JP2011066989A - Power conversion device - Google Patents

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Yukio Hosono
幸男 細野
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To miniaturize a power conversion device as a whole by reducing the size of each switching element which constitutes a step-up/down converter and an inverter. <P>SOLUTION: The switching elements 21, 22 in the step-up/down converter 12 of the power conversion device 40 and the switching elements 34 to 39 in the inverter 13 are of types which are embedded with temperature sensitive diodes 41, respectively, as represented by the switching element 35. When temperatures of the switching elements 21 to 22, 34 to 39 detected by the temperature sensitive diodes 41 exceed preset thresholds, a drive control unit 43 lowers an output voltage Vcc of the step-up/down converter 12 (hereinafter called a boosting voltage) to a voltage value (prescribed value) which can secure a blocking tolerated dose of each switching element 21 to 22, 34 to 39 at the highest use temperature. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&INPIT

Description

本発明は、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)などの電力変換用のスイッチング素子を用いて交流モータやモータジェネレータを駆動する電力変換装置に関する。   The present invention relates to a power conversion device that drives an AC motor or a motor generator using a switching element for power conversion such as an IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor).

従来、電力変換装置として例えば特許文献1に記載のものが有る。この電力変換装置は、図1に符号10で示す回路構成から成り、バッテリー11と、昇降圧コンバータ12と、モータジェネレータ(負荷装置)MGを駆動制御するインバータ13と、蓄電の役割も有するサージ電圧吸収用のコンデンサ15とを備えて構成されている。なお、電力変換装置10は1つの筺体に収容されて構成されている。   Conventionally, there exists a thing of patent document 1 as a power converter device, for example. This power conversion device has a circuit configuration indicated by reference numeral 10 in FIG. 1, and includes a battery 11, a buck-boost converter 12, an inverter 13 that drives and controls a motor generator (load device) MG, and a surge voltage that also serves as a power storage. An absorption capacitor 15 is provided. In addition, the power converter device 10 is accommodated and comprised in one housing.

バッテリー11は、昇降圧コンバータ12に接続されており、昇降圧コンバータ12に直流電力を供給し、また昇降圧コンバータ12から回生される直流電力を蓄電する。   The battery 11 is connected to the buck-boost converter 12, supplies DC power to the buck-boost converter 12, and stores DC power regenerated from the buck-boost converter 12.

昇降圧コンバータ12は、バッテリー11から供給された直流電力を昇圧してインバータ13へ出力し、またインバータ13から出力された直流電力を降圧してバッテリー11へ出力する。また、昇降圧コンバータ12は、コンデンサ23と、リアクトル24と、高圧側の半導体素子である上アーム用のスイッチング素子(電力変換用スイッチング素子)21と、高圧GND(グランド)側の半導体素子である下アーム用のスイッチング素子(電力変換用スイッチング素子)22と、ダイオードD1,D2を含んで構成されている。   The step-up / down converter 12 boosts the DC power supplied from the battery 11 and outputs the boosted DC power to the inverter 13, and steps down the DC power output from the inverter 13 and outputs it to the battery 11. The buck-boost converter 12 is a capacitor 23, a reactor 24, an upper arm switching element (power conversion switching element) 21 which is a high voltage side semiconductor element, and a high voltage GND (ground) side semiconductor element. The lower arm switching element (power conversion switching element) 22 and diodes D1 and D2 are included.

これら構成要素は、バッテリー11の正極側にコンデンサ23及びリアクトル24の一端が接続され、負極側にコンデンサ23の他端とスイッチング素子22のエミッタ端子が接続されている。スイッチング素子21とスイッチング素子22とは直列に接続されており、リアクトル24の他端は、その間、つまりスイッチング素子21のエミッタ端子及びスイッチング素子22のコレクタ端子に接続されている。   In these components, one end of the capacitor 23 and the reactor 24 is connected to the positive electrode side of the battery 11, and the other end of the capacitor 23 and the emitter terminal of the switching element 22 are connected to the negative electrode side. The switching element 21 and the switching element 22 are connected in series, and the other end of the reactor 24 is connected between them, that is, the emitter terminal of the switching element 21 and the collector terminal of the switching element 22.

上アーム用のスイッチング素子21のコレクタ端子は、後述するインバータ13の一端側に接続されている。下アーム用のスイッチング素子22のエミッタ端子は、インバータ13の他端側に接続されている。スイッチング素子21のコレクタ−エミッタ間には、エミッタ側からコレクタ側に電流を流すダイオードD1が接続され、同様にスイッチング素子22のコレクタ−エミッタ間にもダイオードD2が接続されている。   The collector terminal of the switching element 21 for the upper arm is connected to one end side of the inverter 13 described later. The emitter terminal of the switching element 22 for the lower arm is connected to the other end side of the inverter 13. Between the collector and emitter of the switching element 21, a diode D <b> 1 that allows current to flow from the emitter side to the collector side is connected. Similarly, a diode D <b> 2 is also connected between the collector and emitter of the switching element 22.

モータジェネレータMGは、インバータ13に接続されており、バッテリー11から供給される電力により駆動する。発電機として働く場合は、交流電力をインバータ13に出力する。   Motor generator MG is connected to inverter 13 and is driven by electric power supplied from battery 11. When working as a generator, AC power is output to the inverter 13.

