JP2010245910A - Electric power conversion apparatus and on-vehicle electric system using the same - Google Patents
Electric power conversion apparatus and on-vehicle electric system using the same Download PDFInfo
- Publication number
- JP2010245910A JP2010245910A JP2009093520A JP2009093520A JP2010245910A JP 2010245910 A JP2010245910 A JP 2010245910A JP 2009093520 A JP2009093520 A JP 2009093520A JP 2009093520 A JP2009093520 A JP 2009093520A JP 2010245910 A JP2010245910 A JP 2010245910A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- circuit
- power
- voltage
- short
- sense
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Images
Landscapes
- Electric Propulsion And Braking For Vehicles (AREA)
- Power Conversion In General (AREA)
- Inverter Devices (AREA)
- Electronic Switches (AREA)
Abstract
Description
本発明は直流電力を交流電力に変換し、あるいは交流電力を直流電力に変換する電力変換装置に関する。 The present invention relates to a power conversion device that converts DC power into AC power or converts AC power into DC power.
電力変換装置は、直流電源から供給された直流電力を回転電機などの交流電気負荷に供給するための交流電力に変換する機能、あるいは回転電機により発電された交流電力を直流電源に供給するための直流電力に変換する機能を備えている。前記変換機能を果すため、電力変換装置は複数のスイッチング素子を有するインバータ回路を有しており、前記スイッチング素子が導通動作や遮断動作を繰り返すことにより直流電力から交流電力へあるいは交流電力から直流電力への電力変換を行う。 The power converter is a function for converting DC power supplied from a DC power source into AC power for supplying an AC electric load such as a rotating electrical machine, or for supplying AC power generated by the rotating electrical machine to a DC power source. It has a function to convert to DC power. In order to perform the conversion function, the power conversion device includes an inverter circuit having a plurality of switching elements, and the switching elements repeat conduction operation and interruption operation, thereby switching from DC power to AC power or from AC power to DC power. Power conversion to.
前記スイッチング素子を駆動する回路では、電源短絡などの異常時に保護回路がないと前記スイッチング素子に過大な電流が流れ、素子の発熱やスイッチングサージ電圧で破壊してしまう。この短絡時過電流を抑える技術が、特許文献1(特開平8−316808号公報)に記載されている。前記特許文献1によれば、スイッチング素子が所定の閾値を超えるとゲート電圧値を所定電圧に保持して過電流を制限することが記載されている。 In the circuit for driving the switching element, if there is no protection circuit in the event of an abnormality such as a power supply short circuit, an excessive current flows through the switching element, and the element is destroyed due to heat generation or switching surge voltage. A technique for suppressing this short-circuit overcurrent is described in Patent Document 1 (Japanese Patent Laid-Open No. 8-316808). According to Patent Document 1, it is described that when a switching element exceeds a predetermined threshold value, a gate voltage value is held at a predetermined voltage and an overcurrent is limited.
特に、電流センス付きのスイッチング素子で構成される電力変換装置では、スイッチング時に電流センス回路にサージ電圧が入り、短絡保護回路の誤検知が起こりやすい。このため誤検知をできるだけ低減することが望ましい。 In particular, in a power conversion device configured with a switching element with current sense, a surge voltage enters the current sense circuit during switching, and erroneous detection of the short-circuit protection circuit is likely to occur. For this reason, it is desirable to reduce false detection as much as possible.
そこで、本発明の目的は短絡保護回路の誤検知を低減する電力変換装置を提供することである。 Then, the objective of this invention is providing the power converter device which reduces the misdetection of a short circuit protection circuit.
本発明に係る電力変換装置は、バッテリから供給される直流電流を交流電流に変換し、かつ少なくとも一つ電流センス用スイッチング素子で構成される複数のスイッチング素子を有するパワーモジュールと、前記複数のスイッチング素子のスイッチング動作を制御するための駆動回路と、前記電流センス用スイッチング素子の電流をセンス電圧に変換するセンス抵抗と、前記センス電圧と前記スイッチング素子の駆動信号電圧を入力して所定期間だけセンス電圧を出力する検知許可回路と、前記所定期間に前記スイッチング素子を短絡保護する短絡保護回路を有する。 A power conversion device according to the present invention includes a power module that converts a direct current supplied from a battery into an alternating current and has a plurality of switching elements each including at least one current sensing switching element, and the plurality of switching A drive circuit for controlling the switching operation of the element, a sense resistor that converts the current of the current sensing switching element into a sense voltage, and the sense voltage and the drive signal voltage of the switching element are input for sensing for a predetermined period. A detection permission circuit that outputs a voltage; and a short-circuit protection circuit that short-circuits the switching element during the predetermined period.
本発明によれば、スイッチング時に発生するサージ電圧が短絡保護回路に入らないため、短絡保護回路の誤検知を低減することができる。 According to the present invention, since the surge voltage generated at the time of switching does not enter the short circuit protection circuit, it is possible to reduce false detection of the short circuit protection circuit.
本発明の実施形態に係る電力変換装置について、図面を参照しながら以下詳細に説明する。本発明の実施形態に係る電力変換装置はハイブリッド用の自動車や純粋な電気自動車に適用可能であるが、代表例として、本発明の実施形態に係る電力変換装置をハイブリッド自動車に適用した場合の制御構成と電力変換装置の回路構成について、図1と図2を用いて説明する。図1はハイブリッド自動車の制御ブロックを示す図である。図2は上下アームの直列回路及び制御部を含むインバータ装置,インバータ装置の直流側に接続されたコンデンサモジュールを備えた電力変換装置と、バッテリと、モータジェネレータと、を備えた車両駆動用電機システムの回路構成を示す図である。 A power converter according to an embodiment of the present invention will be described below in detail with reference to the drawings. The power conversion device according to the embodiment of the present invention can be applied to a hybrid vehicle or a pure electric vehicle. As a representative example, control when the power conversion device according to the embodiment of the present invention is applied to a hybrid vehicle. A structure and the circuit structure of a power converter device are demonstrated using FIG. 1 and FIG. FIG. 1 is a diagram showing a control block of a hybrid vehicle. FIG. 2 shows an inverter device including a series circuit of upper and lower arms and a control unit, a power conversion device including a capacitor module connected to the DC side of the inverter device, a battery, and a motor drive electric machine system including a motor generator. FIG.
本発明の実施形態に係る電力変換装置では、自動車に搭載される車載電機システムの車載用電力変換装置、特に、車両駆動用電機システムに用いられ、搭載環境や動作的環境などが大変厳しい車両駆動用インバータ装置を例に挙げて説明する。車両駆動用インバータ装置は、車両駆動用電動機の駆動を制御する制御装置として車両駆動用電機システムに備えられ、車載電源を構成する車載バッテリ或いは車載発電装置から供給された直流電力を所定の交流電力に変換し、得られた交流電力を車両駆動用電動機に供給して車両駆動用電動機の駆動を制御する。また、車両駆動用電動機は発電機としての機能も有しているので、車両駆動用インバータ装置は運転モードに応じ、車両駆動用電動機の発生する交流電力を直流電力に変換する機能も有している。変換された直流電力は車載バッテリに供給される。 The power conversion device according to the embodiment of the present invention is used in a vehicle-mounted power conversion device for a vehicle-mounted electrical system mounted on an automobile, in particular, a vehicle drive electrical system, and has a very severe mounting environment and operational environment. The inverter device will be described as an example. A vehicle drive inverter device is provided in a vehicle drive electrical system as a control device for controlling the drive of a vehicle drive motor, and a DC power supplied from an onboard battery or an onboard power generator constituting an onboard power source is a predetermined AC power. Then, the AC power obtained is supplied to the vehicle drive motor to control the drive of the vehicle drive motor. Further, since the vehicle drive motor also has a function as a generator, the vehicle drive inverter device also has a function of converting the AC power generated by the vehicle drive motor into DC power according to the operation mode. Yes. The converted DC power is supplied to the on-vehicle battery.
なお、本実施形態の構成は、自動車やトラックなどの車両駆動用電力変換装置として最適であるが、これら以外の電力変換装置、例えば電車や船舶,航空機などの電力変換装置、さらに工場の設備を駆動する電動機の制御装置として用いられる産業用電力変換装置、或いは家庭の太陽光発電システムや家庭の電化製品を駆動する電動機の制御装置に用いられたりする家庭用電力変換装置に対しても適用可能である。 The configuration of the present embodiment is optimal as a power conversion device for driving a vehicle such as an automobile or a truck. However, other power conversion devices such as a power conversion device such as a train, a ship, and an aircraft, and a factory facility are also included. Applicable to industrial power converters used as drive motor control devices, or household power conversion devices used in home solar power generation systems and motor control devices that drive household appliances It is.
