JP2011234461A - インバータ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】フライホイールダイオード２２に温度検知用の回路を設けることなく、且つ、高精度な電圧検出回路やピークホールド回路等の回路を用いることなくフライホイールダイオード２２のチップ表面温度の温度上昇を検出することが可能なインバータ装置を提供する。
【解決手段】温度モニタダイオード２３でスイッチング素子２１の温度を検出し、更に、スイッチング素子２１の動作状態、及びモータ１５の動作状態に基づいて、フライホイールダイオード２２の発熱とスイッチング素子２１の発熱の大きさを比較する。そして、この比較結果に基づいて、フライホイールダイオード２２の温度を推定する。スイッチング素子２１の方が温度が高い場合には、スイッチング素子２１が許容温度に達するまで駆動を継続することができ、フライホイールダイオード２２の方が高い場合には、制御状態を適宜変更してフライホイールダイオード２２の温度上昇を防止する。
【選択図】図１

Description

本発明は、直流電力を交流電力に変換してモータを駆動するインバータ装置に関する。

モータ駆動用のインバータ装置では、ＩＧＢＴ等のスイッチング素子とフライホイールダイオードが逆並列に接続されたパワー半導体が用いられている。このようなインバータ装置では、パワー半導体の温度が上昇して許容温度に達すると過熱により損傷する場合があるので、スイッチング素子に温度モニタ用のダイオードを設け、該温度モニタダイオードの順方向電圧を検出することにより、スイッチング素子の温度を検出する方法が採用されている。

一方、スイッチング素子に接続されるフライホイールダイオードはシンプルな構造であるので、ＩＧＢＴのように温度モニタ用のダイオードを半導体チップ上に設けることは容易でない。このため、最も厳しい動作点を基準に設計を行い、温度モニタしているＩＧＢＴよりチップ表面温度を低くする等の設計をするため、半導体チップの保証温度に対してマージンを確保する設計となり、装置規模の大型化、コストアップを招いていた。

そこで、この温度モニタ用のダイオードを用いずにフライホイールダイオードのチップ表面温度を測定する手法の一つとして、ＰＷＭ動作において、ダイオードに電流が流れる期間の順方向電流（ＩＦ）を電流検出器からサンプルホールドし、順方向電圧（ＶＦ）については、電圧検出器の出力をピークホールドでモニタし、予め記憶したＶＦ−ＩＦの特性から温度を算出することが知られている（例えば、特許文献１を参照）。

特開平７−２３４１６２号公報

しかしながら、上述した特許文献１に開示された従来例は、インバータの動作シーンを考慮したとき、各相上下アーム全てに高精度な電圧検出回路やノイズ対策を施したピークホールドなどの複雑な回路が必要となり、装置全体が大規模化しコストアップに繋がるという問題が発生していた。

本発明は、このような従来の課題を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、フライホイールダイオードに温度検知用の回路を設けることなく、且つ、高精度な電圧検出回路やピークホールド回路等の回路を用いることなく、フライホイールダイオードのチップ表面温度の温度上昇を検出することが可能なインバータ装置を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明は、モータを駆動するインバータ装置において、スイッチング素子とフライホイールダイオードとを並列接続したインバータ素子と、前記スイッチング素子の温度を検出するスイッチング素子温度検出手段と、前記インバータ素子の動作状態、及び前記モータの動作状態に基づいて、前記フライホイールダイオードの発熱と、前記スイッチング素子の発熱の大きさを比較する比較手段と、前記スイッチング素子温度検出手段で検出された前記スイッチング素子温度と、前記発熱の大きさの比較結果に基づいて、前記フライホイールダイオードの温度を推定するフライホイールダイオード温度推定手段と、を有することを特徴とする。

また、モータを駆動するインバータ装置において、スイッチング素子とフライホイールダイオードとを並列接続したインバータ素子と、前記スイッチング素子の温度を検出するスイッチング素子温度検出手段と、予め前記フライホイールダイオードの発熱が前記スイッチング素子の発熱よりも大きくなる前記インバータ素子の動作状態、及び前記モータの動作状態を記憶する記憶手段と、前記スイッチング素子温度検出手段で検出された前記スイッチング素子温度と、前記記憶手段に記憶された各動作状態に基づいて、前記フライホイールダイオードの温度を推定するフライホイールダイオード温度推定手段と、を有することを特徴とする。

本発明に係るインバータ装置では、フライホイールダイオードの温度が、現在のスイッチング素子温度よりも高いか低いかを把握することができ、直接フライホイールダイオード用の温度検知回路などを追加することなく、フライホイールダイオード温度推定が可能となる。特に、フライホイールダイオードの過温破壊防止という目的で使用する場合においては、フライホイールダイオードとスイッチング素子の過温破壊温度が近いという特性により、上記構成でフライホイールダイオードの現在の温度がスイッチング素子温度を基準としてそれよりも高いか低いかが判れば、十分にフライホイールダイオードの過温保護効果を得ることができる。

