JP2005253183A - 車両用電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 サージ電圧を必要に応じて連続的に制御すると共に、高効率運転が可能な信頼性の高い車両用電力変換装置を得ることを目的とする。
【解決手段】 直流電力を変換して交流電力を負荷に供給するパワースイッチング素子１と、パワースイッチング素子１から負荷に供給される負荷電流の変化を検出する電流変化検出回路３と、直流電源７の電圧を検出する電圧測定回路８と、負荷電流の変化と直流電源７の電圧とを入力して制御信号を出力する定電流制御回路５および６と、パワースイッチング素子１にＯＮ−ＯＦＦ信号を与える駆動回路とを備え、駆動回路が定電流電源９および１０とこの定電流電源９および１０の電流をパワースイッチング素子１に与えるスイッチング素子１１および１２とからなり、定電流電源９および１０の出力電流値が定電流制御回路５および６の出力により制御されるようにしたものである。
【選択図】図１

Description

この発明は、パワースイッチング素子破壊の原因となるサージ電圧を容易に制御することが可能なインバータなどの車両用電力変換装置に関するものである。

インバータのパワースイッチング素子駆動回路としては、定電圧電源や定電流電源を制御信号により動作するＭＯＳ―ＦＥＴなどのスイッチング素子を介してパワースイッチング素子のゲートもしくはベースに接続し、ＭＯＳ―ＦＥＴの動作により必要な時期に必要な時間パワースイッチング素子を駆動するように構成される。そして、パワースイッチング素子のＯＮ−ＯＦＦ動作によりサージ電圧か発生するが、このような構成においてはパワースイッチング素子の駆動条件が固定され、パワースイッチング素子のＯＮ速度およびＯＦＦ速度は常に同一速度でスイッチング動作が行われるため、例えばインバータにより電動機を駆動するときなど、駆動用の電源電圧が高くなった場合にはサージ電圧がこれに重畳してパワースイッチング素子を破壊したり、高レベルのノイズを発生したりすることがあり、通常はこの対策としてスナバ回路などが付加されている。

このようなスナバ回路を排除しながら低ノイズ化を図ったのが特許文献１に開示された技術である。この文献に開示された技術は、パワースイッチング素子のターンオンまたはターンオフ時における電流変化率または電圧変化率を検出し、この変化率が所定値以上になったときゲート条件を変更するように制御するもので、ゲート条件の変更としてはゲート抵抗の切換やゲート電源電圧または電流値の切換、またはゲートエミッタ間の静電容量切換などが開示されており、これらの切換によりパワースイッチング素子やフライホイルダイオードに加わるスパイク電圧すなわちサージ電圧が切り換えられるようにしたものである。

特開平１０−１５０７６４号公報（第４〜６頁、第１〜９図）

上記のように電源電圧にサージ電圧が重畳した場合にはパワースイッチング素子が破壊されることがあり、これを防止するためには駆動条件に制約を加えるか、駆動条件に対して余裕を持ったパワースイッチング素子の選定を行う必要がある。余裕を持ったパワースイッチング素子の選定は電力変換に必要な能力以上の素子を選定することであり、当然コストとスペースが増加する。また、特許文献１は駆動条件を制御してサージ電圧を低減するものであるが、コンデンサや抵抗などの回路定数の切り換えによりサージ電圧を抑制するものであるから、サージ電圧を必要に応じて連続的に変化させることはできず、実用上はせいぜい二段切換程度が限度であり、特許文献１も二段切換にて開示されている。

また、インバータにより電動機の駆動を行う場合、駆動条件を変えてパワースイッチング素子のスイッチング速度を変えることにより損失を低下させることが可能である。駆動条件を変えてスイッチング速度を制御するとき、サージ電圧も同時に制御できるものであるから、駆動条件に対応して連続的にスイッチング速度を変化させることにより、サージ電圧対策と高効率運転とが可能になる。しかし、上記の特許文献１の手法ではスイッチング速度を多段に切り換えるためには回路数を増加せねばならず、コスト増になると共に、所定のスペース内に車両用電力変換装置を収納することが不可能になる。