図1において、ハイブリッド電気自動車(以下、「HEV」と記述する)110は1つの電動車両であり、2つの車両駆動用システムを備えている。その1つは、内燃機関であるエンジン120を動力源としたエンジンシステムである。エンジンシステムは、主としてHEVの駆動源として用いられる。もう1つは、モータジェネレータ192,194を動力源とした車載電機システムである。車載電機システムは、主としてHEVの駆動源及びHEVの電力発生源として用いられる。モータジェネレータ192,194は例えば同期機あるいは誘導機であり、運転方法によりモータとしても発電機としても動作するので、ここではモータジェネレータと記すこととする。
In FIG. 1, a hybrid electric vehicle (hereinafter referred to as “HEV”) 110 is one electric vehicle and includes two vehicle drive systems. One of them is an engine system that uses an
車体のフロント部には前輪車軸114が回転可能に軸支されている。前輪車軸114の両端には1対の前輪112が設けられている。車体のリア部には後輪車軸(図示省略)が回転可能に軸支されている。後輪車軸の両端には1対の後輪が設けられている。本実施形態のHEVでは、動力によって駆動される主輪を前輪112とし、連れ回される従輪を後輪とする、いわゆる前輪駆動方式を採用しているが、この逆、すなわち後輪駆動方式を採用しても構わない。
A
前輪車軸114の中央部には前輪側デファレンシャルギア(以下、「前輪側DEF」と記述する)116が設けられている。前輪車軸114は前輪側DEF116の出力側に機械的に接続されている。前輪側DEF116の入力側には変速機118の出力軸が機械的に接続されている。前輪側DEF116は、変速機118によって変速されて伝達された回転駆動力を左右の前輪車軸114に分配する差動式動力分配機構である。変速機118の入力側にはモータジェネレータ192の出力側が機械的に接続されている。モータジェネレータ192の入力側には動力分配機構122を介してエンジン120の出力側及びモータジェネレータ194の出力側が機械的に接続されている。尚、モータジェネレータ192,194及び動力分配機構122は、変速機118の筐体の内部に収納されている。
A front wheel side differential gear (hereinafter referred to as “front wheel side DEF”) 116 is provided at the center of the
動力分配機構122は歯車123〜130から構成された差動機構である。歯車125〜128は傘歯車である。歯車123,124,129,130は平歯車である。モータジェネレータ192の動力は変速機118に直接に伝達される。モータジェネレータ192の軸は歯車129と同軸になっている。この構成により、モータジェネレータ192に対して駆動電力の供給が無い場合には、歯車129に伝達された動力がそのまま変速機118の入力側に伝達される。
The
エンジン120の作動によって歯車123が駆動されると、エンジン120の動力は歯車123から歯車124に、次に、歯車124から歯車126及び歯車128に、次に、歯車126及び歯車128から歯車130にそれぞれ伝達され、最終的には歯車129に伝達される。モータジェネレータ194の作動によって歯車125が駆動されると、モータジェネレータ194の回転は歯車125から歯車126及び歯車128に、次に、歯車126及び歯車128から歯車130のそれぞれに伝達され、最終的には歯車129に伝達される。尚、動力分配機構122としては上述した差動機構に代えて、遊星歯車機構などの他の機構を用いても構わない。
When the
モータジェネレータ192,194は、回転子に永久磁石を備えた同期機であり、固定子の電機子巻線に供給される交流電力がインバータ装置140,142によって制御されることによりモータジェネレータ192,194の駆動が制御される。インバータ装置140,142にはバッテリ136が電気的に接続されており、バッテリ136とインバータ装置140,142との相互において電力の授受が可能である。
The
本実施形態では、モータジェネレータ192及びインバータ装置140からなる第1電動発電ユニットと、モータジェネレータ194及びインバータ装置142からなる第2電動発電ユニットとの2つを備え、運転状態に応じてそれらを使い分けている。すなわち、エンジン120からの動力によって車両を駆動している場合において、車両の駆動トルクをアシストする場合には第2電動発電ユニットを発電ユニットとしてエンジン120の動力によって作動させて発電させ、その発電によって得られた電力によって第1電動発電ユニットを電動ユニットとして作動させる。また、同様の場合において、車両の車速をアシストする場合には第1電動発電ユニットを発電ユニットとしてエンジン120の動力によって作動させて発電させ、その発電によって得られた電力によって第2電動発電ユニットを電動ユニットとして作動させる。
In the present embodiment, the first motor generator unit composed of the
また、本実施形態では、バッテリ136の電力によって第1電動発電ユニットを電動ユニットとして作動させることにより、モータジェネレータ192の動力のみによって車両の駆動ができる。さらに、本実施形態では、第1電動発電ユニット又は第2電動発電ユニットを発電ユニットとしてエンジン120の動力或いは車輪からの動力によって作動させて発電させることにより、バッテリ136の充電ができる。
In the present embodiment, the vehicle can be driven only by the power of the
バッテリ136はさらに補機用のモータ195を駆動するための電源としても使用される。補機としては例えばエアコンディショナーのコンプレッサを駆動するモータ、あるいは制御用の油圧ポンプを駆動するモータであり、バッテリ136から補機用インバータ装置43に直流電力が供給され、補機用インバータ装置43で交流の電力に変換されてモータ195に供給される。補機用インバータ装置43はインバータ装置140や142と同様の機能を持ち、モータ195に供給する交流の位相や周波数,電力を制御する。例えばモータ195の回転子の回転に対し進み位相の交流電力を供給することにより、モータ195はトルクを発生する。一方遅れ位相の交流電力を発生することで、モータ195は発電機として作用し、モータ195は回生制動状態の運転となる。このような補機用インバータ装置43の制御機能はインバータ装置140や142の制御機能と同様である。モータ195の容量がモータジェネレータ192や194の容量より小さいので、補機用インバータ装置43の最大変換電力がインバータ装置140や142より小さいが、補機用インバータ装置43の回路構成は基本的にインバータ装置140や142の回路構成と同じである。
The
インバータ装置140や142および補機用インバータ装置43さらにコンデンサモジュール500は電気的に密接な関係にある。さらに発熱に対する対策が必要な点が共通している。また装置の体積をできるだけ小さく作ることが望まれている。これらの点から以下で詳述する電力変換装置は、インバータ装置140や142および補機用インバータ装置43さらにコンデンサモジュール500を電力変換装置の筐体内に内蔵している。この構成により、小型で信頼性の高い装置が実現できる。
The
またインバータ装置140や142および補機用インバータ装置43さらにコンデンサモジュール500を一つの筐体に内蔵することで、配線の簡素化やノイズ対策で効果がある。またコンデンサモジュール500とインバータ装置140や142および補機用インバータ装置43との接続回路のインダクタンスを低減でき、スパイク電圧を低減できると共に、発熱の低減や放熱効率の向上を図ることができる。
Further, by incorporating the
次に、図2を用いてインバータ装置140や142あるいは補機用インバータ装置43の電気回路構成を説明する。尚、図1,図2に示す実施形態では、インバータ装置140や142あるいは補機用インバータ装置43をそれぞれ個別に構成する場合を例に挙げて説明する。インバータ装置140や142あるいは補機用インバータ装置43は同様の構成で同様の作用をためし、同様の機能を有しているので、ここでは、代表例としてインバータ装置140の説明を行う。
Next, the electric circuit configuration of the
本実施形態に係る電力変換装置200はインバータ装置140とコンデンサモジュール500とを備え、インバータ装置140はインバータ回路144と制御部170とを有している。また、インバータ回路144は、上アームとして動作するIGBT328(絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ)及びダイオード156と、下アームとして動作するIGBT330及びダイオード166と、からなる上下アーム直列回路150を複数有し(図2の例では3つの上下アーム直列回路150,150,150)、それぞれの上下アーム直列回路150の中点部分(中間電極169)から交流端子159を通してモータジェネレータ192への交流電力線(交流バスバー)186と接続する構成である。また、制御部170はインバータ回路144を駆動制御するドライバ回路174と、ドライバ回路174へ信号線176を介して制御信号を供給する制御回路172と、を有している。
The
上アームと下アームのIGBT328や330は、スイッチング用パワー半導体素子であり、制御部170から出力された駆動信号を受けて動作し、バッテリ136から供給された直流電力を三相交流電力に変換する。この変換された電力はモータジェネレータ192の電機子巻線に供給される。上述のとおり、インバータ装置140はモータジェネレータ192が発生する三相交流電力を直流電力に変換することもできる。
The
本実施形態に係る電力変換装置200は図1に記載の如くインバータ装置140と142さらに補機用インバータ装置43とコンデンサモジュール500を有しているが、上述のとおりインバータ装置140と142さらに補機用インバータ装置43は同様の回路構成であるのでインバータ装置140を代表として記載し、インバータ装置142と補機用インバータ装置43は、既に上述したとおり省略した。
As shown in FIG. 1, the
インバータ回路144は3相ブリッジ回路により構成されており、3相分の上下アーム直列回路150,150,150がそれぞれ、バッテリ136の正極側と負極側に電気的に接続されている直流正極端子314と直流負極端子316の間に電気的に並列に接続されている。ここで、上下アーム直列回路150はアームと呼称されており、上アーム側のスイッチング用パワー半導体素子328及びダイオード156と下アーム側のスイッチング用パワー半導体素子330及びダイオード166を備えている。
The inverter circuit 144 is configured by a three-phase bridge circuit, and a DC
