JP2012044866A

JP2012044866A - 電源装置及び電源供給方法、並びにモータ駆動システム

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Publication number: JP2012044866A
Application number: JP2011261704A
Authority: JP
Inventors: Masaya Kachi; 雅哉加地; Nobutoshi Nakane; 信敏中根
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2011-11-30
Filing date: 2011-11-30
Publication date: 2012-03-01
Anticipated expiration: 2025-11-18
Also published as: JP5267644B2

Abstract

【課題】スイッチング素子のスイッチング時のサージと損失の低減を両立させることができる、電源装置及び電源供給方法、並びにモータ駆動システムの提供。
【解決手段】スイッチング素子の電源を供給するにあたり、スイッチング素子の検出温度が閾値以下であるか否かを定期的に監視し（ステップ１）、検出温度が所定の閾値以下でないときにはスイッチング素子の電源電圧を制限せず（ステップ２）、検出温度が所定の閾値以下のときにはスイッチング素子の電源電圧を制限する（ステップ３）ことにより、スイッチング素子の耐圧が低い低温時にスイッチング素子に供給される電源電圧を下げて低温時でのサージ発生による耐圧超えを防ぐとともに、耐圧特性が低温時に比して高い常温時の耐圧に基づいて決定された小さなゲート抵抗値を用いてスイッチング損失を低減させる。
【選択図】図２

Description

本発明は、スイッチング素子の電源を供給する電源装置及び電源供給方法に関する。また、本発明は、スイッチング素子の電源を供給する電源供給手段を備えるモータ駆動システムに関する。

電力用半導体素子の温度を検出し、その温度に応じて電力用半導体素子のゲート抵抗の抵抗値を可変にする技術が知られている（例えば、特許文献１参照）。この従来技術は、電力用半導体素子の温度が設定値以上になったと判断されたときはゲート抵抗の抵抗値を下げることにより、ターンオフ損失を低減させようとしている。

特開２００２−１１９０４４号公報

しかしながら、上述の従来技術では、電力用半導体素子が設定値以上ではない温度のときには、サージ電圧が低減するようにゲート抵抗値を予め大きな値に決定しておく必要があるため、スイッチング速度が低下して、スイッチング損失が増大し、発熱が大きくなってしまう。一方、電力用半導体素子が設定値以上の温度のときには、ゲート抵抗値を小さくしているので、多少なりともサージ電圧が増加してしまう。したがって、ゲート抵抗値の適合が難しい。さらに、ゲート抵抗を複数設けたりその抵抗値を可変にしたりする必要があるため、回路構成が複雑化する。

そこで、本発明は、スイッチング素子のスイッチング時のサージと損失の低減を両立させることができる電源装置及び電源供給方法、並びにモータ駆動システムの提供を目的とする。

上記目的を達成するため、本発明は、
スイッチング素子の電源を供給する電源供給手段を有する電源装置であって、
前記スイッチング素子の温度を検出する温度検出手段を備え、
前記電源供給手段は、前記温度検出手段による検出温度が所定の閾値以下のときには、前記電源の電圧を低く制限し、前記検出温度が前記スイッチング素子のスイッチングによって前記閾値を超えると、前記電源の電圧を低く制限することを解除する、電源装置を提供するものである。

また、上記目的を達成するため、本発明は、
スイッチング素子の電源を供給する電源供給手段を有する電源装置であって、
前記スイッチング素子の温度を検出する温度検出手段を備え、
前記電源供給手段は、前記温度検出手段による検出温度が所定の閾値以下のときには、前記電源の電圧を、前記閾値より大きいときの値よりも小さい値にし、前記検出温度が前記スイッチング素子のスイッチングによって前記閾値を超えると、前記電源の電圧を、前記閾値より大きいときの値にする、電源装置を提供するものである。

