JP2009291051A - インバータ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電動機が低速回転しスイッチング素子温度が振動した場合でも、トルクまたはスイッチング周波数を安定に制御するインバータ装置を提供する。
【解決手段】フィルタ処理部１３は、温度センサ１１及び温度検出回路１２にて検出されたスイッチング素子温度値にフィルタ処理を施し、フィルタ通過後のスイッチング素子温度を提供する（ブロック２２〜２４）。トルク制限部１４は、入力されるトルク指令値を前記フィルタ通過後のスイッチング素子温度値に基づいて制限する。ゲート生成部１５は前記トルク制限部１４にて制限されたトルク指令値に基づいて前記インバータを制御する。
【選択図】 図２

Description

本発明は電動機を駆動するインバータ装置に関し、特にインバータを構成するスイッチング素子の温度に応じてトルクを制限する技術に関する。

電動機は、エンジンと組み合わせたハイブリッド自動車または電気自動車等の動力源として用いられる。電動機を駆動する際、所定のトルク、周波数を得るのにインバータが用いられる。インバータは自動車内に組み込まれ、搭乗スペースの確保のために小型化及び高パワー化が望まれている。

自動車の走行環境によってインバータの運転温度が大きく変動し、特にエンジンルームにインバータを搭載したハイブリッド自動車においては、エンジンの発熱の影響でインバータは高温になる。インバータ内のスイッチング素子は、このような周囲温度に加えて、スイッチング素子自身に電流が流れることによる定常損失、オン・オフによるスイッチング損失の影響で温度が上昇し、ある温度を超えると破壊に至る恐れがある。

スイッチング素子の破壊を回避するために、スイッチング素子の温度を検出し、得た情報を基にインバータを冷却するか、またはスイッチング素子やインバータの温度を検出してトルクやスイッチング周波数を制限する方法が提案されている。特許文献１ではスイッチング素子の温度に応じてトルクを制限しており、特許文献２ではスイッチング周波数を制限する事例が示されている。
特開平１０−２１０７９０号公報 特開平０２−０６５６７２号公報

電動機が低速で回転をしているときには、スイッチング素子の熱時定数に比べてスイッチング素子に電流が流れる周期が長くなる場合があり、スイッチング素子の温度が上下に振動する。このように、振動しているスイッチング素子温度の情報を基に制御を行うと、電動機が低速で高トルクを発生しているとき、制御対象であるトルクやスイッチング周波数も振動してしまい、制御上不安定になる。特に、自動車においてトルクをこのように制限する場合、車の操作性あるいは乗り心地が悪化する。

本発明は上述した課題を解決するためになされたものであり、電動機が低速回転しスイッチング素子温度が振動した場合でも、トルクまたはスイッチング周波数を安定に制御することを目的としたものである。

本発明の一実施例に係るインバータ装置は、直流電源に接続された複数のスイッチング素子から構成され、直流電圧を交流電圧に変換し、電動機を駆動するインバータと、前記スイッチング素子の温度を検出する温度検出手段と、前記温度検出手段から得られるスイッチング素子温度にフィルタ処理を施し、フィルタ通過後のスイッチング素子温度を提供するフィルタ処理手段と、入力されるトルク指令値を前記フィルタ通過後のスイッチング素子温度に基づいて制限するトルク制限手段と、前記トルク制限手段にて制限されたトルク指令値に基づいて前記インバータを制御するインバータ制御手段と、を具備し、前記フィルタ処理手段は、前記温度検出手段により得られた最新のスイッチング素子温度が所定時間前より低下した場合、低下した温度及び時定数に基づいて演算を行い、最新のスイッチング素子温度を前記フィルタ通過後のスイッチング素子温度に補正する手段と、前記温度検出手段により得られた最新のスイッチング素子温度が、前記所定時間前のフィルタ通過後のスイッチング素子温度より上昇した場合、最新のスイッチング素子温度をフィルタ通過後のスイッチング素子温度として提供する手段とを具備する。

