JP2013150496A - スイッチング装置 - Google Patents

Abstract

【課題】温度センサを用いることなく、スイッチング回路のトランジスタとダイオードの温度を推定し、推定した温度に基づいてＰＷＭ信号を生成するためのキャリア信号と指令信号のいずれかに加えるオフセット電圧を決定する。
【解決手段】本明細書が開示するスイッチング装置は、トランジスタとダイオードの並列接続で構成される複数のスイッチング回路と、各トランジスタにＰＷＭ信号を供給するコントローラを備える。コントローラは、スイッチング装置に印加される入力電圧ＶＨとスイッチング回路に流れる電流Ｉｃに基づいて各スイッチング回路のトランジスタとダイオードの損失を推定する。そしてコントローラは、推定した損失からトランジスタとダイオードの夫々の温度を推定する。さらにコントローラは、推定した温度に基づいて、ＰＷＭ信号を生成するためのキャリア信号と指令信号のいずれかに加えるオフセット電圧を決定する。
【選択図】図１

Description

本明細書は、直流電力を交流電力に変換して出力するインバータに代表されるスイッチング装置に関する。

インバータに代表されるスイッチング装置は、ＩＧＢＴなどのトランジスタとダイオードが逆並列に接続されたスイッチング回路を多数有する。以下では、スイッチング回路に用いられるトランジスタやダイオードをスイッチング素子と総称することがある。大出力のモータに電力を供給する電圧コンバータやインバータでは、スイッチング回路の温度上昇を抑えることが一つの課題となっている。スイッチング回路の温度上昇を抑制する技術の一つに、トランジスタを駆動するＰＷＭ信号を工夫し、スイッチング回路を構成するトランジスタとダイオードをバランスよく発熱させ、スイッチング回路全体の温度上昇を抑制する技術が特許文献１に開示されている。その技術は、スイッチング素子の温度に基づいて、トランジスタを駆動するＰＷＭ信号のデューティ比を調整するというものである。その調整は具体的には、次の通りである。ＰＷＭ信号は、インバータの出力目標である正弦波（指令信号と称する）を、鋸状や三角状の波形（キャリア信号）と比較し、指令信号の電圧値がキャリア信号の電圧値よりも大きい期間をＨｉｇｈ出力とし、逆の期間をＬｏｗ出力とするパルス信号である。特許文献１の技術は、キャリア信号と指令信号のいずれか一方の信号にオフセット電圧を加えた後に比較してＰＷＭ信号を生成する。オフセット電圧の大きさの決め方については、特許文献１を参照されたい。

特開２００９−２５４１５８号公報

特許文献１の技術は、スイッチング回路を構成するトランジスタとダイオードのそれぞれの温度を計測する必要がある。そのために各トランジスタとダイオードに温度センサを設置する。各トランジスタとダイオードに温度センサを設置するにはコストが嵩む。本明細書は、他の情報から、各トランジスタとダイオードの温度を推定することによって、温度センサを備えることなく、上記したオフセット電圧を決定し、スイッチング回路の温度上昇を抑制する技術を提供する。

本明細書が開示する技術は、トランジスタとダイオードの並列接続で構成される複数のスイッチング回路と、各トランジスタにＰＷＭ信号を供給するコントローラを備えるスイッチング装置を提供する。そのコントローラは、次の処理を行う。コントローラは、まず、スイッチング装置に印加される入力電圧ＶＨとスイッチング回路に流れる電流Ｉｃに基づいて各スイッチング回路のトランジスタとダイオードの損失（総損失）を推定する。次いで、コントローラは、推定した損失からトランジスタとダイオードの夫々の温度を推定する。コントローラは、推定した温度に基づいて、ＰＷＭ信号を生成するためのキャリア信号と指令信号のいずれかに加えるオフセット電圧を決定する。なお、コントローラは、決定したオフセット電圧をキャリア信号と指令信号のいずれかに加えてもよいし、決定したオフセット電圧を適宜の割合でキャリア信号と指令信号のそれぞれに加えてもよい。ここで、総損失は、スイッチング損失＋定常損失である。

