし、その下に、インバータの制御を統括するインバータＥＣＵ２００、エンジンの制御を統括するエンジンＥＣＵ３００ブレーキの制御を統括するブレーキＥＣＵ４００等のシステムを有し、インバータ制御装置１１０は、インバータＥＣＵ２００の下位のシステムとなっている。

図９に、インバータ制御装置１１０を、ハイブリッド自動車のインバータに適用した場合の構成について示す。

図９に示すように、検出電圧監視装置３から外部に出力される通知信号Ｓ３は、インバータ制御装置１１０の上位システムであるインバータＥＣＵ２００に与えられる構成となっている。そして、インバータＥＣＵ２００は、通知信号Ｓ３に基づいて、デバイス制御信号発生装置９に電流制御信号Ｓ４１を与えて、トランジスタＴ１およびＴ２に流れる主電流を制限したり、主電源ＤＰＷに電圧制御信号Ｓ５を与えて、出力電圧を制御する機能を有している。なお、トランジスタＴ１およびＴ２に流れる主電流の制限については、デバイス制御信号発生装置９に電流制御信号Ｓ４１を与えるのではなく、デバイス制御信号発生装置９を制御する入力信号Ｓ０を変更することで実行しても良い。入力信号Ｓ０はインバータＥＣＵ２００が生成しているので、入力信号Ｓ０を変更することは容易にできる。

図１０は、インバータＥＣＵ２００の動作を説明するフローチャートである。
図１０に示すように、まず、インバータ制御装置１１０から、通知信号Ｓ３として、スナバ回路故障の予備判定が出された旨の通知を受けたか否かの確認を行い（ステップＳＴ２１）、通知を受けた場合は、デバイス制御信号発生装置９に電流制御信号Ｓ４１を与えて、トランジスタＴ１およびＴ２のオン時間およびオフ時間を変更することで、トランジスタＴ１およびＴ２に流れる主電流、すなわち出力電流を制限する（ステップＳＴ２２）。この場合、サージ電圧とスイッチングデバイスの動作電圧との合計が、スイッチングデバイスの耐圧を越えないように出力電流を制限する。

なお、主電流の制限については、検出電圧監視装置３が必要に応じて電流制御信号Ｓ４１をデバイス制御信号発生装置９に与えて実行する場合もあるが、このように予備判定が出された場合には、インバータＥＣＵ２００が無条件に行うという構成を採っても良い。

また、検出電圧監視装置３の機能がインバータＥＣＵ２００に含まれる場合、すなわち、検出電圧監視装置３がインバータＥＣＵ２００を構成するマイクロコンピュータの一部の機能によって実現されている場合には、検出電圧監視装置３とインバータＥＣＵ２００との構成上の区分が明確ではなくなるので、検出電圧監視装置３がスイッチングデバイスの主電流を制限するということは、インバータＥＣＵ２００がスイッチングデバイスの主電流を制限することと等価となる。

ステップＳＴ２１において、スナバ回路故障の予備判定が出された旨の通知を受けていない場合は、ステップＳＴ２３に進み、インバータ制御装置１１０から、通知信号Ｓ３として、スナバ回路故障の本判定が出された旨の通知を受けたか否かの確認を行う。

そして、通知を受けた場合は、主電源ＤＰＷに電圧制御信号Ｓ５を与えて、出力電圧を低減する制御を行うことで、サージ電圧とスイッチングデバイスの動作電圧との合計が、スイッチングデバイスの耐圧を越えないようにする（ステップＳＴ２４）。その後、運転者にスナバ回路の不具合を警告する（ステップＳＴ２５）。

主電源ＤＰＷの出力電圧を制御するには、例えば図１に示した昇圧回路ＢＶの昇圧電圧を制御したり、主電源ＤＰＷの源となる電源ＰＷに可変直流電源を使用し、電源ＰＷを制御することで実現できる。

なお、ステップＳＴ２３において、スナバ回路故障の本判定が出された旨の通知を受けていない場合は、予備判定が撤回され通常制御状態に復帰したことを意味する。すなわち、インバータ制御装置１１０からスナバ回路故障の予備判定が出された場合でも、図７を用いて説明したように、第１制御状態下でのサージ電圧が規定値２より小さくなっている場合は、スイッチングデバイスの制御は通常制御状態に復帰するので（ステップＳＴ１２）、ステップＳＴ２１において、スナバ回路故障の予備判定が出された旨の通知を受けた後、所定時間（図７で示すステップＳＴ９を経て第２制御状態に移行するまでに要する時間）を経てもスナバ回路故障の本判定が出された旨の通知を受けない場合は、ステップＳＴ２６においてスイッチングデバイスの出力電流の制限を解除し、ステップＳＴ２１以下の処理を繰り返す。

このように、インバータ制御装置１１０の上位システムであるインバータＥＣＵ２００が、インバータ制御装置１１０からのスナバ回路故障の予備判定および本判定に基づいて、スイッチングデバイスの保護動作を行うとともに、スナバ回路の不具合を運転者に警告することで、自動車の運行に支障を来すことを防止できる。