また、上記目的を達成するため、本発明は、
スイッチング素子の電源を供給する電源供給方法であって、
前記スイッチング素子の検出温度が所定の閾値以下のときには、前記電源の電圧を低く制限し、前記検出温度が前記スイッチング素子のスイッチングによって前記閾値を超えると、前記電源の電圧を低く制限することを解除する、電源供給方法を提供するものである。

また、上記目的を達成するため、本発明は、
スイッチング素子の電源を供給する電源供給方法であって、
前記スイッチング素子の検出温度が所定の閾値以下のときには、前記電源の電圧を、前記閾値より大きいときの値よりも小さい値にし、前記検出温度が前記スイッチング素子のスイッチングによって前記閾値を超えると、前記電源の電圧を、前記閾値より大きいときの値にする、電源供給方法を提供するものである。

また、上記目的を達成するため、本発明は、
スイッチング素子を有するインバータと、
前記インバータに制御されるモータと、
前記スイッチング素子の電源を供給する電源供給手段と、
前記スイッチング素子の温度を検出する温度検出手段とを備え、
前記電源供給手段は、前記温度検出手段による検出温度が所定の閾値以下のときには、前記電源の電圧を低く制限し、前記検出温度が前記スイッチング素子のスイッチングによって前記閾値を超えると、前記電源の電圧を低く制限することを解除する、モータ駆動システムを提供するものである。

また、上記目的を達成するため、本発明は、
スイッチング素子を有するインバータと、
前記インバータに制御されるモータと、
前記スイッチング素子の電源を供給する電源供給手段と、
前記スイッチング素子の温度を検出する温度検出手段とを備え、
前記電源供給手段は、前記温度検出手段による検出温度が所定の閾値以下のときには、前記電源の電圧を、前記閾値より大きいときの値よりも小さい値にし、前記検出温度が前記スイッチング素子のスイッチングによって前記閾値を超えると、前記電源の電圧を、前記閾値より大きいときの値にする、モータ駆動システムを提供するものである。

本発明によれば、スイッチング素子のスイッチング時のサージと損失の低減を両立させることができる。

本発明のスイッチング回路の一形態を示す図である。ＥＣＵ５が実行するサージ電圧低減制御を示すルーチンの一例である。スイッチング素子の耐圧の温度特性を示す図である。ＥＣＵ５が有するサージ電圧低減制御のための第１のマップ例である。ＥＣＵ５が有するサージ電圧低減制御のための第２のマップ例である。昇圧コンバータ２から供給される出力電流とスイッチング素子のスイッチング時のサージ電圧との関係を示す図である。スイッチング素子ＳＷ１のゲート信号Ｖｇ１とスイッチング素子ＳＷ２のゲート信号Ｖｇ２との関係を示す図である。

以下、図面を参照して、本発明を実施するための最良の形態の説明を行う。図１は、本発明の電源装置の一実施形態を適用したシステムの構成図である。本システムは、直流電源のバッテリ１、バッテリ１の電圧を昇圧する昇圧コンバータ２、昇圧コンバータ２による昇圧電圧を電源とするインバータ３、インバータ３内の三相ブリッジ回路に接続されるモータ４、本システム全体を制御するＥＣＵ（Electronic Control Unit）５、インバータ３内の温度検出部６を有している。

昇圧コンバータ２は、トランスやスイッチングレギュレータやシリーズレギュレータ等の昇圧コンバータ２内部にある電圧変換機構によって、バッテリ１側の電圧を昇圧変換してインバータ３側に出力する。昇圧変換された出力電圧は、ＥＣＵ５や昇圧コンバータ２内部にあるコンバータ制御回路などによって監視されて、出力電圧が制御される。