温度推定の好適な一実施形態は次の通りである。スイッチング装置は、トランジスタとダイオードの夫々について次のマップ群を記憶している記憶装置を備える。そのマップ群とは、入力電圧ＶＨの値と電流Ｉｃの値の組に対してスイッチング損失Ｗｓの推定値が対応付けられているスイッチング損失マップと、キャリア信号の周波数に対して周波数補正係数Ｃｆの値が対応付けられている周波数補正係数マップと、オフセット電圧の値に対してオフセット補正係数Ｃｓの値が対応付けられているオフセット補正係数マップと、スイッチング回路を冷却する冷媒の流量の値に対して冷却補正係数Ｃｒの値が対応付けられている冷却補正係数マップである。上記マップ群の各値は、実験やシミュレーションなどにより予め定められる。コントローラは、上記マップ群を使って、トランジスタとダイオードの夫々について、次の通りにスイッチング素子（トランジスタとダイオード）の総損失推定値と温度推定値を求める。
（１−１）スイッチング損失マップを使って入力電圧ＶＨと電流Ｉｃからスイッチング損失の推定値Ｗｓを求める。
（１−２）周波数補正係数マップを使って現在のキャリア信号の周波数から周波数補正係数Ｃｆを求める。
（１−３）オフセット補正係数マップを使って現在のオフセット電圧からオフセット補正係数Ｃｓを求める。
（１−４）冷却補正係数マップを使って現在の冷媒流量から冷却補正係数Ｃｒを求める。
（１−５）Ｗａ＝Ｗｓ×Ｃｆ×Ｃｓの式を使って総損失の推定値Ｗａを求める。
（１−６）スイッチング回路を冷却する冷媒の温度Ｔｃを用いてスイッチング素子の温度推定値Ｔを、Ｔ＝Ｔｃ＋ｄＴ＝Ｔｃ＋Ｗａ×Ｃｒで求める。ここで、ｄＴ＝Ｗａ×Ｃｒは、冷媒温度Ｔｃに対するスイッチング素子の差分温度である。

温度推定の別の好適な一実施形態は次の通りである。記憶装置は、トランジスタとダイオードの夫々について次のマップ群を記憶している。そのマップ群とは、電流Ｉｃの値に対してＯＮ抵抗Ｒｎの値が対応付けられているＯＮ抵抗マップと、入力電圧ＶＨの値と電流Ｉｃの値の組に対してスイッチング損失Ｗｓの値が対応付けられているスイッチング損失マップと、スイッチング回路を冷却する冷媒の流量の値に対して冷却補正係数Ｃｒの値が対応付けられている冷却補正係数マップである。コントローラは、上記マップ群を使って、トランジスタとダイオードの夫々について、次の通りにスイッチング素子（トランジスタとダイオード）の総損失推定値と温度推定値を求める。
（２−１）ＯＮ抵抗マップを使って電流ＩｃからＯＮ抵抗Ｒｎを求める。
（２−２）定常損失ＷｃをＷｃ＝Ｉｃ^２×Ｒｎの式で求める。
（２−３）スイッチング損失マップを使って入力電圧ＶＨと電流Ｉｃの値からスイッチング損失Ｗｓを求める。
（２−４）定常損失Ｗｃの時間積分値Ｗｃｉとスイッチング損失Ｗｓの時間積分値Ｗｓｉを加算して総損失の推定値Ｗａを求める。
（２−５）冷却補正係数マップを使って現在の冷媒流量から冷却補正係数Ｃｒを求める。（２−６）スイッチング回路を冷却する冷媒の温度Ｔｃに対する素子の温度差分ｄＴを、ｄＴ＝Ｗａ×Ｃｒで求める。ここで、ｄＴ＝Ｗａ×Ｃｒは、冷媒温度Ｔｃに対するスイッチング素子の差分温度である。

オフセット電圧は、好適には、トランジスタの温度推定値とトランジスタ許容上限温度との差と、ダイオードの温度推定値とダイオード許容上限温度との差が等しくなるように決めればよい。あるいは、オフセット電圧は、トランジスタの総損失の推定値とダイオードの総損失の推定値の和が最小となるように決めてもよい。本明細書が開示する技術の詳細とさらなる改良は、発明の実施形態の項にて詳しく説明する。

実施例のハイブリッド車のシステム図である。 スイッチング損失マップの一例である。 周波数補正係数マップの一例である。 オフセット補正係数マップの一例である。 冷却補正係数マップの一例である。 ＯＮ抵抗マップの一例である。