この発明は、このような課題を解決するためになされたもので、小型軽量で、低コストであり、サージ電圧を必要に応じて連続的に制御すると共に、高効率運転が可能な信頼性の高い車両用電力変換装置を得ることを目的とするものである。

この発明に係る車両用電力変換装置は、直流電源の電力を変換して交流電力を負荷に供給するパワースイッチング素子と、パワースイッチング素子から負荷に供給される負荷電流の変化を検出する電流変化検出回路と、直流電源の電圧を検出する電圧測定回路と、電流変化検出回路が検出する負荷電流の変化と電圧測定回路が検出する直流電源の電圧とを入力して制御信号を出力する定電流制御回路と、パワースイッチング素子にＯＮ−ＯＦＦ信号を与える駆動回路とを備え、駆動回路が定電流電源とこの定電流電源の電流をパワースイッチング素子に与えるスイッチング素子とからなり、定電流電源の出力電流値が定電流制御回路の出力信号により制御されるようにしたものである。

このように構成されたこの発明の車両用電力変換装置によれば、直流電源の電圧値や負荷電流の変化率に対応してパワースイッチング素子のスイッチング速度を連続的に制御することができるので、パワースイッチング素子がサージ電圧により過電圧破壊を起こさない範囲でスイッチング速度を制御し、サージ電圧値を抑制しながらスイッチング時における損失を低下させることができ、高効率で且つ信頼性の高い車両用電力変換装置を得ることができるものである。

実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１による車両用電力変換装置の回路構成を説明するブロック図であり、この図はモータ駆動用の電力変換装置を一例として示したものである。図においてパワースイッチング素子１には例えばＩＧＢＴやパワーＭＯＳ―ＦＥＴなどが使用され、モータ線電流検出用のシャント抵抗２が電流検出用のマルチエミッタに接続されている。なお、モータ線電流の検出はモータに対する主回路（パワースイッチング素子１から図示しないモータへの給電路）に抵抗やインダクタを設けて検出してもよく、また、図１のシャント抵抗２はインダクタに置き換えることもできる。

モータの駆動はパワースイッチング素子１をＯＮ−ＯＦＦして所定の電流を図示しないモータに与えることにより行われるが、パワースイッチング素子１に流れるモータ電流の変化はシャント抵抗２による電圧低下を電流変化検出回路３が検出し、増幅器４で増幅された後、定電流制御回路５および６に与えられる。定電流制御回路５および６は、この電流変化検出回路３の出力と、直流電源７の電圧を計測する電圧測定回路８の出力とを入力し、ソース定電流電源９とシンク定電流電源１０とに信号を与えて両者を制御する。ソース定電流電源９の出力はＦＥＴ１１に、シンク定電流電源１０の出力はＦＥＴ１２に与えられ、ＦＥＴ１１と１２とは図示しない信号源からの信号をバッファ１３を介して受け、ＯＮ−ＯＦＦすることによりソース定電流電源９とシンク定電流電源１０の出力をパワースイッチング素子１に与えるが、このときＦＥＴ１１と１２とが同時にＯＮ状態にならないように回路が構成されている。なお、直流電源７はモータ駆動用と制御用との電源である。

上記したようにパワースイッチング素子１にはＩＧＢＴやＭＯＳ―ＦＥＴなどが使用されるが、これらの素子は大きな入力静電容量を持っており、この素子を完全にＯＮ−ＯＦＦさせるにはこの静電容量に対する充分な充電と放電とが必要である。ソース定電流電源９はこの入力静電容量に電荷を充電するための電源であり、シンク定電流電源１０は入力静電容量に蓄えられた電荷を放電させるための電源である。そして、定電流制御回路５および６は、電流変化検出回路３が測定するパワースイッチング素子１に流れる電流の変化率と電圧測定回路８が出力する直流電源７の電圧値とに基づき、最適な定電流となるようにソース定電流電源９とシンク定電流電源１０とを制御する。

このように制御される定電流値がパワースイッチング素子１に与える作用を説明すると次の通りである。今、定電流値をＩ、パワースイッチング素子１の入力静電容量をＣ、ＦＥＴ１１およびＦＥＴ１２とパワースイッチング素子１のゲートとの接続点の電圧をＶ、ＦＥＴ１１またはＦＥＴ１２のＯＮ時間（この時間だけパワースイッチング素子１の入力容量に対しチャージ、ディスチャージが発生する）をｔとすると、入力静電容量に対する充電時には次式が成立する。
Ｖ＝Ｉ・ｔ／Ｃ ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ （１）