電動機が低速回転しスイッチング素子温度が振動した場合でも、トルクまたはスイッチング周波数が安定に制御される。

以下、本発明に係るインバータ装置の実施の形態を図面を参照して説明する。（構成）
図１は本発明によるインバータ装置を電気車（ハイブリッド自動車、電気自動車、電車等）に適用したときの実施例の構成を示す。本発明によるインバータ装置は、電気車のみならず、電気推進船等にも適用できる。

このインバータ装置２は、アクセル装置１からインバータ装置２にトルク指令値Ｔｑａ^＊を入力し、トルク指令値Ｔｑａ^＊に応じて直流電源４の出力電圧を所望周波数の交流電圧に変換し、電動機５を駆動して車輪６の回転を制御する。

インバータ装置２は、直流電圧を平滑化するコンデンサ７が入力段に接続され、スイッチング素子によりＵ相、Ｖ相、Ｗ相のブリッジ回路が構成されている。Ｕ相のブリッジ回路は、スイッチング素子Ｓｕｐとスイッチング素子Ｓｕｎの接続点が電線によって電動機に接続されている。この電線には電流を測定する電流センサ８を設置し、電流センサ８によって得られた電流値９を制御演算装置１０に入力する。電流センサ８はＵ相、Ｖ相、Ｗ相のうち、２相あるは３相の電線に設けられる。スイッチング素子Ｓｕｐとスイッチング素子Ｓｕｎには還流ダイオードＤｕｐとＤｕｎがそれぞれ逆並列に接続されている。

スイッチング素子ＳｖｐとＳｖｎ、還流ダイオードＤｖｐとＤｖｎで構成されるＶ相のブリッジ回路、スイッチング素子ＳｗｐとＳｗｎ、還流ダイオードＤｗｐとＤｗｎで構成されるＷ相のブリッジ回路も同様に構成されている。これら複数のスイッチング素子及び複数の還流ダイオードによりインバータ３が構成されている。

スイッチング素子Ｓｕｐ、Ｓｕｎ、Ｓｖｐ、Ｓｖｎ、Ｓｗｐ、Ｓｗｎのいずれか１つまたは複数素子の近傍に温度センサ１１が設けられる。本実施例では温度センサ１１をダイオードとする。この温度センサとしてのダイオード１１は、スイッチング素子及び還流ダイオードと共に同一半導体チップ上に近接して形成されている。従って、ダイオード１１はスイッチング素子の温度を正確に検出することができる。ダイオードは定電流の条件では、温度が上昇すると順方向電圧が小さくなる特性を有している。ダイオード１１に一定の電流を供給し、順方向電圧を測定することによって、スイッチング素子の温度が得られる。温度センサ１１はダイオード以外の素子でもよいが、応答性が高く高精度のものが望ましい。温度センサ１１が出力した電圧は、温度検出回路１２を通して制御演算装置１０に入力される。

制御演算装置１０は、温度フィルタ処理部１３、トルク制限部１４とゲート生成部１５で構成される。温度フィルタ処理部１３は温度検出回路１２から得られるスイッチング素子温度１６にフィルタ処理を施す。トルク制限部１４にアクセル装置１から伝達されるトルク指令値Ｔｑａ^＊３が入力される。トルク指令値Ｔｑａ^＊はフィルタ通過後のスイッチング素子温度１７に応じてトルク制限がかけられ、トルク指令値Ｔｑｂ^＊をゲート生成部１５に出力する。ゲート生成部１５は、入力されたトルク指令値Ｔｑｂ^＊に対応する電流指令値を演算し、インバータ３が所望の電流を出力するためのゲート信号１９をゲート回路２０に出力する。このようにしてゲート生成部１５は、インバータ３を制御する。ゲート回路２０はスイッチング素子Ｓｕｐ、Ｓｕｎ、Ｓｖｐ、Ｓｖｎ、Ｓｗｐ、Ｓｗｎが有するゲートの全てに接続され、制御演算装置１０から入力されたゲート信号１９に応じてオン・オフの切り替えを行う。以上がインバータ装置全体の構成である。