本実施形態では、スイッチング用パワー半導体素子としてIGBT328や330を用いることを例示している。IGBT328や330は、コレクタ電極153,163,エミッタ電極(信号用エミッタ電極端子155,165),ゲート電極(ゲート電極端子154,164)を備えている。IGBT328,330のコレクタ電極153,163とエミッタ電極との間にはダイオード156,166が図示するように電気的に接続されている。ダイオード156,166は、カソード電極及びアノード電極の2つの電極を備えており、IGBT328,330のエミッタ電極からコレクタ電極に向かう方向が順方向となるように、カソード電極がIGBT328,330のコレクタ電極に、アノード電極がIGBT328,330のエミッタ電極にそれぞれ電気的に接続されている。スイッチング用パワー半導体素子としてはMOSFET(金属酸化物半導体型電界効果トランジスタ)を用いてもよい。この場合は上アームのダイオード156や下アームのダイオード166は不要となる。
In the present embodiment, the use of
上下アーム直列回路150は、モータジェネレータ192の電機子巻線の各相巻線に対応して3相分設けられている。3つの上下アーム直列回路150,150,150はそれぞれ、IGBT328のエミッタ電極とIGBT330の下アームのコレクタ電極163を接続する中間電極169,交流端子159を介してモータジェネレータ192へのU相,V相,W相を形成している。上下アーム直列回路同士は電気的に並列接続されている。
上アームのIGBT328のコレクタ電極153は正極端子(P端子)157を介してコンデンサモジュール500の正極側コンデンサ電極に、下アームのIGBT330のエミッタ電極は負極端子(N端子)158を介してコンデンサモジュール500の負極側コンデンサ電極にそれぞれ電気的に接続(直流バスバーで接続)されている。各アームの中点部分(上アームのIGBT328のエミッタ電極と下アームのIGBT330のコレクタ電極との接続部分)にあたる中間電極169は、モータジェネレータ192の電機子巻線の対応する相巻線に交流コネクタ188を介して電気的に接続されている。
Upper and lower
The
コンデンサモジュール500は、IGBT328,330のスイッチング動作によって生じる直流電圧の変動を抑制する平滑回路を構成するためのものである。コンデンサモジュール500の正極側コンデンサ電極にはバッテリ136の正極側が、コンデンサモジュール500の負極側コンデンサ電極にはバッテリ136の負極側がそれぞれ直流コネクタ138を介して電気的に接続されている。これにより、コンデンサモジュール500は、上アームIGBT328のコレクタ電極153とバッテリ136の正極側との間と、下アームIGBT330のエミッタ電極とバッテリ136の負極側との間で接続され、バッテリ136と上下アーム直列回路150に対して電気的に並列接続される。
制御部170はIGBT328,330を作動させるためのものであり、他の制御装置やセンサなどからの入力情報に基づいて、IGBT328,330のスイッチングタイミングを制御するためのタイミング信号を生成する制御回路172と、制御回路172から出力されたタイミング信号に基づいて、IGBT328,330をスイッチング動作させるためのドライブ信号を生成するドライブ回路174とを備えている。
The control unit 170 is for operating the
制御回路172はIGBT328,330のスイッチングタイミングを演算処理するためのマイクロコンピュータ(以下、「マイコン」と記述する)を備えている。マイコンには入力情報として、モータジェネレータ192に対して要求される目標トルク値、上下アーム直列回路150からモータジェネレータ192の電機子巻線に供給される電流値、及びモータジェネレータ192の回転子の磁極位置が入力されている。目標トルク値は、不図示の上位の制御装置から出力された指令信号に基づくものである。電流値は、電流検出部180から出力された検出信号に基づいて検出されたものである。磁極位置は、モータジェネレータ192に設けられた回転磁極センサ(不図示)から出力された検出信号に基づいて検出されたものである。本実施形態では3相の電流値を検出する場合を例に挙げて説明するが、2相分の電流値を検出するようにしても構わない。
The
制御回路172内のマイコンは、目標トルク値に基づいてモータジェネレータ192のd,q軸の電流指令値を演算し、この演算されたd,q軸の電流指令値と、検出されたd,q軸の電流値との差分に基づいてd,q軸の電圧指令値を演算し、この演算されたd,q軸の電圧指令値を、検出された磁極位置に基づいてU相,V相,W相の電圧指令値に変換する。そして、マイコンは、U相,V相,W相の電圧指令値に基づく基本波(正弦波)と搬送波(三角波)との比較に基づいてパルス状の変調波を生成し、この生成された変調波をPWM(パルス幅変調)信号としてドライバ回路174に出力する。
The microcomputer in the
ドライバ回路174は、下アームを駆動する場合、PWM信号を増幅し、これをドライブ信号として、対応する下アームのIGBT330のゲート電極に、上アームを駆動する場合、PWM信号の基準電位のレベルを上アームの基準電位のレベルにシフトしてからPWM信号を増幅し、これをドライブ信号として、対応する上アームのIGBT328のゲート電極にそれぞれ出力する。これにより、各IGBT328,330は、入力されたドライブ信号に基づいてスイッチング動作する。
When driving the lower arm, the
また、制御部170は、異常検知(過電流,過電圧,過温度など)を行い、上下アーム直列回路150を保護している。このため、制御部170にはセンシング情報が入力されている。例えば各アームの信号用エミッタ電極端子155,165からは各IGBT328,330のエミッタ電極に流れる電流の情報が、対応する駆動部(IC)に入力されている。これにより、各駆動部(IC)は過電流検知を行い、過電流が検知された場合には対応するIGBT328,330のスイッチング動作を停止させ、対応するIGBT328,330を過電流から保護する。上下アーム直列回路150に設けられた温度センサ(不図示)からは上下アーム直列回路150の温度の情報がマイコンに入力されている。また、マイコンには上下アーム直列回路150の直流正極側の電圧の情報が入力されている。マイコンは、それらの情報に基づいて過温度検知及び過電圧検知を行い、過温度或いは過電圧が検知された場合には全てのIGBT328,330のスイッチング動作を停止させ、上下アーム直列回路150(引いては、この回路150を含む半導体モジュール部)を過温度或いは過電圧から保護する。
In addition, the control unit 170 performs abnormality detection (overcurrent, overvoltage, overtemperature, etc.) to protect the upper and lower
図2において、上下アーム直列回路150は、上アームのIGBT328及び上アームのダイオード156と、下アームのIGBT330及び下アームのダイオード166との直列回路であり、IGBT328,330はスイッチング用半導体素子である。インバータ回路144の上下アームのIGBT328,330の導通および遮断動作が一定の順で切り替わり、この切り替わり時のモータジェネレータ192の固定子巻線の電流は、ダイオード156,166によって作られる回路を流れる。
In FIG. 2, an upper and lower
上下アーム直列回路150は、図示するように、Positive端子(P端子,正極端子)157,Negative端子(N端子158,負極端子),上下アームの中間電極169からの交流端子159,上アームの信号用端子(信号用エミッタ電極端子)155,上アームのゲート電極端子154,下アームの信号用端子(信号用エミッタ電極端子)165,下アームのゲート電極端子164、を備えている。また、電力変換装置200は、入力側に直流コネクタ138を有し、出力側に交流コネクタ188を有して、それぞれのコネクタ138と188を通してバッテリ136とモータジェネレータ192にそれぞれ接続される。また、モータジェネレータへ出力する3相交流の各相の出力を発生する回路として、各相に2つの上下アーム直列回路を並列接続する回路構成の電力変換装置であってもよい。
As shown in the figure, the upper and lower
次に、図1および図2に記載した電力変換装置200の全体構成について、図3〜図5及び図6を参照しながら以下説明する、尚図1乃至図2と同じ参照符号は同じ部品を示し、既に説明した内容については説明を省略する。図3は電力変換装置200の全体構成の外観斜視図である。
Next, the overall configuration of the
図4は本実施形態に係る電力変換装置200の全体構成を各構成要素に分解した斜視図である。図5は図3及び図4に示す電力変換装置のハウジングである筐体と前記筐体の内部に設けられた冷却水流路を示す説明図である。図6はパワーモジュールの上方から見た斜視図である。
FIG. 4 is a perspective view in which the entire configuration of the
図3〜図5及び図6において、200は電力変換装置、10は上部ケース、11は金属ベース板、12は筐体、13は冷却水入口配管、14は冷却水出口配管、420はカバー、16は下部ケース、17は交流ターミナルケース、19は冷却水流路、20は制御回路基板で図2に示す制御回路172を保持している。21は外部との接続のためのコネクタ、22は駆動回路基板で図2に示すドライバ回路174を保持している。23は基板間コネクタで前記制御回路基板20に設けられた制御回路172と電気的に接続されるために設けられており、図2に示す信号線176の接続に使用される、尚信号線の図示は省略する。300はパワーモジュール(半導体モジュール部)で2個設けられており、302はパワーモジュールケース、304は金属ベース、314は直流正極端子、316は直流負極端子、49は鋳造肉盗み、500はコンデンサモジュール、502はコンデンサケース、504は負極側コンデンサ端子、506は正極側コンデンサ端子、514はコンデンサセル、をそれぞれ表す。
3 to 5 and 6, 200 is a power converter, 10 is an upper case, 11 is a metal base plate, 12 is a housing, 13 is a cooling water inlet pipe, 14 is a cooling water outlet pipe, 420 is a cover,
本実施形態に係る電力変換装置200は、大きく構成要素を分けると、直流電力と交流電力との変換を行うパワーモジュール(半導体モジュール部)300と、直流電源の電圧平滑用のコンデンサモジュール500と、パワーモジュール300などを冷却するための冷却水流路19とから構成される。図3に示すように、本実施形態に係る電力変換装置200の外観は、上面あるいは底面が略長方形の筐体12と、前記筐体12の短辺側の外周の1つに設けられた冷却水入口配管13および冷却水出口配管14と、前記筐体12の上部開口を塞ぐための上部ケース10と、前記筐体12の下部開口を塞ぐための下部ケース16とを固定して形成されたものである。前記電力変換装置200の長辺側の外周には図1に示されたモータジェネレータ192,194との接続を助けるための3組の交流ターミナルケース17が設けられている。筐体12の底面図あるいは上面図の形状を略長方形としたことで、車両への取り付けが容易となり、また生産し易い効果がある。