インバータ13は、互いに並列に接続されており、昇降圧コンバータ12によって昇圧された直流電力を三相交流に変換して、モータジェネレータMGに出力する。また、モータジェネレータMGが発電機として働く場合は、モータジェネレータMGから出力される交流電力を直流に変換して昇降圧コンバータ12に出力する。   The inverters 13 are connected in parallel to each other, convert the DC power boosted by the step-up / down converter 12 into three-phase AC, and output it to the motor generator MG. When motor generator MG functions as a generator, AC power output from motor generator MG is converted to DC and output to buck-boost converter 12.

また、インバータ13は、U相31、V相32及びW相33からなり、U相31、V相32及びW相33は、昇降圧コンバータ12に並列に接続されている。U相31は、高圧側の半導体素子の上アーム用のスイッチング素子34と高圧GND側の半導体素子の下アーム用のスイッチング素子35とが直列に接続されてなる。同様に、V相は上アーム用のスイッチング素子36と下アーム用のスイッチング素子37、W相は上アーム用のスイッチング素子38と下アーム用のスイッチング素子39が直列に接続されてなる。   The inverter 13 includes a U phase 31, a V phase 32, and a W phase 33, and the U phase 31, the V phase 32, and the W phase 33 are connected to the step-up / down converter 12 in parallel. The U-phase 31 is formed by connecting a switching element 34 for the upper arm of the semiconductor element on the high voltage side and a switching element 35 for the lower arm of the semiconductor element on the high voltage GND side in series. Similarly, the switching element 36 for the upper arm and the switching element 37 for the lower arm are connected in the V phase, and the switching element 38 for the upper arm and the switching element 39 for the lower arm are connected in series in the W phase.

各スイッチング素子34〜39のコレクタ−エミッタ間には、エミッタ側からコレクタ側へ電流を流すダイオードD3〜D8がそれぞれ接続されている。UVW各相の中間点は、モータジェネレータMGの各相コイル(図示略)の各相端に接続されている。ここで、昇降圧コンバータ12及びインバータ13にそれぞれ含まれるスイッチング素子は、IGBT等のパワーデバイスが用いられているとする。   Between the collectors and emitters of the respective switching elements 34 to 39, diodes D3 to D8 for passing a current from the emitter side to the collector side are respectively connected. An intermediate point of each UVW phase is connected to each phase end of each phase coil (not shown) of motor generator MG. Here, it is assumed that a power device such as an IGBT is used as the switching element included in each of the step-up / step-down converter 12 and the inverter 13.

このような電力変換装置10においては、バッテリー11の直流電力が昇降圧コンバータ12で昇圧されてインバータ13で三相交流に変換され、この三相交流でモータジェネレータMGが駆動される。一方、モータジェネレータMGが発電機として働く場合は、モータジェネレータMGから出力される交流電力がインバータ13で直流電力に変換され、更に昇降圧コンバータ12で降圧されてバッテリー11に回生される。   In such a power conversion device 10, the DC power of the battery 11 is boosted by the step-up / down converter 12 and converted into three-phase AC by the inverter 13, and the motor generator MG is driven by this three-phase AC. On the other hand, when the motor generator MG functions as a generator, AC power output from the motor generator MG is converted into DC power by the inverter 13, further stepped down by the step-up / down converter 12, and regenerated to the battery 11.

特開2005−204363号公報JP 2005-204363 A

しかし、上述した従来の電力変換装置10においては、図2に×印で示すように、例えばインバータ13の1つのスイッチング素子34が短絡故障している状態で、そのスイッチング素子34に直列接続されたスイッチング素子35がオンすると、矢印Y1で示すように、バッテリー11の電圧を昇降圧コンバータ12で昇圧した電圧Vccと各スイッチング素子34,35の回路インピーダンスに応じた過電流が流れる。そこで、正常なスイッチング素子35を保護するためその過電流を検出し、スイッチング素子35の遮断耐量を超えない内にスイッチング素子35をオフしていた。   However, in the conventional power conversion device 10 described above, as indicated by a cross in FIG. 2, for example, one switching element 34 of the inverter 13 is connected in series to the switching element 34 in a state where a short circuit has failed. When the switching element 35 is turned on, as indicated by an arrow Y1, an overcurrent corresponding to the voltage Vcc obtained by boosting the voltage of the battery 11 by the step-up / down converter 12 and the circuit impedance of each of the switching elements 34 and 35 flows. Therefore, in order to protect the normal switching element 35, the overcurrent is detected, and the switching element 35 is turned off without exceeding the cutoff withstand capability of the switching element 35.

遮断耐量とは、スイッチング素子が破壊するまでの耐量であり、図3に線分L1で示すように、スイッチング素子の温度が上昇すると遮断耐量が下がる特性がある。また、図4に線分L2で示すように、遮断耐量は、スイッチング素子の面積が増加する程に大きくなる特性がある。   The withstand capability is the withstand capability until the switching element breaks, and has a characteristic that the withstand capability decreases as the temperature of the switching element rises, as indicated by a line segment L1 in FIG. Further, as indicated by a line segment L2 in FIG. 4, the withstand voltage has a characteristic of increasing as the area of the switching element increases.

