JP2010081710A - 電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電力変換装置におけるインバータ回路から出力される出力電流と電流センサの検出値とは厳密には一致せず、検出値には、電流センサの温度に依存する検出誤差が含まれる。検出誤差に対しては、電流センサに温度センサを設けて、温度センサの検出温度に応じた補正を行うことで、検出精度を高めることができる。しかし、温度センサを新たに設けると、装置の体格が大きくなり、コストも高くなる。
【解決手段】電力変換装置１は、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６をスイッチングすることにより電力変換を行うインバータ回路２１と、インバータ回路から出力される電流値を検出する電流センサ２３と、スイッチング素子の温度を検出してスイッチング素子の過熱保護に用いる素子温度センサ２５と、を備える。そして、電力変換装置１は、素子温度センサ２５が検出したスイッチング素子Ｑ２の温度に基づいて電流センサ２３が検出した検出値を補正する。
【選択図】図１

Description

本発明は、簡易な構成で電流センサの温度変化による電流センサの検出誤差を補正できる電力変換装置に関するものである。

直流を交流に変換する電力変換装置では、内部に有するインバータ回路が出力電流の目標値である電流指令値を設定し、実際にインバータ回路から出力される出力電流値と電流指令値とが一致するようにフィードバック制御を行う。そして、インバータ回路からの出力電流値を検出するために、電流センサが設けられている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００３−３２４９８５号公報

しかし、インバータ回路から出力される出力電流と電流センサが検出した検出値とは厳密には一致せず、検出値には、電流センサの温度に依存する検出誤差が含まれる。このような検出誤差に対しては、電流センサに温度センサを設けて、温度センサが検出した温度に応じた補正を行うことで、電流センサの検出精度を高めることができる。しかし、温度センサを新たに設けると、電力変換装置の体格が大きくなり、コストも高くなってしまう。

本発明は、上記課題に鑑みたものであり、その目的は簡易な構成のまま温度依存による検出誤差を補正できる電力変換装置を提供
することにある。

請求項１に係る発明では、スイッチング素子をスイッチングすることにより電力変換を行うインバータ回路と、インバータ回路から出力される電流値を検出する電流センサと、スイッチング素子の温度を検出してスイッチング素子の過熱保護に用いる素子温度センサと、を備え、素子温度センサが検出したスイッチング素子の温度に基づいて電流センサが検出した検出値を補正することを特徴とする。

上記構成によれば、スイッチング素子の過熱保護用に設けられた素子温度センサが検出したスイッチング素子の温度を用いて、素子温度センサが検出したスイッチング素子の温度から電流センサの温度を推定して検出電流値を補正する。

そのため、新たに電流センサに温度センサを設けなくても、電流センサの温度変化による検出誤差を補正することができる。この結果、簡易な構成のまま、電流センサが検出する検出値の検出精度を向上することができる。

請求項２に係る発明では、電力変換装置は、インバータ回路を制御するために用いられる制御情報に基づいて、スイッチング素子の温度と電流センサの温度とが乖離している乖離状態にあるか否かを判定する乖離判定手段を有し、乖離判定手段が乖離状態と判断した場合には、補正を行わないことを特徴とする。

上記構成によれば、乖離判定手段は、インバータ回路を制御するための制御信号を用いるため、簡易な構成で、スイッチング素子の温度と電流センサの温度との乖離を判定できる。そして、両者の温度が乖離状態にあると判断した場合には、補正手段は補正を行わないため、検出電流値の精度をより向上させることができる。

具体的には、請求項３に係る発明のように、乖離判定手段は、スイッチング素子の温度を示す信号を制御情報として用いてスイッチング素子の温度の変化率が所定値より大のとき乖離状態にあると判断する。

スイッチング素子の温度と電流センサの温度との間には、スイッチング素子の温度変化に遅れて、電流センサの温度が変化するというタイムラグがある。従って、スイッチング素子の温度の変化率が大きい場合は、電流センサの温度はスイッチング素子の温度変化に遅れて変化しているため、電流センサの温度とスイッチング素子の温度が乖離の度合いが大きくなる。そこで、乖離と判断して補正を行わないとすることで、検出電流値の精度を向上させる。