図１に、実施例に係る電気自動車の模式的システム図を示す。なお、図１のシステム図は、本発明に関係する要素のみ示しており、車両が備える全ての要素を示してはいないことに留意されたい。本実施例の電気自動車は、車輪駆動用のモータ８とエンジン６を備えるハイブリッド車２である。まず、ハイブリッド車２の駆動機構系を説明する。エンジン６の出力トルクとモータ８の出力トルクは、動力分配器７によって加算／分配される。大きな加速度が必要な場合は、動力分配器７がエンジン６とモータ８の出力トルクを加算し、車軸９へ伝える。一定の速度を維持する場合など、大きな加速度が必要とされない場合には、動力分配器７がエンジン６の出力トルク、あるいはモータ８の出力トルクを車軸９へ伝える。バッテリ３の残量（ＳＯＣ：Ｓｔａｔｅ Ｏｆ Ｃｈａｒｇｅ）が十分に大きい場合は、ハイブリッド車２は、エンジン６を停止し、モータ８の出力トルクのみで走行する。バッテリ３の残量が少なくなると、ハイブリッド車２は、エンジン６を始動し、動力分配器７が、エンジン６の出力トルクの一部を車軸９へ伝達し、残りをモータ８へ伝達する。モータ８はエンジン６の駆動力によって回転させられ、発電する。ハイブリッド車２は、発電によって得た電力を使ってバッテリ３を充電する。

ハイブリッド車２は、また、車両の運動エネルギ（減速により失う運動エネルギ）を電気エネルギに変換してバッテリ３を充電することもできる。具体的には、運転者がブレーキを踏んだ際、ハイブリッド車２は、車輪の回転に連動して回転するモータ８で発電しバッテリ３を充電する。なお、バッテリ３の電力でモータ８を駆動することを「力行」と称し、車両の運動エネルギによってモータを回転させて発電することを「回生」と称する。

次にハイブリッド車２の電気系を説明する。バッテリ３は、システムメインリレー４を介してパワーコントローラ５内の電圧コンバータ１２に接続している。電圧コンバータ１２は、バッテリ３の出力電圧をモータの駆動に適した電圧に昇圧する昇圧動作と、モータ８が発電した電力の電圧をバッテリ３の電圧まで降圧する降圧動作を行うことができる昇降圧コンバータである。例えば、バッテリ３の出力電圧は３００Ｖ程度であり、モータ駆動電圧は６００Ｖ程度である。電圧コンバータ１２は、ＩＧＢＴとダイオードの逆並列接続で構成された２つのスイッチング回路とリアクトルで構成される。図１に示される昇降圧コンバータの回路は良く知られているので詳しい説明は省略する。電圧コンバータ１２の低電圧側（バッテリ側）の端子にはフィルタコンデンサＣ２が接続されている。フィルタコンデンサＣ２は、リアクトルによって生じる電流の脈動を抑制するために備えられている。電圧コンバータ１２の高電圧側（インバータ回路側）の端子には平滑化コンデンサＣ１が接続されている。平滑化コンデンサＣ１は、インバータ１３に入力される電流の脈動を抑制するために備えられている。インバータ１３の入力側には、インバータ１３に印加される電圧を計測するための電圧センサ１６が備えられている。

電圧コンバータ１２の高電圧側は、インバータ１３の入力端に接続されている。インバータ１３では、６個のトランジスタＴｒ１〜Ｔｃ６、及び、６個のダイオードＤ１〜Ｄ６（還流ダイオード）が図に示す回路を構成している。それぞれのトランジスタとダイオードは逆並列に接続され、一つのスイッチング回路を構成している。例えば、トランジスタＴｒ１とダイオードＤ１の逆並列接続によってスイッチング回路ＳＷ１が構成される。他のスイッチング回路については符号を省略する。図に示すように、直列に接続された２個のスイッチング回路が３組、並列に接続されている。３組のそれぞれからＵＶＷの３相の交流電力が出力される。良く知られているように、高電位側のトランジスタＴｒ１〜Ｔｃ３を通るラインは「上アーム」と呼ばれ、低電位側のトランジスタＴｃ４〜Ｔｃ６を通るラインは「下アーム」と呼ばれる。また、上アームに電力を供給する共通の高電位線はＰ線と呼ばれ、下アームに共通する低電位線はＮ線と呼ばれることがある。Ｎ線は、バッテリ３の低電位側端子に直接繋がっている。インバータ１３とモータ８を繋ぐケーブルの夫々に電流センサ１４ａ、１４ｂ、及び、１４ｃが設置されている。電流センサ１４ａ〜１４ｃは、例えば、ホール素子を使った非接触タイプの電流センサである。電流センサ１４ａはＵ相に流れる電流を計測し、電流センサ１４ｂはＶ相に流れる電流を計測し、電流センサ１４ｃはＷ相に流れる電流を計測する。電流センサ１４ａ〜１４ｃは、モータ８への電流フィードバック制御に用いられる。また、電流センサ１４ａ〜１４ｃのデータは、後述するように、各トランジスタとダイオードの温度推定にも用いられる。