このことから、スイッチング素子35の温度が急上昇した場合、遮断耐量が下がってスイッチング素子35が破損に至る場合があるので、過電流を検出してから遮断耐量を超えない内にスイッチング素子35をオフするといったことが出来なくなるケースが生じる。そこで、電力変換装置10の各スイッチング素子を大きくして面積を増加させ、遮断耐量を大きくする必要がある。しかし、この場合、各スイッチング素子が大きくなるので、小型化が求められる電力変換装置10が大きくなるという問題がある。   For this reason, when the temperature of the switching element 35 rises rapidly, the breaking resistance may decrease and the switching element 35 may be damaged. Therefore, after the overcurrent is detected, the switching element 35 is turned off without exceeding the breaking resistance. There is a case where it is impossible to do. Therefore, it is necessary to increase the area by increasing the size of each switching element of the power conversion device 10 to increase the withstand voltage. However, in this case, since each switching element becomes large, there is a problem that the power conversion device 10 that is required to be downsized becomes large.

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、昇降圧コンバータ及びインバータを構成する各スイッチング素子を小型とすることによって電力変換装置全体を小型化することができる電力変換装置を提供することを目的とする。   This invention is made | formed in view of such a situation, and provides the power converter device which can reduce the whole power converter device by making each switching element which comprises a buck-boost converter and an inverter small. The purpose is to do.

上記目的を達成するためになされた請求項1に記載の発明は、バッテリーの直流電力を昇圧する複数のスイッチング素子を有する昇降圧コンバータと、この昇降圧コンバータでの昇圧電圧を交流電圧に変換する複数のスイッチング素子を有するインバータとを備え、インバータで変換された交流電圧で負荷装置を駆動する電力変換装置において、前記昇降圧コンバータ及び前記インバータのスイッチング素子の温度を検出し、この検出された温度に基づいて、前記昇圧電圧を下げる制御を行う制御手段を備えることを特徴とする。   In order to achieve the above object, the invention according to claim 1 is a buck-boost converter having a plurality of switching elements that boost the DC power of the battery, and converts the boost voltage in the buck-boost converter into an AC voltage. An inverter having a plurality of switching elements, and detecting the temperature of the step-up / down converter and the switching elements of the inverter in a power converter that drives a load device with an AC voltage converted by the inverter, and the detected temperature And a control means for performing control to lower the boosted voltage.

この構成によれば、検出されたスイッチング素子の温度に基づいて昇圧電圧を下げれば、その昇圧電圧がコレクタ−エミッタ間に印加されるスイッチング素子のコレクタ−エミッタ間電圧も下がるので、スイッチング素子の温度上昇によって素子が遮断(破壊)状態となるまでに費やす遮断エネルギーが下がる。この遮断エネルギーが、スイッチング素子の最高使用温度時の遮断耐量を確保できる状態まで下がれば、従来のようにスイッチング素子のサイズを大きくしなくても、温度上昇時に素子破壊を招かない遮断耐量を確保することができるので、素子サイズを小型化することができ、これによって電力変換装置全体を小型化することができる。   According to this configuration, if the boosted voltage is lowered based on the detected temperature of the switching element, the boosted voltage also decreases the collector-emitter voltage of the switching element applied between the collector and the emitter. As a result of the increase, the interruption energy consumed until the element enters the interruption (destruction) state is reduced. If this shut-off energy is reduced to a level where the shut-off resistance at the maximum operating temperature of the switching element can be ensured, it is possible to secure a shut-off resistance that does not cause destruction of the element when the temperature rises without increasing the size of the switching element as in the past. Therefore, the element size can be reduced, and thus the entire power conversion device can be reduced.

請求項2に記載の発明は、前記制御手段は、前記昇圧電圧を下げる制御を行う際に、前記検出された温度が予め定められた閾値を超えた場合に、前記昇圧電圧を、当該スイッチング素子の最高使用温度時の遮断耐量を確保できる所定値まで下げる制御を行うことを特徴とする。   According to a second aspect of the present invention, when the control means performs the control to lower the boost voltage, the control device is configured to change the boost voltage to the switching element when the detected temperature exceeds a predetermined threshold. It is characterized in that control is performed to reduce to a predetermined value that can ensure the withstand voltage at the maximum operating temperature.

この構成によれば、昇圧電圧を所定値まで下げれば、その昇圧電圧がコレクタ−エミッタ間に印加されるスイッチング素子のコレクタ−エミッタ間電圧も下がるので、スイッチング素子の温度上昇によって素子が遮断(破壊)状態となるまでに費やす遮断エネルギーが最高使用温度時の遮断耐量を確保できる状態まで下がる。従って、従来のようにスイッチング素子のサイズを大きくしなくても、温度上昇時に素子破壊を招かない遮断耐量を確保することができるので、素子サイズを小型化することができ、これによって電力変換装置全体を小型化することができる。   According to this configuration, if the boosted voltage is lowered to a predetermined value, the collector-emitter voltage of the switching element to which the boosted voltage is applied between the collector and the emitter is also lowered. ) The cut-off energy spent to reach the state is lowered to a state where the cut-off resistance at the maximum operating temperature can be secured. Therefore, since it is possible to ensure a cutoff withstand capability that does not cause element destruction when the temperature rises without increasing the size of the switching element as in the prior art, the element size can be reduced. The whole can be reduced in size.