（作用）
以下に温度フィルタ処理部１３について詳細を述べる。

制御演算装置１０はｔ秒ごとに演算処理を行っているものとする。フィルタ処理部１３には一定時間ｔ秒ごとにスイッチング素子温度１６が入力される。温度センサ１１が複数のスイッチング素子に設置されている場合は、最も温度の高いスイッチング素子の温度を制御演算装置１０に入力する。または、全てのスイッチング素子温度を制御演算装置１０に入力し、制御演算装置１０で最も高いスイッチング素子温度を選択してもよい。

［実施例１］
本実施例の処理の流れについて図２を用いて説明する。図２は本発明の実施例１に係るフィルタ処理部の制御フローを示す図である。

先ず、データブロック２１で最新のスイッチング素子温度１６を制御演算装置１０で読み込む。続いて判断ブロック２２で最新のスイッチング素子温度１６とそのｔ秒前のフィルタ通過後スイッチング素子温度を比較する。最新のスイッチング素子温度１６がｔ秒前のフィルタ通過後スイッチング素子温度より高ければ、処理ブロック２３でフィルタ通過後のスイッチング素子温度１７を最新のスイッチング素子温度１６に更新する。尚、インバータ装置の運転開始時、判断ブロック２２を最初に実行するとき、ｔ秒前のフィルタ通過後スイッチング素子温度は０とする。

最新のスイッチング素子温度１６がｔ秒前のフィルタ通過後スイッチング素子温度より低いときは、処理ブロック２４で最新のスイッチング素子温度１６とｔ秒前のスイッチング素子温度の差を時定数Ｔで割る。その値をｔ秒前のフィルタ通過後スイッチング素子温度から減算し、最新のフィルタ通過後スイッチング素子温度１７とする。すなわち、ブロック２４では次式のようにフィルタ通過後スイッチング素子温度１７が演算される。

Ｃｆ１＝Ｃｂ−（ΔＣ／Ｔ）
ここで、
Ｃｆ１：フィルタ通過後スイッチング素子温度
Ｔ ：時定数
Ｃｂ ：ｔ秒前のフィルタ通過後スイッチング素子温度
ΔＣ ：最新のスイッチング素子温度とｔ秒前のフィルタ通過後スイッチング素子温度の差分
この処理により、フィルタ通過後のスイッチング素子温度１７はスイッチング素子温度１６が、ｔ秒前フィルタ通過後スイッチング素子温度より低下したときのみ、フィルタ処理された値になる。トルク制限部１４は、トルク指令値Ｔｑａ＊をフィルタ通過後のスイッチング素子温度１７に基づいて制限すなわち補正し、トルク指令値Ｔｑｂ＊を出力する。この結果、トルク指令値Ｔｑｂ＊の変動は、最新のスイッチング素子温度１６にのみ基づいて補正した場合より小さくなり、電動機の低速回転高トルク発生時でもトルクを振動させることなく、安定した制御が可能となる。図３のように、フィルタ通過後のスイッチング素子温度１７は真のスイッチング温度１６より低い値になることはないので、スイッチング素子の破壊を招くことはなく、信頼性の高い制御となる。

［実施例２］
実施例１のフィルタ処理を施しただけでは、図４のようにスイッチング素子温度１６が大きく低下した場合、フィルタ通過後のスイッチング素子温度１７が追従できず、実際のスイッチング素子温度１６と大きくかけ離れる。このとき、実際の温度より高いスイッチング素子温度をトルク制限部１４に伝えてしまい、余分なトルク制限をかけることになる。

そこで本実施例では、スイッチング素子温度１６は電流実効値とほぼ比例関係にあることを利用する。図５、６を用いて本実施例の処理の流れを説明する。

図５は実施例２に係るフィルタ処理部の制御フローを示す図、図６は実施例２に係るスイッチング素子温度と電流実効値の時系列変化を示す図である。先ず、図５のデータブロック２５において、電流実効値４８（図６）が電流センサ８から得られる瞬時電流値から制御演算装置１０による演算で得られる。尚、この電流実効値は、トルク指令値Ｔｑｂ＊に基づいてゲート生成部１５で演算される指令電流の実効値でも良い。続いて、最新の電流実効値４８が図６のように低下したと判断ブロック２６で判断した場合、最新のスイッチング素子温度をデータブロック２７で読み込む。尚、図６では時刻ｔ２において、電流実効値４８がｔ秒前の時刻ｔ１に比べ、低下したと判断されている。

