JP5098522B2 - インバータ装置の設計方法 - Google Patents

Description

本発明は、例えばハイブリッド自動車のモーターのような大きな負荷が接続されているインバータ装置の設計方法に関し、より詳細には、直流電流を交流電流に切り換えるためのスイッチング手段における切り換えによって生じるリップルを抑制するためにセラミックコンデンサが備えられたインバータ装置の設計方法に関する。

直流電流を交流電流に切り換えるために、インバータ回路が広く用いられている。インバータ回路の中でも、ハイブリッド自動車のモータのような大きな負荷が接続されるインバータ回路では、定格電圧は１００Ｖ以上と高く、１０Ａｒｍｓ以上と大きなリップル電流が流れ、使用温度範囲も常温から１２５℃以上の高温域に至っている。

図７は、従来のインバータ装置を示す回路図である。インバータ装置１０１では、直流電源１０２に、直流電源１０２から供給される直流電流を交流電流に切り換えるためのスイッチング回路１０３が接続されている。スイッチング回路１０３に負荷１０５が接続されている。そして、スイッチング回路１０３における直流から交流への切り換えに伴って、発生するリップルを抑制するために、直流電源１０２に並列に平滑用コンデンサ１０４が接続されている。なお、インダクタンス１０６は、配線によるインダクタンス成分である。

前述したハイブリッド自動車のモータのように、インバータ回路に接続される負荷が大きい場合には、上記平滑用コンデンサとしては、例えば下記の特許文献１に記載のように、アルミ電解コンデンサやフィルムコンデンサが用いられてきている。

他方、従来、電子機器や回路の小型化を図るため、コンデンサとして積層セラミックコンデンサが広く用いられてきている。積層セラミックコンデンサでは、単位体積当りの許容リップル電流が大きいため、小型化を促進することができる。また、下記の特許文献２に記載のように、耐熱性、及びメンテナンス性、サージ抑制効果においても優れているため、積層セラミックコンデンサは、インバータシステムについての市場の要求に応え得るものであるとされている。
特開２００４−２１５３３５号公報 特開２００２−３３５６８８号公報

特許文献１に記載のアルミ電解コンデンサやフィルムコンデンサでは、単位体積当りの許容リップル電流が小さいため、インバータ装置を含むシステム内におけるコンデンサの占有体積が大きくなるという問題があった。また、一般に、これらのコンデンサでは、耐熱性及びサージ抑制効果が十分高くはなかった。

他方、積層セラミックコンデンサでは、単位体積当りの許容リップル電流が大きいので、小型化を図ることができる。また、積層セラミックコンデンサは、耐熱性及びサージ抑制効果においても優れている。

しかしながら、積層セラミックコンデンサでは、温度が上昇すると、静電容量が低下し、かつ該静電容量低下割合が直流バイアス電圧の大きさによって異なっていた。そのため、使用する電流が小さい場合にはあまり問題とはならないものの、大きな電流が流れる用途では、アルミ電解コンデンサやフィルムコンデンサに比べて積層セラミックコンデンサでは、回路定数の変化に伴う共振周波数の変化などの過電流発生要件に留意する必要があった。

本発明の目的は、上述した従来技術の現状に鑑み、大電流が流れる用途に適しており、単位体積当りの静電容量及び許容リップル電流が大きく、従って、小型化を進めることができ、しかもコンデンサの温度が上昇した場合であっても熱暴走に至り難い、信頼性に優れたインバータ装置の設計方法を提供することにある。

本願発明は、直流電源と、前記直流電源により電力が供給されるように、前記直流電源に接続された負荷と、前記直流電源と前記負荷との間に接続されており、前記直流電源から供給される直流電流を交流電流に切り換えるためのスイッチング手段と、前記スイッチング手段における切り換えに伴って発生するリップル電流を抑制するために、前記直流電源に並列に接続された平滑用セラミックコンデンサと、前記直流電源と、前記平滑用セラミックコンデンサとの間に存在するインダクタンス成分とを備えるインバータ装置の設計方法であって、前記インバータ装置の想定使用温度範囲において、前記リップル電流の周波数より、前記平滑用セラミックコンデンサの静電容量及び前記インダクタンス成分のインダクタンスにより定まるＬＣ共振周波数が低くなるように、かつ前記セラミックコンデンサの温度上昇の経時変化において、温度上昇ΔＴの時間微分値ｄ（ΔＴ）／ｄｔの値が負であり、その絶対値｜ｄ（ΔＴ）／ｄｔ｜が０の値に近づくように、前記スイッチング手段における前記交流電流の周波数、前記平滑用セラミックコンデンサの静電容量及び前記インダクタンス成分のインダクタンスを決定することを特徴とする、インバータ装置の設計方法である。