本発明の実施形態に係るインバータ装置の構成を示す回路図である。 本発明の実施形態に係るインバータ装置に設けられるパワーモジュールの構成を示す回路図である。 本発明の実施形態に係るインバータ装置の、コントローラ及びゲート駆動回路の詳細構成を示すブロック図である。 本発明の第１実施形態に係るインバータ装置の、モータ駆動制御の処理手順を示すフローチャートである。 本発明の実施形態に係るインバータ装置に設けられた温度モニタダイオードの順方向電圧Ｖｆとチップ温度との関係を示す特性図である。 モータが回転しているときのスイッチング素子の平均損失とフライホイールダイオードの平均損失との関係を示す特性図である。 モータがロックしているときのスイッチング素子の平均損失とフライホイールダイオードの平均損失との関係を示す特性図である。 本発明の第２実施形態に係るインバータ装置の、モータ駆動制御の処理手順を示すフローチャートである。 本発明の第３実施形態に係るインバータ装置の、モータ駆動制御の処理手順を示すフローチャートである。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。図１は、本発明の実施形態に係るインバータ装置１００及び該インバータ装置１００により駆動されるモータ１５の構成を示す回路図である。図１に示すように、このインバータ装置１００は、直流電圧Ｅｄを供給する直流電源１７と、該直流電源１７に接続されるコンデンサＣ１と、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の３相交流電圧を生成するための６個のパワーモジュール１３と、各パワーモジュール１３に駆動制御信号を出力するゲート駆動回路１２と、コントローラ１１を備えている。

Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の各相には、２個のパワーモジュール１３が直列に接続され、この直列接続の一端、及び他端はそれぞれ直流電源１７のプラス端子及びマイナス端子に接続されている。更に、各相の２個のパワーモジュール１３の接続点は、モータ１５のＵ相、Ｖ相、Ｗ相の入力端子にそれぞれ接続されている。

また、モータ１５には、該モータ１５のＵ相、Ｖ相、Ｗ相の各相電流を検出する電流センサ１４が設けられ、検出された電流値はコントローラ１１に出力される。更に、モータ１５には回転角を検出するための回転角センサ１６が設けられており、この検出信号はコントローラ１１に出力される。

パワーモジュール１３は、図２に示すように、例えばＩＧＢＴ等の半導体素子で構成されたスイッチング素子２１と、該スイッチング素子２１に対して逆並列に接続されたフライホイールダイオード２２、及びスイッチング素子２１が搭載される半導体チップ上に設けられて該スイッチング素子２１の温度を検出する温度モニタダイオード（スイッチング素子温度検出手段）２３を備えている。フライホイールダイオード２２は、スイッチング素子２１がターンオフしたときに、モータ１５のインダクタンスにより生じる逆起電流を流すために設けられている。

温度モニタダイオード２３は、ＰＮ接合ダイオードの負の温度特性を利用して、スイッチング素子２１の温度をモニタする。即ち、温度モニタダイオード２３は、図５に示すような温度特性を備えており、温度が上昇するに連れて順方向電圧Ｖｆが直線的に減少するので、この順方向電圧Ｖｆを測定することにより、スイッチング素子２１が搭載される半導体チップの温度を求めることができる。

図３は、図１に示したコントローラ１１、及びゲート駆動回路１２の詳細な構成を示すブロック図である。図３に示すように、ゲート駆動回路１２は、第１基準電圧Ｖf1を出力する第１基準電圧出力部３４と、この第１基準電圧Ｖf1よりも低い第２基準電圧Ｖf2を出力する第２基準電圧出力部３５を備えている。ここで、第２基準電圧Ｖf2は、スイッチング素子２１の許容温度に対応する順方向電圧Ｖｆが設定され、第１基準電圧Ｖf1は、第２基準温度Ｖf2よりも若干低い温度に対応する順方向電圧Ｖｆが設定されている。つまり、「Ｖf1＞Ｖf2」である。

更に、温度モニタダイオード２３に生じる順方向電圧Ｖｆと第１基準電圧Ｖf1とを比較し、Ｖｆ＜Ｖf1となった場合に第１過温度信号ｑ１を出力する第１比較部３２と、温度モニタダイオード２３に生じる順方向電圧Ｖｆと第２基準電圧Ｖf2とを比較し、Ｖｆ＜Ｖf2となった場合に第２過温度信号ｑ２を出力する第２比較部３３とを備えている。更に、ゲート駆動回路１２は、コントローラ１１より出力される各パワーモジュール１３の駆動タイミング信号が供給された際に、この駆動タイミング信号に基づいて、各パワーモジュール１３のスイッチング素子２１に出力する駆動信号を生成する駆動信号生成部３１を備えている。

一方、コントローラ１１は、トルク指令値と、電流値、回転角検出信号に基づいて、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の各電圧指令値を求め、この電圧指令値に応じたＰＷＭ信号（６個のスイッチング素子２１のゲートに供給するＰＷＭ信号）を生成し、該ＰＷＭ信号をゲート駆動回路１２に出力する機能を備えている。ここで、図３に示すコントローラ１１では、本発明の特徴的な構成のみを記載しており、回転角センサ１６より出力される回転角度信号に基づいてモータ１５の回転数を求める回転数演算部４１と、キャリア周波数を演算するキャリア周波数演算部４２と、記憶部４４、及び第１比較部３２及び第２比較部３３の出力信号に基づいてＰＷＭ信号を生成し、このＰＷＭ信号をゲート駆動回路１２に出力する制御演算部４３を備えている。