続いて判断ブロック２８でスイッチング素子温度１６がｔ秒前フィルタ通過後スイッチング素子温度に比べて低下したと判断すると、処理ブロック２９によりフィルタ通過後のスイッチング素子温度１７を最新のスイッチング素子温度１６に更新する。ｔ秒後はデータブロック２７に戻り、スイッチング素子温度が上昇しない限りフィルタ処理は行われない。ブロック２８でスイッチング素子温度が上昇したとき、ブロック２３を介して開始点に戻り、再び電流実効値４８の比較から処理を行う。判断ブロック２６で電流実効値４８の低下が確認されなかったときは、実施例１と同様の処理を行い、開始点に戻る。

本実施例の制御を適用すれば、図６に示すように電流実効値４８の低下と共に、フィルタ通過後のスイッチング素子温度１７をスイッチング素子温度１６に追従させることができる。

［実施例３］
本実施例では、実施例２で述べた判断ブロック２６（図５）における分岐を、フィルタ通過後のスイッチング素子温度１７とスイッチング素子温度１６の差分を利用して行う。本実施例の制御フローを図７、スイッチング素子温度を図８に示す。

スイッチング素子温度１６が図８のように大きく低下したとき、フィルタ通過後のスイッチング素子温度１７からスイッチング素子温度１６を減算して得られる差分が大きくなる。図８では、時刻ｔ４において最新スイッチング素子温度１６が、ｔ秒前の時刻ｔ３におけるフィルタ通過後のスイッチング素子温度１７に比べ、予め決めておいた所定閾値４９以上低下している。処理ブロック３１にてこの差分を計算し、判断ブロック３２において所定閾値４９と比較する。この閾値４９は電動機の低速回転時の温度振動幅５０よりも大きな値に設定する必要がある。差分が閾値より大きいとき、ブロック３３〜３５を実行し、実施例２と同様にフィルタが解除される。判断ブロック３４にて、最新スイッチング素子温度がｔ秒前フィルタ通過後スイッチング素子温度より上昇した場合、フローはブロック２３を介し開始点に戻る。ブロック３２において、差分が閾値を超えないときは判断ブロック２２に移動し、実施例１と同様な処理を行う。

本実施例の適用により、実施例２と同様の効果が得られる。

［実施例４］
本実施例においては、時定数Ｔを可変にしてフィルタ処理を行う。本実施例の制御フローを図９に示す。

先ず、データブロック３６で最新のスイッチング素子温度を読み込んだ後、処理ブロック３７でｔ秒前のフィルタ通過後スイッチング素子温度から最新スイッチング素子温度１６を減算し差分を得る。処理ブロック３８においてこの差分の逆数をとり、比例定数Ｋを乗算し、時定数Ｔとする。比例定数Ｋは、スイッチング素子温度の振動時にトルクの振動を及ぼさない程度の、十分大きな値に設定する必要がある。その後に行われるフィルタ処理３９は、実施例１の処理ブロック２４と同様である。

電動機の低速回転時、スイッチング素子温度１６は振動しているので、フィルタ通過後のスイッチング素子温度１７とスイッチング素子温度１６の差分は増減を繰り返す。よってその逆数であるフィルタ時定数Ｔも増減するが、フィルタは常にかかっている状態にあるので、フィルタ通過後のスイッチング素子温度１７の変動はごく小さい一定の温度幅内に収まり、制御の安定性に影響を及ぼすことはない。

スイッチング素子温度１６が低下し続けたとき、スイッチング素子温度１６とフィルタ通過後のスイッチング素子温度１７との差分は増大し、その逆数であるフィルタ時定数Ｔは小さくなる。すると、フィルタ通過後のスイッチング素子温度１７はスイッチング素子温度１６へ追従しやすくなり、やがて一致する。