The
図4に示すように、筐体12の中ほどに冷却水流路19が設けられ、前記冷却水流路19の上部には流れの方向に並んで2組の開口部400と402が形成されている。前記2組の開口部400と402がそれぞれパワーモジュール300で塞がれる様に2個のパワーモジュール300が前記冷却水流路19の上面に固定されている。各パワーモジュール300には放熱のためのフィン(図7)が設けられており、各パワーモジュール300のフィン305はそれぞれ前記冷却水流路19の開口部400と402から冷却水の流れの中に突出している。
As shown in FIG. 4, a cooling
前記冷却水流路19の下側にはアルミ鋳造を行いやすくするための開口部404が形成されており、前記開口部404(図5B)はカバー420で塞がれている。また前記冷却水流路19の下側には補機用インバータ装置43が取り付けられている。補機用インバータ装置43は、図2に示すインバータ回路144と同様の回路が内蔵されており、前記インバータ回路144を構成しているパワー半導体素子を内蔵したパワーモジュールを有している。補機用インバータ装置43(図1)は前記内蔵している前記パワーモジュールの放熱金属面が前記冷却水流路19の下面に対向するようにして、前記冷却水流路19の下面に固定されている。
An
さらに前記冷却水流路19の下部に放熱作用をためす下部ケース16が設けられ、前記下部ケース16にはコンデンサモジュール500が、コンデンサモジュール500の金属材からなるケースの放熱面が前記下部ケース16の面に対向するようにして前記下部ケース16の面に固定されている。この構造により冷却水流路19の上面と下面とを利用して効率良く冷却することができ、電力変換装置全体の小型化に繋がる。
In addition, a
入出口配管13,14からの冷却水が冷却水流路19を流れることによって、併設されている2個のパワーモジュール300が有する放熱フィンが冷却され、前記2個のパワーモジュール300全体が冷却される。冷却水流路19の下面に設けられた補機用インバータ装置43も同時に冷却する。
When the cooling water from the inlet /
さらに冷却水流路19が設けられている筐体12が冷却されることにより、筐体12の下部に設けられた下部ケース16が冷却され、この冷却によりコンデンサモジュール500の熱が下部ケース16および筐体12を介して冷却水に熱的伝導され、コンデンサモジュール500が冷却される。
Further, the
詳細は後述するが、本実施形態では、パワーモジュール300の直流正極端子314,直流負極端子316は、コンデンサモジュール500の負極側コンデンサ端子504,正極側コンデンサ端子506にそれぞれ直接に電気的及び機械的に筐体12内で接続されている。
Although details will be described later, in this embodiment, the DC
パワーモジュール300の上方には、2つのパワーモジュール300を覆うように制御回路基板20と駆動回路基板22とが配置され、駆動回路基板22には図2に示すドライバ回路174が搭載され、制御回路基板20には図2に示すCPUを有する制御回路172が搭載される。また、駆動回路基板22と制御回路基板20の間には金属ベース板11が配置され、金属ベース板11は両基板22,20に搭載される回路群の電磁シールドの機能を奏すると共に駆動回路基板22と制御回路基板20とが発生する熱を逃がし、冷却する作用を有している。
A
このように筐体12の中央部に冷却水流路19を設け、その一方の側に車両駆動用のパワーモジュール300を配置し、また他方の側に補機用のパワーモジュール43を配置することで、少ない空間で効率良く冷却でき、電力変換装置全体の小型化が可能となる。また筐体中央部の冷却水流路19の主構造を筐体12と一体にアルミ材の鋳造で作ることにより、冷却水流路19は冷却効果に加え機械的強度を強くする効果がある。またアルミ鋳造で作ることで筐体12と冷却水流路19とが一体構造となり、熱伝導が良くなり冷却効率が向上する。
As described above, the cooling
駆動回路基板22には、金属ベース板11を通り抜けて、制御回路基板20の回路群との接続を行う基板間コネクタ712が設けられている。また、制御回路基板20には外部との電気的接続を行うコネクタ21が設けられている。コネクタ21により電力変換装置の外の、例えばバッテリ136(図1)として車に搭載されているリチウム電池モジュールとの信号の伝送が行われ、リチウム電池モジュールから電池の状態を表す信号やリチウム電池の充電状態などの信号が送られてくる。前記制御回路基板20に保持されている制御回路172との信号の授受を行うために前記基板間コネクタ712が設けられており、図示を省略しているが図2に示す信号線176が設けられ、この信号線176と基板間コネクタ712を介して制御回路基板20からインバータ回路のスイッチングタイミングの信号が駆動回路基板22に伝達され、駆動回路基板22で駆動信号であるゲート駆動信号を発生し、パワーモジュールのゲート電極にそれぞれ印加される。
The
筐体12の上部と下部には開口が形成され、これら開口はそれぞれ上部ケース10と下部ケース16が例えばネジ等で筐体12に固定されることにより塞がれる。筐体12の中央に冷却水流路19が設けられ、前記冷却水流路19にパワーモジュール300やカバー420を固定する。このようにして冷却水流路19を完成させ、水路の水漏れ試験を行う。水漏れ試験に合格した場合に、次に前記筐体12の上部と下部の開口から基板やコンデンサモジュール500を取り付ける作業を行うことができる。このように中央に冷却水流路19配置し、次に前記筐体12の上部と下部の開口から必要な部品を固定する作業が行える構造をためしており、生産性が向上する。また冷却水流路19を最初に完成させ、水漏れ試験の後その他の部品を取り付けることが可能となり、生産性と信頼性の両方が向上する。
Openings are formed in the upper part and the lower part of the
図5は冷却水流路19を有する筐体12のアルミ鋳造品を示す図であり、図5(A)は筐体12の斜視図、図5(B)は筐体12の上面図、図5(C)は筐体12の下面図である。図5に示す如く筐体12と前記筐体12の内部に設けられた冷却水流路19が一体に鋳造されている。筐体12の上面あるいは下面は略長方形の形状をためし、長方形の短辺の一方側筐体側面に冷却水を取り入れるための入口孔401が設けられ、同じ側面に出口孔403が設けられている。
5A and 5B are diagrams showing an aluminum cast product of the
前記入口孔401から冷却水流路19に流入した冷却水は、矢印418の方向である長方形の長辺に沿って流れ、長方形の短辺の他方側側面の手前近傍で矢印421のように折り返し、再び長方形の長辺に沿って矢印422の方向に流れ、出口孔403から流出する。冷却水流路19の行き側と帰り側にそれぞれ2個ずつの開口部400と402とが形成されている。前記開口には後述する図13に示すパワーモジュール300がそれぞれ固定され、各パワーモジュール300の放熱のためのフィンがそれぞれの開口から冷却水の流れの中に突出する構造となっている。前記筐体12の流れの方向すなわち長辺の沿った方向にパワーモジュール300が並べて固定され、この固定により前記各パワーモジュール300により冷却水流路19の開口を完全に塞ぐことができるように、支持部410が筐体と一体成形されている。この支持部410は略中央に位置し、支持部410に対して冷却水の出入り口側の方に1つのパワーモジュール300が固定され、また前記支持部410に対して冷却水の折り返し側の方に他の1つのパワーモジュール300が固定される。
図5(B)に示すねじ穴412は前記出入り口側のパワーモジュール300を冷却水流路19に固定するために使用され、この固定により開口部400が密閉される。またねじ穴414は前記折り返し側のパワーモジュール300を冷却水流路19に固定するために使用され、この固定により開口部402が密閉される。
The cooling water that has flowed into the cooling
A
前記出入り口側のパワーモジュール300は入口孔401からの冷たい冷却水と出口側に近いため暖められた冷却水で冷やされることとなる。一方前記折り返し側のパワーモジュール300は少し温められた冷却水により冷却されるが、出口孔403近くの冷却水より温度が低くなる。結果として折り返し冷却通路と2つのパワーモジュール300の配置関係は、2つのパワーモジュール300の冷却効率が均衡した状態となるメリットがある。
Since the
前記支持部410はパワーモジュール300の固定のために使用され、開口部400や402の密閉のために必要である。さらに前記支持部410は筐体12の強度の強化に大きな効果がある。冷却水流路19は上述の通り折り返し形状であり、行き側流路と帰り側流路を隔てる隔壁408が設けられ、この隔壁408が前記支持部410と一体に作られている。隔壁408は単に行き側流路と帰り側流路を隔てる作用の他に、筐体の機械的な強度を高める作用をしている。また折り返し通路間の熱の伝達通路としての作用をためし、冷却水の温度を均一化する作用をためす。冷却水の入口側と出口側との温度差が大きいと冷却効率のムラが大きくなる。ある程度の温度差は仕方ないが、前記隔壁408が前記支持部410と一体に作られていることで冷却水の温度差を抑える効果がある。
The
図5(C)は前記冷却水流路19の裏面を示しており、前記支持部410に対応した裏面に開口部404が形成されている。この開口部404は、筐体の鋳造により形成する前記支持部410と筐体12一体構造の歩留まりを向上するためのものである。開口部404の形成により、鋳造品では、前記支持部410と冷却水流路19の底部との二重構造が無くなり、鋳造し易く、生産性が向上する。
FIG. 5C shows the back surface of the cooling
前記冷却水流路19の側部と長方形の長辺との間に通路の上側と下側とを貫通する貫通孔406を形成している。前記冷却水流路19を挟んで両側に電気部品が取り付けられるため、前記両側の電気部品の電気的な接続が必要となる。貫通孔406は冷却水流路19の両側の電気部品の電気的な接続を行うための孔である。
A through-
図5に示す筐体構造は鋳造生産特にアルミダイキャスト生産に適した構造をしている。
すなわち冷却水流路19と筐体12との一体構造を完成に近い形状で製造できる効果がある。矢印421で示す水路の折り返し部分を開口部402の一部としていることで折り返し部分の一体鋳造が可能となった。すなわち開口部402にパワーモジュール300を固定することで折り返し通路が完成する。さらに折り返し通路を冷却に利用できることで、良い小型化が可能となっている。冷却水流路19周辺は開口面に対して略垂直であり、前記隔壁408の側面も略垂直である。このような形状とすることで、上面に開口部400および402にパワーモジュール300を固定子、裏面にカバー420を固定することで水路が完成する。この時点で水路の水漏れの検査を行い、次に部品の取り付けを行うことで不良品を早く取り除き生産性を向上できる効果がある。
The housing structure shown in FIG. 5 is suitable for casting production, particularly aluminum die casting production.