記憶部４４は、後述する図６、図７に示すキャリア周波数ｆｃと半導体の平均損失との関係を示すデータや、図５に示す温度モニタダイオード２３の順方向電圧Ｖｆと温度との関係を示すデータが記憶される。即ち、記憶部４４は、フライホイールダイオード２２の発熱がスイッチング素子２１の発熱よりも大きくなる動作状態（例えば、キャリア周波数ｆｃ）、及びモータ１５の動作状態を記憶する記憶手段としての機能を備えている。

制御演算部４３は、記憶部４４に記憶されたデータに基づいて、フライホイールダイオード２２の温度を推定し、推定した温度がフライホイールダイオード２２の許容温度を上回った場合に、制御出力を変更する。即ち、制御演算部４３は、フライホイールダイオード２２の温度を推定するフライホイールダイオード温度推定手段としての機能を備える。また、フライホイールダイオード２２が許容温度に達した場合に、モータトルクを制限したり、或いはモータ１５に流れる電流の位相をずらす等して、フライホイールダイオード２２の温度の上昇を抑制する制御を行う。即ち、制御演算部４３は、フライホイールダイオード温度制御手段としての機能を備える。

また、特に限定されないが本実施形態では、コントローラ１１は、演算処理装置ＣＰＵと、プログラムＲＯＭと、作業用ＲＡＭと、入出力インターフェースとを備えたマイクロプロセッサで構成されている。そして、コントローラ１１の制御機能は、ＲＯＭに格納されたプログラムをＣＰＵが実行することにより実現されている。

次に、上述のように構成された本実施形態に係るインバータ装置の動作について説明する。

スイッチング素子２１がＰＷＭ動作しているときの、該スイッチング素子２１の損失は、定常損失とスイッチング損失の２つに区分することができる。定常損失Ｐ(sat)は、下記（１）式で示すことができ、スイッチング損失Ｐ(sw)は、下記（２）式で示すことができる。

但し、Ｉｃはスイッチング素子電流（モータ電流）、Ｖce(sat)はスイッチング素子のオン電圧、ＤはＰＷＭ変調率、Ｅswは１パルスあたりのスイッチング損失、ｆはＰＷＭ信号のキャリア周波数である。

また、フライホイールダイオード２２の損失についても定常損失とスイッチング損失の２つに区分することができ、このうち定常損失Ｐ(sat)は、下記（３）式で示すことができ、スイッチング損失Ｐ(sw)は、下記（４）式で示すことができる。

但し、Ｖｆはフライホイールダイオード２２の順方向電圧、Ｅrrは１パルスあたりのリカバリ損失である。

そして、上記の（１）〜（４）式に基づいて、モータ１５が通常に回転しているときキャリア周波数と半導体の平均損失との関係を示すと図６に示す如くとなり、モータ１５がロックしているときのキャリア周波数と半導体の平均損失との関係を示すと図７に示す如くとなる。

図６に示す曲線ｓ１１は、スイッチング素子２１の平均損失を示し、曲線ｓ１２〜ｓ１４はフライホイールダイオード２２の平均損失を示している。また、曲線ｓ１２はパワーモジュール１３のチップサイズが小さい場合、曲線ｓ１３はチップサイズが中程度の場合、曲線ｓ１４はチップサイズが大きい場合の特性を示している。即ち、チップサイズが小さくなるほど、フライホイールダイオード２２の平均損失が大きくなっている。

また、図７に示す曲線ｓ２１は、スイッチング素子２１の平均損失を示し、曲線ｓ２２〜ｓ２４はフライホイールダイオード２２の平均損失を示している。また、曲線ｓ２２はパワーモジュール１３のチップサイズが小さい場合、曲線ｓ２３はチップサイズが中程度の場合、曲線ｓ２４はチップサイズが大きい場合の特性を示している。即ち、図６の場合と同様に、チップサイズが小さくなるほど、フライホイールダイオード２２の平均損失が大きくなっている。

また、図６、図７共に、キャリア周波数が低いほど平均損失が低くなっており、更に、図６と図７を比較すると、モータ１５がロックされている場合には一つの相に電流が集中するので、モータ１５の通常回転時よりも平均損失が大きくなっている。

一方で、スイッチング素子２１は、前述した（２）式のスイッチング損失Ｅswがフライホイールダイオード２２のリカバリ損失Ｅrrより大きいので、フライホイールダイオード２２よりも周波数依存性が相対的に大きい。即ち、図６、図７において、曲線ｓ１１，ｓ２１の傾きは、曲線ｓ１２〜ｓ１４、ｓ２２〜ｓ２４の傾きよりも大きい。このため、キャリア周波数を低下させると、フライホイールダイオード２２とスイッチング素子２１の平均損失の関係が小さくなる。これは、モータロック時の方がより顕著である。

そして、図６、図７に示す特性図から、下記（イ）〜（ハ）が判る。

（イ）モータ１５が回転している場合には、スイッチング素子２１の平均損失の方がフライホイールダイオード２２の平均損失よりも常に大きい。従って、スイッチング素子２１の温度が過温状態でなければ、フライホイールダイオード２２の温度も過温状態でない。

（ロ）モータ１５がロックしている場合（或いは、通常時よりも回転数が低い場合）には、正常に回転している場合よりもキャリア周波数の変化に対するスイッチング素子２１の平均損失の変化が大きい。換言すれば、図６に示す曲線ｓ１１よりも図７に示す曲線ｓ２１の方が傾きが大きい。従って、モータロック時（或いは、通常時よりも回転数が低いとき）には、キャリア周波数を低下させることにより、スイッチング素子２１の平均損失を効果的に低減することができる。