請求項3に記載の発明は、前記制御手段は、前記昇圧電圧を下げる制御を行う際に、前記スイッチング素子の上昇する温度を検知しながら当該スイッチング素子の遮断耐量が確保できるように前記昇圧電圧を徐々に下げる制御を行うことを特徴とする。   According to a third aspect of the present invention, when the control means performs a control to lower the boost voltage, the boost voltage can be ensured so that a shut-off resistance of the switching element can be ensured while detecting a rising temperature of the switching element. It is characterized in that control is performed to gradually lower the value.

この構成においても、制御手段がスイッチング素子の温度上昇時に遮断エネルギーを下げて遮断耐量が確保できるように制御するので、スイッチング素子が小型であっても温度上昇時に破壊しないようにすることが出来る。従って、素子サイズを小型化することができ、これによって電力変換装置全体を小型化することができる。   Also in this configuration, since the control means controls to reduce the cutoff energy when the temperature of the switching element rises to ensure the cutoff tolerance, it is possible to prevent the switching element from being destroyed when the temperature rises even if the switching element is small. Therefore, the element size can be reduced, and thereby the entire power conversion device can be reduced.

請求項4に記載の発明は、前記スイッチング素子の温度を検出する手段として、当該スイッチング素子内に温度を検出し、この検出した温度に応じた電流を前記制御手段へ流す感温ダイオードを備えたことを特徴とする。   According to a fourth aspect of the present invention, there is provided a temperature-sensitive diode as a means for detecting the temperature of the switching element, wherein the temperature is detected in the switching element and a current corresponding to the detected temperature is supplied to the control means. It is characterized by that.

この構成によれば、昇降圧コンバータ及びインバータの複数の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。   According to this configuration, the temperatures of the plurality of switching elements of the buck-boost converter and the inverter can be accurately detected.

請求項5に記載の発明は、前記スイッチング素子の温度を検出する手段として、前記昇降圧コンバータ及び前記インバータの当該スイッチング素子を含む電気部品が実装される基板に配設され、当該電気部品を冷却水で冷却する冷却器に、前記冷却水の温度を検出し、この検出した温度に応じた電流を前記制御手段へ流す水温センサを備えたことを特徴とする。   According to a fifth aspect of the present invention, as means for detecting the temperature of the switching element, the electric component including the switching element of the buck-boost converter and the inverter is disposed on a substrate, and the electric component is cooled. The water cooler is provided with a water temperature sensor that detects a temperature of the cooling water and supplies a current corresponding to the detected temperature to the control means.

この構成によれば、昇降圧コンバータ及びインバータの複数の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。   According to this configuration, the temperatures of the plurality of switching elements of the buck-boost converter and the inverter can be accurately detected.

請求項6に記載の発明は、前記スイッチング素子の温度を検出する手段として、前記昇降圧コンバータ及び前記インバータを収納する筺体内に、当該筺体内の雰囲気温度を検出し、この検出した温度に応じた電流を前記制御手段へ流す温度センサを備えたことを特徴とする。   According to a sixth aspect of the present invention, as means for detecting the temperature of the switching element, an atmospheric temperature in the casing is detected in the casing that houses the step-up / down converter and the inverter, and according to the detected temperature. And a temperature sensor for supplying a current to the control means.

この構成によれば、昇降圧コンバータ及びインバータの複数の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。   According to this configuration, the temperatures of the plurality of switching elements of the buck-boost converter and the inverter can be accurately detected.

請求項7に記載の発明は、前記制御手段は、前記スイッチング素子の過電流を検出した際に該当スイッチング素子をオフとする制御を行うことを特徴とする。   The invention according to claim 7 is characterized in that the control means performs control to turn off the corresponding switching element when an overcurrent of the switching element is detected.

この構成によれば、昇降圧コンバータ及びインバータにおける各スイッチング素子に過電流が流れた際に、制御手段でその過電流を検出し、該当スイッチング素子をオフするようにしたので、電力変換装置の各スイッチング素子を過電流時に保護することができる。   According to this configuration, when an overcurrent flows through each switching element in the buck-boost converter and the inverter, the overcurrent is detected by the control means and the corresponding switching element is turned off. The switching element can be protected during an overcurrent.

従来の電力変換装置の構成を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows the structure of the conventional power converter device. 従来の電力変換装置においてスイッチング素子が破損した様子を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows a mode that the switching element was damaged in the conventional power converter device. スイッチング素子の遮断耐量と温度の特性を示す図である。It is a figure which shows the interruption | blocking tolerance and temperature characteristic of a switching element. スイッチング素子の遮断耐量とスイッチング素子面積との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the interruption | blocking tolerance of a switching element, and a switching element area. 本発明の実施形態に係る電力変換装置の構成を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows the structure of the power converter device which concerns on embodiment of this invention. 本実施形態の電力変換装置におけるスイッチング素子の温度上昇時の特徴制御動作を説明するためのフローチャートである。It is a flowchart for demonstrating the characteristic control operation at the time of the temperature rise of the switching element in the power converter device of this embodiment. 本実施形態の電力変換装置おける特徴制御動作時の遮断エネルギーの低減を説明するための図である。It is a figure for demonstrating reduction | decrease of the interruption | blocking energy at the time of the characteristic control operation | movement in the power converter device of this embodiment. 本実施形態の電力変換装置おけるスイッチング素子の温度と昇圧電圧との関係を表すマップの一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the map showing the relationship between the temperature of a switching element and the boost voltage in the power converter device of this embodiment. 本実施形態の電力変換装置おける昇降圧コンバータ及びインバータの基板に設けられた冷却器に配設の水温センサを示す図である。It is a figure which shows the water temperature sensor arrange | positioned at the cooler provided in the board | substrate of the buck-boost converter and inverter in the power converter device of this embodiment. 本実施形態の電力変換装置おける昇降圧コンバータ及びインバータの筺体内に配設された温度センサを示す図である。It is a figure which shows the temperature sensor arrange | positioned in the housing of the buck-boost converter and inverter in the power converter device of this embodiment.

