JP2010288369A - インバータ装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】高電圧バッテリとの遮断後、コンデンサの放電のために余分な回路を追加する必要がなく、コンデンサの容量を小さくすることで入力段にかかる電圧を所定時間以内に所定値以下にする。
【解決手段】内部電源12から出力されるCPU9の電源電圧が安定していないとき、ドライブ信号の出力を禁止し、高電圧バッテリ13とインバータ装置1との遮断後、インバータ装置1の入力段にかかる電圧が所定時間以内に所定値以下になるようなコンデンサ14の容量に応じて設定される周波数の三角基準波と、3相のうちの1相に対応するIGBTをオン、オフさせず残りの2相にそれぞれ対応するIGBTをオン、オフさせるための3つの指令値とに基づいて、ドライブ信号を生成する。
【選択図】図1

Description

本発明は、3相モータの駆動を制御するインバータ装置に関する。
ハイブリット自動車や電気自動車などの車両では、高電圧バッテリを使用して走行用モータやコンプレッサのモータを駆動し、低電圧バッテリを使用してオーディオ機器やLIN(Local Interconnect Network)やCAN(Controller Area Network)などの通信を行うための通信機器を駆動する。このような構成において、例えば、インバータ装置の動作を制御するモータ用CPUと通信機器の動作を制御する通信用CPUとが互いに信号を送受信する場合、フォトカプラを介して信号が送受信される(例えば、特許文献1参照)。
ところで、モータの駆動を制御するためのインバータ装置の入力段には、インバータ装置から出力される電圧のノイズ成分を抑えるために、コイルやコンデンサなどで構成されるフィルタ回路が設けられている。このように、インバータ装置は、入力段にコンデンサが設けられているため、高電圧バッテリと遮断されても、入力段のコンデンサにたまった電荷の放電に時間がかかり入力段にかかる電圧が急峻に下がらない。そのため、高電圧バッテリとの遮断後、インバータ装置の入力段にかかる電圧を所定時間以内に所定値以下にしなくてはならないという条件があっても、その条件を満たせないおそれがある。
入力段のコンデンサにたまった電荷を所定時間以内に所定値以下にするためには、コンデンサと並列に抵抗を接続することや、高圧バッテリが遮断されたことを検知してコンデンサに抵抗を接続することが考えられる。しかし、前者の場合は、常に抵抗がつながっているため、抵抗の消費電力が無駄となるとともに、温度が上昇し過ぎないように体格を大きくする又は、放熱を行う必要がある。また、後者の場合は、高圧バッテリが遮断されたことを検知する回路を追加する必要がある。
また、入力段のコンデンサにたまった電荷を所定時間以内に所定値以下にするためには、コンデンサの容量を小さくする必要があるが、単純にコンデンサの容量を小さくするとインバータ装置を適切に駆動することができない。
特開2004−336907号公報
本発明は、高電圧バッテリとの遮断後、コンデンサにたまった電荷を放電するために余分な回路を追加する必要がなく、コンデンサの容量を小さくすることで入力段にかかる電圧を所定時間以内に所定値以下にすることが可能なインバータ装置を提供することを目的とする。
本発明のインバータ装置は、コイルとコンデンサとにより構成されたフィルタ回路と、複数のスイッチング素子を備え、それらスイッチング素子がそれぞれオン、オフすることにより前記フィルタ回路を介して前記高電圧バッテリから出力される電圧を3相の交流に変換してモータに出力するインバータ回路と、前記モータに流れる電流を検出する電流検出回路と、前記インバータ回路にかかる電圧を検出する電圧検出回路と、前記電流検出回路により検出される電流に基づいて、前記複数のスイッチング素子をオン、オフさせるためのドライブ信号を出力する制御回路と、前記電流検出回路により検出される電流が過電流であると判定すると、又は、前記電圧検出回路により検出される