JP2006191774A - パワー制御回路および車両 - Google Patents

Abstract

【課題】 サージ電圧が低減されたパワー制御回路および車両を提供する。
【解決手段】 電流制御回路１１は、ノードＮ１とノードＮ２との間に並列接続され、各々が制御電極に与えられる信号に応じてノードＮ１，Ｎ２の間に流れる電流を制御するＩＧＢＴ素子ＧＡ，ＧＢ，ＧＣと、制御信号が与えられる共通入力ノードとＩＧＢＴ素子ＧＡ，ＧＢ，ＧＣの制御電極との間にそれぞれ接続され、互いに異なる抵抗値を有する抵抗素子ＲＡ，ＲＢ，ＲＣとを含む。好ましくは、抵抗ＲＡ〜ＲＣの各々は、接続されている電流制御素子であるＩＧＢＴ素子ＧＡ〜ＧＣの冷却特性に対応して定められた抵抗値を有する。ＩＧＢＴ素子ＧＡは、ＩＧＢＴ素子ＧＣに比較して冷却特性が良く、ＩＧＢＴ素子ＧＡに接続される抵抗ＲＡは、ＩＧＢＴ素子ＧＣに接続される抵抗ＲＡ〜ＲＣに比較して抵抗値が大きい。
【選択図】 図２

Description

本発明は、パワー制御回路および車両に関し、より特定的には、複数の電流制御素子を備えるパワー制御回路および車両に関する。

ＩＧＢＴ（絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）素子等の電力制御用半導体素子が広く用いられているが、大電流をスイッチングするとサージ電圧が発生することがしばしば問題となる。

ＩＧＢＴ素子のサージ電圧とスイッチング損失はトレードオフの関係にあり最適な抵抗値を選択することによりサージ電圧とスイッチング損失とを適切な範囲に抑え込む必要がある。

しかし、半導体素子のサージ電圧の発生とスイッチング損失の発生とは半導体電力変換装置の運転状態によって異なるので、装置の運転状態に応じて半導体素子のゲート抵抗を変化させることで、サージ電圧抑制に余裕があるときはスイッチング損失抑制を十分にし、スイッチング損失抑制に余裕があるときにはサージ電圧抑制を十分に行なっている。

特開２００２−１９８７９２号公報（特許文献１）には、ＩＧＢＴ素子のゲートとゲートドライバ回路との間に並列に複数のゲート抵抗を設けスイッチで抵抗値を切換える半導体電力変換装置が開示されている。
特開２００２−１９８７９２号公報（図４） 特開２００２−１９９７００号公報

近年、モータで車輪を駆動する電気自動車、ハイブリッド自動車および燃料電池自動車が注目を浴びている。たとえば、ハイブリッドモータ制御用のインバータでは、数十〜数百アンペアの大電流の制御が要求されている。自動車用のモータを制御するインバータ装置は、大きな電流容量を必要とする一方で、今後の一層の普及のためにはさらなる軽量小型化およびコストダウンが要求されている。

電流容量を増大し、かつコストダウンを可能とする方策の１つとして、汎用のＩＧＢＴ素子を必要な電流容量に応じた数だけ並列接続して使用する方法が考えられる。

技術的には、大容量の１素子のＩＧＢＴを製作することも可能であるが、１素子当りのチップ面積が大きくなるので、製造時の歩留りが悪化しこの場合はコストアップしてしまうというデメリットがあるからである。

ＩＧＢＴ素子のゲート抵抗値が大きいときには、ゲートドライブ回路の時定数が大きくなるため素子のスイッチング速度が低下する。この場合は電流のオン／オフに要する時間が長くなるため、スイッチング損失が増大する。

反対にゲート抵抗値が小さいときには素子のスイッチング速度は増加する。この場合スイッチング損失は小さくなるが、電流のオン／オフが高速化するので、インダクタンス成分によるサージ電圧が増加してしまう。つまりサージ電圧とスイッチング損失との間にはトレードオフの関係があるため、両者を同時に低減することができない。たとえばサージ電圧を低減するためにゲート抵抗値を大きくすると、スイッチング損失が大きくなってしまう。

また特開２００２−１９８７９２号公報（特許文献１）に示されるように、使用するゲート抵抗を切換えるためのスイッチ回路を設けると、素子使用状況に応じてスイッチ回路を制御して使用するゲート抵抗を決定する制御回路も必要となる。ゲート抵抗の複数化に伴ってスイッチング回路、制御回路が複雑化しスペースおよびコスト上不利となる。