本発明では、上記負荷として、自動車用のモータが用いられ、その場合、比較的大きな電流がインバータ装置に流れるか、その場合であっても、本発明に従ってインバータ装置の小型化を進めることができるとともに、熱暴走による故障が生じ難い。

また、本発明では、スイッチング手段における交流電流の周波数、平滑用セラミックコンデンサの静電容量及びインダクタンス成分のインダクタンスが調整されて、想定使用温度範囲における上記リップル電流の周波数よりも、平滑用セラミックコンデンサの静電容量とインダクタンス成分のインダクタンスとにより定まるＬＣ共振周波数が低くされており、かつ平滑用セラミックコンデンサの温度上昇の経時変化において、温度上昇の時間微分値が負であり、その絶対値が次第に減少するように設定されている。従って、直流電源と、直流電源に並列に接続された平滑用セラミックコンデンサからなる閉ループ回路のインピーダンスの大きさが、平滑用セラミックコンデンサの温度が上昇するとともに、小さくなっていく。その結果、平滑用セラミックコンデンサに流れる電流が増大することとなり、平滑用セラミックコンデンサの温度が上昇する。

しかしながら、上記温度上昇の時間微分値は負であり、かつその絶対値が次第に減少するため、平滑用セラミックコンデンサの温度上昇は経時とともに飽和し、平滑用セラミックコンデンサの温度は、ほぼ安定化することとなる。従って、平滑用セラミックコンデンサの温度が安定化するため、平滑用セラミックコンデンサに流れる電流も安定化し、熱暴走に至らない。

上記のように、例えばハイブリッド自動車のモータが負荷として接続されており、大きな電流が流れる場合であっても、平滑用セラミックコンデンサの温度上昇に伴う熱暴走が生じ難い。よって、インバータ装置の信頼性及び安全性を高めることができる。

加えて、本発明では、平滑用コンデンサとして、上記平滑用セラミックコンデンサが用いられているので、単位体積当りの許容リップル電流が大きく、かつ単位体積当りの静電容量が大きい。従って、インバータ装置を含むシステムの小型化を進めることも可能となる。さらに、平滑用セラミックコンデンサは、無機材料であるセラミックスからなるため、耐熱性においても優れており、また等価直列抵抗ＥＳＲも小さい。

よって、本発明によれば、大電流及び高温下で使用される用途に適したインバータ装置の信頼性を高め、かつ該インバータ装置を含むシステムの小型化を進めることが可能となる。

以下、図面を参照しつつ、本発明の具体的な実施形態を説明することにより、本発明を明らかにする。

（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係るインバータ装置の回路図である。

インバータ装置１は、直流電源２を有する。直流電源２としては、特に限定されるわけではないが、本実施形態では、鉛蓄電池が用いられている。この鉛蓄電池は、１２Ｖのセルを１０個直列に接続した構造を有する。５時間率の電流値は１０５Ａｈであり、供給される直流の電圧は、１２８Ｖである。

上記直流電源２としては、上記鉛蓄電池の他、他の蓄電池や蓄電池以外のＤＣ／ＤＣコンバータ、昇圧／降圧チョッパなどの電力変換器などの直流電源を用いることができる。

上記直流電源２にスイッチング手段としてのスイッチング回路３が接続されている。スイッチング回路３は、直流電源２から供給される直流電流を交流電流に切り換えるために備えられている。