以下、本発明の実施形態を、図面を参照して説明する。但し、本明細書中の全図において相互に対応する部分には同一符号を付し、重複部分においては後述での説明を適時省略する。   Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. However, parts corresponding to each other in all the drawings in this specification are denoted by the same reference numerals, and description of the overlapping parts will be omitted as appropriate.

図5は、本発明の実施形態に係る電力変換装置の構成を示す回路図である。図5に示す電力変換装置40が、図1に示した従来の電力変換装置10と異なる点は、昇降圧コンバータ12における各スイッチング素子21,22と、インバータ13における各スイッチング素子34〜39とに、スイッチング素子35に代表して示すように感温ダイオード41を内蔵したタイプのものを用い、感温ダイオード41で検出された各スイッチング素子21〜22,34〜39の温度が予め定められた閾値を超えた場合に、駆動制御部(制御手段)43で、昇降圧コンバータ12の出力電圧(以降、昇圧電圧と称す)Vccを所定値まで下げるようにしたことにある。所定値とは、各スイッチング素子21〜22,34〜39の最高使用温度時の遮断耐量を確保できる電圧値である。   FIG. 5 is a circuit diagram showing a configuration of the power conversion device according to the embodiment of the present invention. The power converter 40 shown in FIG. 5 is different from the conventional power converter 10 shown in FIG. 1 in the switching elements 21 and 22 in the buck-boost converter 12 and the switching elements 34 to 39 in the inverter 13. As shown as a representative of the switching element 35, a type having a built-in temperature sensitive diode 41 is used, and the temperature of each switching element 21-22, 34-39 detected by the temperature sensitive diode 41 is a predetermined threshold value. In this case, the output voltage (hereinafter referred to as boost voltage) Vcc of the step-up / down converter 12 is lowered to a predetermined value by the drive control unit (control means) 43. A predetermined value is a voltage value which can ensure the interruption | blocking tolerance at the time of the highest use temperature of each switching element 21-22, 34-39.

つまり、駆動制御部43によって、図6に示すステップS1において、感温ダイオード41で検出された各スイッチング素子21〜22,34〜39の温度を検知し、ステップS2において、その検知された温度が閾値を超えた場合に、ステップS3において、昇降圧コンバータ12のスイッチング素子21,22のゲート電圧を制御することにより昇圧電圧Vccを所定値まで下げる。なお、各スイッチング素子21〜22,34〜39の温度は、モータジェネレータMGの負荷の増加に応じて高くなる。   That is, the drive control unit 43 detects the temperatures of the switching elements 21 to 22 and 34 to 39 detected by the temperature-sensitive diode 41 in step S1 shown in FIG. 6, and the detected temperatures are detected in step S2. When the threshold value is exceeded, in step S3, the boost voltage Vcc is lowered to a predetermined value by controlling the gate voltage of the switching elements 21 and 22 of the buck-boost converter 12. It should be noted that the temperature of each of switching elements 21 to 22 and 34 to 39 increases as the load on motor generator MG increases.

このように昇圧電圧Vccを所定値まで下げることによって、スイッチング素子の温度の上昇によって素子が遮断(破壊)状態となるまでに費やす遮断エネルギーを下げることができる。ここで、スイッチング素子の遮断エネルギーEscは、次式(1)で表される。   By reducing the boosted voltage Vcc to a predetermined value in this way, it is possible to reduce the interruption energy that is consumed until the element enters the interruption (destruction) state due to the temperature rise of the switching element. Here, the cutoff energy Esc of the switching element is expressed by the following equation (1).

Esc=∫(ic×Vce)dt …(1)   Esc = ∫ (ic × Vce) dt (1)

但し、icはスイッチング素子のコレクタ電流、Vceはスイッチング素子のコレクタ−エミッタ間の電圧、tはスイッチング素子が遮断するまでの時間である。   Where ic is the collector current of the switching element, Vce is the voltage between the collector and emitter of the switching element, and t is the time until the switching element is cut off.