この発明の目的は、サージ電圧が低減されたパワー制御回路および車両を提供することである。

この発明は、要約すると、パワー制御回路であって、第１、第２のノードの間に並列接続され、各々が制御電極に与えられる信号に応じて第１、第２のノード間に流れる電流を制御する複数の電流制御素子と、制御信号が与えられる共通入力ノードと複数の電流制御素子の制御電極との間にそれぞれ接続され互いに異なる抵抗値を有する複数の抵抗素子とを備える。

好ましくは、複数の抵抗素子の各々は、接続されている電流制御素子の冷却特性に対応して定められた抵抗値を有する。

より好ましくは、複数の電流制御素子のうちの第１の電流制御素子は、複数の電流制御素子のうちの第２の電流制御素子に比較して冷却特性が良く、第１の電流制御素子に接続される複数の抵抗素子のうちの第１の抵抗素子は、第２の電流制御素子に接続される複数の抵抗素子のうちの第２の抵抗素子に比較して抵抗値が大きい。

さらに好ましくは、パワー制御回路は、複数の電流制御素子および複数の抵抗素子が搭載される基板をさらに備える。第２の電流制御素子は前記第１の電流制御素子よりも前記基板の中心部に近くに配置される。

さらに好ましくは、パワー制御回路は、冷却のための冷却流体を流す通路と、通路上に配置され、複数の電流制御素子および複数の抵抗素子が搭載される基板とをさらに備える。第２の電流制御素子は第１の電流制御素子よりも冷却流体の流れの下流側に配置される。

この発明の他の局面に従うと、車両であって上記いずれかのパワー制御回路で構成されたインバータと、インバータによって駆動されるモータとを備える。

本発明によれば、複数のスイッチング素子の入力ゲート抵抗値を異ならせることにより、素子発熱をあまり大きくせずにサージ電圧を抑制することができ、複数のスイッチング素子の温度も均一化することができる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳しく説明する。なお、図中同一または相当部品には同一の符号を付してそれらについての説明は繰返さない。

図１は、本発明のパワー制御回路が用いられる車両のモータ駆動システム部分について説明するための回路図である。このようなモータ駆動システムは、たとえば電気自動車、ハイブリッド自動車および燃料電池自動車などに搭載される。

図１に示される車両は、バッテリ４と、コンデンサ６と、インバータ装置２と、モータ８とを含む。

バッテリ４は、たとえばニッケル水素またはリチウムイオン等の二次電池である。コンデンサ６およびインバータ装置２は、バッテリ４の正負電極間に並列に接続される。コンデンサ６は、インバータ装置２で発生されるサージ成分を平滑化する。

インバータ装置２は、コンデンサ６によって平滑化されている電源電位を受けて交流モータ８を駆動する。また、インバータ装置２は、回生制動に伴い交流モータ８において発電された電力をバッテリ４に戻す。

交流モータ８は、車両の図示しない駆動輪を駆動するためのトルクを発生するモータである。このモータは、たとえばハイブリッド自動車に搭載される場合には、エンジンによって駆動される発電機の性能を持ち、かつ、エンジンに対して電動機として動作しエンジンの始動を行ない得るようなものであってもよい。

インバータ装置２は、電源電圧が与えられるコンデンサ６の端子間に並列に接続されるＵ相アームＵＡと、Ｖ相アームＶＡと、Ｗ相アームＷＡとを含む。インバータ装置２は、インテリジェントパワーモジュール（ＩＰＭ）として１つのケースに、図示しない制御回路と共に収められていてもよい。

Ｕ相アームＵＡは、コンデンサ６の端子間に直列接続された電流制御回路１１，１２と、電流制御回路１１，１２とそれぞれ並列に接続されるダイオード２１，２２とを含む。Ｖ相アームＶＡは、コンデンサ６の端子間に直列接続された電流制御回路１３，１４と、電流制御回路１３，１４とそれぞれ並列に接続されるダイオード２３，２４とを含む。Ｗ相アームＷＡは、コンデンサ６の端子間に直列接続された電流制御回路１５，１６と、電流制御回路１５，１６とそれぞれ並列に接続されるダイオード２５，２６とを含む。