インバータ１３には、トランジスタやダイオードの温度上昇を抑制するために冷却器（不図示）が取り付けられている。冷却器は、ポンプによってＬＬＣ（Ｌｏｎｇ Ｌｉｆｅ Ｃｏｏｌａｎｔ）などの冷媒を循環させるタイプである。冷却器には、冷媒の温度を計測する温度センサ１７が備えられている。温度センサ１７が計測する冷媒の温度Ｔｃも、コントローラ２０に送られる。後述するように、コントローラ２０は、電圧センサ１６と電流センサ１４ａ〜１４ｃのセンサデータとともに、温度センサ１７のセンサデータを使ってトランジスタ等の温度を推定する。

インバータ１３の各スイッチング回路に与えるＰＷＭ信号はコントローラ２０が生成する。コントローラ２０は、上位のコントローラ（不図示）からモータ８の目標出力を与えられ、その目標出力を実現するＰＷＭ信号を生成する。ＰＷＭ信号は、モータ目標出力に相当する正弦波（指令信号と称する）を、鋸状や三角状の波形（キャリア信号）と比較し、指令信号の電圧値がキャリア信号の電圧値よりも大きい期間をＨｉｇｈ出力とし、逆の期間をＬｏｗ出力とするパルス信号である。通常のＰＷＭ信号の生成プロセスは良く知られているので、説明は省略する。なお、通常は、キャリア信号のゼロ点と、指令信号のゼロ点は一致している。

コントローラ２０は、各アームのトランジスタの温度推定値とダイオードの温度推定値に応じて、指令信号に電圧のオフセット（オフセット電圧）を加える。即ち、キャリア信号のゼロ点と指令信号のゼロ点をシフトさせる。オフセット電圧の分だけ、ＰＷＭ信号のデューティ比が変化する。オフセット電圧を適切に選定すると、スイッチング回路を構成するトランジスタとダイオードの発熱量の差が小さくなり、トータルの発熱量が抑えられる。次に、トランジスタとダイオードの温度推定と、オフセット電圧決定のプロセスを説明する。

インバータ１３は、トランジスタとダイオードで構成される複数のスイッチング回路を備えている。以下では、一例として、スイッチング回路ＳＷ１を構成するトランジスタＴｒ１の温度推定プロセスを説明する。ダイオードＤ１や他のスイッチング回路のトランジスタとダイオードの温度推定値も、同様のプロセスで求められることに留意されたい。

コントローラ２０は、トランジスタＴｒ１とダイオードＤ１で構成されるスイッチング回路を流れる電流と、インバータ１３に印加される電圧に基づいてトランジスタＴｒ１の温度とダイオードＤ１の温度を推定する。トランジスタＴｒ１とダイオードＤ１で構成されるスイッチング回路ＳＷ１はＵ相の電流を制御するので、スイッチング回路ＳＷ１を流れる電流は、Ｕ相の電流を計測する電流センサ１４ａから得られる。今、Ｕ相を流れる電流を「電流Ｉｃ」と表す。インバータ１３に印加される電圧は、電圧センサ１６の計測値であり、以下、「入力電圧ＶＨ」と表す。

コントローラ２０は、いくつかのマップを記憶している。ここで、マップとは、特定の物理量の推定値を、他の物理量を変数として対応付けたものである。別言すれば、「他の物理量」は関数における独立変数に相当し、「物理量の推定値」が従属変数に相当する。以下、マップ群について説明する。

