JP2003219656A

JP2003219656A - 交流発電電動機用インバータ

Info

Publication number: JP2003219656A
Application number: JP2002014797A
Authority: JP
Inventors: Kimihisa Tsuji; 公壽辻
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2002-01-23
Filing date: 2002-01-23
Publication date: 2003-07-31

Abstract

(57)【要約】【課題】小型で低コスト化を図ることができ、印加電
圧が高い場合でも耐えうることができる交流発電電動機
のインバータを提供する。【解決手段】交流電動機または交流発電機として機能
する三相交流発電電動機１０のスイッチング素子が三相
交流生成可能な状態に上下アームに配置されて成るイン
バータにあって、上アームのスイッチング素子に、スイ
ッチング動作を行うＦＥＴに組み合わされたチャージポ
ンプ、過電流および過熱検出の各機能を有するＩＰＤ５
１〜５６を用い、下アームのスイッチング素子にＦＥＴ
２６〜２８を用い、ＩＰＤ５１〜５６の過電流および過
熱検出時にゲート制御回路６４でＩＰＤ５１〜５６のＦ
ＥＴをオフとする。さらに、三相交流発電電動機１０を
介して所定下アームのスイッチング素子（例えば２７）
に接続されるＩＰＤ５５，５６を互いに直列接続する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、自動車等に搭載さ
れる交流発電電動機に用いられるインバータに関するも
のであり、特に、エンジンと交流発電電動機との協働機
構を走行駆動源とするいわゆるハイブリッド車の交流発
電電動機に適したインバータを提供するものである。

【０００２】

【従来の技術】図８は、従来の交流発電電動機用インバ
ータの回路構成図である。この図８において、１０は自
動車に搭載された三相交流発電電動機、１２はバッテリ
ーである。この三相交流発電電動機１０とバッテリー１
２との間にインバータが接続されている。

【０００３】インバータの接続構成を説明すると、ま
ず、三相交流発電電動機１０とバッテリー１２との間
に、電流センサ１４，１５，１６を介して上アームのス
イッチング素子２０，２１，２２が接続され、同間に、
一端が接地されたコンデンサ２４を介して下アームのス
イッチング素子２６，２７，２８が接続されている。な
お、上下アームのスイッチング素子２０〜２２と２６〜
２８は、ＭＯＳ(Metal Oxide Semiconductor)型のＦＥ
Ｔ(Field Effect Transistor)であり、このＦＥＴのソ
ース−ドレイン間に形成されたボディダイオードを備え
ている。

【０００４】さらに、上アームのスイッチング素子２０
〜２２の各ゲートと、下アームのスイッチング素子２６
〜２８の各ゲートに、バッファ３０〜３２、３４〜３６
を介してゲート駆動回路４０，４１，４２が接続されて
いる。このゲート駆動回路４０〜４２には、ゲート駆動
用電源４４および制御回路４６が接続されており、制御
回路４６にホールセンサ４８と電流センサ１４〜１６が
接続されて構成されている。なお、制御回路４６には、
力行、発電切換、および励磁調整の各制御信号が入力さ
れるようになっている。

【０００５】このような構成において、自動車の始動時
にバッテリー１２からの直流電流がインバータで三相交
流電流に変換されて三相交流発電電動機１０へ供給され
ると、三相交流発電電動機１０がスタータモータあるい
は走行用モータとして動作する。

【０００６】一方、エンジンの起動後は、三相交流発電
電動機１０が発電機として動作し、この発電によって生
成される三相交流電流がインバータで直流電流に変換さ
れ、この直流電流がバッテリー１２に充電されるように
なっている。

【０００７】制御回路４６は、力行、発電切換、および
励磁調整の各制御信号の入力に応じて力行、発電切換、
および励磁調整の各制御を行う。この制御は、ゲート駆
動回路４０〜４２を制御することにより上下アームのス
イッチング素子２０〜２２，２６〜２８をＯＮ／ＯＦＦ
して行う。