電流制御回路１１，１２の接続ノードはモータ８の図示しないＵ相コイルの一方端に接続される。電流制御回路１３，１４の接続ノードはモータ８の図示しないＶ相コイルの一方端に接続される。電流制御回路１５，１６の接続ノードはモータ８の図示しないＷ相コイルの一方端に接続される。Ｕ相コイル，Ｖ相コイル，Ｗ相コイルの各他方端は中点に共に結合される。

図２は、図１における電流制御回路１１の構成を示した回路図である。

図２を参照して、電流制御回路１１は、ノードＮ１とノードＮ２との間に並列接続され、各々が制御電極に与えられる信号に応じてノードＮ１，Ｎ２の間に流れる電流を制御するＩＧＢＴ素子ＧＡ，ＧＢ，ＧＣと、制御信号が与えられる共通入力ノードとＩＧＢＴ素子ＧＡ，ＧＢ，ＧＣの制御電極との間にそれぞれ接続され、互いに異なる抵抗値を有する抵抗素子ＲＡ，ＲＢ，ＲＣとを含む。ここでノードＮ１からＮ２に流れる電流をＩＯＵＴとし、ノードＮ１，Ｎ２の間の電圧をＶＯＵＴとする。

なお、図１における電流制御回路１１〜１６は、図２で説明した電流制御回路１１と同様な構成を有するので、その構成については説明を繰返さない。

図３は、図２における抵抗素子ＲＡ〜ＲＣの抵抗値を説明するための図である。

図３においてゲート抵抗値というのはＩＧＢＴ素子の制御電極であるゲートに接続されている抵抗の抵抗値という意味である。このゲート抵抗値は抵抗ＲＡ，ＲＢ，ＲＣを比較すると抵抗ＲＡ，ＲＢ，ＲＣの順に大中小となっている。

ゲート抵抗値が大きいとＩＧＢＴ素子のスイッチングに時間がかかりスイッチング損失が大きいので、ＩＧＢＴ素子ＧＡを搭載する位置は冷却効率がよい位置である必要がある。一方、ゲート抵抗値が小さいとＩＧＢＴ素子のスイッチング速度が速くなりスイッチング損失は小さくなるので、ＩＧＢＴ素子ＧＣの搭載する位置はＩＧＢＴ素子ＧＡに比較すると冷却効率が多少悪くてもよい。ＩＧＢＴ素子ＧＢの搭載位置はＩＧＢＴ素子ＧＡとＩＧＢＴ素子ＧＣの搭載位置の中間的な冷却効率の搭載位置である。

つまり、抵抗ＲＡ〜ＲＣの各々は、接続されている電流制御素子であるＩＧＢＴ素子ＧＡ〜ＧＣの冷却特性に対応して定められた抵抗値を有する。ＩＧＢＴ素子ＧＡは、ＩＧＢＴ素子ＧＣに比較して冷却特性が良く、ＩＧＢＴ素子ＧＡに接続される抵抗ＲＡは、ＩＧＢＴ素子ＧＣに接続される抵抗ＲＡ〜ＲＣに比較して抵抗値が大きい。

図４は、ＩＧＢＴ素子の搭載位置の例を説明するための図である。

図４においてＩＧＢＴ素子ＧＡ１，ＧＢ１，ＧＣ１および抵抗素子ＲＡ１，ＲＢ１，ＲＣ１は図１の電流制御回路１１に対応する素子群である。一方、ＩＧＢＴ素子ＧＣ２，ＧＢ２，ＧＡ２および抵抗素子ＲＣ２，ＲＢ２，ＲＡ２は、図１の電流制御回路１２に対応する素子群である。

これらのＩＧＢＴ素子はＩＰＭモジュールの放熱プレート４０上に搭載されている。放熱プレート４０の中心部は周辺部に比較すると冷却能力が悪くなる。つまり、このような搭載位置にすればＩＧＢＴ素子ＧＣ１，ＧＣ２の放熱は悪く、これに対し周辺に近いＩＧＢＴ素子ＧＡ１，ＧＡ２の放熱はよくなる。このような搭載位置にしたときにＩＧＢＴ素子ＧＣ１，ＧＣ２のそれぞれの制御電極に接続される抵抗素子ＲＣ１，ＲＣ２は抵抗値を小とし、これに比較してＩＧＢＴ素子ＧＡ１，ＧＡ２のそれぞれの制御電極に接続される抵抗素子ＲＡ１，ＲＡ２の抵抗値は大とする。