周知の通り、モータ４の三相巻線にインバータ３によって三相交流電流を流すと回転磁界が発生することを利用して、モータ１０の回転が制御される。インバータ３は、モータ４の三相の状態を取得し、三相ブリッジ回路の６つのスイッチング素子（図１では、ＳＷ１，ＳＷ２のみ図示し、他は省略）の通電パターンを決め、その通電パターンに従ってそれらの６つのスイッチング素子を駆動し、モータ１０を回転させる。なお、スイッチング素子は、半導体素子であって、例えば、ＩＧＢＴ，ＭＯＳＦＥＴ，バイポーラトランジスタなどである。

また、インバータ３は、ハイサイドのスイッチング素子ＳＷ１とローサイドのスイッチング素子ＳＷ２が同時にオンして大きな貫通電流が流れないようにするため、図７に示す如く、スイッチング素子ＳＷ１のゲート信号Ｖｇ１とスイッチング素子ＳＷ２のゲート信号Ｖｇ２との間にデッドタイムＴｄ１とＴｄ２を設けながらスイッチング素子ＳＷ１とスイッチング素子ＳＷ２を交互にオンオフさせている。

ところで、スイッチング素子がスイッチングするときに発生するサージの電圧が大きすぎると、スイッチング素子が耐圧（ドレイン−ソース間の耐圧もしくはコレクタ−エミッタ間の耐圧）超過によって破壊するおそれがある。そのため、スイッチング素子のスイッチング時のサージ電圧はできるだけ小さいほうが望ましい。スイッチング素子のスイッチング時のサージ電圧を下げるためには、［１］ゲート抵抗の抵抗値を上げる、［２］スイッチング素子のゲート電圧（バイアス電圧）を下げる、［３］スイッチング速度が遅い特性のスイッチング素子を選定する、などの方法が考えられるが、いずれの方法も、スイッチング速度が遅くなることによって、スイッチング損失が増大してしまう。

一般に、スイッチング損失とサージ電圧はトレードオフの関係にある。つまり、スイッチング損失が大きくなるにつれてサージ電圧は下がり、スイッチング損失が小さくなるにつれてサージ電圧は上がる。したがって、スイッチング素子の駆動回路のゲート抵抗値によって、スイッチング速度を調整してスイッチング損失とサージ電圧を適合することになるが、この適合は上述のトレードオフの関係のために難しいものとなる。そこで、本発明の電源装置の一実施形態に係る図１に示すシステムは、このような適合の難しさを解消するために、スイッチング素子の電源電圧（ドレイン−ソース間電圧もしくはコレクタ−エミッタ間の電圧）をスイッチング素子の温度に応じて可変させる。

図３は、スイッチング素子の耐圧の温度特性を示す図である。スイッチング素子の耐圧は、温度が低くなるにつれて耐圧も小さくなる。例えば、或るスイッチング素子は、常温時（２５℃）には１０５０Ｖの耐圧があるが、低温時（−４０℃）では９００Ｖの耐圧に下がる。したがって、そのスイッチング素子の電源電圧を７００Ｖで使用するとサージ電圧が３００Ｖ発生するとした場合、常温時では耐圧を超えないが（７００＋３００＝１０００＜１０５０）、低温時では耐圧を超えてしまい（７００＋３００＝１０００＞９００）、スイッチング素子が破壊するおそれがある。そこで、本発明の電源装置の一実施形態に係る図１に示すシステムは、スイッチング素子の耐圧が低い低温時にはスイッチング素子の電源電圧を低くすることにより、低温時でのサージ発生による耐圧超えを防ぐ。

そこで、図１に示されるインバータ３は、スイッチング素子の温度を検出するために、温度検出部６を有している。温度検出部６には、スイッチング素子のチップの温度を検出するもの（例えば、センスダイオード）や、スイッチング素子の放熱用媒体（冷却水や放熱フィン）の温度を検出するもの（例えば、サーミスタや熱電対）がある。また、温度検出部６は、スイッチング素子のパッケージ温度を検出してもよいし、スイッチング素子の雰囲気温度を検出してもよい。温度検出部６によって検出された温度情報はＥＣＵ５に出力される。ＥＣＵ５は温度検出部６からの温度情報に基づいて昇圧コンバータ２に対し電源電圧指令を出力し、昇圧コンバータ２は電源電圧指令に基づいてスイッチング素子に供給する電源電圧を調整する。

