JP6969480B2 - 電力変換装置 - Google Patents

Description

本明細書が開示する技術は、例えばインバータ装置又はコンバータ装置といった電力変換装置に関する。

特許文献１に、インバータ装置が開示されている。このインバータ装置は、電力変換装置の一例であり、複数のスイッチング素子を有する電力変換回路と、複数のスイッチング素子のスイッチング動作をそれぞれ制御する複数の駆動回路とを備える。駆動回路は、スイッチング素子のゲートに印加するターンオン電圧を、ターンオン動作が完了するまでの期間で低く設定することによって、サージ電圧を抑制するように構成されている。

特開２０１０−０１１６０９号公報

特許文献１の技術では、ターンオン動作を開始してからの経過時間に基づいて、ターンオン電圧の切り替えを行っている。このような構成であると、サージ電圧を抑制することができる一方で、スイッチング速度については改善する余地がある。特に、スイッチング素子は温度依存性を有しており、スイッチング素子の温度が変化する様々な状況下において、スイッチング速度を一様に最適化することは難しい。また、ターンオン電圧やターンオフ電圧が不適切であると、過大なゲート電圧によるスイッチング素子への負担や、過小なゲート電圧によるエネルギ損失の増大も問題となる。これらの実情を考慮し、本明細書は、スイッチング速度を最適化し得る技術を提供する。

本明細書が開示する技術は、電力変換装置に具現化される。この電力変換装置は、少なくとも一つのスイッチング素子を有する電力変換回路と、スイッチング素子のスイッチング動作を制御する駆動回路とを備える。駆動回路は、スイッチング素子をターンオンするときは、スイッチング素子のゲートに印加するターンオン電圧を、スイッチング素子の温度が高いときほど低い値に設定するとともに、スイッチング素子のゲート電圧が第１所定値を上回る期間では、スイッチング素子の温度にかかわらず固定された通常値に設定する。また、駆動回路は、スイッチング素子をターンオフするときは、スイッチング素子のゲートに印加するターンオフ電圧を、スイッチング素子の温度が高いときほど低い値に設定するとともに、スイッチング素子のゲート電圧が第２所定値を下回る期間では、スイッチング素子の温度にかかわらず固定された通常値に設定する。

上記した電力変換装置では、ゲートに印加されるターンオン電圧やターンオフ電圧が、スイッチング素子の温度に応じて調整される。これにより、スイッチング速度の温度依存性による影響が低減され、スイッチング素子の温度にかかわらず、スイッチング速度を最適化することができる。その後、ターンオン電圧やターンオフ電圧は、スイッチング素子のゲート電圧に基づいて、通常値に設定される。これにより、スイッチング動作が完了した後は、ゲート電圧が適切な値へ速やかに調整されるので、過大なゲート電圧によるスイッチング素子への負担や、過小なゲート電圧によるエネルギ損失の増大といった問題を避けることができる。

ここで、ターンオン電圧は、スイッチング素子の温度に応じて、連続的に変更されてもよいし、段階的に変更されてもよい。後者の場合、ターンオン電圧は、少なくとも二値の間で変更されればよい。ターンオフ電圧についても同様である。

実施例の電力変換装置１０の構成を示す回路ブロック図。 スイッチング素子１４のゲート閾値電圧の温度依存性を示すグラフ。 スイッチング素子１４のスイッチング速度の温度依存性を示すグラフ。 電力変換装置１０の動作の流れを示すタイムチャートであって、スイッチング素子１４の温度が比較的に高い場合を例示するもの。 電力変換装置１０の動作の流れを示すタイムチャートであって、スイッチング素子１４の温度が比較的に低い場合を例示するもの。

図面を参照して、実施例の電力変換装置１０について説明をする。一例ではあるが、本実施例の電力変換装置１０は、バッテリ２とモータジェネレータ４との間に設けられ、直流電力と交流電力との間で電力変換を行うことができる。電力変換装置１０は、例えば電動型の自動車に採用されることができる。なお、ここでいう電動型の自動車には、例えば、ハイブリッド車、燃料電池車又は再充電式の電気自動車といった、車輪をモータによって駆動する各種の自動車が含まれる。

図１に示すように、電力変換装置１０は、複数のスイッチング素子１４を有する電力変換回路１２と、複数のスイッチング素子１４のスイッチング動作を制御する駆動回路２０とを備える。特に限定されないが、本実施例における電力変換回路１２は、三相インバータ回路を有しており、Ｕ相、Ｖ相及びＷ相の上下アームにそれぞれ位置する六つのスイッチング素子１４を有している。なお、電力変換回路１２は、インバータ回路に加えて、又は代えて、例えばＤＣ−ＤＣコンバータ回路を有してもよい。電力変換回路１２の構成は特に限定されず、電力の通電及び遮断を制御するためのスイッチング素子を、少なくとも一つ有するものであればよい。