That is, there is an effect that an integrated structure of the cooling
冷却水流路19の上面開口にパワーモジュール300を固定し、裏面開口にカバー420を固定した状態を図6に示す。筐体12の長方形の一方の長辺側において、筐体12の外に交流電力線186および交流コネクタ188が突出している。なお、図7の断面図は電力変換装置200の交流コネクタ188側に、モータジェネレータ192や194の交流端子と前記交流コネクタ188とを繋ぐための交流ターミナルケース17を取り付けた状態を示している。
FIG. 6 shows a state where the
次に、本実施形態に係る電力変換装置におけるパワーモジュール300の詳細構造について、図6〜図9を参照しながら以下説明する。
Next, the detailed structure of the
図6は本実施形態に関するパワーモジュールの上方からの斜視図である。図7は本実施形態に係るパワーモジュールと駆動回路基板22を各構成要素に分解した斜視図である。
図8は本実施形態に関するパワーモジュールの断面図である。図9は本実施形態に関するパワーモジュールに放熱板700を組付けたときの斜視図である。
FIG. 6 is a perspective view from above of the power module according to the present embodiment. FIG. 7 is a perspective view in which the power module and the
FIG. 8 is a cross-sectional view of the power module according to this embodiment. FIG. 9 is a perspective view when the
図6〜図9を用いてパワーモジュール300の構造を説明する。
The structure of the
上記図で、300はパワーモジュール(半導体モジュール部)、302はパワーモジュールケース、304は金属ベース、305はフィン(図8参照)、186は断面が略長方形の交流電力線、314は直流正極端子、316は直流負極端子、318は薄い絶縁材(絶縁紙)、326はIGBT、334は絶縁基板、327はダイオード、320は制御端子、342はパワーモジュールケース突起部、350はステー、700は放熱板、702は放熱板開口部、704は熱伝導シートをそれぞれ表す。 In the above figure, 300 is a power module (semiconductor module part), 302 is a power module case, 304 is a metal base, 305 is a fin (see FIG. 8), 186 is an AC power line having a substantially rectangular cross section, 314 is a DC positive terminal, 316 is a DC negative electrode terminal, 318 is a thin insulating material (insulating paper), 326 is an IGBT, 334 is an insulating substrate, 327 is a diode, 320 is a control terminal, 342 is a power module case protrusion, 350 is a stay, 700 is a heat sink , 702 represents a heat sink opening, and 704 represents a heat conductive sheet.
パワーモジュール300は、大きく分けて、例えば樹脂材料のパワーモジュールケース302内の配線を含めた半導体モジュール部と、金属材料、例えば、Cu,Al,AlSiCなどからなる金属ベース304と、外部との接続端子(直流正極端子314や制御端子320等)と、からなる。そして、外部と接続する端子として、パワーモジュール300は、モータと接続するためのU,V,W相の交流端子159と、コンデンサモジュール500と接続する直流正極端子314及び直流負極端子316とを有している。
The
また、半導体モジュール部は、絶縁基板334の上に上下アームのIGBT326,ダイオード327が設けられている。絶縁基板334はセラミック基板であっても良いし、さらに薄い絶縁シートであってもよい。金属ベース304は、冷却水流路に浸されて冷却水へ効率良く放熱するために、絶縁基板334の反対側にフィン305を有している。
In the semiconductor module section, upper and
なお、図8に示されたフィン305の形状はピン型であるが、他の実施形態として、冷却水の流れ方向に沿って形成されたストレート型であってもよい。フィン305の形状にストレート型を用いた場合には、冷却水を流すための圧力を低減させることができ、一方ピン型を用いた場合には冷却効率を向上させることができる。
The shape of the
コンデンサモジュール500と接続する直流端子314と316は、図示例では絶縁基板334の中央部分において、接続すべき部位で半田又は超音波接合で固着され、直流端子314と316の間に薄い絶縁材318を介在させて両者の絶縁を取っている。
In the illustrated example, the
絶縁基板334は、セラミックを挟んでその両側にCu又はAlの膜を形成したものであり、絶縁基板334の下側に半田によってフィン又はピン付き金属ベース304(Cu,Al又はAlSiC)が固着され、その上側には半田によってIGBT326やダイオード327が、半田又は超音波接合によって直流端子314,316が固着される。また、図6において、パワーモジュールの制御端子320が図示されているが、これらは、図2で説明した上・下アームのゲート電極端子154,164や、エミッタ電極端子155,165であり、IGBTのスイッチング動作を制御するための信号が印加される。
The insulating
パワーモジュールケース突起部342がパワーモジュールケース302上に複数個形成され、この突起部342内部にはステー350が挿入されている。ステー350は駆動回路基板22を支持すると同時に、駆動回路基板22が発生する熱をパワーモジュールケース302を介して金属ベースに伝導する役目がある。ステー350と駆動回路基板22はネジなどの固定手段721で固定されている。尚、ステー350は例えば真鍮,鉄,アルミなど熱伝導率の良い金属が望ましい。
A plurality of power module case protrusions 342 are formed on the
また、図7において、パワーモジュール300と駆動回路基板22との間に、放熱板700と、熱伝導シート704が挟まれている。熱伝導シート704は駆動回路基板22に密着し、更に熱伝導シート704は放熱板700にも密着している。放熱板700は筐体12にも密着し、熱が筐体12側に流れる構造となっている。放熱板700は、例えば、アルミ,銅などの熱伝導率の良い金属が望ましい。
In FIG. 7, a
図8は図6の一点鎖線AAの断面図である。ステー350はモジュールケース突起部342とモジュールケース302に挿入されている。ステー350は金属ベース304に接していてもよいが、図8のように出来る限りステー350と金属ベースは接していないことが望ましい。
8 is a cross-sectional view taken along one-dot chain line AA in FIG. The
電力変換装置は安全上、金属ベースとアースが繋がっており、ステー350と金属ベースが接するとステー350がアース電位となり、駆動回路基板22の高電圧の制御端子320と近くなり、絶縁が保てなくなる。そこで、ステー350と金属ベース304をある一定の距離を離し、絶縁を保つ。また、EMC(Electro Magnetic Compatibility)の観点から、駆動回路基板22の固定手段721をグランドにするケースがあり、ステー350と金属ベースが接すると複数のグランドループ電流が流れ、EMC特性が悪くなるのを回避する理由もある。
For safety reasons, the power converter is connected to the metal base and the earth. When the
すなわち、ステー350下部と金属ベース304のステー下方領域352は、駆動回路基板22の熱を金属ベース304に逃がすという意味では、出来るだけ近い方が望ましいが、絶縁という観点では一定の距離(例えば数ミリメートル)が望ましい。
In other words, the lower portion of the
駆動回路基板22が発生する熱の放熱経路には2種類ある。ひとつは駆動回路基板22から熱伝導シート704,放熱板700を通って筐体12へ流れる第一の放熱経路730である。もうひとつは駆動回路基板22からステー350,ステー下方領域352を介して金属ベース304に流れる第二の放熱経路731である。当然、第一の放熱経路730だけ、あるいは第二の放熱経路731だけでも放熱効果はあるが、本実施形態のように両方の放熱経路がある方が、最も効果的である。
There are two types of heat dissipation paths for the heat generated by the
図9は2個のパワーモジュールに放熱板700と熱伝導シート704を組付けた場合のパワーモジュールの斜視図である。702はパワーモジュール突起部342との干渉を防ぐための放熱板開口部である。2個のパワーモジュールの内、一方のパワーモジュールがスイッチング動作し、他方が動作しない場合、放熱板700による放熱効果は更に良くなる。また、パワーモジュール突起部342とステー350が複数個あり、それらのモジュールケース302での配置は一定の間隔で均等に配置されたり、駆動回路基板22の熱分布に応じて配置されてもよい。例えば、駆動回路基板22のある領域に例えば電源回路用トランス706,ドライバIC708などの発熱部品が実装されている場合、この領域の近傍に放熱ステー350を複数個配置すれば、放熱効果が改善される。更に、この領域直下に熱伝導シート704と放熱板700を追加すれば、更なる放熱効果が期待できる。このような駆動回路基板22の発熱分布について、図10を用いて詳細を説明する。
FIG. 9 is a perspective view of the power module when the
図10は電子部品を実装した駆動回路基板22の平面図である。706は電源回路用トランス、708はパワーモジュール300のIGBT326のゲートを駆動するためのドライバIC、710は電源回路の平滑用電解コンデンサ、712は制御回路基板20と駆動回路基板22との基板間コネクタ、714は電源回路用1次側スイッチング素子のパワートランジスタ、718は交流端子159と干渉を避けるための交流端子用切欠部、722はパワーモジュール300の制御端子320を駆動回路基板に貫通させるための制御端子穴、724はコンデンサモジュール500の負極側コンデンサ端子504と正極側コンデンサ端子506との干渉を避けるための切欠部、721は駆動回路基板22とステー350とを固定するための固定手段である。
FIG. 10 is a plan view of the
駆動回路基板22上に実装されている電子部品の内、電源回路用トランス706,ドライバIC708,パワートランジスタ714などは、他の電子部品に比べて発熱する部品であり、これら部品近傍の基板領域も発熱する。特に、駆動回路基板22を小型化するため、電源回路用トランス706を小型にするには、パワートランジスタ714を高速でスイッチングするため更に発熱は激しくなる。また、電力変換装置200を大電流出力にするため、IGBT326の素子面積を上げていくと、ドライバIC708の駆動電流が大きくなり、ドライバIC708の発熱が大きくなる。更に、電力変換装置200の制御を高精度化するためにキャリア周波数を上げると、ドライバICの駆動電流は更に大きくなり、発熱が大きくなる。これら発熱部品近傍の基板領域を効果的に放熱するため、発熱部品を実装している基板直下に熱伝導シートを密着させたり、発熱部品を実装している基板近傍に金属ステー350を配置することにより、基板の発熱を効果的に抑えることができる。
Among the electronic components mounted on the
次に本発明に係る駆動回路基板の短絡保護動作について、図11〜図13と用いて説明する。 Next, the short circuit protection operation of the drive circuit board according to the present invention will be described with reference to FIGS.