（ハ）モータ１５がロックしている場合には、パワーモジュール１３のチップサイズが小さいときに、フライホイールダイオード２２の損失がスイッチング素子２１の平均損失を上回る場合がある。

なお、上記した図７の例では、モータ１５がロックした場合のスイッチング素子２１の平均損失、及びフライホイールダイオード２２の平均損失の特性を示したが、各平均損失はモータ１５の回転数に依存するので、モータ１５が通常よりも低い回転数で回転する場合（ロック状態でない場合）における特性図を用いるようにすることも可能である。

上記の（イ）〜（ハ）の内容をふまえ、本発明の第１実施形態に係るインバータ装置の作用について説明する。図４は、図３に示したコントローラ１１及びゲート駆動回路１２による処理動作を示すフローチャートである。

始めに、コントローラ１１は、各パワーモジュール１３のスイッチング素子２１を駆動させるためのＰＷＭ信号をゲート駆動回路１２に出力すると、該ゲート駆動回路１２より各スイッチング素子２１のゲートにＰＷＭ信号が供給され、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の３相交流電力が生成される（ステップＳ１１）。この３相交流電力はモータ１５のＵ相、Ｖ相、Ｗ相の端子に供給されるので、モータ１５が回転駆動する。また、モータ１５の回転数が回転角センサ１６で検出される。

コントローラ１１は、回転角センサ１６で検出された回転数データに基づいて、モータ１５の回転数を求め（ステップＳ１２）、制御演算部４３に転送する。

また、スイッチング素子２１に接続された温度モニタダイオード２３の順方向電圧Ｖｆが検出され（ステップＳ１３）、この電圧Ｖｆは、ゲート駆動回路１２に設けられた第１比較部３２の一方の入力端子に供給される。更に、他方の入力端子には第１基準電圧Ｖf1が供給されるので、順方向電圧Ｖｆと第１基準電圧Ｖf1が比較される（ステップＳ１４）。

そして、順方向電圧Ｖｆが第１基準電圧Ｖf1を下回らない場合には（ステップＳ１４でＮＯ）、ステップＳ１１に処理を戻す。即ち、順方向電圧Ｖｆが第１基準電圧Ｖf1を下回らないということは、スイッチング素子２１の温度は図５に示す温度Ｔ１未満であるので、スイッチング素子２１及びフライホイールダイオード２２は共に過温状態となっていないことを認識でき、そのままモータ１５の駆動を継続する。

一方、順方向電圧Ｖｆが第１基準電圧Ｖf1を下回った場合には（ステップＳ１４でＹＥＳ）、第１比較部３２より第１過温度信号ｑ１が出力され、この第１過温度信号ｑ１はコントローラ１１の制御演算部４３に入力される。即ち、図５に示す特性図で、温度モニタダイオード２３の順方向電圧Ｖｆが低下し、第１基準電圧Ｖf1を下回ると、第１過温度信号ｑ１が出力される。

次いで、コントローラ１１は、フライホイールダイオード２２が過温度であるか否かを判定する（ステップＳ１５）。この処理では、パワーモジュール１３のチップサイズが中程度（図６のｓ１３、図７のｓ２３の場合）、或いは大きい場合（図６のｓ１４、図７のＳ２４の場合）には、フライホイールダイオード２２の温度は過温度では無いと推定できる。即ち、前述したように、第１基準電圧Ｖf1はスイッチング素子２１の許容温度Ｔ２よりも若干低い温度Ｔ１に対応する順方向電圧Ｖｆとして設定されているので、スイッチング素子２１は過温度ではなく、また、図６のｓ１１とｓ１３，ｓ１４との比較、及び図７のｓ２１とｓ２３，ｓ２４との比較により、フライホイールダイオード２２は、スイッチング素子２１よりも温度が低いので、フライホイールダイオード２２もやはり過温度ではないことが判る。

そして、フライホイールダイオード２２が過温度でないと判定された場合には（ステップＳ１５でＮＯ）、モータ１５の駆動を継続させる（ステップＳ１６）。

また、温度モニタダイオード２３の順方向電圧Ｖｆは、ゲート駆動回路１２に設けられた第２比較部３３の一方の入力端子に供給され、更に他方の入力端子には第２基準電圧Ｖf2が供給されるので、順方向電圧Ｖｆと第２基準電圧Ｖf2が比較される（ステップＳ１７）。

そして、順方向電圧Ｖｆが第２基準電圧Ｖf2を下回らない場合には（ステップＳ１７でＮＯ）、ステップＳ１１に処理を戻す。つまり、スイッチング素子２１の温度は許容温度Ｔ２未満であるので、そのままモータ１５の駆動を継続する。

他方、順方向電圧Ｖｆが第２基準電圧Ｖf2を下回った場合には（ステップＳ１７でＹＥＳ）、コントローラ１１の制御演算部４３に第２過温度信号ｑ２が出力される。即ち、図５に示す特性図で、温度モニタダイオード２３の順方向電圧Ｖｆが低下し、第２基準電圧Ｖf2を下回ると、第２過温度信号ｑ２が出力される。