また、請求項４に係る発明のように、乖離判定手段は、スイッチング素子を冷却する冷媒の温度を示す信号を制御情報として用いて冷媒温度が所定値より小のとき乖離状態にあると判断する。

すなわち、冷媒温度が暖まっていない状況は、スイッチング素子が駆動し始めて間もない頃であり、スイッチング素子の温度の変化率が大きいと判断されるため、乖離状態と判断し、補正を停止する。スイッチング素子の温度の変化率を求める場合は、時間的な推移を記憶する必要があるため、補正停止の迅速な判断が行えないが、冷媒の温度を用いて補正を停止する場合は、ある時点の冷媒の温度のみを検出すれば十分なため、補正停止の判断を迅速に行うことができる。

また、請求項５に係る発明では、乖離状態は、スイッチング素子が駆動することによりスイッチング素子の温度が所定温度に到達するまでの温度上昇期間であることを特徴とする。

上記構成では、乖離状態をスイッチング素子が駆動することによりスイッチング素子の温度が所定温度に到達するまでの温度上昇期間とする。この期間の間は、タイムラグの影響が大きいため、検出電流値の精度向上ができる。

（全体構成）
図１に電力変換装置１の構成を示すブロック図を示す。電力変換装置１は、電力変換装置１に電力を供給するバッテリ１１と、電力変換装置１からの出力電力によって駆動するモータ１２との間に設けられる。電力変換装置１は、バッテリ１１の直流電力から三相交流を生成し、モータ１２を駆動する。

（電力変換装置）
電力変換装置１は、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６をスイッチングすることにより電力変換を行うインバータ回路２１と、インバータ回路２１から出力される電流値を検出する電流センサ２３と、スイッチング素子の温度を検出してスイッチング素子の過熱保護に用いるスイッチング素子Ｑ２の温度センサ２５と、を備える。インバータ回路２１は、ＥＣＵ２２によって制御される。

（インバータ回路）
インバータ回路２１は、バッテリ１１と並列に接続されるコンデンサＣと、バッテリ１１の正の端子と接続されるスイッチング素子Ｑ１、Ｑ３、Ｑ５と、バッテリ１１の負の端子と接続されるスイッチング素子Ｑ２、Ｑ４、Ｑ６とを備える。スイッチング素子Ｑ１とＱ２、Ｑ３とＱ４、Ｑ５とＱ６は、それぞれ一対の直列体として接続され、Ｕ相、Ｖ相及びＷ相を構成する。スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６には、フリーホイールダイオード（ＦＷＤ）Ｄ１〜Ｄ６が並列に接続される。

さらに、スイッチング素子Ｑ２には、スイッチング素子Ｑ２の温度を検出するスイッチング素子Ｑ２の温度センサ２５が内蔵されており、スイッチング素子Ｑ２の温度センサ２５がスイッチング素子の温度を検出する。スイッチング素子Ｑ２の温度センサ２５は、スイッチング素子Ｑ２の温度を示す信号をインバータ回路２１の制御を行うＥＣＵ２２に送信する。スイッチング素子Ｑ２の温度センサ２５はスイッチング素子Ｑ２のみに設けても良いし、他の任意の、あるいは、複数のスイッチング素子に設けても良い。次にＥＣＵ２２について説明する。

（ＥＣＵ）
ＥＣＵ２２は、モータ１２に対するトルク指令・回転数指令に従ったモータ駆動制御が行われるように、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６を駆動する駆動回路（図示せず）を制御する。

ＥＣＵ２２には、インバータ回路２１から出力される電流値を検出する電流センサ２３と、モータ１２の回転角を検出する回転角センサ２４と、スイッチング素子の温度を検出するスイッチング素子Ｑ２の温度センサ２５等のセンサが接続されている。

このように、ＥＣＵ２２には、電流センサ２３による検出値、回転角センサ２４が検出したモータ１２の回転角、スイッチング素子Ｑ２の温度センサ２５が検出したスイッチング素子の温度等の制御情報が入力されて、これらの制御情報はモータ駆動制御の演算に用いられる。