（１）スイッチング損失マップ：このマップは、入力電圧ＶＨの値と電流Ｉｃの値の組に対してスイッチング損失の推定値Ｗｓ（スイッチング損失推定値Ｗｓ）が対応付けられているマップである。別言すれば、このマップは、電流Ｉｃと入力電圧ＶＨを独立変数とし、素子のスイッチング損失推定値Ｗｓを従属変数とする関数に相当するマップである。スイッチング損失推定値Ｗｓは、印加される入力電圧ＶＨと流れる電流Ｉｃとの間に一定の関係があることが知られている。スイッチング損失マップは、実際のデバイスでの試験やシミュレーションなどによってその関係を特定して作成される。即ち、スイッチング損失マップの値は、実際のデバイスに依存する。スイッチング損失マップは、トランジスタＴｒ１とダイオードＤ１の夫々に対して用意されている。また、力行時と回生時に対しても夫々用意されている。回生とは、車両の運動エネルギを利用してモータ８が発電した交流電力をインバータ１３が直流に変換することであり、コントローラ２０は、回生時にも、スイッチング回路の温度を推定する。結局、トランジスタＴｒ１に対して力行用と回生用のスイッチング損失マップが用意されており、ダイオードＤ１に対して力行用と回生用のスイッチング損失マップが用意されている。図２に、スイッチング損失マップの例を示す。なお、スイッチング損失マップは、ＰＷＭ信号を生成する際のキャリア周波数ｆ＝ｆａの場合のスイッチング損失推定値を表すものとする。図２のマップ中の記号Ｌｔａ１１、Ｌｔｂ１１、Ｌｄａ１１，Ｌｄｂ１１等は、スイッチング損失推定値Ｗｓの具体的な値を意味する。

（２）周波数補正係数マップ：このマップは、キャリア周波数に対して予め定められている周波数補正係数Ｃｆのマップである。周波数補正係数Ｃｆは、キャリア周波数に依存する損失の変化を修正するための係数である。コントローラ２０は、周波数補正係数マップを参照し、温度を推定するときの実際のキャリア周波数ｆ＝ｆｃに対する周波数補正係数Ｃｆを特定する。周波数補正係数Ｃｆは、具体的には、上記したスイッチング損失マップを作製した際のキャリア周波数ｆａと、温度推定する際のキャリア周波数ｆｃを独立変数とし、周波数補正係数Ｃｆを従属変数とする関数に相当するマップである。スイッチング損失Ｗｓは、キャリア周波数にも依存する。前述したスイッチング損失マップの値は、キャリア周波数ｆ＝ｆａのときのスイッチング損失をマップ化したものである。周波数補正係数Ｃｆは、温度推定する際のキャリア周波数ｆｃがｆａと異なる場合に、その相違に基づいてスイッチング損失マップの値を補正する係数である。それゆえ、ｆａとｆｃが等しい場合には、周波数補正係数Ｃｆは１．０となる。周波数補正係数Ｃｆも予め定められている。すなわち、周波数補正係数マップも、実際のデバイスでの試験やシミュレーションなどによって予め作成される。また、スイッチング損失マップに対応して、周波数補正係数Ｃｆもトランジスタとダイオードの夫々に対して設定されている。周波数補正係数マップの一例を図３に示す。図３のマップ中の記号ｆａ１等は、スイッチング損失マップを作製した際のキャリア周波数ｆａの具体的な値を意味する。ｆｃ１等は、現在のキャリア周波数ｆ＝ｆｃの具体的な値を意味する。Ｃｆｔ１１、Ｃｆｄ１１等は、周波数補正係数Ｃｆの具体的な値を意味する。

（３）オフセット補正係数マップ：このマップは、オフセット電圧ｄＶに対して予め定められているオフセット補正係数Ｃｓの値が対応付けられているマップである。ここで、オフセット電圧ｄＶは、キャリア信号の振幅が０．０から１．０の間となるように正規化したときの、キャリア信号の中間点（＝０．５）に対する指令信号（正弦波信号）のゼロ点の位置を決定する値である。正規化後のキャリア信号は最低値ゼロ、最大値１．０、中間値０．５である。ゆえに、オフセット電圧ｄＶは、ゼロから１．０の間の値を取り、オフセット電圧がゼロのときにはｄＶ＝０．５（正規後のキャリア信号の中間点）となる。ただし、オフセット電圧ｄＶは、概ね、０．３〜０．７の間で調整される。オフセット補正係数マップの一例を図４に示す。図４のマップ中の記号ｄＶ１等は、オフセット電圧ｄＶの具体的な値を意味する。記号Ｃｓ１等は、補正係数Ｃｓの具体的な値を意味する。オフセット補正係数マップも、実際のデバイスでの試験やシミュレーションなどによって予め作成される。