電圧が過電圧であると判定すると、前記制御回路から前記複数のスイッチング素子へのドライブ信号の出力を禁止するシャットダウン回路とを備えたインバータ装置であって、前記高電圧バッテリと前記インバータ装置との接続時、前記フィルタ回路を介して前記高電圧バッテリから出力される電圧に基づいて前記制御回路に電源電圧を出力し、前記高電圧バッテリと前記インバータ装置との遮断後、前記コンデンサにたまっている電荷を使用して前記制御回路に電源電圧を出力する内部電源と、前記内部電源から出力される電圧に基づいて、前記内部電源から出力される電圧が安定しているか否かを判定する判定回路とを備え、前記シャットダウン回路は、前記判定回路により前記内部電源から出力される電圧が安定していないと判定されているとき、前記制御回路から前記複数のスイッチング素子へのドライブ信号の出力を禁止し、前記制御回路は、前記高電圧バッテリと前記インバータ装置との遮断後、前記コンデンサにたまっている電荷が使用されるとき、前記インバータ回路にかかる電圧が所定時間以内に所定値以下になるような前記コンデンサの容量に応じて設定される周波数の三角基準波と、前記3相のうちの1相に対応するスイッチング素子をオン、オフさせず残りの2相にそれぞれ対応するスイッチング素子をオン、オフさせるための3つの指令値とに基づいて、前記ドライブ信号を生成する。
これにより、高電圧バッテリとインバータ装置との遮断後、コンデンサにたまっている電荷を使用して制御回路に電源電圧を出力するため、コンデンサにたまっている電荷が所定値以下になるまで制御回路が動作し続け、コンデンサにたまっている電荷を確実に放電できる。また、3相のうちの1相に対応するスイッチング素子をオン、オフさせず残りの2相にそれぞれ対応するスイッチング素子をオン、オフさせるための3つの指令値に基づいてドライブ信号を生成しているため、高電圧バッテリとインバータ装置との遮断後、インバータ回路にかかる電圧が上記所定時間以内に上記所定値以下になるように、フィルタ回路のコンデンサの容量を小さくし、それに伴って三角基準波の周波数を高くする場合でも、スイッチング損失を低減させることができる。
また、前記判定回路は、前記内部電源から出力される電圧を鈍らせる安定判定用電圧生成回路と、前記内部電源から出力される電圧が立ち上がった後に安定するとき、前記安定判定用電圧生成回路により鈍らされた電圧と一致するような値に、前記内部電源から出力される電圧を分圧する分圧回路と、前記安定判定用電圧生成回路により鈍らされた電圧が、前記分圧回路により分圧された電圧よりも小さいとき、前記内部電源から出力される電圧が安定していないと判定する比較回路とを備えるように構成してもよい。
また、前記制御回路は、前記高電圧バッテリよりも低い電圧を出力する低電圧バッテリにより駆動する回路とフォトカプラを介して信号を送受信するように構成してもよい。
本発明によれば、高電圧バッテリとの遮断後、コンデンサの放電のために余分な回路を追加する必要がないとともに、コンデンサの容量を小さくすることでインバータ装置の入力段にかかる電圧を所定時間以内に所定値以下にすることができる。
本発明の実施形態のインバータ装置を示す図である。 内部電源を示す図である。 抵抗の抵抗値とMOSFETの損失との関係を示す図である。 シャットダウン回路及び判定回路を示す図である。 2相変調方式の指令値及びドライブ信号の一例を示す図である。
図1は、本発明の実施形態のインバータ装置を示す図である。
図1に示すインバータ装置1は、例えば、ハイブリット自動車や電気自動車などの車両に搭載されるコンプレッサのモータの駆動を制御するものであって、フィルタ回路2と、インバータ回路3と、シャント抵抗4〜6と、電圧検出回路7と、温度検出回路8と、CPU9と、シャットダウン回路10と、ドライブ回路11と、内部電源12とを備えて構成されている。なお、特許請求の範囲に記載される制御回路は、CPU9、シャットダウン回路10、及びドライブ回路11などにより構成されるものとする。