また、スイッチングデバイスの制御が通常制御状態に復帰した場合には、スイッチングデバイスの出力電流の制限を解除するので、自動車の運行が制限される可能性が低減する。

なお、上述の説明では、上位システムは、スナバ回路故障の予備判定が出された旨の通知を受けた後、所定時間（図７で示すステップＳＴ９を経て第２制御状態に移行するまでに要する時間）を経てもスナバ回路故障の本判定が出された旨の通知を受けない場合は、スイッチングデバイスの制御は通常制御状態に復帰したものとして、スイッチングデバイスの出力電流の制限を解除するとしたが、インバータ制御装置１１０から、通常制御状態に復帰した旨の情報を上位システムに与え、それを受けた上位システムが、スイッチングデバイスの出力電流の制限を解除する構成としても良い。

＜Ｈ．昇圧回路への適用例＞
これまでの説明では、本発明の制御装置を、Ｐ−Ｎ線間にトーテムポール接続されたスイッチングデバイスの制御に適用する例について示したが、これに限定されるものではなく、例えば、昇圧回路を構成するスイッチングデバイスの制御に適用しても良い。

より具体的な構成を図１１に示す。図１１に示すように昇圧回路９００は、電源ＰＷのＰ−Ｎ線間に配設されたＩＧＢＴなどのパワーデバイスであるトランジスタＴ１０およびキャパシタＣ１、トランジスタＴ１０のドレインにアノードを接続され、カソードがキャパシタＣ１のＰ線側の電極に接続されたダイオードＤ１０、トランジスタＴ１０のドレインと電源ＰＷの正電極との間に接続されたインダクタＬ１を電圧昇圧のための構成として有し、Ｐ−Ｎ線間には抵抗分割によりＰ−Ｎ線間の電圧を検出することでトランジスタＴ１０のサージ電圧を検出するための電圧検出抵抗（電圧検出装置）２０が配設され、Ｐ−Ｎ線のそれぞれの出力端子Ｏ１およびＯ２の間に昇圧された電圧（Ｖout）が出力される。また、Ｐ−Ｎ線間にはスナバ回路を構成するキャパシタ１０が配設されている。

トランジスタＴ１０はドライバ（駆動装置）７０から与えられるゲート制御信号によって駆動し、ドライバ７０はデバイス制御信号発生装置９０によって制御される構成となっている。なお、デバイス制御信号発生装置９０は、昇圧回路９００の外部から与えられる入力信号Ｓ１０によって制御される構成となっている。

そして、ドライバ７０の出力であるゲート制御信号は、ゲート抵抗可変装置（制御状態変更装置）５０を介してトランジスタＴ１０に与えられる構成となっている。

ゲート抵抗可変装置５０は、固定抵抗５０１および可変抵抗５０２を有し、可変抵抗５０２は、検出電圧監視装置３０から与えられる可変抵抗制御信号Ｓ１２に基づいて抵抗値が制御される構成となっている。

なお、可変抵抗５０２の構成については図３を用いて説明した可変抵抗５２と同様であるので説明は省略する。

検出電圧監視装置３０は、電圧検知抵抗２０で検出された電圧を信号Ｓ１１として受け、予め設けた規定値との比較結果に基づいて、トランジスタＴ１０の制御状態の変更の要否を判定する機能と、当該判定結果に基づいて可変抵抗制御信号Ｓ１２を生成して出力する機能と、トランジスタＴ１０の制御状態を変更した場合には、外部に対してその旨を通知する通知信号Ｓ１３を出力する機能と有し、例えばマイクロコンピュータを含んで構成されている。

また、検出電圧監視装置３０は、デバイス制御信号発生装置９０に電流制御信号Ｓ１４を与えて、トランジスタＴ１０に流れる主電流を制限する機能も併せて有している。

このような構成を有する昇圧回路９００は、図７を用いて説明したインバータ制御装置１１０と同様の処理により、スナバ回路の状態を判定し、判定結果を外部に通知することができる。

なお、図１１に示す昇圧回路９００は、図１に示すインバータ１００の主電源ＤＰＷを構成する昇圧回路ＢＶとして使用しても良い。

本発明に係るスイッチングデバイスの制御装置を含む電力変換装置を備えた３相モーターの駆動回路の構成を示す図である。 本発明に係るスイッチングデバイスの制御装置を含むインバータの構成を示す図である。 ゲート抵抗可変装置の構成例を説明する図である。 トランジスタのターンオン時の電流の流れを模式的に示す図である。 トランジスタのターンオフ時の電流の流れを模式的に示す図である。 スイッチングデバイスの動作特性を示す図である。 本発明に係るスイッチングデバイスの制御装置の動作を説明するフローチャートである。 ハイブリッド自動車の車両制御システムの構成を示すブロック図である。 本発明に係るスイッチングデバイスの制御装置を含むインバータを、ハイブリッド自動車のインバータに適用した場合の構成を示す図である。 ハイブリッド自動車のインバータの上位システムの動作を説明するフローチャートである。 本発明に係るスイッチングデバイスの制御装置を昇圧回路に適用した場合の構成を示す図である。