コントローラ１１は、第２過温度信号ｑ２が入力されると、スイッチング素子２１の温度が許容温度Ｔ２に達したものと判断して、インバータ装置１００の制御を停止してモータ１５の駆動を停止させる（ステップＳ１８）。こうして、スイッチング素子２１が許容温度Ｔ２に達した場合には、即時にモータ１５の駆動を停止させて、インバータ装置１００を保護することができる。

また、ステップＳ１５の処理で、フライホイールダイオード２２が過温度であると判定された場合には（ステップＳ１５でＹＥＳ）、モータ１５に対する制御出力を変更する（ステップＳ１９）。例えば、パワーモジュール１３のチップサイズが小さいサイズであり（図６のＳ１２、図７のＳ２２）、モータ１５がロック状態であり、且つ、キャリア周波数ｆｃが低い場合には、フライホイールダイオード２２の温度がスイッチング素子２１の温度を上回る場合がある。この場合には、スイッチング素子２１が過温状態とならない場合でも、フライホイールダイオード２２が過温状態となる場合があり得る。従って、順方向電圧Ｖｆが第１基準電圧Ｖf1を下回った時点で、フライホイールダイオード２２が過温状態となる場合があるので、例えば、モータ１５の駆動トルクを低下させることや、モータ１５に供給する電流の位相を変化させることにより、フライホイールダイオード２２の平均損失を低下させて、該フライホイールダイオード２２が過温状態となることを回避する。

このようにして、第１実施形態に係るインバータ装置１００では、スイッチング素子２１に温度モニタダイオード２３を設け、該温度モニタダイオード２３の順方向電圧Ｖｆが第１基準電圧Ｖf1を下回った場合に、フライホイールダイオード２２が過温度状態であるか否かを判定する。この判定処理は、モータ１５の回転状態、キャリア信号の周波数ｆｃ（インバータ素子の動作状態）、半導体チップサイズ等の条件、及びスイッチング素子２１の温度に基づいて行うことができる。従って、フライホイールダイオード２２に温度検知用の回路を設けることなく、該フライホイールダイオード２２の温度を推定して過温度であるか否かを判定できる。その結果、回路構成を簡素化でき、且つコストダウンを図ることができる。

また、コントローラ１１に設けられた記憶部４４に、スイッチング素子２１の平均損失がフライホイールダイオード２２の平均損失を上回る条件を予め記憶しておき、この条件に基づいてスイッチング素子２１の温度がフライホイールダイオード２２の温度よりも高いか否かを判断することができるので、高精度な電圧検出回路やピークホールド回路等の回路を用いることなくフライホイールダイオードのチップ表面温度の温度上昇を検出することが可能となる。

更に、図７の曲線ｓ２２〜ｓ２４に記載したように、パワーモジュールのチップサイズの大きさと、フライホイールダイオード２２の平均損失との関係が判るので、チップサイズを不必要なサイズまで大きくする必要がなく、スイッチング素子２１の平均損失との関係で過温度とならない程度のチップサイズを決めることができ、装置の小型化、低コスト化を図ることができる。

また、フライホイールダイオード２２の温度変化に最も影響を及ぼすモータ１５の回転数を見ることで、不必要な演算負荷を低減しつつ確実に該フライホイールダイオード２２の発熱を判断できる。

更に、フライホイールダイオード２２の温度が最も厳しくなるモータロック時に、該フライホイールダイオード２２が過温度破壊する温度まで上昇することを防止することができるので、演算負荷を最小限に抑制しつつ、フライホイールダイオード２２の過温検知が可能となる。

また、制御演算部４３は、フライホイールダイオード２２が過温度状態であると判定した場合に、モータトルクを制限する（例えば、低下させる）ことにより、フライホイールダイオード２２の発熱量を低減するので、フライホイールダイオード２２が許容温度に達することを防止できる。

更に、制御演算部４３は、フライホイールダイオード２２が過温度状態であると判定した場合に、モータ１５に供給する電流の位相をずらす制御を行う。従って、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の各相毎に設けられたパワーモジュール１３のうちの、一つの相に電流が集中することを防止でき、発熱量を低減できるので、フライホイールダイオード２２が許容温度に達することを防止できる。

また、スイッチング素子２１の温度を検知する検知レベルを２系統（第１基準電圧Ｖf1、及び第２基準電圧Ｖf2）設け、このうち第２基準電圧Ｖf2をスイッチング素子２１が許容温度Ｔ２に達する温度に対応する電圧に設定し、第１基準電圧Ｖf1をフライホイールダイオード２２が過温状態に達する可能性のある温度に対応する電圧に設定するので、一つの温度モニタダイオード２３を用いることにより、スイッチング素子２１及びフライホイールダイオード２２の双方を確実に発熱から保護することができる。

なお、第１基準電圧Ｖf1と、第２基準電圧Ｖf2を同一の値として、インバータ装置１００を制御することも可能である。この場合には、図３に示した第１比較部３２、第２比較部３３を一つの比較部で構成することが可能となり、回路規模を小型化することができる。

次に、本発明の第２実施形態に係るインバータ装置１００について説明する。図８は、第２実施形態に係るコントローラ１１及びゲート駆動回路１２による処理動作を示すフローチャートである。