フィルタ回路2は、高電圧バッテリ13に並列に接続されるコンデンサ14と、高電圧バッテリ13とコンデンサ14との間に設けられるコイル15とを備え、インバータ回路3から出力される電圧と電流のノイズ成分を抑える。
インバータ回路3は、互いに直列接続されるnチャネルのIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)16、17と、互いに直列接続されるnチャネルのIGBT18、19と、互いに直列接続されるnチャネルのIGBT20、21とがそれぞれフィルタ回路2を介して高電圧バッテリ13に並列接続されて構成されている。IGBT16、17の接続点とモータ22のU相とが接続され、IGBT18、19の接続点とモータ22のV相とが接続され、IGBT20、21の接続点とモータ22のW相とが接続されている。IGBT16〜21が順次オン、オフすることによりモータ22に複数の交流電流が流れモータ22のロータが回転する。なお、インバータ回路3を構成する各スイッチング素子は、ダイオードが並列接続されるMOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)などIGBTに限定されない。
シャント抵抗4は、U相下側のIGBT17と高電圧バッテリ13のマイナス端子との間に設けられ、シャント抵抗5は、V相下側のIGBT19と高電圧バッテリ13のマイナス端子との間に設けられ、シャント抵抗6は、W相下側のIGBT21と高電圧バッテリ13のマイナス端子との間に設けられる。CPU9は、シャント抵抗4〜6にかかる各電圧によりU相、V相、及びW相にそれぞれ流れる電流Iu、Iv、Iwを求める。なお、シャント抵抗4〜6の代わりにIGBT17、19、21のそれぞれのエミッタの接続点と高電圧バッテリ13のマイナス端子との間にシャント抵抗を1つ設けてもよい。このとき、CPU9は、そのシャント抵抗にかかる電圧を所定の複数のタイミングで検出し、それらタイミングで検出される各電圧に基づいてU相、V相、及びW相にそれぞれ流れる電流Iu、Iv、Iwを求める。
電圧検出回路7は、インバータ回路3にかかる電圧Vinを検出する。
温度検出回路8は、インバータ回路3内の温度を検出する。
CPU9は、電流Iu、Iv、Iwに基づいてモータ22のロータの現在位置を求め、そのロータの現在位置と外部から入力される指令トルクとに基づいてU相、V相、W相のそれぞれの指令電圧を求め、それら3つの指令電圧と三角基準波とを使用してPWMによりIGBT16〜21のそれぞれのオン、オフを制御するための各ドライブ信号を生成する。また、CPU9は、温度検出回路8により検出される温度が所定温度を超えると、各ドライブ信号の出力を停止する。また、CPU9は、フォトカプラ23を介して、LINやCANなどの通信を行う通信機器24の動作制御を行うCPU25と信号を送受信する。なお、フォトカプラ23、通信機器24、及びCPU25は、それぞれ、低電圧バッテリ26から出力される電圧により駆動するものとする。
シャットダウン回路10は、正常時、CPU9から出力される各ドライブ信号をドライブ回路11に出力し、異常時(例えば、シャント抵抗4〜6にそれぞれ印加される電圧の何れかが過電流判定用電圧を超えたとき、又は、電圧検出回路7により検出される電圧が過電圧判定用電圧を超えたとき)、CPU9から出力される各ドライブ信号をドライブ回路11に出力しないようにする。
ドライブ回路11は、シャットダウン回路10から出力される各ドライブ信号をIGBT16〜21のそれぞれのゲートに出力し、IGBT16〜21をそれぞれオン、オフさせる。
内部電源12は、フィルタ回路2を介して高電圧バッテリ13から出力される電圧に基づいてCPU9の電源電圧V1、シャットダウン回路10の電源電圧V2、及びドライブ回路11の電源電圧V3を出力する。
スイッチ27は、例えば、車両のイグニッションスイッチと連動しており、イグニッションスイッチがオンすると、オンして高電圧バッテリ13とインバータ装置1とを接続し、イグニッションスイッチがオフすると、オフして高電圧バッテリ13とインバータ装置1とを遮断する。