スイッチング素子のコレクタ電流icとコレクタ−エミッタ間電圧Vceは、スイッチング素子のコレクタ側に印加される昇圧電圧Vccに応じて増減するので、上記のように昇圧電圧Vccを所定値まで下げれば、コレクタ電流icとコレクタ−エミッタ間電圧Vceも下がる。この結果、遮断エネルギーEscが、図7にEsc1で示す位置から、Esc2で示すスイッチング素子の最高使用温度時の遮断耐量を確保できる位置まで下がる。Esc1で示す遮断エネルギーでは、線分L3で示す遮断耐量−温度特性を有するサイズのスイッチング素子における最高使用温度時の遮断耐量を超えているので、所定時間が経過すればスイッチング素子は破壊する。しかし、遮断エネルギーをEsc2の位置まで下げれば、スイッチング素子の最高使用温度時の遮断耐量を確保できるので、スイッチング素子の破壊は免れる。   Since the collector current ic of the switching element and the collector-emitter voltage Vce increase or decrease according to the boosted voltage Vcc applied to the collector side of the switching element, if the boosted voltage Vcc is lowered to a predetermined value as described above, the collector current ic and the collector-emitter voltage Vce also decrease. As a result, the cutoff energy Esc is lowered from the position indicated by Esc1 in FIG. 7 to a position where the cutoff tolerance at the maximum operating temperature of the switching element indicated by Esc2 can be secured. Since the cutoff energy indicated by Esc1 exceeds the cutoff tolerance at the maximum operating temperature in the switching element having a size having the cutoff tolerance-temperature characteristic indicated by the line segment L3, the switching element is destroyed when a predetermined time elapses. However, if the cut-off energy is lowered to the position of Esc2, the cut-off resistance at the maximum operating temperature of the switching element can be ensured, so that the destruction of the switching element is avoided.

ここで、スイッチング素子が線分L4で示す遮断耐量−温度特性を有するサイズであれば、遮断エネルギーがEsc1の位置でも最高使用温度時の遮断耐量を確保できるので、スイッチング素子の破壊は免れるが、線分L3のスイッチング素子よりもサイズが大きくなってしまう欠点がある。   Here, if the switching element is a size having the cutoff tolerance-temperature characteristic indicated by the line segment L4, the cutoff tolerance at the maximum operating temperature can be secured even when the cutoff energy is at the position of Esc1, so that the destruction of the switching element can be avoided. There is a drawback that the size becomes larger than the switching element of the line segment L3.

また、電力変換装置40においては、昇降圧コンバータ12及びインバータ13における各スイッチング素子21〜22,34〜39の過電流を、スイッチング素子35に代表して示すように駆動制御部43で検出し、過電流検出時に該当スイッチング素子35をオフする制御を行うになっている。   Moreover, in the power converter 40, the drive control part 43 detects the overcurrent of each switching element 21-22, 34-39 in the buck-boost converter 12 and the inverter 13, as represented by the switching element 35, Control is performed to turn off the corresponding switching element 35 when an overcurrent is detected.

このように本実施形態の電力変換装置40によれば、昇降圧コンバータ12及びインバータ13における各スイッチング素子21〜22,34〜39に感温ダイオード41を内蔵して素子温度を検出し、この検出温度が閾値を超えた場合に駆動制御部43によって昇圧電圧Vccを、各スイッチング素子21〜22,34〜39の最高使用温度時の遮断耐量を確保できる所定値まで下げるようにした。   As described above, according to the power conversion device 40 of the present embodiment, the temperature sensing diode 41 is incorporated in each of the switching elements 21 to 22 and 34 to 39 in the buck-boost converter 12 and the inverter 13 to detect the element temperature, and this detection. When the temperature exceeds the threshold value, the boost control voltage Vcc is lowered by the drive control unit 43 to a predetermined value that can ensure the withstand voltage at the maximum use temperature of each of the switching elements 21 to 22 and 34 to 39.

このように昇圧電圧Vccを所定値まで下げれば、スイッチング素子のコレクタ電流icとコレクタ−エミッタ間電圧Vceも下がるので、スイッチング素子の遮断エネルギーEscが最高使用温度時の遮断耐量を確保できる状態まで下がる。これによって、スイッチング素子の最高使用温度時の遮断耐量を確保できるので、スイッチング素子が破壊することは無くなる。   If the boosted voltage Vcc is lowered to a predetermined value in this way, the collector current ic and the collector-emitter voltage Vce of the switching element are also lowered, so that the cutoff energy Esc of the switching element is lowered to a state where the cutoff tolerance at the maximum use temperature can be secured. . As a result, it is possible to ensure the withstand voltage at the maximum operating temperature of the switching element, so that the switching element is not destroyed.

従来であれば、スイッチング素子の温度が上昇すれば遮断耐量が低下し、この低下した遮断耐量を遮断エネルギーEscが上回ることになるので素子破壊を招く。このため、素子サイズを大きくして温度上昇時にも素子破壊を招かない遮断耐量を確保していた。しかし、本実施形態では上記のように素子サイズを大きくしなくても温度上昇時に素子破壊を招かない遮断耐量を確保できるように昇圧電圧Vccを下げる制御を行うようにしたので、素子サイズを小型化することが出来る。従って、電力変換装置40全体を小型化することができる。   Conventionally, when the temperature of the switching element rises, the withstand voltage decreases, and the interrupting energy Esc exceeds the reduced withstand voltage, thereby causing element destruction. For this reason, the device size is increased to ensure a withstand voltage that does not cause device destruction even when the temperature rises. However, in the present embodiment, since the control for lowering the boost voltage Vcc is performed so as to ensure a cutoff withstand capability that does not cause element destruction when the temperature rises without increasing the element size as described above, the element size is reduced. Can be Therefore, the whole power converter 40 can be reduced in size.