始めに、コントローラ１１は、各パワーモジュール１３のスイッチング素子２１を駆動させるためのＰＷＭ信号をゲート駆動回路１２に出力すると、該ゲート駆動回路１２より各スイッチング素子２１のゲートにＰＷＭ信号が供給され、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の３相交流電力が生成される（ステップＳ３１）。この３相交流電力はモータ１５のＵ相、Ｖ相、Ｗ相の入力端子に供給されるので、モータ１５が回転駆動する。また、モータ１５の回転数が回転角センサ１６で検出される。

コントローラ１１は、回転角センサ１６で検出された回転数データに基づいて、モータ１５の回転数を求める（ステップＳ３２）。更に、コントローラ１１は、ＰＷＭ信号を生成するキャリア周波数ｆｃが所望の周波数となるように制御する（ステップＳ３３）。

また、スイッチング素子２１の近傍に設けられた温度モニタダイオード２３の順方向電圧Ｖｆが検出され（ステップＳ３４）、この電圧Ｖｆは、ゲート駆動回路１２に設けられた第１比較部３２の一方の入力端子に供給される。更に、他方の入力端子には第１基準電圧Ｖf1が供給されるので、順方向電圧Ｖｆと第１基準Ｖf1が比較される（ステップＳ３５）。

そして、順方向電圧Ｖｆが第１基準電圧Ｖf1を下回らない場合には（ステップＳ３５でＮＯ）、ステップＳ３１に処理を戻す。他方、順方向電圧Ｖｆが第１基準電圧Ｖf1を下回った場合には（ステップＳ３５でＹＥＳ）、コントローラ１１の制御演算部４３に第１過温度信号ｑ１が出力される。即ち、図５に示す特性図で、温度モニタダイオード２３の順方向電圧Ｖｆが低下し、第１基準電圧Ｖf1を下回ると、第１過温度信号ｑ１が出力される。

次いで、コントローラ１１は、フライホイールダイオード２２が過温度であるか否かを判定する（ステップＳ３６）。この処理では、パワーモジュール１３を構成する半導体素子のチップサイズが中程度（図６のｓ１３、図７のｓ２３の場合）、或いは大きい場合（図６のｓ１４、図７のｓ２４の場合）には、フライホイールダイオード２２の温度は過温度では無いと推定できる。即ち、前述したように、第１基準電圧Ｖf1はスイッチング素子２１の許容温度よりも若干低い温度に対応する順方向電圧Ｖｆとして設定されているので、スイッチング素子２１は過温度ではなく、また、図６のｓ１１とｓ１３，ｓ１４との比較、及び図７のｓ２１とｓ２３，ｓ２４との比較により、フライホイールダイオード２２は、スイッチング素子２１よりも温度が低いので、フライホイールダイオード２２もやはり過温度ではないことが判る。

そして、フライホイールダイオード２２が過温度でないと判定された場合には（ステップＳ３６でＮＯ）、モータ１５の駆動を継続させる（ステップＳ３７）。

また、温度モニタダイオード２３の順方向電圧Ｖｆは、ゲート駆動回路１２に設けられた第２比較部３３の一方の入力端子に供給され、更に他方の入力端子には第２基準電圧Ｖf2が供給されるので順方向電圧Ｖｆと第２基準Ｖf2が比較される（ステップＳ３８）。

そして、順方向電圧Ｖｆが第２基準電圧Ｖf2を下回らない場合には（ステップＳ３８でＮＯ）、ステップＳ３１に処理を戻す。他方、順方向電圧Ｖｆが第２基準電圧Ｖf2を下回った場合には（ステップＳ３８でＹＥＳ）、コントローラ１１の制御演算部４３に第２過温度信号ｑ２が出力される。即ち、図５に示す特性図で、温度モニタダイオード２３の順方向電圧Ｖｆが低下し、第２基準電圧Ｖf2を下回ると、第２過温度信号ｑ２が出力される。

コントローラ１１は、第２過温度信号ｑ２が入力されると、スイッチング素子２１の温度が許容温度に達したものと判断して、インバータ装置１００の制御を停止してモータ１５の駆動を停止させる（ステップＳ３９）。

他方、ステップＳ３６の処理で、フライホイールダイオード２２が過温度であると判定された場合には（ステップＳ３６でＹＥＳ）、モータ１５に対する制御出力を変更する（ステップＳ４０）。例えば、パワーモジュール１３を実装する半導体素子のチップサイズが小さいサイズであり（図６のＳ１２、図７のＳ２２）、モータ１５がロック状態であり、且つ、キャリア信号の周波数ｆｃが低い場合には、フライホイールダイオード２２の温度がスイッチング素子２１の温度を上回る場合がある。

この場合には、スイッチング素子２１が過温状態とならない場合でも、フライホイールダイオード２２が過温状態となる場合があるので、例えば、ステップＳ３３の処理で実行されるキャリア周波数ｆｃの制御において、キャリア周波数ｆｃが低くなるように制御し、スイッチング素子２１及びフライホイールダイオード２２の温度を低下させて、これらを発熱から保護する。