図2は、内部電源12を示す図である。
図2に示す内部電源12は、コンデンサ28、29と、トランス30と、nチャネルのMOSFET31と、抵抗32〜34と、内部電源制御回路35と、整流回路36〜38と、平滑回路39〜41とを備えて構成されている。なお、内部電源制御回路35は、内部電源12に入力される電圧に基づいて駆動するものとする。また、コンデンサ14、トランス30の1次側コイル、MOSFET31、及び抵抗34は、それら素子からなる配線路のループ面積ができるだけ小さくなるように配置されているものとする。これにより、その配線路により放射されるノイズを低減することができる。
コンデンサ28、29は、互いに直列接続されるとともに、その接続点が接地される、いわゆる、Yコンであり、内部電源12に入力されるサージ電圧を抑えるものである。なお、コンデンサ28、29は、コンデンサ28、29につながる配線42ができるだけ短くなるように配置されているものとする。これにより、配線42がもつインダクタンス成分を小さくすることができ、そのインダクタンス成分により発生するノイズを減らすことができる。
MOSFET31は、コンデンサ14の高電位側に接続されるトランス30の1次側コイルとコンデンサ14の低電位側との間に設けられ、内部電源制御回路35によりオン、オフが制御されることにより、コンデンサ14にたまるエネルギーをトランス30を介して整流回路36〜38に伝える。なお、MOSFET31のゲートに接続される抵抗32の抵抗値は、MOSFET31のチャタリングによる外部へのノイズの影響や図3に示すようなMOSFET31の損失を考慮して最適値に設定されているものとする。
トランス30の複数の2次側コイルからの各交流出力は、整流回路36〜38により整流されるとともに、平滑回路39〜41により平滑された後、CPU9、シャットダウン回路10、及びドライブ回路11にそれぞれ出力される。すなわち、平滑回路41から電源電圧V1が出力され、平滑回路40から電源電圧V2が出力され、平滑回路39から電源電圧V3が出力される。
図4(a)は、シャットダウン回路10を示す図である。
図4(a)に示すシャットダウン回路10は、過電流判定回路43と、過電圧判定回路44と、判定回路45と、ドライブ信号出力回路46とを備えて構成されている。
判定回路45は、分圧回路47と、安定判定用電圧生成回路48と、比較回路49とを備えて構成されている。なお、判定回路45は、シャットダウン回路10内に設けられていなくてもよい。
過電流判定回路43は、シャント抵抗4〜6にそれぞれ印加される電圧の何れかが過電流判定用電圧を超えると、モータ22の各相に流れる電流Iu、Iv、Iwが過電流であることを示す信号S1を出力する。
過電圧判定回路44は、電圧検出回路7により検出される電圧Vinが過電圧判定用電圧を超えると、インバータ回路3にかかる電圧が過電圧であることを示す信号S2を出力する。
分圧回路47は、複数の抵抗などにより構成され、内部電源12から出力される電圧(例えば、電圧V2)を分圧して電圧V4を出力する。
安定判定用電圧生成回路48は、抵抗及びコンデンサで構成されるローパスフィルタなどであり、内部電源12から出力される電圧(例えば、電圧V2)を鈍らせて安定判定用電圧を出力する。なお、分圧回路47は、内部電源12から出力される電圧が立ち上がった後に安定するとき、安定判定用電圧生成回路48から出力される安定判定用電圧と一致するように、内部電源12から出力される電圧を分圧するものとする。
比較回路49は、コンパレータなどにより構成され、図4(b)に示すように、安定判定用電圧が電圧V4よりも小さいとき、内部電源12から出力される電圧が立ち上がり後まだ安定していないことを示す信号S3を出力する。