スイッチング回路３は、複数のスイッチング回路部分ＳＷを有する。各スイッチング回路部分ＳＷは、直流電源２の正極と負極との間において相補接続されたトランジスタＴｒ１，Ｔｒ２と、各トランジスタＴｒ１，Ｔｒ２のコレクタ電極との間に接続されたダイオードＤ１，Ｄ２とを有する。なお、トランジスタに代えて、他の半導体スイッチング素子を用いてもよい。各スイッチング回路部分ＳＷの一方のトランジスタＴｒ１のエミッタ電極と、他方のトランジスタＴｒ２のコレクタ電極との間の接続点が負荷としてのモータ５に接続され、モータ５に交流電流を与えている。

なお、上記スイッチング回路３では、スイッチング回路部分ＳＷは３組備えられているが、この数は特に限定されるものではない。また、本実施形態では、スイッチング回路３におけるエミッタ電極とコレクタ電極間の電圧であるＶｃｓの最大定格電圧は６００Ｖであり、コレクタ電流±Ｉｃは３００Ａ、コレクタ損失Ｐｃは２５℃において７８１Ｗであり、接合温度Ｔｊは−２０℃〜＋１５０℃とした。もっとも、スイッチング回路３の仕様はこれに限定されるものではない。

上記直流電源２に並列に、平滑用セラミックコンデンサ４が接続されている。本実施形態では、平滑用セラミックコンデンサ２は、定格電圧＝２００Ｖ、静電容量＝５２μＦ（バイアス電圧を印加せず、２５℃で測定された値）の積層セラミックコンデンサである。すなわち、平滑用セラミックコンデンサ４として、高耐圧用大容量の積層セラミックコンデンサを用いた。

上記モータ５は、ハイブリッド自動車のモータである。なお、上記平滑用セラミックコンデンサ４と、直流電源２との間の回路配線部分が本発明におけるインダクタンス成分を形成している。図１では、略図的にこの配線部分によるインダクタンス成分をインダクタンス６と記載することとする。

本実施形態のインバータ装置１の特徴は、該インバータ装置１の想定使用温度において、スイッチング回路３において切り換えに伴って発生するリップル電流の周波数よりも、平滑用セラミックコンデンサ４の静電容量及び上記インダクタンスＩのインダクタンスによって定まるＬＣ共振周波数が高くなるように、スイッチング回路３における上記交流の周波数、平滑用セラミックコンデンサ４の静電容量及びインダクタンスＩの大きさが設定されていることにある。それによって、インバータ装置１では、平滑用セラミックコンデンサ４の温度上昇に伴う熱暴走を確実に防止することができる。

図７に示したように、従来のインバータ装置では、直流電源１０２から平滑用コンデンサ１０４に至る回路配線のインダクタンス１０６と、平滑用コンデンサ１０４のキャパシタンスとによるＬＣ共振周波数が、インバータのリップル電流の周波数と一致した場合、上記共振による過電流が発生する。そのため、平滑用コンデンサに大きな電流が流れ、熱暴走に至るおそれがあった。特に、等価直列抵抗ＥＳＲが低いセラミックコンデンサを平滑用コンデンサ１０４として用いた場合、共振による過電流は顕著となりがちであった。

これに対して、本実施形態のインバータ装置１では、上記のような熱暴走による故障が生じ難い。これを、図２〜図４を参照して具体的に説明する。

図２は、上記実施形態で用いられている平滑用セラミックコンデンサ４の静電容量温度特性を示す図である。図２においては、平滑用セラミックコンデンサ４に加わるバイアス電圧が０Ｖ、１２５Ｖ、１５０Ｖ及び２００Ｖである場合の各静電容量温度特性が示されている。

図２から明らかなように、バイアス電圧が０Ｖ、すなわちバイアス電圧が印加されない場合と比べて、バイアス電圧を印加すると、温度が高くになるにつれて、静電容量は小さくなる。すなわち、一般に、コンデンサの温度が上昇すると、実効静電容量値は低下する傾向のあることがわかる。