【０００８】また、三相交流発電電動機１０を電動機ま
たは発電機として作動させる場合に、制御回路４６は、
ホールセンサ４８で検出される三相交流発電電動機１０
の回転角や、電流センサ１４〜１６で検出される電流値
に応じて、ゲート駆動回路４０〜４２を介して上下アー
ムのスイッチング素子２０〜２２，２６〜２８をＯＮ／
ＯＦＦする。

【０００９】なお、この種の交流発電電動機用インバー
タの公知例として、特開平１０−１９１６９１号公報が
挙げられる。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上記従来の
インバータにおいては、スイッチング素子のゲート駆動
用にゲート駆動用電源４４が必要であり、また三相交流
発電電動機１０の過電流検出および回転制御に高価な電
流センサ１４〜１６が必要であり、さらに過電流、過電
圧、過熱等の保護機能を制御基板上に設ける必要があ
る。これらの理由からインバータの大型化並びに高コス
ト化を招くことになる。

【００１１】これを回避するために、すなわち、ゲート
駆動用電源４４および電流センサ１４〜１６を不要と
し、過電流、過電圧、過熱等の保護機能を制御基板上に
設けることを不要とする構成にするために、スイッチン
グ素子２０〜２２，２６〜２８として、チャージポン
プ、過電流検出および過熱検出の各機能を実行する手段
を有するＩＰＤ（Intelligent Power Device）と呼ばれ
る多機能スイッチング素子を用いることが考えられる。

【００１２】一方、本インバータはハイブリッド電気自
動車に搭載される交流発電電動機のような高いバッテリ
ー電圧（たとえば４２ボルト）で駆動する交流発電電動
機に適用することを前提としているので、高い耐圧を有
するスイッチング素子でなければならない。

【００１３】ところが、ＩＰＤのような多機能スイッチ
ング素子は、一般に高耐圧性を有しておらず、この種の
インバータにそのまま用いることができないという問題
がある。

【００１４】そこで本発明は、小型で低コスト化を図る
ことができ、印加電圧が高い場合でも耐えうることがで
きる交流発電電動機のインバータを提供することを課題
とする。

【００１５】

【課題を解決するための手段】このような課題を解決す
るために、本発明の交流発電電動機用インバータは、交
流発電電動機と充放電手段との間に接続され、交流発電
電動機を電動機として動作させる際には三本の第１アー
ムと三本の第２アームの各アームにそれぞれ設けられた
スイッチング素子を制御することにより充放電手段から
の直流電力を三相交流電力に変換して交流発電電動機に
電力を供給し、交流発電電動機を発電機として動作させ
る際にはスイッチング素子にそれぞれ形成されているボ
ディダイオードを利用して交流発電電動機で発生した交
流電力を直流電力に変換し充放電手段に出力する交流発
電電動機用インバータにおいて、第１アームに設けられ
たスイッチング素子が、互いに直列接続された複数の多
機能スイッチング素子で構成されており、その多機能ス
イッチング素子がスイッチング動作を行うトランジスタ
を備えると共に、チャージポンプ、過電流検出および過
熱検出の各機能を実行する手段を有するものであること
を特徴とする。

【００１６】第１アームのスイッチング素子が互いに直
列接続された複数の多機能スイッチング素子で構成され
ているので、多機能スイッチング素子一つあたりの耐圧
が低くてもスイッチング素子としての実質的な耐圧を高
くすることができる。したがって、たとえば４２ボルト
というような高電圧の充放電手段に接続されるインバー
タとして利用することが可能となる。

【００１７】しかも、多機能スイッチング素子にチャー
ジポンプ機能が備わっているので、多機能スイッチング
素子自体で、ゲート駆動用電源の確保が可能となる。ま
た、多機能スイッチング素子は過電流および過熱検出機
能を備えるので、過電流または過熱検出時に、この検出
信号を基に自己のトランジスタをオフすることができ、
これによって交流発電電動機の電流経路を遮断すること
ができる。