また、昇降圧コンバータ12及びインバータ13における各スイッチング素子21〜22,34〜39の過電流を駆動制御部43で検出して該当スイッチング素子35をオフするようにしたので、電力変換装置40の各スイッチング素子21〜22,34〜39を過電流時に保護することができる。   Moreover, since the drive control part 43 detected the overcurrent of each switching element 21-22, 34-39 in the buck-boost converter 12 and the inverter 13, and turned off the corresponding switching element 35, each power converter 40 The switching elements 21 to 22 and 34 to 39 can be protected during an overcurrent.

また、上記実施形態では、各スイッチング素子21〜22,34〜39の温度が閾値を超えた場合に、駆動制御部43によって昇圧電圧Vccを所定値まで下げるようにしたが、次のような制御を行っても良い。即ち、駆動制御部43に、図8に線分L5で示すような、昇圧電圧Vccとスイッチング素子の温度との関係を表すマップをROM等の記憶手段にて予め保持しておく。そして、駆動制御部43が、各スイッチング素子21〜22,34〜39の上昇する温度を検知しながら、この検知温度に応じた昇圧電圧Vccをマップに基づいて決定することにより、遮断耐量が確保できるように昇圧電圧Vccを徐々に下げる制御を行う。この制御によっても、スイッチング素子の温度上昇時に遮断エネルギーEscを下げて遮断耐量が確保できるようにするので、スイッチング素子が小型であっても温度上昇時に破壊しないようにすることが出来る。従って、素子サイズを小型化することができ、これによって電力変換装置40全体を小型化することができる。   Moreover, in the said embodiment, when the temperature of each switching element 21-22, 34-39 exceeded a threshold value, the boosting voltage Vcc was lowered | hung to predetermined value by the drive control part 43, but the following control is carried out. May be performed. That is, a map representing the relationship between the boosted voltage Vcc and the temperature of the switching element, as indicated by a line segment L5 in FIG. And while the drive control part 43 detects the temperature which each switching element 21-22, 34-39 raises, the interruption | blocking tolerance is ensured by determining the boost voltage Vcc according to this detection temperature based on a map. Control is performed to gradually lower the boosted voltage Vcc so that it can be performed. Also by this control, the cutoff energy Esc is lowered when the temperature of the switching element rises to ensure the cutoff tolerance, so that even when the switching element is small, it can be prevented from being destroyed when the temperature rises. Therefore, the element size can be reduced, and thereby the entire power conversion device 40 can be reduced.

この他、上記実施形態では、各スイッチング素子21〜22,34〜39の温度を感温ダイオード41で検出したが、次のように検出しても良い。即ち、電力変換装置40の昇降圧コンバータ12及びインバータ13における各スイッチング素子21〜22,34〜39は、図9に示すように、プリント基板51上に実装されている。このプリント基板51の下面に冷却プレート52を介して冷却器53が固定されており、冷却器53内を冷却水が循環して各スイッチング素子21〜22,34〜39を冷却するようになっている。そこで、冷却器53に冷却水の温度を計測する水温センサ55を設け、この水温センサ55で検出された温度を駆動制御部43に入力するように構成する。   In addition, in the said embodiment, although the temperature of each switching element 21-22, 34-39 was detected with the temperature sensitive diode 41, you may detect as follows. That is, the switching elements 21 to 22 and 34 to 39 in the buck-boost converter 12 and the inverter 13 of the power conversion device 40 are mounted on a printed board 51 as shown in FIG. A cooler 53 is fixed to the lower surface of the printed circuit board 51 via a cooling plate 52, and cooling water circulates in the cooler 53 to cool the switching elements 21 to 22 and 34 to 39. Yes. Therefore, a water temperature sensor 55 that measures the temperature of the cooling water is provided in the cooler 53, and the temperature detected by the water temperature sensor 55 is input to the drive control unit 43.

この構成においては、各スイッチング素子21〜22,34〜39の温度が上昇すると冷却水の温度も上昇するので、この際の温度が水温センサ55で検出されて駆動制御部43に入力される。駆動制御部43では、その入力された温度が閾値を超えた場合、昇圧電圧Vccを上述したように所定値まで下げる制御を行う。   In this configuration, when the temperature of each of the switching elements 21 to 22 and 34 to 39 rises, the temperature of the cooling water also rises. Therefore, the temperature at this time is detected by the water temperature sensor 55 and input to the drive control unit 43. When the input temperature exceeds the threshold value, the drive control unit 43 performs control to lower the boosted voltage Vcc to a predetermined value as described above.

またこの他、冷却器53の冷却水は図示せぬ自動車のラジエタから供給されるので、ラジエタに水温センサ55を設けてラジエタの冷却水の温度を計測し、これを駆動制御部43へ入力するようにしても良い。   In addition, since the cooling water of the cooler 53 is supplied from a radiator of an automobile (not shown), a water temperature sensor 55 is provided in the radiator to measure the temperature of the cooling water of the radiator, and this is input to the drive control unit 43. You may do it.