一例ではあるが、本実施例におけるスイッチング素子１４は、ＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）である。但し、スイッチング素子１４は、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）又はＲＣ（Reverse conducting）−ＩＧＢＴであってもよい。スイッチング素子１４についても、その種類は特に限定されない。典型的には、ＭＯＳＦＥＴやＩＧＢＴのような、絶縁ゲート構造を有する各種のパワー半導体素子を採用することができる。

駆動回路２０は、オン電源２２と、オフ電源２４と、ドライバ部２６と、ＰＭＷ駆動指令部２８とを備える。オン電源２２は、第１トランジスタ３２ａ及び第１抵抗３４ａを介して、スイッチング素子１４のゲート１４ｇに接続されている。オフ電源２４も同様に、第２トランジスタ３２ｂ及び第２抵抗３４ｂを介して、スイッチング素子１４のゲート１４ｇに接続されている。オン電源２２は、スイッチング素子１４がターンオンされるときに、スイッチング素子１４のゲート１４ｇに印加されるターンオン電圧を出力する。オフ電源２４は、スイッチング素子１４がターンオフされるときに、スイッチング素子１４のゲート１４ｇに印加されるターンオフ電圧を出力する。

オン電源２２とオフ電源２４は、シリーズレギュレート式又はスイッチングレギュレート式の電圧源であり、外部からの指令に基づいて出力電圧を調整することができる。即ち、オン電源２２は、出力するターンオン電圧を調整することができ、オフ電源２４は、出力するターンオフ電圧を調整することができる。以下では、オン電源２２が出力するターンオン電圧と、オフ電源２４が出力するターンオフ電圧を、駆動電圧と総称することがある。

ドライバ部２６は、第１及び第２トランジスタ３２ａ、３２ｂの各ゲートに接続されている。ドライバ部２６は、ＰＭＷ駆動指令部２８からの駆動指令に基づいて、第１トランジスタ３２ａと第２トランジスタ３２ｂとの一方を選択的にターンオンする。第１トランジスタ３２ａがターンオンされると、オン電源２２がスイッチング素子１４のゲート１４ｇへ電気的に接続される。この場合、オン電源２２の出力するターンオン電圧が、スイッチング素子１４のゲート１４ｇへ印加されて、スイッチング素子１４がターンオンされる。一方、第２トランジスタ３２ｂがターンオンされると、オフ電源２４がスイッチング素子１４のゲート１４ｇへ電気的に接続される。この場合、オフ電源２４の出力するターンオフ電圧が、スイッチング素子１４のゲート１４ｇへ印加されて、スイッチング素子１４がターンオフされる。なお、ＰＭＷ駆動指令部２８は、上位の電子制御ユニット（図示省略）からの指令（例えば制御目標値）に基づいて、駆動指令を生成し、ドライバ部２６へ出力する。

駆動回路２０は、駆動電圧設定部３６と、駆動電圧切替司令部３８と、ゲート電圧モニタ部４０とをさらに備える。駆動電圧設定部３６は、スイッチング素子１４に設けられた温度センサ１４ｔ（例えば、温度センスダイオード）に接続されており、スイッチング素子１４の温度に応じて駆動電圧を設定する。即ち、オン電源２２が出力すべきターンオン電圧と、オフ電源２４が出力すべきターンオフ電圧は、スイッチング素子１４の温度に応じて設定される。詳しくは、スイッチング素子１４の温度が高いときほど、ターンオン電圧は低い値に設定され、また、ターンオフ電圧も低い値に設定される。駆動電圧設定部３６が設定した駆動電圧は、オン電源２２及びオフ電源２４に教示される。これにより、オン電源２２及びオフ電源２４のそれぞれは、駆動電圧設定部３６によって設定された駆動電圧を出力することができる。

ゲート電圧モニタ部４０は、スイッチング素子１４のゲート１４ｇに接続されており、ゲート電圧の大きさに応じた信号を、駆動電圧切替司令部３８へ出力する。駆動電圧切替司令部３８は、ゲート電圧に関して第１所定値と第２所定値を記憶している。そして、駆動電圧切替司令部３８は、スイッチング素子１４のゲート電圧が第１所定値を上回るときに、所定の切替信号をオン電源２２へ出力する。なお、この第１所定値は、ゲート閾値電圧よりも高く、スイッチング素子１４がオフの状態からターンオンされるときに、そのターンオン動作が概ね完了するときのゲート電圧に相当する。また、駆動電圧切替司令部３８は、スイッチング素子１４のゲート電圧が第２所定値を下回るときに、所定の切替信号をオフ電源２４へ出力する。なお、この第２所定値は、ゲート閾値電圧よりも低く、スイッチング素子１４がオンの状態からターンオフされるときに、そのターンオフ動作が概ね完了するときのゲート電圧に相当する。