【００１８】本発明の交流発電電動機用インバータにお
いては、第１アームのスイッチング素子に並列接続され
た整流用ダイオードを備えることが望ましい。

【００１９】第１アームのスイッチング素子は複数の多
機能スイッチング素子による直列回路で構成されている
ため、各多機能スイッチング素子に形成されているボデ
ィダイオードも直列に接続されている。この直列接続さ
れたボディダイオードに整流用ダイオードが並列接続さ
れた状態となる。ｎ個直列接続されたボディダイオード
は、その抵抗値が整流用ダイオードのｎ倍となるので、
交流発電電動機から流れる電流の殆ど全てが整流用ダイ
オードを流れることになる。これによって、ボディダイ
オードを流れる電流を低減することができるので、その
発熱を低減することができる。なお、一般に、整流用ダ
イオードは、交流発電電動機の回転軸に設けられた冷却
用ファンにより冷却可能な位置に配置することが容易で
あり、整流用ダイオードの過熱は、この冷却用ファンに
より防止できる。

【００２０】

【発明の実施の形態】本発明の実施形態にかかる交流発
電電動機用インバータについて図面を参照して説明す
る。

【００２１】（第１実施形態）図１は第１実施形態にか
かる三相交流発電電動機用インバータの回路構成図であ
る。この図１において、１０は自動車の駆動源として機
能する三相交流発電電動機、１２は充放電手段である４
２ボルトのバッテリーである。この三相交流発電電動機
１０とバッテリー１２との間に、第１実施形態の交流発
電電動機用インバータが接続されている。

【００２２】インバータの接続構成を説明すると、ま
ず、三相交流発電電動機１０とバッテリー１２のプラス
端子との間には、上アームのスイッチング素子であるＩ
ＰＤ(Intelligent Power Device)５１，５２，５３，５
４，５５，５６が接続されている。ＩＰＤ５１とＩＰＤ
５２、ＩＰＤ５３とＩＰＤ５４、ＩＰＤ５５とＩＰＤ５
６がそれぞれ各上アームにおいて直列接続されており、
この接続形態が一つの特徴となっている。

【００２３】ＩＰＤ５１〜５６はいわゆる多機能スイッ
チング素子であり、ＭＯＳ型のＦＥＴ５１ａ〜５６ａ
と、このＦＥＴ５１ａ〜５６ａのソース−ドレイン間に
実質的に形成されているボディダイオード５１ｂ〜５６
ｂとを備え、この他、チャージポンプによるゲート昇圧
駆動機能、過電流および過熱検出機能のための回路を備
える。過電流および過熱検出は、ＦＥＴ５１ａ〜５６ａ
の過電流および過熱を検出するものであり、これは、三
相交流発電電動機１０を電動機として動作させたときの
過電流および過熱検出を行うことになる。

【００２４】三相交流発電電動機１０と接地点との間に
は、下アームのスイッチング素子２６，２７，２８が接
続されている。スイッチング素子２６，２７，２８はＭ
ＯＳ型のＦＥＴ２６ａ〜２８ａであり、このＦＥＴ２６
ａ〜２８ａのソース−ドレイン間に実質的に形成されて
いるボディダイオード２６ｂ〜２８ｂを備える。

【００２５】下アームのスイッチング素子２６〜２８の
ゲート端子には、バッファ３４，３５，３６および論理
積回路５８，５９，６０を介してＰＷＭ(Pulse Width M
odulation)駆動回路６２の出力端子とゲート制御回路６
４のゲート駆動信号出力端子が接続されている。また、
上アームのＩＰＤ５１〜５６の制御信号入力端子には反
転素子１００〜１０２を介してゲート制御回路６４のゲ
ート駆動信号出力端子が接続されている。