また、入力静電容量からの放電時には放電直前のＶの値をＶ’とすると、
Ｖ＝Ｖ’−Ｉ・ｔ／Ｃ ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ （２）
の関係が成立する。一方、パワースイッチング素子１のＯＮ―ＯＦＦの条件は、それぞれのパワースイッチング素子が持っているＯＮ―ＯＦＦ閾値（記号Ｖｔで表す）で決まり、このＶｔより（１）式のＶが大きい場合には電流が増加することになり、Ｖｔより（２）式のＶが小さい場合には電流が減少することになる。この実施の形態においてはこの電流値Ｉを定電流制御回路５および６により可変制御することによりパワースイッチング素子１のゲート電圧Ｖを可変させるものである。

以上のような構成を持つこの実施の形態における車両用電力変換装置の作用について説明すると、パワースイッチング素子１のコレクタ−エミッタ間（ＭＯＳ−ＦＥＴの場合はドレイン−ソース間）に過大電圧が印加された場合にはパワースイッチング素子１は耐圧破壊に至る。この過大電圧の発生は、通常、モータへの電流遮断時に電流遮断速度（ｄｉ／ｄｔ）と寄生インダクタンスなどにより発生するＯＦＦサージ電圧と、図１には図示されていないフライホイルダイオードのリカバリ電流の変化速度（ｄｉ／ｄｔ）と寄生インダクタンスなどにより発生するＯＮサージ電圧とである。この現象は一般的であるから説明は省略するが、これらの電流遮断速度やリカバリ電流の変化速度、すなわち、ＯＦＦサージ電圧やＯＮサージ電圧は、上記の（１）式や（２）式のＶで示した電圧値によっても変化する。

すなわち、サージによる過大電圧は上記の電圧Ｖを適性化することにより抑制することが可能であり、電圧Ｖの適性化は定電流値Ｉを制御することにより容易に実現することができる。つまり、電流変化検出回路３が検出した電流の変化速度を定電流制御回路５および６に与えると共に、サージ電圧は直流電源７の電圧に重畳して発生するため、電圧測定回路８が直流電源７の電圧値を常に監視して定電流制御回路５および６に与えることにより、定電流制御回路５および６が電流の変化速度に対応して定電流値Ｉを制御すると共に直流電源７の電圧値に対応して定電流値Ｉを制御する。そして、パワースイッチング素子１のＯＮ―ＯＦＦ時に発生するサージ電圧の尖頭値がパワースイッチング素子１の耐圧に対して充分余裕がある場合には、スイッチング損失の低減のためにサージ電圧がパワースイッチング素子１を破壊しない範囲（すなわち、耐圧範囲内）で電流遮断速度（ｄｉ／ｄｔ）やリカバリ電流の変化速度（ｄｉ／ｄｔ）を高く（変化を速く）設定し、より高効率の運転を可能とするように制御する。これらは、この実施の形態のように、電流変化率と電源電圧値を定電流値にフィードバックすることにより実現可能となるものである。

以上のように、この実施の形態では、パワースイッチング素子１の駆動回路に、充電側にはソース定電流電源を、放電側にはシンク定電流電源を使用し、これらを定電流制御回路５および６により、直流電源７の電圧値やモータ電流の変化率によりゲート電圧をリニアに制御するようにしたものであり、このように制御することによりパワースイッチング素子１のスイッチング速度を自在に制御することができ、過電圧破壊を起こさない範囲でスイッチング速度を制御して損失を低下せしめるようにしたものである。従って、高効率で信頼性の高い車両用電力変換装置を得ることができると共に、ソース定電流電源とシンク定電流電源は線形の充電特性および放電特性を有しており、パワースイッチング素子１の駆動速度設定や調整が容易となるものである。