それでは、サージ電圧を低減させる動作について説明する。図２は、ＥＣＵ５が実行するサージ電圧低減制御を示すルーチンの一例である。図４は、ＥＣＵ５が有するサージ電圧低減制御のための第１のマップ例である。ＥＣＵ５は、温度検出部６による検出温度が閾値Ｔｔｈ以下か否かを定期的に監視している（ステップ１）。ＥＣＵ５は、検出温度が閾値Ｔｔｈ以下ではないときには、昇圧コンバータ２から供給されるスイッチング素子の電源電圧を制限しない（ステップ２）。一方、ＥＣＵ５は、検出温度が閾値Ｔｔｈ以下であるときには、昇圧コンバータ２から供給されるスイッチング素子の電源電圧を制限する電源電圧指令を昇圧コンバータ２に対し出力する（ステップ３）。すなわち、ＥＣＵ５は、図４に示されるマップに従って、検出温度が閾値Ｔｔｈより大きいときには、電源電圧をＶｂ（例えば、７００Ｖ）にする電源電圧指令を昇圧コンバータ２に対し出力し、検出温度が閾値Ｔｔｈ以下のときには、電源電圧をＶｂより小さい値であるＶａ（例えば、５００Ｖ）にする電源電圧指令を昇圧コンバータ２に対し出力する。したがって、スイッチング素子の耐圧が低い低温時にスイッチング素子に供給される電源電圧を下げることで、低温時でのサージ発生による耐圧超えを防ぐことができる。常温時（２５℃）に１０５０Ｖで低温時（−４０℃）に９００Ｖの耐圧特性を有する上述のスイッチング素子を例に挙げて説明すると、スイッチング素子の電源電圧を７００Ｖで使用するとサージ電圧が３００Ｖ発生するとした場合、２５℃と−４０℃の間の適当な温度を閾値Ｔｔｈと設定することで、常温時でも（７００＋３００＝１０００＜１０５０）低温時でも（５００＋３００＝８００＜９００）耐圧を超えることはなく、スイッチング素子の破壊を防ぐことができる。

以上、本発明の電源装置の一実施形態を適用した図１に示すシステムを用いて説明してきたように、ゲート電圧やゲート抵抗を可変させる回路を追加することは、コストアップや部品実装スペースの低下の要因となるが、本発明によれば、そのような回路を追加することなくスイッチング素子に供給される電源電圧を可変するだけで、スイッチング素子に印加されるサージを低減することができる。

また、スイッチング素子の耐圧が低い低温時にスイッチング素子に供給される電源電圧を下げることで、耐圧特性が低い低温側の耐圧に基づいて決定していたゲート抵抗の抵抗値を、耐圧特性が高い常温側の耐圧に基づいて決定することができるので、ゲート抵抗の抵抗値を予め小さくしておくことができる。その結果、スイッチング速度が速くなり、スイッチング損失も低減することができる。また、スイッチング速度が速くなれば、モータ４の動力性能も向上する。

なお、スイッチング素子がスイッチングし始めるとその温度は速やかに上昇するので、電源電圧が制限される期間は極めて短く（図２のステップ３）、検出温度が閾値Ｔｔｈを超えれば電源電圧の制限は解除されるので（図２のステップ２）、電源電圧を制限することによる影響は最小限に抑えることができる。