【００２６】ゲート制御回路６４は、力行、発電切換、
および励磁調整の各制御信号の入力に応じて力行、発電
切換、および励磁調整の各制御を行う。さらに、ゲート
制御回路６４は、三相交流発電電動機１０を電動機とし
て作動させる場合に、ホールセンサ４８で検出される三
相交流発電電動機１０の回転角や、ＩＰＤ５１〜５６で
検出（電流モニタ）される電流値に応じて、ＩＰＤ５１
〜５６およびスイッチング素子２６〜２８をＯＮ／ＯＦ
Ｆする。

【００２７】論理積回路５８〜６０にはゲート制御回路
６４からのゲート駆動信号（第１信号）とＰＷＭ駆動回
路５８からのＰＷＭ駆動信号（第２信号）とが入力され
るので、論理積回路５８〜６０の出力信号（第３信号）
は、ゲート駆動信号が「Ｈ」のときにＰＷＭ駆動信号に
よる「Ｌ」／「Ｈ」を繰り返す。この出力信号（第３信
号）はスイッチング素子２６〜２８のＦＥＴのゲート端
に供給され、これによって、スイッチング素子２６〜２
８のＦＥＴが高速にスイッチング動作する。

【００２８】ここで、互いに直列接続されたＩＰＤ５
５，５６の各ＦＥＴが三相交流発電電動機１０のリアク
トルを介してスイッチング素子２７のＦＥＴに直列に接
続された電流経路を例に挙げる。ＩＰＤ５５，５６はチ
ャージポンプが制約となり「Ｌ」／「Ｈ」の変化時の応
答性が低くいが、先の直列接続の電流経路において、Ｉ
ＰＤ５５，５６のＦＥＴが動作状態となっている時に、
スイッチング素子２７が高速にスイッチング動作を行う
ので、三相交流発電電動機１０の負荷電流が高精度に制
御される。

【００２９】本実施形態では、三本の上アームの各スイ
ッチング素子が、それぞれ２つのＩＰＤによる直列回路
で構成されている。したがって、ＩＰＤ一つあたりの必
要耐圧を単一のスイッチング素子で構成した場合の二分
の一にすることができる。一般に、ＩＰＤの耐圧はあま
り高くないが、この実施形態のインバータであれば、バ
ッテリ１２の電圧が高くても破壊されることがない。

【００３０】また、ＩＰＤ５１〜５６にはチャージポン
プ機能が備わっているので、ＩＰＤ５１〜５６自体で、
ゲート駆動用電源の確保が可能となる。さらに、過電流
および過熱検出機能を備えるので、過電流または過熱検
出時に、この検出信号を基にゲート制御回路６４でＩＰ
Ｄ５１〜５６のＦＥＴをオフとすることにより、三相交
流発電電動機１０の電流経路を遮断することができる。
従って、従来必要であったゲート駆動用電源と、三相交
流発電電動機１０の過電流検出および回転制御用の高価
な電流センサとが不要となり、さらに過電流、過電圧、
過熱等の保護機能を制御基板上に設ける必要も無くなる
ので、インバータを、小型で低コストに実現することが
できる。

【００３１】（第２実施形態）図２は第２実施形態にか
かる三相交流発電電動機用インバータの回路構成図であ
る。但し、この図２に示す第２実施形態において図１の
第１実施形態の各部に対応する部分には同一符号を付
し、その説明を省略する。

【００３２】この図２に示す第２実施形態のインバータ
が、図１に示したインバータと異なる点は、直列接続さ
れた１対のＩＰＤ５１と５２、５３と５４、５５と５６
の各々の両端に、三相交流発電電動機１０のレクチ用
（整流用）ダイオード６６，６７，６８を並列に接続し
たことにある。すなわち、１対のＩＰＤ５１と５２の両
端にレクチ用ダイオード６６が並列接続され、１対のＩ
ＰＤ５３と５４の両端にレクチ用ダイオード６７が並列
接続され、１対のＩＰＤ５５と５６の両端にレクチ用ダ
イオード６８が並列接続されている。