符号の説明

２ 電圧検出抵抗、４，５ ゲート抵抗可変装置、１１０ インバータ制御装置。

Claims (9)

1. スイッチングデバイスの制御装置であって、
   前記スイッチングデバイスの駆動制御を行う駆動装置、
   前記スイッチングデバイスのスイッチング動作時に発生するサージ電圧抑制のために、少なくともキャパシタを有して構成されるスナバ回路と、
   前記スイッチングデバイスの主電極間の電圧を検出する電圧検出装置と、
   前記電圧検出装置の検出電圧を監視して前記サージ電圧を検知する検出電圧監視装置と、
   前記検出電圧監視装置からの指示に基づいて前記スイッチングデバイスの制御状態を変更する制御状態変更装置とを備え、
   前記検出電圧監視装置は、前記サージ電圧との比較対象であって、予め設定された第１および第２の規定値を有し、
   前記サージ電圧が前記第１の規定値を越えた場合には、前記制御状態変更装置に指示して前記スイッチングデバイスの制御状態を通常制御状態から第１の制御状態に移行させ、
   前記スイッチングデバイスが前記第１の制御状態にある場合に、前記サージ電圧が前記第２の規定値を越える状態となった場合には、前記制御状態変更装置に指示して前記スイッチングデバイスの制御状態を前記第１の制御状態から第２の制御状態に移行させることで、前記サージ電圧を抑制するスイッチングデバイスの制御装置。
2. 前記検出電圧監視装置は、
   前記スイッチングデバイスが前記第１の制御状態にある場合に、前記サージ電圧が前記第２の規定値以下を維持する場合には、前記制御状態変更装置に指示して前記スイッチングデバイスの制御状態を前記第１の制御状態から前記通常制御状態に復帰させる、請求項１記載のスイッチングデバイスの制御装置。
3. 前記検出電圧監視装置は、
   前記スイッチングデバイスが前記第１の制御状態にあって、前記サージ電圧が前記第２の規定値を越える状態となった場合であって、それが持続する場合にのみ前記スイッチングデバイスの制御状態を前記第１の制御状態から第２の制御状態に移行させる、請求項２記載のスイッチングデバイスの制御装置。
4. 前記検出電圧監視装置は、
   前記スイッチングデバイスが前記第１の制御状態にある場合に、前記サージ電圧と前記第２の規定値との比較判定を繰り返して行い、前記サージ電圧が前記第２の規定値を越える判定が出された回数が予め定めた規定回数を越えた場合に、前記サージ電圧が前記第２の規定値を越える状態が持続しているものと判断する、請求項３記載のスイッチングデバイスの制御装置。
5. 前記検出電圧監視装置は、
   前記スイッチングデバイスの制御状態を前記第１の制御状態に移行させた場合に、その情報を前記制御装置の上位システムに通知し、
   前記スイッチングデバイスの制御状態を前記第２の制御状態に移行させた場合に、その情報を前記上位システムに通知する機能を有する、請求項２記載のスイッチングデバイスの制御装置。
6. 前記検出電圧監視装置は、
   前記スイッチングデバイスの制御状態を前記第２の制御状態に移行させた場合に、その情報を前記制御装置の上位システムに通知する機能を有する、請求項２記載のスイッチングデバイスの制御装置。
7. 前記上位システムは、
   前記第１の制御状態に移行した情報の通知および前記第２の制御状態に移行した情報の通知を受け、それぞれに対応して前記スイッチングデバイスの動作制限を実行し、
   前記スイッチングデバイスの制御状態が、前記第１の制御状態から前記通常制御状態に復帰し、前記第２の制御状態に移行した情報の通知を受けない場合には、前記第１の制御状態への移行に対応する前記スイッチングデバイスの動作制限を解除する、請求項５記載のスイッチングデバイスの制御装置。
8. 前記制御状態変更装置は、前記スイッチングデバイスのゲート抵抗を変更するゲート抵抗可変装置を含み、
   前記ゲート抵抗可変装置は、前記スイッチングデバイスのゲート抵抗を段階的に変更する機能を有し、
   前記第１の制御状態は、
   前記スイッチングデバイスのゲート抵抗を前記通常制御状態の抵抗値から増加させて第１の抵抗値とすることで前記スイッチングデバイスのターンオフ速度を低下させる制御状態を含み、
   前記第２の制御状態は、
   前記スイッチングデバイスのゲート抵抗を前記第１の抵抗値から増加させて第２の抵抗値とすることで前記スイッチングデバイスのターンオフ速度を低下させる制御状態を含む、請求項１記載のスイッチングデバイスの制御装置。
9. 駆動源としてモーターを含む自動車の、前記モーターの駆動回路の制御装置であって、 前記制御装置は、請求項１記載のスイッチングデバイスの制御装置を備える、モーターの駆動回路の制御装置。

Images