このようにして、第２実施形態に係るインバータ装置１００では、前述した第１実施形態と同様の効果を達成できる。これに加えて、フライホイールダイオード２２の温度変化に最も起因するキャリア周波数ｆｃを見ることにより、余計な演算負荷を低減しつつ高精度に該フライホイールダイオード２２の発熱を判断できる。更に、キャリア周波数ｆｃを見ることにより、キャリア周波数を切り替えて制御する際の、フライホイールダイオード２２の温度が最も厳しくなるキャリア周波数を判別し、フライホイールダイオード２２が過温度破壊する温度まで上昇することを防止することができる。

更に、ダイオードが過温度であると判定された場合には、キャリア周波数を低下させることにより、発熱を抑制して温度を低下させるので、パワーモジュール１３が許容温度に達する前の時点で、発熱量を低下させ許容温度に達することを回避することができる。

次に、本発明の第３実施形態に係るインバータ装置１００について説明する。図９は、第２実施形態に係るコントローラ１１及びゲート駆動回路１２による処理動作を示すフローチャートである。

始めに、コントローラ１１は、各パワーモジュール１３のスイッチング素子２１を駆動させるためのＰＷＭ信号をゲート駆動回路１２に出力すると、該ゲート駆動回路１２より各スイッチング素子２１のゲートにＰＷＭ信号が供給され、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の３相交流電力が生成される（ステップＳ５１）。この３相交流電力はモータ１５のＵ相、Ｖ相、Ｗ相の端子に供給されるので、モータ１５が回転駆動する。また、モータ１５の回転数が回転角センサ１６で検出される。

コントローラ１１は、回転角センサ１６で検出された回転数データに基づいて、モータ１５の回転数を求める（ステップＳ５２）。更に、コントローラ１１は、ＰＷＭ信号を生成する際のキャリア周波数ｆｃが所望の周波数となるように制御する（ステップＳ５３）。

また、スイッチング素子２１の近傍に設けられた温度モニタダイオード２３の順方向電圧Ｖｆが検出され（ステップＳ５４）、この電圧Ｖｆは、ゲート駆動回路１２に設けられた第１比較部３２の一方の入力端子に供給される。更に、他方の入力端子には第１基準電圧Ｖf1が供給されるので、順方向電圧Ｖｆと第１基準Ｖf1が比較される（ステップＳ５５）。

そして、順方向電圧Ｖｆが第１基準電圧Ｖf1を下回らない場合には（ステップＳ５５でＮＯ）、ステップＳ５１に処理を戻す。他方、順方向電圧Ｖｆが第１基準電圧Ｖf1を下回った場合には（ステップＳ５５でＹＥＳ）、コントローラ１１の制御演算部４３に第１過温度信号ｑ１が出力される。即ち、図５に示す特性図で、温度モニタダイオード２３の順方向電圧Ｖｆが低下し、第１基準電圧Ｖf1を下回ると、第１過温度信号ｑ１が出力される。

次いで、コントローラ１１は、フライホイールダイオード２２が過温度であるか否かを判定する（ステップＳ５６）。この処理では、パワーモジュール１３を構成する半導体素子のチップサイズが中程度（図６のｓ１３、図７のｓ２３の場合）、或いは大きい場合（図６のｓ１４、図７のｓ２４の場合）には、フライホイールダイオード２２の温度は過温度ではないと推定できる。即ち、前述したように、第１基準電圧Ｖf1はスイッチング素子２１の許容温度よりも若干低い温度に対応する順方向電圧Ｖｆとして設定されているので、スイッチング素子２１は過温度ではなく、また、図６のｓ１１とｓ１３，ｓ１４との比較、及び図７のｓ２１とｓ２３，ｓ２４との比較により、フライホイールダイオード２２は、スイッチング素子２１よりも温度が低いので、フライホイールダイオード２２もやはり過温度ではないことが判る。

そして、フライホイールダイオード２２が過温度でないと判定された場合には（ステップＳ５６でＮＯ）、キャリア周波数ｆｃを変更して（例えば、低くして）、モータ１５の駆動を継続させる（ステップＳ５７）。このため、フライホイールダイオード２２の平均損失を低減でき、発熱量を減少することができる。

また、温度モニタダイオード２３の順方向電圧Ｖｆは、ゲート駆動回路１２に設けられた第２比較部３３の一方の入力端子に供給され、更に他方の入力端子には第２基準電圧Ｖf2が供給されるので順方向電圧Ｖｆと第２基準Ｖf2が比較される（ステップＳ５８）。

そして、順方向電圧Ｖｆが第２基準電圧Ｖf2を下回らない場合には（ステップＳ５８でＮＯ）、ステップＳ５１に処理を戻す。他方、順方向電圧Ｖｆが第２基準電圧Ｖf2を下回った場合には（ステップＳ５８でＹＥＳ）、コントローラ１１の制御演算部４３に第２過温度信号ｑ２が出力される。即ち、図５に示す特性図で、温度モニタダイオード２３の順方向電圧Ｖｆが低下し、第２基準電圧Ｖf2を下回ると、第２過温度信号ｑ２が出力される。

コントローラ１１は、第２過温度信号ｑ２が入力されると、スイッチング素子２１の温度が許容温度に達したものと判断して、インバータ装置１００の制御を停止してモータ１５の駆動を停止させる（ステップＳ５９）。