図11は本実施形態に関する短絡保護の回路ブロック図である。図12は本実施形態に関する短絡保護の回路図である。図13は本実施形態に関する短絡保護回路の動作時のタイムチャートである。 FIG. 11 is a circuit block diagram of short circuit protection according to the present embodiment. FIG. 12 is a circuit diagram of short circuit protection according to this embodiment. FIG. 13 is a time chart during operation of the short circuit protection circuit according to the present embodiment.
図11で、330は下アームIGBT、166は下アームダイオード、800はIGBT330の電流の一部を分流するセンスIGBT、801はセンス抵抗、802はIGBT330のゲート電圧を入力して所定の閾値に調整する閾値調整回路、803はセンス抵抗801の電圧と閾値調整回路802の出力電圧を入力して、IGBT330の所定のターン期間のみセンス抵抗801の電圧を出力する検知許可回路、804は検知許可回路の出力を入力して所定の閾値を超えるとIGBT330のゲート電圧を所定の電圧に保持する短絡保護回路、708はIGBT330のゲートを駆動するドライバICである。以下に、図11の回路動作を説明する。
In FIG. 11, 330 is a lower arm IGBT, 166 is a lower arm diode, 800 is a sense IGBT that shunts a part of the current of the
ドライバIC708がIGBT303のゲート電圧パルスを出力すると、IGBT303がターンオンし、IGBT303にコレクタ電流Icが流れる。同時にセンスIGBT800にはIcの分流電流Isが流れ、センス抵抗801に流れ込む。センス抵抗801にセンス電圧Vsが発生し、検知許可回路803に入力する。検知許可回路803はゲート電圧が所定の閾値電圧Vg1以下ではセンス電圧Vsを遮断し、Vg1より大きいときにセンス電圧Vsを出力する回路機能をもつ。閾値調整回路802は閾値電圧Vg1を調整する回路で、例えば抵抗値調整でVg1を変えることができる。短絡保護回路804はセンス電圧Vsを入力し、短絡などの異常時にセンス電圧Vsが第1の所定の閾値Vs1を超えると、ゲート電圧を所定の電圧値に保持し、IGBT303の飽和電流を抑制する回路機能をもつ。また、センス電圧Vsが第1の所定の閾値Vs1以下では短絡保護回路804は動作しない。
When the
更に、別の実施形態として、短絡保護回路804の回路機能と併せてドライバIC708の異常時ソフト遮断機能と併用する場合も有り得る。その場合、センス電圧VsはドライバIC708にも入力する。センス電圧Vsが第2の閾値Vs2を越えると、ドライバIC708はIGBT303のソフト遮断動作を始める。センス電圧Vsが第2の閾値Vs2以下では、ドライバIC708は通常のスイッチング動作を維持する。
Furthermore, as another embodiment, the circuit function of the short-
図12は本実施形態に関する短絡保護の具体的な回路図の一例であり、同じ回路機能でその他の回路図も有り得る。閾値調整回路802は第1の抵抗810と第2の抵抗811で構成され、ゲート電圧の分圧値が検知許可回路803に入力されている。検知許可回路803は電圧反転回路808と第1のnMOSスイッチ809で構成され、前記ゲート電圧の分圧値が電圧反転回路808に入力され、電圧反転回路808の出力が第1のnMOSスイッチ809のゲートに入力され、第1のnMOSスイッチ809のドレインがセンス抵抗801に接続されている。短絡保護回路804は第2のnMOSスイッチ807と定電圧ダイオード(ツエナーダイオード)806で構成され、第2のnMOSスイッチ807のゲートはセンス抵抗801に接続され、第2のnMOSスイッチ807のドレインは定電圧ダイオード(ツエナーダイオード)806のアノードに接続され、定電圧ダイオード(ツエナーダイオード)806のカソードはIGBT303のゲートに接続されている。以下に、図12の回路動作を説明する。
FIG. 12 is an example of a specific circuit diagram for short-circuit protection according to the present embodiment, and other circuit diagrams may be used with the same circuit function. The
ドライバIC708がIGBT303のゲート電圧パルスを出力すると、IGBT303がターンオンし、IGBT303にコレクタ電流Icが流れる。同時にセンスIGBT800にはIcの分流電流Isが流れ、センス抵抗801に流れ込み、センス抵抗801にセンス電圧Vsが発生する。閾値調整回路802はゲート電圧を分圧する回路であり、その分圧値が検知許可回路803の電圧反転回路808に入る。ゲート電圧が所定の閾値電圧Vg1以下では電圧反転回路808はHighレベルを出力し、第1のnMOSスイッチ809はオン状態となり、センス電圧Vsはほぼ0ボルトとなる。つまり、ゲート電圧が所定の閾値電圧Vg1以下ではセンス電圧Vsの検知を許可しない状態となる。一方、ゲート電圧がVg1より大きいときには電圧反転回路808はLowレベルを出力し、第1のnMOSスイッチ809はオフ状態(nMOSスイッチ809のドレインがオープン状態)となり、センス電圧Vsがそのまま第2のnMOSスイッチ807のゲートに入る。つまり、ゲート電圧が所定の閾値電圧Vg1より大きいときにはセンス電圧Vsの検知が許可状態となる。閾値電圧Vg1を調整するためには、第1の抵抗810又は第2の抵抗811の抵抗値を変える。検知許可回路803が許可状態のとき、すなわちゲート電圧がVg1より大きいとき、電源短絡などの異常でセンス電圧Vsが第1の所定の閾値Vs1を超えると、第2のnMOSスイッチ807はオン状態となり、定電圧ダイオード(ツエナーダイオード)806のアノードはほぼ0ボルトとなる。定電圧ダイオード(ツエナーダイオード)806のカソード側にはツエナー電圧Vz以上の電圧が掛かり、ゲート電圧を所定の電圧値(ツエナー電圧Vz)に保持し、IGBT303の飽和電流を抑制する。また、センス電圧Vsが第1の所定の閾値Vs1以下では第2のnMOSスイッチ807はオフ状態となり、定電圧ダイオード(ツエナーダイオード)806のアノードはオープン状態となり、短絡保護回路804は動作しない。尚、閾値調整回路802が無い場合でも本発明の効果は実現できる。つまり、IGBT303のゲート電圧を直接電圧反転回路808に入れても良い。この場合、通常ゲート電圧は15V程度であるので、電圧反転回路808も15V動作が可能な回路にする必要がある。
When the
更に、別の実施形態として、短絡保護回路804の回路機能と併せてドライバIC708の異常時ソフト遮断機能と併用する場合も有り得る。その場合、センス電圧VsはドライバIC708にも入力する。センス電圧Vsが第2の閾値Vs2を越えると、ドライバIC708はIGBT303のソフト遮断動作を始める。センス電圧Vsが第2の閾値Vs2以下では、ドライバIC708は通常のスイッチング動作を維持する。センス電圧Vsの第1の閾値Vs1と第2の閾値Vs2の大小関係はIGBT303の短絡耐量、ドライバIC708のソフト遮断動作に至る遅延時間などに依存する。例えば、第1の閾値Vs1が第2の閾値Vs2より大きい場合、短絡などの異常時に最初にドライバIC708のソフト遮断動作が開始された後、短絡保護回路804が動作する。ただ、ドライバIC708のソフト遮断動作に至る遅延時間が長い場合はこの動作が逆転する。最終的にはIGBT303の短絡耐量を考慮し、これら閾値Vs1,Vs2の大小関係を決める必要がある。
Furthermore, as another embodiment, the circuit function of the short-
図13は本実施形態に関する短絡保護回路の動作時のタイムチャートである。 FIG. 13 is a time chart during operation of the short circuit protection circuit according to the present embodiment.