【００３３】各レクチ用ダイオード６６〜６８は、図３
に示すように、三相交流発電電動機１０と同一のケーシ
ング内に配置され、そのファン１０Ｆによって冷却さ
れ、発熱の保護が考慮されている。

【００３４】レクチ用ダイオード６６〜６８の接続状態
をさらに言及すれば、図４に図２の一部分を抜き出して
示すように、三相交流発電電動機１０とバッテリー１２
との間に、直列接続されたＩＰＤ５５，５６とレクチ用
ダイオード６８とが並列接続されている状態である。つ
まり、図５に示すように、直列接続された各ＩＰＤ５
５，５６のボディダイオード５５ｂ，５６ｂと、レクチ
用ダイオード６８とが並列接続されている。この接続の
場合、ボディダイオード５５ｂ，５６ｂは直列接続され
ていることからレクチ用ダイオード６８の２倍の抵抗値
となる。これによって、三相交流発電電動機１０のリア
クトルからバッテリー１２へ流れる電流が、矢印Ｙ１で
示すようにレクチ用ダイオード６８を回流する。

【００３５】レクチ用ダイオード６８が接続されていな
い状態を考えると、リアクトルからボディダイオード５
５ｂ，５６ｂを回流する場合、ダイオード２個分の約
１．４Ｖの電圧が必要となる。しかし、並列にレクチ用
ダイオード６８を接続することで、約０．７Ｖで通電す
るレクチ用ダイオード６８に殆ど全ての電流が流れる。

【００３６】（第３実施形態）図６は第３実施形態にか
かる三相交流発電電動機のインバータの回路構成図であ
る。但し、この図６に示す第３実施形態において図２の
第２実施形態の各部に対応する部分には同一符号を付
し、その説明を省略する。

【００３７】この図６に示す第３実施形態のインバータ
が、図２に示したインバータと異なる点は、下アームの
スイッチング素子２６〜２８に、これと同じスイッチン
グ素子７１〜７３を直列に接続し、このゲート端をバッ
ファ７５〜７７を介して論理積回路５８〜６０の出力端
に接続し、さらに、直列接続された１対のスイッチング
素子７１と２６、７２と２７、７３と２８の各々の両端
に、三相交流発電電動機１０のレクチ用ダイオード８
０，８１，８２を並列に接続したことにある。すなわ
ち、１対のスイッチング素子７１と２６の両端にレクチ
用ダイオード８０が並列接続され、１対のスイッチング
素子７２と２７の両端にレクチ用ダイオード８１が並列
接続され、１対のスイッチング素子７３と２８の両端に
レクチ用ダイオード８２が並列接続されている。

【００３８】各レクチ用ダイオード８０〜８２も第２実
施形態で説明したものと同様に、三相交流発電電動機１
０と同一のケーシング内に配置され、そのファンによっ
て冷却され、発熱の保護が考慮されている。

【００３９】レクチ用ダイオード８０〜８２の接続状態
をさらに言及すれば、図７に図６の一部分を抜き出して
示すように、三相交流発電電動機１０とバッテリー１２
との間に、直列接続されたスイッチング素子７２，２７
とレクチ用ダイオード８１とが並列接続されている状態
である。つまり、直列接続された各スイッチング素子７
２，２７のボディダイオード７２ｂ，２７ｂと、レクチ
用ダイオード８１とが並列接続されている。この接続の
場合、ボディダイオード７２ｂ，２７ｂは直列接続され
ていることからレクチ用ダイオード８１の２倍の抵抗値
となる。これによって、三相交流発電電動機１０のリア
クトルへ流れる電流が、矢印Ｙ２で示すようにレクチ用
ダイオード８１を回流する。

【００４０】レクチ用ダイオード８１が接続されていな
い状態を考えると、ボディダイオード７２ｂ，２７ｂか
らリアクトルへ電流が流れる場合、ダイオード２個分の
約１．４Ｖの電圧が必要となる。しかし、並列にレクチ
用ダイオード８１を接続することで、約０．７Ｖで通電
するレクチ用ダイオード８１に殆ど全ての電流が流れ
る。