つまり、パワー制御回路であるインバータ装置２は、複数の電流制御素子であるＩＧＢＴ素子ＧＡ１〜ＧＣ１，ＧＡ２〜ＧＣ２および複数の抵抗素子であるＲＡ１〜ＲＣ１，ＲＡ２〜ＲＣ２が搭載される基板に相当する放熱プレート４０を備えている。そして、ＩＧＢＴ素子ＧＣ１，ＧＣ２はＩＧＢＴ素子ＧＡ１，ＧＡ２よりも放熱プレート４０の中心部に近くに配置される。

このような配置とすることでＩＧＢＴ素子の素子温度を均一に保つことができ、ある特定の素子が飛び抜けて高温となって破壊してしまうのを防ぐことができる。

図５は、本発明の電流制限回路の出力波形を説明するための動作波形図である。

図２、図５を参照して、波形Ｗ１，Ｗ３は抵抗ＲＡ，ＲＢ，ＲＣを等しい抵抗値に選択した場合の電流および電圧波形を示し、波形Ｗ２，Ｗ４は、図３で示したようなゲート抵抗値を選択した場合の電流および電圧波形を示す。なお、波形Ｗ１は、図３の抵抗ＲＣと等しい値に抵抗ＲＡ，ＲＢを設定した場合について示している。

波形Ｗ２は時刻ｔ１における立上がりおよび時刻ｔ２における立下がり時間は、ＩＧＢＴ素子ＧＡ，ＧＢのスイッチング速度が抵抗値ＲＡ，ＲＢを大きく設定したことにより大きくなっている。しかし、ＩＧＢＴ素子ＧＡ，ＧＢ，ＧＣのスイッチング期間の重なりがずれるので、サージ電圧は波形Ｗ３から波形Ｗ４に示すように低減している。

図６は、ＩＧＢＴ素子の配置の第２の例について説明するための図である。

図６を参照して、冷却水が流れる通路５２上にヒートシンク５４および絶縁基板５６が設けられ、絶縁基板５６の上にはＩＧＢＴ素子ＧＡ３，ＧＢ３，ＧＣ３が搭載されている。冷却水はＩＧＢＴ素子の熱を吸収することにより上流よりも下流の方が温度が高くなる。このため上流側に配置されているＩＧＢＴ素子ＧＡ３は冷却が良好になされ、下流側に配置されているＩＧＢＴ素子ＧＣ３は冷却が悪くなっている。それらの中間に配置されているＩＧＢＴ素子ＧＢ３は冷却が中程度に行なわれる。

このため、図２におけるＩＧＢＴ素子ＧＡを図６のＩＧＢＴ素子ＧＡ３の位置に搭載し、ＩＧＢＴ素子ＧＢを図６のＧＢ３の位置に搭載し、ＩＧＢＴ素子ＧＣを図６のＧＣ３の位置に搭載することにより、図３で示した関係が成立し、サージ電圧の低減を図ることができる。

つまり、パワー制御回路であるインバータ装置２は、冷却のための冷却流体を流す通路５２と、通路５２上に配置され、ＩＧＢＴ素子および抵抗素子が搭載される基板５６とを備えている。そして、ＩＧＢＴ素子ＧＣ３は、ＩＧＢＴ素子ＧＡ３よりも冷却水の流れの下流側に配置されている。

以上説明したように、本発明の実施の形態においては、複数の並列接続されたＩＧＢＴ素子などのスイッチング素子のゲートに接続される抵抗値に、互いに異なるゲート抵抗値を用いることで、複数のスイッチング素子を順次にオン／オフさせることができる。その結果、スイッチング時の全体の電流変化率（ｄｉ／ｄｔ）が小さくなり、サージ電圧の発生を抑制することができる。

たとえば、すべてのゲート抵抗値を大きくした場合にもサージ電圧を抑制することはできるが、その場合スイッチング損失による素子発熱が大きくなってしまう。本実施の形態では、冷却効率が相対的に高い素子のゲート抵抗値のみを大きくするだけで、素子発熱をあまり大きくせずにサージ電圧を抑制することができ、複数のスイッチング素子の温度も均一化することができる。

［変形例］
複数のＩＧＢＴ素子などのスイッチング素子を並列接続して用いる際、その複数のスイッチング素子に製造時に発生するばらつきに起因する損失特性の差が生ずる場合がある。