他方、図３は、平滑用セラミックコンデンサ４の静電容量と、上記インダクタンス６とで構成されるＬＣ共振回路のインピーダンス−周波数特性を示す図である。実線が、平滑用セラミックコンデンサ４の５０℃における静電容量が４８μＦである場合の結果を示す。ここでは、上記ＬＣ共振の共振周波数ｆ０は、約３２．５ｋＨｚに現れている。この場合、本実施形態では、インバータ装置１の想定使用温度範囲の全範囲において、共振周波数ｆ０がリップル周波数ｆ１＝３０ｋＨｚよりも高くされている。

また、図３において、破線で示すように、コンデンサの温度が８５℃となった場合、平滑用セラミックコンデンサの静電容量は４２μＦと低くなり、上記ＬＣ共振の共振周波数ｆ０は３５ｋＨｚに変化する。すなわち、インバータ装置１を駆動し、積層セラミックコンデンサからなる平滑用セラミックコンデンサ４の温度が上昇すると、実効静電容量が低下して、上記ＬＣ共振周波数は高周波側にシフトすることとなる。

この場合、例えば、ＬＣ共振周波数ｆ０が３２．５ｋＨｚと、使用温度範囲の全てにおいて、リップル周波数ｆ１＝３５ｋＨｚよりも低いと、温度上昇に伴って、直流電源２と平滑用セラミックコンデンサ４とで構成される閉ループ回路のインピーダンスＺの絶対値は小さくなっていく。その結果、図５に示すように、平滑用セラミックコンデンサ４に流れる電流が増加し、平滑用セラミックコンデンサ４の温度がさらに上昇する。この工程が繰り返され、熱暴走に至る。

これに対して、本実施形態では、ｆ０＞ｆ１であるため、温度上昇に伴って上記閉ループ回路のインピーダンスＺの絶対値は増加していき、平滑用セラミックコンデンサ４に流れる電流は減少していくこととなる。その結果、図４に示すように、時間の経過とともに、平滑用セラミックコンデンサ４に流れる電流が減少していき、かつ平滑用セラミックコンデンサ４の温度の上昇が緩やかになっていく。そして、平滑用セラミックコンデンサ４の温度は、ある温度でほぼ安定化することとなる。従って、平滑用セラミックコンデンサ４に流れる電流の大きさも安定化し、熱暴走には至らない。

よって、本実施形態によれば、使用温度範囲の全範囲にわたり、ＬＣ共振の共振周波数ｆ０が、リップル周波数ｆ１よりも高くされているため、インバータ装置１を駆動したとしても、熱暴走による故障が生じ難い。

よって、等価直列抵抗ＥＳＲが低く、耐熱性に優れ、小型化を進め得るという積層セラミックコンデンサの利点を活かし、さらに熱暴走による故障が生じ難い、信頼性に優れたインバータ装置１を提供することが可能となる。

（第２の実施形態）
第２の実施形態のインバータ装置の回路構成自体は、第１の実施形態と同様である。従って、第２の実施形態も図１の回路図を参照して説明することとする。

第２の実施形態が第１の実施形態と異なるところは、上記インバータ装置１の想定使用温度範囲の全範囲において、リップル周波数ｆ１より、平滑用セラミックコンデンサの静電容量及び上記インダクタンス６のインダクタンスによる定まるＬＣ共振周波数ｆ０が低くなるように、さらに平滑用セラミックコンデンサ４の温度上昇の経時変化において、温度上昇の時間微分値が負であり、かつその絶対値が次第に減少するように、スイッチング回路３における交流電流の周波数、平滑用セラミックコンデンサ４の静電容量及びインダクタンス６のインダクタンス成分が設定されていることにある。このような構成により、熱暴走を防止し得ることを図６を参照して説明する。