そして、ＥＣＵ２２には、モータ１２に対するトルク指令・回転数指令に応じた電流がモータ１２に供給されるように、制御情報からモータ１２に流すべき目標電流である電流指令値が算出される。そして、電流センサ２３が検出したインバータ回路２１の検出値が電流指令値に一致するようにするようにフィードバック制御を行う。ＥＣＵ２２は、フィードバック制御の制御結果に基づきスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６の駆動を制御する制御信号を生成し、駆動回路に送信する。駆動回路はスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６を駆動するための信号である駆動信号を生成し、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６をスイッチングする。

ＥＣＵ２２は、スイッチング素子の温度を示す信号を用いて、スイッチング素子の温度が過度に高くならないようにスイッチング素子を制御する。ＥＣＵ２２が、スイッチング素子が過剰な発熱をしていると判断した場合には、ゲート遮断を指示する制御信号を駆動回路に送るなどして、ＥＣＵ２２はスイッチング素子の駆動を制限し、スイッチング素子を保護する。

図２及び図３に示すように、電流センサ２３が検出した検出値とスイッチング素子Ｑ２の温度センサ２５が検出したスイッチング素子の温度は同一のＥＣＵ２２に入力される。この点に着目して、本発明では、スイッチング素子の温度を示す信号を電流センサ２３が検出した検出値の補正に用いる。補正の仕組みについては後ほど詳述する。

（冷却器）
スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６は、スイッチングによって高温となるため、冷却器（図示せず）によって冷却される。冷却器には、冷却器に流れる冷媒温度を検出する冷媒温度センサである水温センサが備えられており、冷却器を循環する冷却水の温度を検出し、冷媒温度をＥＣＵ２２へ出力する。

（電流補正）
スイッチング素子Ｑ２の温度センサが検出したスイッチング素子Ｑ２の温度に基づいて電流センサ２３が検出した検出値を補正する電流補正について説明する。電流補正は、スイッチング素子Ｑ２の温度から電流センサ２３の温度を推定して電流センサ２３が検出した検出値を補正する。

電流補正は、スイッチング素子Ｑ２の温度から電流センサ２３の温度を推定し、更に、推定した電流センサの温度から電流センサ２３に生じている検出誤差を算出することにより行う。電流センサの温度を推定して検出誤差を算出するために、図４に示すようなスイッチング素子Ｑ２の温度と電流センサ２３の温度との換算表と図５に示すような電流センサ２３の温度と電流センサ２３の検出誤差との換算表とを用いる。

なお、上記のＥＣＵ２２では、スイッチング素子Ｑ２の温度と電流センサ２３の温度との換算表や電流センサ２３の温度と電流センサ２３の検出誤差との換算表を保持しているが、それらの換算表の代わりに、図６に示すようにスイッチング素子Ｑ２の温度から直接電流センサ２３の検出誤差を求める換算表を保持させてもよい。

また、換算表ではなく、スイッチング素子Ｑ２の温度から電流センサ２３の検出誤差を求める演算式を保持してもよい。

（温度補正）
図７に示すスイッチング作動経過時間に対する電流センサの温度及びスイッチング素子の温度の関係図のように、電流センサ２３の温度は、スイッチング素子Ｑ２の温度変化に遅れて変化する。そのため、電流センサ２３の温度変化とスイッチング素子Ｑ２の温度変化との間にはタイムラグが生じる。タイムラグが生じる結果、スイッチング素子の温度変動が大きい状況では、推定した電流センサ２３の温度が不正確になる恐れがある。次に、スイッチング素子の温度変化が大きい状況への対応手段について説明する。

（乖離判定手段）
電力変換装置１は、インバータ回路２１を制御するために用いられる制御情報に基づいて、スイッチング素子の温度と電流センサ２３の温度とが乖離している乖離状態にあるか否かを判定する乖離判定手段を有する。そして、乖離判定手段が乖離状態と判断した場合には、電力変換装置１は補正を行わない。