【００４１】なお、各実施形態では、上アームのスイッ
チング素子として２個の多機能スイッチング素子を用い
ているが、各アームにおける多機能スイッチング素子の
個数は複数であればよく、２個に限定されない。個数は
バッテリ電圧との関係で適宜調整すればよい。

【００４２】

【発明の効果】以上のように、本発明の交流発電電動機
用インバータによれば、第１アームのスイッチング素子
に多機能スイッチング素子を用いることにより、ゲート
駆動用電源や電流センサが不要となり、過電流、過電
圧、過熱等の保護機能を制御基板上に別途設ける必要も
無いため、装置の小型化・低コスト化を図ることができ
る。

【００４３】しかも、第１アームのスイッチング素子が
互いに直列接続された複数の多機能スイッチング素子で
構成されているので、多機能スイッチング素子一つあた
りの耐圧が低くてもスイッチング素子としての実質的な
耐圧を高くすることができる。そのため、たとえば４２
ボルトというような高電圧の充放電手段に接続されるイ
ンバータとして利用することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１実施形態にかかる三相交流発電電動機用イ
ンバータの回路構成図である。

【図２】第２実施形態にかかる三相交流発電電動機用イ
ンバータの回路構成図である。

【図３】三相交流発電電動機のレクチ用ダイオードがフ
ァンによって冷却される様態を示す図である。

【図４】上アームの直列接続された各ＩＰＤのボディダ
イオードに、レクチ用ダイオードが並列接続された状態
を示す図である。

【図５】上アームの直列接続された各ＩＰＤのボディダ
イオードに並列接続されたレクチ用ダイオードに、電流
が流れる状態を示す図である。

【図６】第３実施形態にかかる三相交流発電電動機のイ
ンバータの回路構成図である。

【図７】下アームの直列接続された各スイッチング素子
のボディダイオードに、レクチ用ダイオードが並列接続
された状態と、この並列接続されたレクチ用ダイオード
に電流が流れる状態を示す図である。

【図８】従来の交流発電電動機のインバータの回路構成
図である。

【符号の説明】

１０…三相交流発電電動機、１０Ｆ…三相交流発電電動
機のファン、１２…バッテリー、２６〜２８，７１〜７
３…下アームのスイッチング素子、３４〜３６，７５〜
７７…バッファ、５１〜５６…上アームのスイッチング
素子であるＩＰＤ、２７ｂ，５５ｂ，５６ｂ，７２ｂ…
ボディダイオード、５８〜６０…論理積回路、５８…Ｐ
ＷＭ駆動回路、６４…ゲート制御回路、５８〜６０…論
理反転回路、６６〜６８，８０〜８２…レクチ用ダイオ
ード

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Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】交流発電電動機と充放電手段との間に接
続され、前記交流発電電動機を電動機として動作させる際には三
本の第１アームと三本の第２アームの各アームにそれぞ
れ設けられたスイッチング素子を制御することにより前
記充放電手段からの直流電力を三相交流電力に変換して
前記交流発電電動機に電力を供給し、前記交流発電電動
機を発電機として動作させる際には前記スイッチング素
子にそれぞれ形成されているボディダイオードを利用し
て前記交流発電電動機で発生した交流電力を直流電力に
変換し前記充放電手段に出力する交流発電電動機用イン
バータにおいて、前記第１アームに設けられたスイッチング素子が、互い
に直列接続された複数の多機能スイッチング素子で構成
されており、前記多機能スイッチング素子がスイッチン
グ動作を行うトランジスタを備えると共に、チャージポ
ンプ、過電流検出および過熱検出の各機能を実行する手
段を有するものであることを特徴とする交流発電電動機
用インバータ。
【請求項２】前記第１アームのスイッチング素子に並列
接続された整流用ダイオードを備えたことを特徴とする
請求項１に記載の交流発電電動機用インバータ。