通常は、素子の損失特性を管理した上で、ばらつきが大きい素子については除外して、なるべく均一な損失特性を有するスイッチング素子を使用する必要がある。

しかしながら、そのように選別を厳しくするとスイッチング素子の価格が上昇してしまう。そこで、スイッチング素子の損失にばらつきがある場合において、その損失について予め測定しておき、比較的損失が大きい素子については小さな抵抗をゲートに接続してその抵抗でゲート電圧を駆動する。一方、比較的損失が小さな素子についてはゲート抵抗値を大きくする。ゲート抵抗は、スイッチング素子の損失特性に合わせたものを選んで実装しても良いが、たとえばプリント配線基板に実装後にトリミングなどによって抵抗値を変えられるものを使用しても良い。

このようにすることによってもサージ電圧を抑制できると同時に各素子の発熱量を均一化することができる。スイッチング素子製造時の損失ばらつき許容幅を大きくとることができるので、ばらつき品を使用することやウェハロットの制約を解除することが可能となる。

なお、本実施の形態では、スイッチング素子の一例としてＩＧＢＴ素子を用いた場合について説明したが、スイッチング素子は、ＩＧＢＴ素子に代えてＭＯＳ−ＦＥＴ、バイポーラトランジスタ、ＧＴＯ、逆素子サイリスタ等を用いても良い。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

本発明のパワー制御回路が用いられる車両のモータ駆動システム部分について説明するための回路図である。 図１における電流制御回路１１の構成を示した回路図である。 図２における抵抗素子ＲＡ〜ＲＣの抵抗値を説明するための図である。 ＩＧＢＴ素子の搭載位置の例を説明するための図である。 本発明の電流制限回路の出力波形を説明するための動作波形図である。 ＩＧＢＴ素子の配置の第２の例について説明するための図である。

符号の説明

２ インバータ装置、４ バッテリ、６ コンデンサ、８ モータ、１１〜１６ 電流制御回路、２１〜２６ ダイオード、４０ 放熱プレート、５２ 通路、５４ ヒートシンク、５６ 絶縁基板、ＧＡ〜ＧＣ，ＧＡ１〜ＧＣ１，ＧＡ２〜ＧＣ２，ＧＡ３〜ＧＣ３ ＩＧＢＴ素子、ＲＡ〜ＲＣ，ＲＡ１〜ＲＣ１，ＲＣ２〜ＲＡ２ 抵抗素子、ＵＡ Ｕ相アーム、ＶＡ Ｖ相アーム、ＷＡ Ｗ相アーム。

Claims (6)

1. 第１、第２のノードの間に並列接続され、各々が制御電極に与えられる信号に応じて前記第１、第２のノード間に流れる電流を制御する複数の電流制御素子と、
   制御信号が与えられる共通入力ノードと前記複数の電流制御素子の制御電極との間にそれぞれ接続され互いに異なる抵抗値を有する複数の抵抗素子とを備える、パワー制御回路。
2. 前記複数の抵抗素子の各々は、接続されている電流制御素子の冷却特性に対応して定められた抵抗値を有する、請求項１に記載のパワー制御回路。
3. 前記複数の電流制御素子のうちの第１の電流制御素子は、前記複数の電流制御素子のうちの第２の電流制御素子に比較して冷却特性が良く、
   前記第１の電流制御素子に接続される前記複数の抵抗素子のうちの第１の抵抗素子は、前記第２の電流制御素子に接続される前記複数の抵抗素子のうちの第２の抵抗素子に比較して抵抗値が大きい、請求項２に記載のパワー制御回路。
4. 前記複数の電流制御素子および前記複数の抵抗素子が搭載される基板をさらに備え、
   前記第２の電流制御素子は前記第１の電流制御素子よりも前記基板の中心部に近くに配置される、請求項３に記載のパワー制御回路。
5. 冷却のための冷却流体を流す通路と、
   前記通路上に配置され、前記複数の電流制御素子および前記複数の抵抗素子が搭載される基板とをさらに備え、
   前記第２の電流制御素子は前記第１の電流制御素子よりも前記冷却流体の流れの下流側に配置される、請求項３に記載のパワー制御回路。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載のパワー制御回路で構成されたインバータと、
   前記インバータによって駆動されるモータとを備える、車両。

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