図13で、812はサージ電圧が乗ったセンス抵抗801の電圧波形、813は検知許可回路803の第1の許可期間、814は検知許可回路803の第2の許可期間、815は第1のセンス電圧閾値レベルVs1、816は短絡異常時の検知タイミング、817はIGBT303のゲート電圧波形、818は前記第1の許可期間及び第2の許可期間を決めるゲート電圧閾値レベルVg1、819はIGBT303が第1のターンオン時にセンス電圧波形に発生する第1のターンオンサージ電圧、820はIGBT303が第1のターンオフ時にセンス電圧波形に発生する第1のターンオフサージ電圧、821はIGBT303が第2のターンオン時にセンス電圧波形に発生する第2のターンオンサージ電圧、822はIGBT303が第2のターンオフ時にセンス電圧波形に発生する第2のターンオフサージ電圧、823は検知許可回路803の出力電圧波形、824は第2のセンス電圧閾値レベルVs2である。尚、本図では第2のセンス電圧閾値レベルVs2が第1のセンス電圧閾値レベルVs1より小さいが、同じ或いは大きい場合も有り得る。
In FIG. 13,
検知許可回路803が無い場合、第2のターンオンサージ電圧821が第1のセンス電圧閾値レベルVs1を超えているため、ここで短絡保護回路804が誤検知してしまう。検知許可回路803がある場合、第1のターンオンサージ電圧819,第1のターンオフサージ電圧820,第2のターンオンサージ電圧,第2のターンオフサージ電圧が除去され、これらサージ電圧による誤検知は無くなる。
When the
更に、別の実施形態として、短絡保護回路804の回路機能と併せてドライバIC708の異常時ソフト遮断機能と併用する場合、もし検知許可回路803が無いと、第1のターンオフサージ電圧820が第2のセンス電圧閾値レベルVs2を超えているため、ここでドライバIC708のソフト遮断回路が誤検知してしまう。ところが、検知許可回路803がある場合、第1のターンオンサージ電圧819,第1のターンオフサージ電圧820、第2のターンオンサージ電圧,第2のターンオフサージ電圧が除去され、これらサージ電圧による誤検知は無くなる。
Furthermore, as another embodiment, when used in combination with the circuit function of the short
9 冷却部
10 上部ケース
11 金属ベース板
12 筐体
13 冷却水入口配管
14 冷却水出口配管
16 下部ケース
17 交流ターミナルケース
18 交流ターミナル
19 冷却水流路
20 制御回路基板
21 コネクタ
22 駆動回路基板
23,712 基板間コネクタ
43 補機用インバータ装置(パワーモジュールを含む)
49 鋳造肉盗み
110 ハイブリッド電気自動車
112 前輪
114 前輪車軸
116 前輪側DEF
118 変速機
120 エンジン
122 動力分配機構
123,124,125,126,127,128,129,130 歯車
136 バッテリ
138 直流コネクタ
140,142 インバータ装置
144 インバータ回路
150 上下アームの直列回路
153 上アームのコレクタ電極
154 上アームのゲート電極端子
155 上アームの信号用エミッタ電極端子
156 上アームのダイオード
157 正極(P)端子
158 負極(N)端子
159 交流端子
163 下アームのコレクタ電極
164 下アームのゲート電極端子
165 下アームの信号用エミッタ電極端子
166 下アームのダイオード
169 中間電極
170 制御部
172 制御回路
174 ドライバ回路
176,182 信号線
180 電流検出部
186 交流電力線
188 交流コネクタ
192,194 モータジェネレータ
195 モータ(補機用=エアコン,オイルポンプ,冷却ポンプ)
200 電力変換装置
300 パワーモジュール(半導体モジュール部)
302 パワーモジュールケース
304 金属ベース
305 フィン
308 U相交流バスバー
310 V相交流バスバー
312 W相交流バスバー
314 直流正極端子
315,507 正極導体板
316 直流負極端子
317,505 負極導体板
318 絶縁紙
320 パワーモジュール制御端子
326 IGBT
327 ダイオード
334 絶縁基板
341 接合部(直流負極バスバー用)
342 パワーモジュールケース突起部
350 ステー
352 ステー下方領域
400,402,404 開口部
401 入口孔
403 出口孔
406 貫通孔
408 隔壁
410 支持部
412,414 ねじ穴(パワーモジュール固定用)
416 ねじ穴(水路カバー固定用)
418 冷媒の流れ(流入方向)
420 カバー
421 冷媒の流れ(Uターン部)
422 冷媒の流れ(流出方向)
500 コンデンサモジュール
502 コンデンサケース
504 負極側コンデンサ端子
506 正極側コンデンサ端子
508 導電材
509,511 開口部(端子固定用)
700 放熱板
702 放熱板開口部
704 熱伝導シート
706 電源回路用トランス
708 ドライバIC
710 電解コンデンサ
714 パワートランジスタ
718 交流端子用切欠部
720,721 固定手段
722 制御端子穴
724 切欠部
730 第一の放熱経路
731 第二の放熱経路
800 センスIGBT
801 センス抵抗
802 閾値調整回路
803 検知許可回路
804 短絡保護回路
806 定電圧ダイオード(ツエナーダイオード)
807 第2のnMOSスイッチ
808 電圧反転回路
809 第1のnMOSスイッチ
810 第1の抵抗
811 第2の抵抗
812 検知許可回路が無い場合のセンス抵抗の電圧波形
813 第1の許可期間
814 第2の許可期間
815 第1のセンス電圧閾値レベルVs1
816 短絡異常時の検知タイミング
817 IGBT303のゲート電圧波形
818 ゲート電圧閾値レベルVg1
819 第1のターンオンサージ電圧
820 第1のターンオフサージ電圧
821 第2のターンオンサージ電圧
822 第2のターンオフサージ電圧
823 検知許可回路がある場合のセンス抵抗の電圧波形
824 第2のセンス電圧閾値レベルVs2
9 Cooling
11
49
200
302
342 Power
416 Screw hole (for fixing the water channel cover)
418 Flow of refrigerant (inflow direction)
420
422 Flow of refrigerant (outflow direction)
500 Capacitor module 502
700
704 Thermal
710
730 First
801
807
816 Detection timing at the time of
819 First turn-on
Claims (9)
前記複数のスイッチング素子のスイッチング動作を制御するための駆動回路と、
前記電流センス用スイッチング素子の電流をセンス電圧に変換するセンス抵抗と、
前記センス電圧と前記スイッチング素子の駆動信号電圧を入力して所定期間だけセンス電圧を出力する検知許可回路と、
前記所定期間に前記スイッチング素子を短絡保護する短絡保護回路を有する電力変換装置。 A power module having a plurality of switching elements configured to convert a direct current supplied from a battery into an alternating current and configured with at least one current sensing switching element;
A drive circuit for controlling a switching operation of the plurality of switching elements;
A sense resistor for converting a current of the current sensing switching element into a sense voltage;
A detection permission circuit for inputting the sense voltage and the drive signal voltage of the switching element and outputting the sense voltage for a predetermined period;
The power converter device which has a short circuit protection circuit which carries out the short circuit protection of the said switching element in the said predetermined period.
前記所定期間を調整するため前記スイッチング素子の駆動信号電圧を使って検知許可回路の閾値を調整する閾値調整回路と、
前記所定期間に前記スイッチング素子を短絡保護する短絡保護回路を有する電力変換装置。 The power conversion device according to claim 1,
A threshold adjustment circuit for adjusting a threshold of the detection permission circuit using a drive signal voltage of the switching element to adjust the predetermined period;
The power converter device which has a short circuit protection circuit which carries out the short circuit protection of the said switching element in the said predetermined period.
前記駆動回路は短絡保護機能を有し、前記短絡保護回路と併用して短絡保護動作する電力変換装置。 The power conversion device according to claim 1 or 2,
The drive circuit has a short-circuit protection function, and is a power conversion device that performs a short-circuit protection operation in combination with the short-circuit protection circuit.
前記検知許可回路は前記センス抵抗の両端を短絡するスイッチ素子と、
前記閾値調整回路の出力電圧を入力し論理反転する電圧反転回路を有する電力変換装置。 The power conversion device according to any one of claims 1 to 3,
The detection permission circuit includes a switch element that short-circuits both ends of the sense resistor;
A power conversion device having a voltage inversion circuit for inputting and logically inverting the output voltage of the threshold adjustment circuit.