前述したように、オン電源２２が出力するターンオン電圧は、スイッチング素子１４の温度に応じて設定される。しかしながら、駆動電圧切替司令部３８から切替信号を受け取ると、オン電源２２は、スイッチング素子１４の温度にかかわらず（即ち、駆動電圧設定部３６による設定値を無視して）、通常値のターンオン電圧を出力する。これにより、スイッチング素子１４がターンオンされるときは、最初、ターンオン電圧がスイッチング素子１４の温度に応じて設定されるが、ターンオン動作が概ね完了した後は、ターンオン電圧が常に通常値に設定される。なお、ターンオン電圧の通常値とは、例えば５ボルトであり、スイッチング素子１４のゲート閾値電圧よりも十分に高く、スイッチング素子１４を安定してオンし続けられる値である。

オフ電源２４が出力するターンオフ電圧についても、前述したように、スイッチング素子１４の温度に応じて設定される。しかしながら、駆動電圧切替司令部３８から切替信号を受け取ると、オフ電源２４は、スイッチング素子１４の温度にかかわらず（即ち、駆動電圧設定部３６による設定値を無視して）、通常値のターンオフ電圧を出力する。これにより、スイッチング素子１４がターンオフされるときも、最初、ターンオフ電圧がスイッチング素子１４の温度に応じて設定されるが、ターンオフ動作が概ね完了した後は、ターンオフ電圧が常に通常値に設定される。なお、ターンオフ電圧の通常値とは、例えばゼロボルトであり、スイッチング素子１４のゲート閾値電圧よりも十分に低く、スイッチング素子１４を安定してオフし続けられる値である。

以上の構成により、本実施例の電力変換装置１０では、スイッチング素子１４がターンオンされるときに、スイッチング素子１４のゲート１４ｇに印加されるターンオン電圧が、スイッチング素子１４の温度が高いときほど低い値に設定される。但し、スイッチング素子１４のゲート電圧が第１所定値を上回る期間では、スイッチング素子１４の温度にかかわらず、ターンオン電圧が固定された通常値に設定される。同様に、スイッチング素子１４がターンオフされるときには、スイッチング素子１４のゲート１４ｇに印加されるターンオフ電圧が、スイッチング素子１４の温度が高いときほど低い値に設定される。但し、スイッチング素子１４のゲート電圧が第２所定値を下回る期間では、スイッチング素子１４の温度にかかわらず、固定された通常値に設定される。

このような駆動電圧の調整は、スイッチング素子１４の温度依存性を考慮したものである。図２に示すように、スイッチング素子１４のゲート閾値電圧は温度に応じて変化し、温度が高くなるほどゲート閾値電圧は低くなる。従って、駆動電圧が仮に一定であるとすると、図３に示すように、スイッチング素子１４のスイッチング速度も温度に応じて変化する。ターンオン動作については、温度が高くなるほど、ゲート閾値電圧が低下することによって、スイッチング速度は速くなる。それに対して、ターンオフ動作については、温度が高くなるほど、ゲート閾値電圧が低下することによって、スイッチング速度は遅くなる。電力変換装置１０では、スイッチング素子１４の温度が大きく変動するので、それに伴ってスイッチング速度も変動してしまうと、例えばスイッチング損失を増大させてしまう。

この点に関して、本実施例の電力変換装置１０では、ゲート１４ｇに印加されるターンオン電圧やターンオフ電圧が、スイッチング素子１４の温度に応じて調整される。例えば、図４に示すように、スイッチング素子１４の温度が高いときに、スイッチング素子１４がターンオンされるとする。この場合、最初の期間（時刻ｔ１〜時刻ｔ２）では、ターンオン電圧（駆動電圧）が通常値Ｖｏｎよりも低い値に設定される。これにより、ゲート閾値電圧が低下しているスイッチング素子１４を、早すぎない適切なスイッチング速度でターンオンさせることができる。そして、ゲート電圧が第１所定値Ｖ１に到達した後（時刻ｔ２以降）は、ターンオン動作が概ね完了したとして、スイッチング素子１４の温度にかかわらず、ターンオン電圧が通常値Ｖｏｎに設定される。これにより、スイッチング素子１４が安定してオンし続けるとともに、不十分なターンオンに起因するエネルギ損失（即ち、オン抵抗の増大）を避けることができる。また、その後のターンオフ動作への影響、即ち、意図しないスイッチング速度の上昇も避けることができる。