また、図１に示されるスイッチング素子ＳＷ１とスイッチング素子ＳＷ２との直列回路を、図７に示されるようにデッドタイムを設けて駆動する場合、ゲート抵抗の可変によるサージを低減する効果には限界がある。なぜならば、貫通電流が流れるのを防ぐためスイッチング素子のターンオフ時間をデットタイム以下に抑える必要があり、ターンオフ時間の延長（すなわち、ゲート抵抗値の増加）に限界があるからである。図７を参照しながら具体的に説明すると、サージを低減しようとゲート抵抗値を増加させたとしても、スイッチング素子ＳＷ１のＯＮからＯＦＦへのターンオフ時間はデットタイムＴｄ２より延長することはできず、また、スイッチング素子ＳＷ２のＯＮからＯＦＦへのターンオフ時間はデットタイムＴｄ１より延長することはできない。ターンオフ時間がデッドタイムより延長すると、スイッチング素子ＳＷ１とスイッチング素子ＳＷ２に貫通電流が流れることになる。

以上、本発明の好ましい実施例について詳説したが、本発明は、上述した実施例に制限されることはなく、本発明の範囲を逸脱することなく、上述した実施例に種々の変形及び置換を加えることができる。

例えば、上述の実施形態では、検出温度が閾値Ｔｔｈ以下か否かによって電源電圧を可変させるため電源電圧がステップ状に変化することになるが、図５に示すように、連続的に変化させるようにしてもよい。図５は、ＥＣＵ５が有するサージ電圧低減制御のための第２のマップ例である。つまり、ＥＣＵ５は、温度検出部６による検出温度が低温になるにつれて電源電圧を低下させる図５に示されるマップに従って、検出温度に対応する電源電圧にする電源電圧指令を昇圧コンバータ２に対し出力する。

また、上述の実施形態では、昇圧コンバータ２から供給されるスイッチング素子の電源電圧を調整しているが昇圧コンバータ２から供給される出力電流を調整してもよい。スイッチング時のサージ電圧は、配線インダクタンスＬと電流の時間変化ｄｉ／ｄｔとの積で定まるので、ｄｉ／ｄｔが高くなるとサージ電圧は大きくなる。したがって、スイッチング時の出力電流の変化量がｄｉ／ｄｔに相当するので、出力電流が小さくなるにつれてサージ電圧も小さくなる図６に示されるような関係が成立する。つまり、昇圧コンバータ２から供給される出力電流を制限しても、昇圧コンバータ２から供給される電源電圧を制限することと同様の効果を得られる。

また、上述の実施形態は、三相ブリッジ回路を用いたモータ４の駆動システムであるが、本実施形態に限らず同様の回路構成のシステムに本発明を適用しても同様の効果がある。例えば、電圧を降圧させる降圧型のスイッチング回路や電圧を昇圧させる昇圧型のスイッチング回路が挙げられる。

また、上記課題を解決するため、本発明の一局面によれば、
スイッチング素子の電源を供給する電源供給手段を有する電源装置であって、
前記スイッチング素子の温度を検出する温度検出手段を備え、
前記電源供給手段は、前記温度検出手段による検出温度が低温になるにつれて前記電源の電圧を低下させることを特徴とする電源装置が提供される。

また、上記課題を解決するため、本発明の他の一局面によれば、
スイッチング素子の電源を供給する電源供給手段を有する電源装置であって、
前記スイッチング素子の温度を検出する温度検出手段を備え、
前記電源供給手段は、前記温度検出手段による検出温度が所定の閾値以下のときには前記電源の電圧を低下させることを特徴とする電源装置が提供される。

また、上記課題を解決するため、本発明の他の一局面によれば、
スイッチング素子の電源を供給する電源供給方法であって、
前記スイッチング素子の温度を検出するステップと、
前記温度が所定値以下であるか否かを判断するステップと、
前記温度が所定値以下のときには前記電源の電圧を低下させるステップから構成される電源供給方法が提供される。

上記局面によると、スイッチング素子の耐圧が低い低温時にスイッチング素子の電源電圧を低下させることで、スイッチング素子に印加されるサージを低減することができる。そして、スイッチング素子の低温時の耐圧に基づいて決定していたゲート抵抗値を、耐圧特性が低温時に比して高い常温時の耐圧に基づいて決定することができるので、ゲート抵抗値を小さくすることができる。その結果、スイッチング速度が速くなり、スイッチング損失も低減することができる。