ドライブ信号出力回路46は、正常時、CPU9から出力される各ドライブ信号をドライブ回路11に出力し、異常時、すなわち、モータ22の各相に流れる電流Iu、Iv、Iwが過電流であることを示す信号S1が入力されると、インバータ回路3にかかる電圧が過電圧であることを示す信号S2が入力されると、又は、内部電源12から出力される電圧が立ち上がり後まだ安定していないことを示す信号S3が入力されているとき、CPU9からドライブ回路11へのドライブ信号の出力を禁止する。
これにより、図4(b)に示すように、内部電源12から出力される電圧が安定していない期間t、インバータ回路3を停止させ、内部電源12から出力される電圧が安定した後、インバータ回路3の駆動を開始させることができるので、IGBT16〜21の誤作動によりIGBT16〜21が破壊されることを防止することができる。
すなわち、図4(c)に示すように、インバータ回路3には内部電源12の出力電圧が安定する前から高電圧バッテリ13から出力される電圧がかかるため、そのときにIBGT16〜21を誤作動させるようなドライブ信号がCPU9からIGBT16〜21へ出力されてしまうと、IGBT16〜21を破壊させてしまうおそれがある。本実施形態のインバータ装置1では、内部電源12から出力される電圧が立ち上がり後まだ安定していないとき、CPU9からドライブ回路11へのドライブ信号の出力を禁止させる構成であるため、内部電源12の作動開始後にIBGT16〜21を誤作動させるようなドライブ信号がCPU9から出力されたとしても、そのドライブ信号がIGBT16〜21に出力されず、IGBT16〜21が誤作動することを防止することができる。
このように、本実施形態のインバータ装置1では、高電圧バッテリ13からフィルタ回路2を介して出力される電圧に基づいてCPU9などを駆動させる構成であっても、IGBT16〜21を誤作動させることがなくなる。そのため、高電圧バッテリ13とインバータ装置1との遮断後も、フィルタ回路2のコンデンサ14にたまった電荷を使用して、内部電源12からCPU9などに電源電圧を出力することができるため、コンデンサ14にたまった電荷により所定値以下になるまで制御回路(CPU9、シャットダウン回路10、及びドライブ回路11)が動作し続け、コンデンサ14にたまった電荷を確実に放電できる。
また、本実施形態のインバータ装置1では、高電圧バッテリ13とインバータ装置1との遮断後、コンデンサ14にたまった電荷が使用されて内部電源12からCPU9などに電源電圧が出力されるとき、インバータ回路3にかかる電圧が所定時間以内に所定値以下になるようなコンデンサ14の容量に応じて、ドライブ信号を生成するために使用される三角基準波の周波数が設定されている。例えば、高電圧バッテリ13とインバータ装置1との遮断後、インバータ回路3にかかる電圧が所定時間以内に所定値以下になるように、よりコンデンサ14の容量を小さくする場合、コンデンサ14の容量を小さくする分三角基準波の周波数を高くする。
これにより、高電圧バッテリ13とインバータ装置1との遮断後、インバータ装置1の入力段にかかる電圧を上記所定時間以内に上記所定値以下にすることができる。
また、本実施形態のインバータ装置1では、PWMによりドライブ信号を生成する際、U相、V相、W相の3相のうちの1相に対応する1組のIGBTをオン、オフさせず残りの2相にそれぞれ対応する2組のIGBTをオン、オフさせるための3つの指令値(いわゆる、2相変調方式で使用される指令値)を使用してドライブ信号を生成している。例えば、図5に示すようなU相、V相、W相の各指令値を使用してドライブ信号を生成する場合、モータ22のロータの回転角度が0〜60度のとき、U相及びW相に対応する各IGBTがそれぞれオン、オフし、V相に対応するIGBT18、19がオン又はオフし続ける。また、モータ22のロータの回転角度が60〜120度のとき、V相及びW相に対応する各IGBTがそれぞれオン、オフし、U相に対応するIGBT16、17がオン又はオフし続ける。また、モータ22のロータの回転角度が120〜180度のとき、U相及びV相に対応する各IGBTがそれぞれオン、オフし、W相に対応するIGBT20、21がオン又はオフし続ける。