他方、ステップＳ５６の処理で、フライホイールダイオード２２が過温度であると判定された場合には（ステップＳ５６でＹＥＳ）、モータ１５に対する制御出力を変更する（ステップＳ６０）。例えば、パワーモジュール１３を実装する半導体素子のチップサイズが小さいサイズであり（図６のＳ１２、図７のＳ２２）、モータ１５がロック状態であり、且つ、キャリア信号の周波数ｆｃが低い場合には、フライホイールダイオード２２の温度がスイッチング素子２１の温度を上回る場合がある。

この場合には、スイッチング素子２１が過温状態とならない場合でも、フライホイールダイオード２２が過温状態となる場合があるので、例えば、ステップＳ３３の処理で実行されるキャリア周波数ｆｃの制御において、キャリア周波数ｆｃが低くなるように制御し、スイッチング素子２１及びフライホイールダイオード２２の温度を低下させて、これらを発熱から保護する。

このようにして、第３実施形態に係るインバータ装置１００では、前述した第１、第２実施形態と同様の効果を達成できる。これに加えて、Ｖｆ＜Ｖf1であり、且つフライホイールダイオード２２が過温度でない場合（ステップＳ５６でＮＯの場合）には、キャリア周波数ｆｃを変更して（例えば、低下させて）モータ１５の駆動を継続するので、フライホイールダイオード２２が過温度になることを事前に防止することができ、フライホイールダイオード２２を過熱から確実に保護することができる。

以上、本発明のインバータ装置を図示の実施形態に基づいて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、各部の構成は、同様の機能を有する任意の構成のものに置き換えることができる。

本発明は、インバータ装置に設けられるスイッチング素子、フライホイールダイオードが過温度とならないように制御する上で極めて有用である。

１１ コントローラ
１２ ゲート駆動回路
１３ パワーモジュール
１４ 電流センサ
１５ モータ
１６ 回転角センサ
１７ 直流電源
２１ スイッチング素子
２２ フライホイールダイオード
２３ 温度モニタダイオード
３１ 駆動信号生成部
３２ 第１比較部
３３ 第２比較部
３４ 第１基準電圧出力部
３５ 第２基準電圧出力部
４１ 回転数演算部
４２ キャリア周波数演算部
４３ 制御演算部
４４ 記憶部
１００ インバータ装置
Ｃ１ コンデンサ

Claims (9)

1. モータを駆動するインバータ装置において、
   スイッチング素子とフライホイールダイオードとを並列接続したインバータ素子と、
   前記スイッチング素子の温度を検出するスイッチング素子温度検出手段と、
   前記インバータ素子の動作状態、及び前記モータの動作状態に基づいて、前記フライホイールダイオードの発熱と、前記スイッチング素子の発熱の大きさを比較する比較手段と、
   前記スイッチング素子温度検出手段で検出された前記スイッチング素子温度と、前記発熱の大きさの比較結果に基づいて、前記フライホイールダイオードの温度を推定するフライホイールダイオード温度推定手段と、
   を有することを特徴とするインバータ装置。
2. モータを駆動するインバータ装置において、
   スイッチング素子とフライホイールダイオードとを並列接続したインバータ素子と、
   前記スイッチング素子の温度を検出するスイッチング素子温度検出手段と、
   予め前記フライホイールダイオードの発熱が前記スイッチング素子の発熱よりも大きくなる前記インバータ素子の動作状態、及び前記モータの動作状態を記憶する記憶手段と、
   前記スイッチング素子温度検出手段で検出された前記スイッチング素子温度と、前記記憶手段に記憶された各動作状態に基づいて、前記フライホイールダイオードの温度を推定するフライホイールダイオード温度推定手段と、
   を有することを特徴とするインバータ装置。
3. 前記モータの動作状態は、前記モータの回転数であることを特徴とする請求項１または請求項２のいずれかに記載のインバータ装置。
4. 前記モータの動作状態は、前記モータがロック状態であるか否かであることを特徴とする請求項３に記載のインバータ装置。
5. 前記インバータ素子の動作状態は、該インバータ素子で使用されるキャリア周波数であることを特徴とする請求項１または請求項２のいずれかに記載のインバータ装置。
6. 前記フライホイールダイオードの温度を制御するフライホイールダイオード温度制御手段を更に有し、
   該フライホイールダイオード制御手段が、フライホイールダイオード温度が前記スイッチング素子温度を上回ったことを検知した場合に、前記モータのトルクを小さくする制御を行うことを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載のインバータ装置。
7. 前記フライホイールダイオードの温度を制御するフライホイールダイオード温度制御手段を更に有し、
   該フライホイールダイオード制御手段が、フライホイールダイオード温度が前記スイッチング素子温度を上回ったことを検知した場合に、前記モータに供給する電流の位相をずらすことを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載のインバータ装置。
8. 前記スイッチング素子の温度を検知する検知レベルを、閾値の異なるレベルで２系統設け、このうち一方はフライホイールダイオード温度がスイッチング素子温度よりも高くなるような動作状態を設定し、フライホイールダイオード温度が過温度であることを検出するために使用し、他方は、スイッチング素子が過温度であることを検知するために使用することを特徴とする請求項１〜請求項７のいずれか１項に記載のインバータ装置。
9. 前記２系統設けた検知レベルのうち、フライホイールダイオードの温度が過温度であることを検知するために設けた検知レベルを、スイッチング素子用の異なる制御用途の検知レベルと併用することを特徴とする請求項８に記載のインバータ装置。

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