ここで、乖離手段で用いられる制御情報には、スイッチング素子Ｑ２の温度センサ２５が検出したスイッチング素子の温度を示す信号、スイッチング素子を冷却する冷媒温度を示す信号、電流センサ２３が検出した検出値を示す信号、回転角センサ２４が検出したモータ１２の回転角度を示す信号等があげられる。

（スイッチング素子の温度に基づく乖離判断）
制御情報の一つであるスイッチング素子Ｑ２の温度を示す信号を用いて乖離を判断する場合について説明する。この場合、ＥＣＵ２２は、所定時間毎にスイッチング素子Ｑ２の温度を記憶し、温度変化量を算出し、スイッチング素子Ｑ２の温度の変化率が所定値より大か否かを判断する。そして、変化率が所定値より大のときには、乖離状態と判断し、電力変換装置１は補正を行わない。

（冷媒温度に基づく乖離判断）
制御情報の一つであるスイッチング素子を冷却する冷媒の温度を示す信号を用いて乖離を判断する場合について説明する。冷媒の温度が低い状況は、スイッチング素子が駆動し始めて間もない頃であり、スイッチング素子の温度の変化率が大きいと判断される。このため、スイッチング素子の温度と電流センサ２３の温度との乖離が大きくなりやすい。

そこで、冷媒の温度が所定値より小のとき、乖離状態にあるとみなし、所定値より大のとき、乖離状態にないと判断する。そして、乖離状態と判断された場合には、電力変換装置１は補正を行わず、乖離状態でないと判断された場合には、電力変換装置１は補正を行う。冷媒の温度を示す信号を用いて乖離状態にあると判断する場合には、スイッチング素子の変化量を用いる場合と比べて、時間的な変化をみないため、迅速な乖離判断を行うことができる。

電力変換装置の全体構成を示す図である。 ＥＣＵと電流センサ、温度センサとの関係を示す概略図である。 電流センサからの制御情報と素子温度センサからの制御情報の信号の流れを示す図である。 スイッチング素子の温度と電流センサの温度との対応関係を示す図である。 電流センサの温度と電流センサの検出誤差との対応関係を示す図である。 スイッチング素子の温度と電流センサの検出誤差との対応関係を示す図である。 スイッチング作動経過時間に対する電流センサの温度とスイッチング素子の温度との関係を示す図である。

符号の説明

１ 電力変換装置
２１ インバータ回路
２２ ＥＣＵ（制御回路）
２３ 電流センサ
２５ 素子温度センサ
Ｑ１〜Ｑ４ スイッチング素子

Claims (5)

1. スイッチング素子をスイッチングすることにより電力変換を行うインバータ回路と、前記インバータ回路から出力される電流値を検出する電流センサと、前記スイッチング素子の温度を検出して前記スイッチング素子の過熱保護に用いる素子温度センサと、を備え、
   前記素子温度センサが検出した前記スイッチング素子の温度に基づいて前記電流センサが検出した検出値を補正することを特徴とする電力変換装置。
2. 前記インバータ回路を制御するために用いられる制御情報に基づいて、前記スイッチング素子の温度と前記電流センサの温度とが乖離している乖離状態にあるか否かを判定する乖離判定手段を有し、
   前記乖離判定手段が乖離状態にあると判断した場合には、補正を行わないことを特徴とする請求項１記載の電力変換装置。
3. 前記乖離判定手段は、
   前記スイッチング素子の温度を示す信号を前記制御情報として用いて前記スイッチング素子の温度の変化率が所定値より大のとき乖離状態にあると判断することを特徴とする請求項２記載の電力変換装置。
4. 前記乖離判定手段は、
   前記スイッチング素子を冷却する冷媒の温度を示す信号を前記制御情報として用いて前記冷媒温度が所定値より小のとき乖離状態にあると判断することを特徴とする請求項２記載の電力変換装置。
5. 前記乖離状態は、前記スイッチング素子が駆動することにより前記スイッチング素子の温度が所定温度に到達するまでの温度上昇期間であることを特徴とする請求項２ないし４のいずれか１項記載の電力変換装置。

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