なお、スイッチング素子に供給する電源電圧を可変させるので、前記電源供給手段として昇圧コンバータが好適である。また、スイッチング素子の温度と放熱用媒体の温度はスイッチング素子が動作する前の低温時ではほぼ同じと考えられ、また、スイッチング素子の耐圧特性が低くなる低温側を精度良く検出できればよいので、前記温度検出手段は、前記スイッチング素子の放熱用媒体の温度を検出するようにしてもよい。

１バッテリ
２昇圧コンバータ
３インバータ
４モータ
５ＥＣＵ
６温度検出部
ＳＷスイッチング素子

Claims

スイッチング素子の電源を供給する電源供給手段を有する電源装置であって、
前記スイッチング素子の温度を検出する温度検出手段を備え、
前記電源供給手段は、前記温度検出手段による検出温度が所定の閾値以下のときには、前記電源の電圧を低く制限し、前記検出温度が前記スイッチング素子のスイッチングによって前記閾値を超えると、前記電源の電圧を低く制限することを解除する、電源装置。
スイッチング素子の電源を供給する電源供給手段を有する電源装置であって、
前記スイッチング素子の温度を検出する温度検出手段を備え、
前記電源供給手段は、前記温度検出手段による検出温度が所定の閾値以下のときには、前記電源の電圧を、前記閾値より大きいときの値よりも小さい値にし、前記検出温度が前記スイッチング素子のスイッチングによって前記閾値を超えると、前記電源の電圧を、前記閾値より大きいときの値にする、電源装置。
前記スイッチング素子は、第１のスイッチング素子と第２のスイッチング素子の直列回路によって構成され、デッドタイムを設けて駆動される、請求項１又は２に記載の電源装置。
前記電源供給手段は、コンバータである、請求項１から３のいずれか一項に記載の電源装置。
前記温度検出手段は、前記スイッチング素子の放熱用媒体の温度を検出する、請求項１から４のいずれか一項に記載の電源装置。
スイッチング素子の電源を供給する電源供給方法であって、
前記スイッチング素子の検出温度が所定の閾値以下のときには、前記電源の電圧を低く制限し、前記検出温度が前記スイッチング素子のスイッチングによって前記閾値を超えると、前記電源の電圧を低く制限することを解除する、電源供給方法。
スイッチング素子の電源を供給する電源供給方法であって、
前記スイッチング素子の検出温度が所定の閾値以下のときには、前記電源の電圧を、前記閾値より大きいときの値よりも小さい値にし、前記検出温度が前記スイッチング素子のスイッチングによって前記閾値を超えると、前記電源の電圧を、前記閾値より大きいときの値にする、電源供給方法。
スイッチング素子を有するインバータと、
前記インバータに制御されるモータと、
前記スイッチング素子の電源を供給する電源供給手段と、
前記スイッチング素子の温度を検出する温度検出手段とを備え、
前記電源供給手段は、前記温度検出手段による検出温度が所定の閾値以下のときには、前記電源の電圧を低く制限し、前記検出温度が前記スイッチング素子のスイッチングによって前記閾値を超えると、前記電源の電圧を低く制限することを解除する、モータ駆動システム。
スイッチング素子を有するインバータと、
前記インバータに制御されるモータと、
前記スイッチング素子の電源を供給する電源供給手段と、
前記スイッチング素子の温度を検出する温度検出手段とを備え、
前記電源供給手段は、前記温度検出手段による検出温度が所定の閾値以下のときには、前記電源の電圧を、前記閾値より大きいときの値よりも小さい値にし、前記検出温度が前記スイッチング素子のスイッチングによって前記閾値を超えると、前記電源の電圧を、前記閾値より大きいときの値にする、モータ駆動システム。