これにより、高電圧バッテリ13とインバータ装置1との遮断後、インバータ回路3にかかる電圧が所定時間以内に所定値以下になるように、コンデンサ14の容量を小さくし、それに伴って三角基準波の周波数を高くする場合でも、スイッチング損失を低減させることができる。
1 インバータ装置
2 フィルタ回路
3 インバータ回路
4〜6 シャント抵抗
7 電圧検出回路
8 温度検出回路
9 CPU
10 シャットダウン回路
11 ドライブ回路
12 内部電源
13 高電圧バッテリ
14 コンデンサ
15 コイル
16〜21 IGBT
22 モータ
23 フォトカプラ
24 通信機器
25 CPU
26 低電圧バッテリ
27 スイッチ

Claims (3)

  1. コイルとコンデンサとにより構成されたフィルタ回路と、
    複数のスイッチング素子を備え、それらスイッチング素子がそれぞれオン、オフすることにより前記フィルタ回路を介して高電圧バッテリから出力される電圧を3相の交流に変換してモータに出力するインバータ回路と、
    前記モータに流れる電流を検出する電流検出回路と、
    前記インバータ回路にかかる電圧を検出する電圧検出回路と、
    前記電流検出回路により検出される電流に基づいて、前記複数のスイッチング素子をオン、オフさせるためのドライブ信号を出力する制御回路と、
    前記電流検出回路により検出される電流が過電流であると判定すると、又は、前記電圧検出回路により検出される電圧が過電圧であると判定すると、前記制御回路から前記複数のスイッチング素子へのドライブ信号の出力を禁止するシャットダウン回路とを備えたインバータ装置であって、
    前記高電圧バッテリと前記インバータ装置との接続時、前記フィルタ回路を介して前記高電圧バッテリから出力される電圧に基づいて前記制御回路に電源電圧を出力し、前記高電圧バッテリと前記インバータ装置との遮断後、前記コンデンサにたまっている電荷を使用して前記制御回路に電源電圧を出力する内部電源と、
    前記内部電源から出力される電圧に基づいて、前記内部電源から出力される電圧が安定しているか否かを判定する判定回路と、
    を備え、
    前記シャットダウン回路は、前記判定回路により前記内部電源から出力される電圧が安定していないと判定されているとき、前記制御回路から前記複数のスイッチング素子へのドライブ信号の出力を禁止し、
    前記制御回路は、前記高電圧バッテリと前記インバータ装置との遮断後、前記コンデンサにたまっている電荷が使用されるとき、前記インバータ回路にかかる電圧が所定時間以内に所定値以下になるような前記コンデンサの容量に応じて設定される周波数の三角基準波と、前記3相のうちの1層に対応するスイッチング素子をオン、オフさせず残りの2相にそれぞれ対応するスイッチング素子をオン、オフさせるための3つの指令値とに基づいて、前記ドライブ信号を生成する
    ことを特徴とするインバータ装置。
  2. 請求項1に記載のインバータ装置であって、
    前記判定回路は、
    前記内部電源から出力される電圧を鈍らせる安定判定用電圧生成回路と、
    前記内部電源から出力される電圧が立ち上がった後に安定するとき、前記安定判定用電圧生成回路により鈍らされた電圧と一致するような値に、前記内部電源から出力される電圧を分圧する分圧回路と、
    前記安定判定用電圧生成回路により鈍らされた電圧が、前記分圧回路により分圧された電圧よりも小さいとき、前記内部電源から出力される電圧が安定していないと判定する比較回路と、
    を備えることを特徴とするインバータ装置。
  3. 請求項1又は請求項2に記載のインバータ装置であって、
    前記制御回路は、前記高電圧バッテリよりも低い電圧を出力する低電圧バッテリにより駆動する回路とフォトカプラを介して信号を送受信する
    ことを特徴とするインバータ装置。
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