本実施形態では、ＬＣ共振周波数ｆ０は３２．５ｋＨｚであり、リップルの周波数ｆ１＝４０ｋＨｚよりも充分に低くされている。従って、平滑用セラミックコンデンサ４の温度上昇に伴って、直流電源２と平滑用セラミックコンデンサ４とを有する閉ループ回路のインピーダンスＺの絶対値は次第に減少し、平滑用セラミックコンデンサ４に流れる電流は増加していく。しかしながら、図６に示すように、本実施形態では、平滑用セラミックコンデンサ４における温度上昇の経時変化において、温度上昇ΔＴの時間微分値ｄ（ΔＴ）／ｄｔが負の値であり、かつその絶対値│ｄ（ΔＴ）／ｄｔ│が経時により小さくなり、すなわち０に近づく。そのため、図６の破線で示すように、平滑用セラミックコンデンサ４の温度上昇量は経時により小さくなっていき、温度は次第に安定化する。従って、平滑用セラミックコンデンサ４に流れる電流も安定になり、熱暴走には至らない。このように、ＬＣ共振周波数ｆ０が、リップル周波数ｆ１よりも低くされている場合、この低くなる度合いを、上記のようにｄ（ΔＴ）／ｄｔ＜０かつ│ｄ（ΔＴ）／ｄｔ│が０に近づくように設定すれば、第１の実施形態と同様に、熱暴走を確実に防止することができ、インバータ装置１の信頼性を高めることが可能となる。

よって、第２の発明においても、積層セラミックコンデンサの利点、すなわち等価直列抵抗ＥＳＲが低く、耐熱性に優れ、並びに小型化を進めることができるという利点を有しつつ、熱暴走による故障が生じ難く、信頼性に優れたインバータ装置を提供することができる。

なお、第１，第２の実施形態では、平滑用セラミックコンデンサ４が積層セラミックコンデンサで構成されていたが、他のセラミックコンデンサが構成されていてもよい。

また、本発明のインバータ装置における負荷としては、上記ハイブリッド自動車のモータに限らず、大電流の高電圧が流れる他の負荷が用いられてもよい。

本発明の一実施形態に係るインバータ装置の回路図である。 本発明の一実施形態において、平滑用セラミックコンデンサの静電容量温度特性を示す図である。 本発明の一実施形態において、平滑用セラミックコンデンサの温度上昇時のＬＣ共振周波数の変化を示す図である。 本発明の一実施形態のインバータ装置における、ＬＣ共振周波数がリップル周波数よりも高い場合の経時によるコンデンサの温度上昇及びコンデンサを流れる電流の変化を示す図である。 ＬＣ共振周波数がリップル周波数よりも低い場合に、熱暴走に至ることを説明するための経時による平滑用セラミックコンデンサの温度上昇及び該平滑用セラミックコンデンサに流れる電流の変化を示す図である。 本発明の第２の実施形態おいて、平滑用セラミックコンデンサにおける経時による温度上昇と、経時による電流変化を示す図である。 従来のインバータ装置の回路構成を示す回路図である。

符号の説明

１…インバータ装置
２…直流電源
３…スイッチング回路
４…平滑用セラミックコンデンサ
５…負荷
Ｔｒ，Ｔｒ２…トランジスタ
Ｄ１，Ｄ２…ダイオード

Claims (2)

1. 直流電源と、
   前記直流電源により電力が供給されるように、前記直流電源に接続された負荷と、
   前記直流電源と前記負荷との間に接続されており、前記直流電源から供給される直流電流を交流電流に切り換えるためのスイッチング手段と、
   前記スイッチング手段における切り換えに伴って発生するリップル電流を抑制するために、前記直流電源に並列に接続された平滑用セラミックコンデンサと、
   前記直流電源と、前記平滑用セラミックコンデンサとの間に存在するインダクタンス成分とを備えるインバータ装置の設計方法であって、
   前記インバータ装置の想定使用温度範囲において、前記リップル電流の周波数より、前記平滑用セラミックコンデンサの静電容量及び前記インダクタンス成分のインダクタンスにより定まるＬＣ共振周波数が低くなるように、かつ前記セラミックコンデンサの温度上昇の経時変化において、温度上昇ΔＴの時間微分値ｄ（ΔＴ）／ｄｔの値が負であり、その絶対値｜ｄ（ΔＴ）／ｄｔ｜が０の値に近づくように、前記スイッチング手段における前記交流電流の周波数、前記平滑用セラミックコンデンサの静電容量及び前記インダクタンス成分のインダクタンスを決定することを特徴とする、インバータ装置の設計方法。
2. 前記負荷として、自動車用モータが接続されている、請求項１に記載のインバータ装置の設計方法。

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