図１０は、図２の実施例１と図９の実施例４を統合した場合の処理フローを示す図である。この例では、実施例１のブロック２２とブロック２４の間に、実施例４のブロック３７及び３８が挿入されている。処理ブロック２４では、次式に示す演算を行い、フィルタ通過後のスイッチング素子温度１７を得る。

Ｃｆ２＝Ｃｂ−（ΔＣ／Ｔ）
＝Ｃｂ−（ΔＣ^２／Ｋ）
ここで、
Ｃｆ２：フィルタ通過後スイッチング素子温度
Ｔ ：時定数（＝Ｋ／ΔＣ）
Ｃｂ ：ｔ秒前のフィルタ通過後スイッチング素子温度
ΔＣ ：最新のスイッチング素子温度とｔ秒前のフィルタ通過後スイッチグ素子温度の差分
このように、フィルタ時定数Ｔを状況に応じて変えれば、電動機の低速回転時に安定した制御が行え、スイッチング素子温度１６の低下時にもフィルタ通過後のスイッチング素子温度１７が最新のスイッチング素子温度１６に、実施例１の場合より迅速に追従できる。

［実施例５］
本実施例においても、実施例４と同様に時定数Ｔを可変にしてフィルタ処理を行う。本実施例について処理フロー図１１を用いてその作用を述べる。

先ず、データブロック４０で最新スイッチング素子温度１６を読み込み、判断ブロック４１でｔ秒前フィルタ通過後のスイッチング素子温度と比較する。最新スイッチング素子温度１６がｔ秒前フィルタ通過後のスイッチング素子温度を上回ったとき、処理ブロック４２でフィルタ通過後のスイッチング素子温度１７を最新のスイッチング素子温度１６に更新し、処理ブロック４３で最新積分値をゼロにリセットする。

これに対し、最新スイッチング素子温度１６がｔ秒前フィルタ通過後のスイッチング素子温度より小さいときは、処理ブロック４４でｔ秒前フィルタ通過後のスイッチング素子温度から最新スイッチング素子温度１６を減算する。この差分を処理ブロック４５でｔ秒前の積分値に加算し、最新積分値とする。処理ブロック４６で処理ブロック４３または４５で得た最新積分値の逆数をとり、これに比例定数Ｋを乗算した値を時定数Ｔとする。この後は実施例１の処理ブロック２４と同様のフィルタ処理をブロック４７で施し、ｔ秒後に開始点に戻る。処理ブロック４７では、次式に示す演算を行い、フィルタ通過後のスイッチング素子温度１７を得る。

Ｃｆ３＝Ｃｂ−（ΔＣ／Ｔ）
＝Ｃｂ−ΔＣ・Ｓｂ／Ｋ
ここで、
Ｃｆ３：フィルタ通過後スイッチング素子温度
Ｓｂ ：最新積分値
Ｔ ：時定数（＝Ｋ／Ｓｂ）
Ｃｂ ：ｔ秒前のフィルタ通過後スイッチング素子温度
ΔＣ ：最新のスイッチング素子温度とｔ秒前のフィルタ通過後スイッチング素子温度の差分
電動機の低速回転時、フィルタ通過後のスイッチング素子温度１７は最新のスイッチング素子温度１６以上の値なので、積分値は増大する。積分値が増大すると時定数Ｔは短くなるので、フィルタ通過後のスイッチング素子温度１７はスイッチング素子温度１６に近づき、やがて一致する。このときに積分値はゼロにリセットされる。以上の動作を繰り返し、フィルタ通過後のスイッチング素子温度１７の変動は、制御の安定性に影響しないごく小さい一定の温度幅内に収まる。

スイッチング素子温度１６が大幅に低下したときは、最新のスイッチング素子温度１６とフィルタ通過後のスイッチング素子温度１７との差分が大きくなり、それに伴い積分値も増大する。フィルタ通過後のスイッチング素子温度１７がスイッチング素子温度１６に一致するか下回るまで積分値の増大は止まらないので、時定数Ｔは小さくなり続ける。その結果、フィルタ通過後のスイッチング素子温度１７は確実にスイッチング素子温度１６に一致する。