あるいは、スイッチング素子１４の温度が高いときに、スイッチング素子１４がターンオフされるとする。この場合、最初の期間（時刻ｔ３〜時刻ｔ４）では、ターンオフ電圧（駆動電圧）が通常値Ｖｏｆｆよりも低い値に設定される。これにより、ゲート閾値電圧が低下しているスイッチング素子１４を、遅すぎない適切なスイッチング速度でターンオフさせることができる。そして、ゲート電圧が第２所定値Ｖ２に到達した後（時刻ｔ４以降）は、ターンオフ動作が概ね完了したとして、スイッチング素子１４の温度にかかわらず、ターンオフ電圧が通常値Ｖｏｆｆに設定される。これにより、スイッチング素子１４が安定してオフし続けるとともに、その後のターンオン動作への影響、特に、意図しないスイッチング速度の低下を避けることができる。

一方、図５に示すように、スイッチング素子１４の温度が低いときに、スイッチング素子１４がターンオンされるとする。この場合、最初の期間（時刻ｔ５〜時刻ｔ６）では、ターンオン電圧（駆動電圧）が通常値Ｖｏｎよりも高い値に設定される。これにより、ゲート閾値電圧が上昇しているスイッチング素子１４を、遅すぎない適切なスイッチング速度でターンオンさせることができる。そして、ゲート電圧が第１所定値Ｖ１に到達した後（時刻ｔ６以降）は、ターンオン動作が概ね完了したとして、スイッチング素子１４の温度にかかわらず、ターンオン電圧が通常値Ｖｏｎに設定される。これにより、スイッチング素子１４が安定してオンし続けるとともに、例えば過大なゲート電圧によるスイッチング素子１４への負担を避けることができる。また、その後のターンオフ動作への影響、即ち、意図しないスイッチング速度の低下も避けることができる。

あるいは、スイッチング素子１４の温度が低いときに、スイッチング素子１４がターンオフされるとする。この場合、最初の期間（時刻ｔ７〜時刻ｔ８）では、ターンオフ電圧（駆動電圧）が通常値Ｖｏｆｆよりも高い値に設定される。これにより、ゲート閾値電圧が上昇しているスイッチング素子１４を、早すぎない適切なスイッチング速度でターンオフさせることができる。そして、ゲート電圧が第２所定値Ｖ２に到達した後（時刻ｔ８以降）は、ターンオフ動作が概ね完了したとして、スイッチング素子１４の温度にかかわらず、ターンオフ電圧が通常値Ｖｏｆｆに設定される。これにより、スイッチング素子１４が安定してオフし続けるとともに、不十分なターンオフに起因するリークを避けることができる。また、その後のターンオン動作への影響、即ち、意図しないスイッチング速度の上昇を避けることもできる。

以上のように、本実施例の電力変換装置１０によると、スイッチング素子１４の温度が変化する様々な状況下においても、比較的に一様なスイッチング速度でスイッチング素子１４のターンオン及びターンオフを行うことができる。これにより、図４、図５を比較して理解されるように、スイッチング素子１４の電流Ｉｄ及び両端間電圧Ｖｄｓのスイッチング時における挙動は、スイッチング素子１４の温度が異なる場合でも比較的に近似する。これにより、スイッチングに起因する電力損失を有意に抑制することができる。

以上、いくつかの具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。本明細書又は図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものである。

２：バッテリ
４：モータジェネレータ
１０：電力変換装置
１２：電力変換回路
１４：スイッチング素子
１４ｇ：スイッチング素子のゲート
１４ｔ：スイッチング素子の温度センサ
２０：駆動回路
２２：オン電源
２４：オフ電源
２６：ドライバ部
２８：ＰＭＷ駆動指令部
３６：駆動電圧設定部
３８：駆動電圧切替司令部
４０：ゲート電圧モニタ部

Claims (1)

1. 少なくとも一つのスイッチング素子を有する電力変換回路と、
   前記スイッチング素子のスイッチング動作を制御する駆動回路と、を備え、
   前記駆動回路は、
   前記スイッチング素子をターンオンするときは、前記スイッチング素子のゲートに印加するターンオン電圧を、前記スイッチング素子の温度が高いときほど低い値に設定するとともに、前記スイッチング素子のゲート電圧が第１所定値を上回る期間では、前記スイッチング素子の温度にかかわらず固定された通常値に設定し、
   前記スイッチング素子をターンオフするときは、前記スイッチング素子のゲートに印加するターンオフ電圧を、前記スイッチング素子の温度が高いときほど低い値に設定するとともに、前記スイッチング素子のゲート電圧が第２所定値を下回る期間では、前記スイッチング素子の温度にかかわらず固定された通常値に設定する、
   電力変換装置。

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