（４）冷却補正係数マップ：このマップは、スイッチング回路を冷却する冷媒の流量の値に対して冷却補正係数Ｃｒの値が対応付けられているマップである。素子温度上昇は、冷媒の流量にも依存する。冷媒の流量が大きいほど、素子温度上昇は小さくなる。冷媒の流量と素子温度上昇との間にも、実際のデバイスに依存して一定の関係が成立する。冷却補正係数マップの一例を図５に示す。図５のマップ中の符号Ｑ１等は、冷媒の流量Ｑの具体的な値を意味する。符号Ｃｒ１等は、補正係数Ｃｒの具体的な値を意味する。なお、冷媒の流量Ｑは、冷媒を送り出すポンプの出力に依存するため、素子の温度を推定する際のポンプ出力の値が、冷媒の流量Ｑの代替値として用いられる。即ち、冷却補正係数マップの変数は、理論的には冷媒流量Ｑであるが、実際にはポンプ出力となる。ポンプ出力は素子の温度や車速に応じてコントローラ２０が決めるものであるため、コントローラ２０は、素子の温度を推定する時点でのポンプ出力から、冷却補正係数マップを参照して補正係数Ｃｒを定めることになる。

次に、上記した４つのマップを使ってのトランジスタＴｒ１の推定温度の算出アルゴリズムを説明する。コントローラ２０は、電圧センサ１６からインバータ１３への入力電圧ＶＨを取得する。同時に、Ｕ相の電力供給線に取り付けた電流センサ１４ａからＵ相上アームのスイッチング回路ＳＷ１を流れる電流Ｉｃを取得し、温度センサ１７からスイッチング回路を冷却する冷媒の温度Ｔｃを取得する。コントローラ２０は、記憶されているスイッチング損失マップを参照し、取得した入力電圧ＶＨと電流Ｉｃに対応するスイッチング損失推定値Ｗｓを特定する。例えば、現在が力行状態であり、入力電圧ＶＨ＝ＶＨ１、電流Ｉｃ＝Ｉｃ１とすると、図２（Ａ）のマップにて、入力電圧ＶＨ＝ＶＨ１と電流Ｉｃ＝Ｉｃ１に対応するスイッチング損失推定値Ｌｔａ１１が、求めるスイッチング損失推定値Ｗｓに相当する。即ち、求めるスイッチング損失推定値Ｗｓ＝Ｌｔａ１１となる。なお、計測した入力電圧ＶＨの値と電流Ｉｃの値がマップ上にない場合には、コントローラ２０は、計測した入力電圧ＶＨの値と電流Ｉｃの近傍の４点の値から内挿補間にて対応するスイッチング損失推定値Ｗｓを求める。

次に、コントローラ２０は、周波数補正係数マップ（図３（Ａ））を参照し、現在のキャリア周波数ｆｃに対応するキャリア周波数補正係数Ｃｆを求める。例えば、現在のキャリア周波数がｆｃ１の場合、キャリア周波数補正係数ＣｆはＣｆｔ１１となる。

次に、コントローラ２０は、オフセット補正係数マップ（図４）を参照し、現在のオフセット電圧ｄＶに対応するオフセット補正係数Ｃｓを求める。例えば、現在のオフセット電圧がｄＶ１の場合、オフセット補正係数ＣｓはＣｓ１となる。

次にコントローラ２０は、マップより得られたスイッチング損失推定値Ｗｓ＝Ｌｔａ１１、マップより得られたキャリア周波数補正係数Ｃｆ＝Ｃｆ１、及び、マップより得られたオフセット補正係数Ｃｓ＝Ｃｓ１を用い、数式：総損失推定値Ｗａ＝Ｗｓ×Ｃｆ×Ｃｓによって総損失の推定値Ｗａ（総損失推定値Ｗａ）を求める。上記例の場合、総損失推定値Ｗａ＝Ｌｔａ１１×Ｃｆ１×Ｃｓ１となる。総損失推定値Ｗａは、スイッチング損失の推定値と定常損失の推定値を合計したものである。総損失推定値Ｗａ＝Ｗｓ×Ｃｆ×Ｃｓの式は、スイッチング損失と定常損失との間に存在する関係を利用したものである。その関係が、キャリア周波数補正係数Ｃｆとオフセット補正係数Ｃｓで表されていることになる。