前記閾値調整回路は前記スイッチング素子のゲート電圧を分圧し、その分圧値を前記検知許可回路に出力する第1の抵抗と第2の抵抗を有する電力変換装置。 The power conversion device according to claim 2,
The threshold value adjustment circuit divides a gate voltage of the switching element, and outputs a divided value to the detection permission circuit, and includes a first resistor and a second resistor.
前記電動力を発生する電動機と、
前記車載電源と前記電動機との間に電気的に接続されて、前記車載電源と前記電動機と
の間における電力の授受を制御する電力変換装置とを有し、
前記電力変換装置は、
バッテリから供給される直流電流を交流電流に変換し、かつ少なくとも一つ電流センス用スイッチング素子で構成される複数のスイッチング素子を有するパワーモジュールと、
このパワーモジュールの前記車載電源側に電気的に並列に接続されたコンデンサモジュ
ールと、
前記複数のスイッチング素子のスイッチング動作を制御するための駆動回路と、
前記電流センス用スイッチング素子の電流をセンス電圧に変換するセンス抵抗と、
前記センス電圧を入力して所定期間だけセンス電圧を出力する検知許可回路と、
前記所定期間を調整するため前記スイッチング素子の駆動信号電圧を使って検知許可回路の閾値を調整する閾値調整回路と、
前記所定期間に前記スイッチング素子を短絡保護する短絡保護回路を有する車載用電機システム。 An in-vehicle electric system that converts electric power supplied from an in-vehicle power source into electric power,
An electric motor that generates the electric force;
A power conversion device that is electrically connected between the in-vehicle power source and the electric motor, and controls the transfer of electric power between the in-vehicle power source and the electric motor;
The power converter is
A power module having a plurality of switching elements configured to convert a direct current supplied from a battery into an alternating current and configured with at least one current sensing switching element;
A capacitor module electrically connected in parallel to the in-vehicle power supply side of the power module;
A drive circuit for controlling a switching operation of the plurality of switching elements;
A sense resistor for converting a current of the current sensing switching element into a sense voltage;
A detection enabling circuit for inputting the sense voltage and outputting the sense voltage for a predetermined period;
A threshold adjustment circuit for adjusting a threshold of the detection permission circuit using a drive signal voltage of the switching element to adjust the predetermined period;
A vehicle-mounted electrical system having a short-circuit protection circuit that short-circuit protects the switching element during the predetermined period.
前記駆動回路は短絡保護機能を有し、前記短絡保護回路と併用して短絡保護動作する車載用電機システム。 The in-vehicle electric system according to claim 6,
The drive circuit has a short circuit protection function, and is used in combination with the short circuit protection circuit to perform a short circuit protection operation.
前記検知許可回路は前記センス抵抗の両端を短絡するスイッチ素子と、
前記閾値調整回路の出力電圧を入力し論理反転する電圧反転回路を有する車載用電機システム。 The on-vehicle electric system according to claim 6 or 7,
The detection permission circuit includes a switch element that short-circuits both ends of the sense resistor;
An in-vehicle electric system having a voltage inverting circuit for inputting and logically inverting the output voltage of the threshold adjustment circuit.
前記閾値調整回路は前記スイッチング素子のゲート電圧を分圧し、その分圧値を前記検知許可回路に出力する第1の抵抗と第2の抵抗を有する車載用電機システム。 The on-vehicle electric system according to any one of claims 6 to 8,
The threshold adjustment circuit divides the gate voltage of the switching element, and outputs a divided value to the detection permission circuit, and includes a first resistor and a second resistor.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2009093520A JP2010245910A (en) | 2009-04-08 | 2009-04-08 | Electric power conversion apparatus and on-vehicle electric system using the same |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2009093520A JP2010245910A (en) | 2009-04-08 | 2009-04-08 | Electric power conversion apparatus and on-vehicle electric system using the same |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2010245910A true JP2010245910A (en) | 2010-10-28 |
Family
ID=43098431
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2009093520A Pending JP2010245910A (en) | 2009-04-08 | 2009-04-08 | Electric power conversion apparatus and on-vehicle electric system using the same |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2010245910A (en) |
Cited By (11)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2012077187A1 (en) * | 2010-12-07 | 2012-06-14 | 日立オートモティブシステムズ株式会社 | Power converter |
JP2012217087A (en) * | 2011-04-01 | 2012-11-08 | Denso Corp | Load drive device |
WO2013046880A1 (en) * | 2011-09-27 | 2013-04-04 | 日立オートモティブシステムズ株式会社 | Automobile power conversion control device |
JP2013240247A (en) * | 2012-05-17 | 2013-11-28 | Denso Corp | Switching element drive circuit |
CN104608639A (en) * | 2014-12-24 | 2015-05-13 | 山东新大洋电动车有限公司 | High-voltage electrical connector for pure electric vehicles |
JP2015216842A (en) * | 2015-07-31 | 2015-12-03 | 日立オートモティブシステムズ株式会社 | Power converter |
JP2017126953A (en) * | 2016-01-15 | 2017-07-20 | 富士電機株式会社 | Semiconductor device |
JP2017208738A (en) * | 2016-05-19 | 2017-11-24 | 株式会社デンソー | Semiconductor device |
CN110445447A (en) * | 2018-05-02 | 2019-11-12 | Ls产电株式会社 | Motor drive |
KR102228008B1 (en) * | 2019-10-31 | 2021-03-12 | 현대오트론 주식회사 | Apparatus for protecting low side driver and delay method of parasitic components using the same |
WO2023286255A1 (en) * | 2021-07-15 | 2023-01-19 | 日立Astemo株式会社 | Power conversion device |
-
2009
- 2009-04-08 JP JP2009093520A patent/JP2010245910A/en active Pending
Cited By (22)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
EP2651023A4 (en) * | 2010-12-07 | 2017-11-29 | Hitachi Automotive Systems, Ltd. | Power converter |
CN103250339B (en) * | 2010-12-07 | 2015-11-25 | 日立汽车系统株式会社 | Power-converting device |
CN103250339A (en) * | 2010-12-07 | 2013-08-14 | 日立汽车系统株式会社 | Power converter |
WO2012077187A1 (en) * | 2010-12-07 | 2012-06-14 | 日立オートモティブシステムズ株式会社 | Power converter |
US8976551B2 (en) | 2010-12-07 | 2015-03-10 | Hitachi Automotive Systems, Ltd. | Power converter |
JPWO2012077187A1 (en) * | 2010-12-07 | 2014-05-19 | 日立オートモティブシステムズ株式会社 | Power converter |
JP5681210B2 (en) * | 2010-12-07 | 2015-03-04 | 日立オートモティブシステムズ株式会社 | Power converter |
JP2012217087A (en) * | 2011-04-01 | 2012-11-08 | Denso Corp | Load drive device |
WO2013046880A1 (en) * | 2011-09-27 | 2013-04-04 | 日立オートモティブシステムズ株式会社 | Automobile power conversion control device |
CN103765753A (en) * | 2011-09-27 | 2014-04-30 | 日立汽车系统株式会社 | Automobile power conversion control device |
US9960710B2 (en) | 2011-09-27 | 2018-05-01 | Hitachi Automotive Systems, Ltd. | Automotive vehicle inverter control apparatus |
JP2013240247A (en) * | 2012-05-17 | 2013-11-28 | Denso Corp | Switching element drive circuit |
CN104608639A (en) * | 2014-12-24 | 2015-05-13 | 山东新大洋电动车有限公司 | High-voltage electrical connector for pure electric vehicles |
JP2015216842A (en) * | 2015-07-31 | 2015-12-03 | 日立オートモティブシステムズ株式会社 | Power converter |
JP2017126953A (en) * | 2016-01-15 | 2017-07-20 | 富士電機株式会社 | Semiconductor device |
CN107070438A (en) * | 2016-01-15 | 2017-08-18 | 富士电机株式会社 | Semiconductor device |
CN107070438B (en) * | 2016-01-15 | 2022-01-14 | 富士电机株式会社 | Semiconductor device with a plurality of semiconductor chips |
JP2017208738A (en) * | 2016-05-19 | 2017-11-24 | 株式会社デンソー | Semiconductor device |
CN110445447B (en) * | 2018-05-02 | 2023-05-12 | Ls产电株式会社 | Motor driving device |
CN110445447A (en) * | 2018-05-02 | 2019-11-12 | Ls产电株式会社 | Motor drive |
KR102228008B1 (en) * | 2019-10-31 | 2021-03-12 | 현대오트론 주식회사 | Apparatus for protecting low side driver and delay method of parasitic components using the same |
WO2023286255A1 (en) * | 2021-07-15 | 2023-01-19 | 日立Astemo株式会社 | Power conversion device |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP5961714B2 (en) | Power converter | |
JP4293246B2 (en) | Power converter | |
JP5508357B2 (en) | Power converter | |
JP5171520B2 (en) | Power converter | |
JP5244876B2 (en) | Power converter and electric vehicle | |
JP2010245910A (en) | Electric power conversion apparatus and on-vehicle electric system using the same | |
JP5323039B2 (en) | Power converter | |
JP5439309B2 (en) | Power converter | |
JP5815063B2 (en) | Power converter | |
JP5268688B2 (en) | Power converter | |
JP5622658B2 (en) | Power converter | |
JP2008228502A (en) | Power converter | |
JP2010011671A (en) | Power convertor | |
JP2016103887A (en) | Power semiconductor module | |
JP6272064B2 (en) | Power converter | |
JP5798951B2 (en) | Inverter device |