本実施例は、実施例４を適用した場合より、フィルタ通過後のスイッチング素子温度１７が、早く確実にスイッチング素子温度１６に追従できることを特徴とする。

以上の説明はこの発明の実施の形態であって、この発明の装置及び方法を限定するものではなく、様々な変形例を容易に実施することができるものである。

本発明の実施形態に係るインバータ回路と制御ブロックを示す図。 本発明の実施例１に係るフィルタ処理部の制御フローを示す図。 本発明の実施例１に係るスイッチング素子温度の時系列変化を示す図。 本発明の実施例２に係るスイッチング素子温度の時系列変化を示す図。 本発明の実施例２に係るフィルタ処理部の制御フローを示す図。 本発明の実施例２に係るスイッチング素子温度と電流実効値の時系列変化を示す図。 本発明の実施例３に係るフィルタ処理部の制御フローを示す図。 本発明の実施例３に係るスイッチング素子温度の時系列変化を示す図。 本発明の実施例４に係るフィルタ処理部の制御フローを示す図。 本発明の実施例４の変形例に係るフィルタ処理部の制御フローを示す図。 本発明の実施例５に係るフィルタ処理部の制御フローを示す図。

符号の説明

１…アクセル装置、２…インバータ装置、３…インバータ、４…直流電源、５…電動機、６…車輪、７…コンデンサ、８…電流センサ、１０…制御演算装置、１１…温度センサ、１２…温度検出回路、１３…温度フィルタ処理部、１４…トルク制限部、１５…ゲート生成部、１９…ゲート回路。

Claims (5)

1. 直流電源に接続された複数のスイッチング素子から構成され、直流電圧を交流電圧に変換し、電動機を駆動するインバータと、
   前記スイッチング素子の温度を検出する温度検出手段と、
   前記温度検出手段から得られるスイッチング素子温度にフィルタ処理を施し、フィルタ通過後のスイッチング素子温度を提供するフィルタ処理手段と、
   入力されるトルク指令値を前記フィルタ通過後のスイッチング素子温度に基づいて制限するトルク制限手段と、
   前記トルク制限手段にて制限されたトルク指令値に基づいて前記インバータを制御するインバータ制御手段と、を具備し、
   前記フィルタ処理手段は、
   前記温度検出手段により得られた最新のスイッチング素子温度が所定時間前より低下した場合、低下した温度及び時定数に基づいて演算を行い、最新のスイッチング素子温度を前記フィルタ通過後のスイッチング素子温度に補正する手段と、
   前記温度検出手段により得られた最新のスイッチング素子温度が、前記所定時間前のフィルタ通過後のスイッチング素子温度より上昇した場合、最新のスイッチング素子温度をフィルタ通過後のスイッチング素子温度として提供する手段と、
   を具備することを特徴とするインバータ装置。
2. 前記フィルタ処理手段は、前記インバータの電流実効値または指令電流実効値が低下したとき、最新のスイッチング素子温度をフィルタ通過後のスイッチング素子温度として提供する手段を具備することを特徴とする請求項１記載のインバータ装置。
3. 前記フィルタ処理手段は、最新のスイッチング素子温度と所定時間前のフィルタ通過後のスイッチング素子温度との差分が所定値を超え場合、前記最新のスイッチング素子温度をフィルタ通過後のスイッチング素子温度として提供する手段を具備することを特徴とする請求項１記載のインバータ装置。
4. 所定時間前のフィルタ通過後のスイッチング素子温度と最新のスイッチング素子温度との差分を演算し、該差分の逆数に比例した値を前記時定数とすることを特徴とする請求項１記載のインバータ装置。
5. 所定時間前のフィルタ通過後のスイッチング素子温度と最新のスイッチング素子温度との差分を演算し、該差分を積分した積分値の逆数に比例した値を前記時定数とし、最新のスイッチング素子温度が所定時間前のフィルタ通過後のスイッチング素子温度以上となったとき、前記積分値をゼロにリセットすることを特徴とする請求項１記載のインバータ装置。

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