更にこの他、図10に示すプリント基板51のスイッチング素子21〜22,34〜39の実装面にサーミスタ等の温度センサ57を設けて電力変換装置40の筺体内の雰囲気温度を検出するようにしてもよい。この場合も、温度センサ57で検出された温度を、駆動制御部43で検知し、この検知された温度が閾値を超えた場合、昇圧電圧Vccを上述したように所定値まで下げる制御を行う。   In addition, a temperature sensor 57 such as a thermistor is provided on the mounting surface of the switching elements 21 to 22 and 34 to 39 of the printed circuit board 51 shown in FIG. Also good. Also in this case, the temperature detected by the temperature sensor 57 is detected by the drive control unit 43, and when the detected temperature exceeds the threshold value, the boosted voltage Vcc is controlled to a predetermined value as described above.

10,40 電力変換装置
11 バッテリー
12 昇降圧コンバータ
13 インバータ
15 サージ電圧吸収用のコンデンサ
21,22,34〜39 スイッチング素子
23 コンデンサ
24 リアクトル
41 感温ダイオード
43 駆動制御部
51 プリント基板
52 冷却プレート
53 冷却器
55 水温センサ
57 温度センサ
D1〜D8 ダイオード
MG モータジェネレータ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10,40 Power converter 11 Battery 12 Buck-boost converter 13 Inverter 15 Surge voltage absorption capacitor 21, 22, 34-39 Switching element 23 Capacitor 24 Reactor 41 Temperature sensitive diode 43 Drive control part 51 Printed circuit board 52 Cooling plate 53 Cooling 55 Water temperature sensor 57 Temperature sensor D1-D8 Diode MG Motor generator

Claims (7)

バッテリーの直流電力を昇圧する複数のスイッチング素子を有する昇降圧コンバータと、この昇降圧コンバータでの昇圧電圧を交流電圧に変換する複数のスイッチング素子を有するインバータとを備え、インバータで変換された交流電圧で負荷装置を駆動する電力変換装置において、
前記昇降圧コンバータ及び前記インバータのスイッチング素子の温度を検出し、この検出された温度に基づいて、前記昇圧電圧を下げる制御を行う制御手段を備えることを特徴とする電力変換装置。
A step-up / down converter having a plurality of switching elements for boosting the DC power of the battery, and an inverter having a plurality of switching elements for converting the boosted voltage at the step-up / down converter to an AC voltage, and the AC voltage converted by the inverter In the power converter that drives the load device at
A power conversion device comprising: control means for detecting temperatures of the switching elements of the step-up / step-down converter and the inverter and performing control for reducing the boosted voltage based on the detected temperatures.
前記制御手段は、前記昇圧電圧を下げる制御を行う際に、前記検出された温度が予め定められた閾値を超えた場合に、前記昇圧電圧を、当該スイッチング素子の最高使用温度時の遮断耐量を確保できる所定値まで下げる制御を行うことを特徴とする請求項1に記載の電力変換装置。   The control means, when performing the control to lower the boost voltage, if the detected temperature exceeds a predetermined threshold, the boost voltage, the cutoff tolerance at the maximum operating temperature of the switching element The power conversion device according to claim 1, wherein control is performed to reduce the value to a predetermined value that can be secured. 前記制御手段は、前記昇圧電圧を下げる制御を行う際に、前記スイッチング素子の上昇する温度を検知しながら当該スイッチング素子の遮断耐量が確保できるように前記昇圧電圧を徐々に下げる制御を行うことを特徴とする請求項1に記載の電力変換装置。   When the control means performs control to lower the boost voltage, the control means performs control to gradually lower the boost voltage so that the switching element can be secured while detecting the temperature at which the switching element rises. The power converter according to claim 1, wherein 前記スイッチング素子の温度を検出する手段として、当該スイッチング素子内に温度を検出し、この検出した温度に応じた電流を前記制御手段へ流す感温ダイオードを備えたことを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の電力変換装置。   The means for detecting the temperature of the switching element includes a temperature-sensitive diode that detects a temperature in the switching element and flows a current corresponding to the detected temperature to the control means. 4. The power conversion device according to claim 1. 前記スイッチング素子の温度を検出する手段として、前記昇降圧コンバータ及び前記インバータの当該スイッチング素子を含む電気部品が実装される基板に配設され、当該電気部品を冷却水で冷却する冷却器に、前記冷却水の温度を検出し、この検出した温度に応じた電流を前記制御手段へ流す水温センサを備えたことを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の電力変換装置。   As a means for detecting the temperature of the switching element, the electric component including the switching element of the buck-boost converter and the inverter is disposed on a substrate, and the cooler that cools the electric part with cooling water The power converter according to any one of claims 1 to 3, further comprising a water temperature sensor that detects a temperature of the cooling water and supplies a current corresponding to the detected temperature to the control means. 前記スイッチング素子の温度を検出する手段として、前記昇降圧コンバータ及び前記インバータを収納する筺体内に、当該筺体内の雰囲気温度を検出し、この検出した温度に応じた電流を前記制御手段へ流す温度センサを備えたことを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の電力変換装置。   As a means for detecting the temperature of the switching element, a temperature for detecting an ambient temperature in the casing in which the step-up / down converter and the inverter are housed, and supplying a current corresponding to the detected temperature to the control means. The power converter according to claim 1, further comprising a sensor. 前記制御手段は、前記スイッチング素子の過電流を検出した際に該当スイッチング素子をオフとする制御を行うことを特徴とする請求項1〜6のいずれか1項に記載の電力変換装置。   The power conversion device according to claim 1, wherein the control unit performs control to turn off the corresponding switching element when an overcurrent of the switching element is detected.
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