なお、ここではパワースイッチング素子１に電圧駆動型素子であるＩＧＢＴやパワーＭＯＳ−ＦＥＴを使用するようにしているが、電流駆動型素子であるバイポーラトランジスタを用いても定電流電源であるこの実施の形態では同様の効果が得られるものである。また、この実施の形態のような可変式定電流電源ではなく、複数の定電流電源を設けてこれらをスイッチにより各定電流電源（各定電流値）を選択することにより定電流値を可変してもよく、さらに、定電流電源に代わり電圧可変式定電圧電源であっても同様の効果を得ることができるものである。また、電流検出用の抵抗またはインダクタをモータへの給電路に設けるか、パワースイッチング素子のマルチエミッタに設けるかはシステムの構成により有利な方を選定すればよい。

実施の形態２．
図２は、この発明の実施の形態２による車両用電力変換装置の回路構成を説明するブロック図であり、実施の形態１の図１と同一機能部には同一符号を付与している。この実施の形態における車両用電力変換装置は、電流検出用のマルチエミッタがないパワー素子を使用する場合、および、モータに給電する主回路ラインのインピーダンスを下げる必要があり、電流検出用の抵抗やインダクタを配設できない場合における本発明の適用例を示すものであり、パワー素子１からモータへの給電路に電流センサ１４を設け、電流センサ１４の出力を電流変化検出回路３および増幅器４を経由して定電流制御回路５および６に与えるようにしたものである。この電流検出手段以外は実施の形態１の場合と同様であり、電流センサ１４は、負荷電流を検出して出力電流をフィードバック制御する出力制御用のセンサが共用できるものであり、このように構成しても実施の形態１と同様の効果が得られるものである。

この発明による電力変換装置は、車両用に限らず、小型軽量に構成することが要求される電力変換装置に適用できるものである。

この発明の実施の形態１による車両用電力変換装置の回路構成を示すブロック図である。 この発明の実施の形態２による車両用電力変換装置の回路構成を示すブロック図である。

符号の説明

１ パワースイッチング素子、２ シャント抵抗、３ 電流変化検出回路、
４ 増幅器、５、６ 定電流制御回路、７ 直流電源、８ 電圧測定回路、
９ ソース定電流電源、１０ シンク定電流電源、１１、
１２ ＦＥＴ（スイッチング素子）、 １３ バッファ、１４ 電流センサ。

Claims (6)

1. 直流電源の電力を変換して交流電力を負荷に供給するパワースイッチング素子、前記パワースイッチング素子から前記負荷に供給される負荷電流の変化を検出する電流変化検出回路、前記直流電源の電圧を検出する電圧測定回路、前記電流変化検出回路が検出する負荷電流の変化と前記電圧測定回路が検出する前記直流電源の電圧とを入力して制御信号を出力する定電流制御回路、前記パワースイッチング素子にＯＮ−ＯＦＦ信号を与える駆動回路を備え、前記駆動回路が定電流電源とこの定電流電源の電流を前記パワースイッチング素子に与えるスイッチング素子とからなり、前記定電流電源の出力電流値が前記定電流制御回路の出力信号により制御されるように構成したことを特徴とする車両用電力変換装置。
2. 前記駆動回路が、前記パワースイッチング素子をＯＮ制御する定電流電源およびスイッチング素子と、ＯＦＦ制御する定電流電源およびスイッチング素子とから構成されており、ＯＮ制御する定電流電源がソース定電流電源であることを特徴とする請求項１記載の車両用電力変換装置。
3. 前記ＯＦＦ制御する定電流電源はシンク定電流電源であることを特徴とする請求項２記載の車両用電力変換装置。
4. 前記負荷電流の検出は、前記パワースイッチング素子から前記負荷に通電される電路に設けられた抵抗器またはインダクタによりなされることを特徴とする請求項１〜請求項３記載の車両用電力変換装置。
5. 前記パワースイッチング素子から前記負荷に通電される電路に電流センサが設けられており、前記負荷電流の検出が前記電流センサによりなされることを特徴とする請求項１〜請求項３記載の車両用電力変換装置。
6. 前記パワースイッチング素子にマルチエミッタを有する素子が用いられており、前記負荷電流が前記マルチエミッタから検出されることを特徴とする請求項１〜請求項３記載の車両用電力変換装置。

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