次に、コントローラ２０は、冷却補正係数マップ（図５）を使って現在の冷媒流量Ｑに対応する冷却補正係数Ｃｒを求める。なお、前述したように、冷媒流量Ｑは、コントローラ２０が決定するポンプ出力に対応して特定される。コントローラ２０は、スイッチング損失の推定値Ｗａと取得した冷却補正係数Ｃｒを使って、冷媒温度Ｔｃに対するトランジスタＴｒ１の温度上昇分ｄＴを、数式ｄＴ＝Ｗａ×Ｃｒによって求める。最後にコントローラ２０は、冷媒温度Ｔｃに温度上昇分ｄＴを加算し、トランジスタＴｒ１の推定温度Ｔｅを求める（Ｔｅ＝Ｔｃ＋Ｗａ×ｄＴ）。同様にしてコントローラ２０は、トランジスタＴｒ１と対をなしてスイッチング回路ＳＷ１を構成するダイオードＤ１の推定温度Ｔｄを求める。以上の温度推定プロセスを以下では第１温度推定プロセスと称することにする。

次に、オフセット電圧ｄＶを決定するプロセスを説明する。前述したように、トランジスタＴｒ１の推定温度Ｔｅと、ダイオードＤ１の推定温度Ｔｄは、ともに、オフセット電圧ｄＶをパラメータに含んでいる。即ち、第１温度推定プロセスは、トランジスタＴｒ１とダイオードＤ１の推定温度を求めるというだけでなく、オフセット電圧ｄＶを変化させたときのトランジスタＴｒ１とダイオードＤ１の予想温度を与える。他方、トランジスタとダイオードには、その物理的特性、及び、インバータ１３に課せられる制約から定まる許容上限温度がある。コントローラ２０は、許容上限温度を記憶している。今、トランジスタＴｒ１の許容上限温度をＴｅ＿ｌｍｔで表し、ダイオードＤ１の許容上限温度をＴｄ＿ｌｍｔと表す。コントローラ２０は、オフセット電圧ｄＶを変数として、トランジスタＴｒ１の温度推定値Ｔｅ（即ち、特定のオフセット電圧ｄＶに対するトランジスタの予想温度）とトランジスタ許容上限温度Ｔｅ＿ｌｍｔとの温度差（Ｔｅ＿ｌｍｔ−Ｔｅ）と、ダイオードＤ１の温度推定値Ｔｄとダイオード許容上限温度Ｔｄ＿ｌｍｔとの温度差（Ｔｄ＿ｌｍｔ−Ｔｄ）を算出する。そして、コントローラ２０は、オフセット電圧ｄＶを様々に変えてトランジスタの温度差（Ｔｅ＿ｌｍｔ−Ｔｅ）とダイオードの温度差（Ｔｄ＿ｌｍｔ−Ｔｄ）を算出し、温度差（Ｔｅ＿ｌｍｔ−Ｔｅ）と温度差（Ｔｄ＿ｌｍｔ−Ｔｄ）が等しくなるオフセット電圧ｄＶを決定する。このプロセスは、トランジスタＴｒ１の温度Ｔｅがその許容上限温度Ｔｄ＿ｌｍｔに近く、ダイオードＤ１の温度Ｔｄは、その許容上限温度Ｔｄ＿ｌｍｔまで余裕がある場合に、トランジスタＴｒ１の発熱量を抑えるように、逆にダイオードＤ１の発熱量が多くなるようにオフセット電圧ｄＶを定めることを意味する。そのようにオフセット電圧ｄＶを決定することによって、スイッチング回路ＳＷ１の全体が許容上限温度に達することを遅らせることができる。上記のオフセット電圧の決定プロセスを、第１オフセット電圧決定プロセスと称する。

第１オフセット電圧決定プロセスの変形例として、コントローラ２０は、トランジスタの温度推定値Ｔｅとトランジスタ許容上限温度Ｔｅ＿ｌｍｔとの比と、ダイオードの温度推定値Ｔｄとダイオード許容上限温度Ｔｄ＿ｌｍｔとの比が等しくなるように、オフセット電圧を決めてもよい。

次に、オフセット電圧の別の決定プロセスを説明する。第１温度推定プロセスにおいて、コントローラ２０は、トランジスタＴｒ１の総損失推定値Ｗａ＿ｔを得る。同様にしてコントローラ２０は、ダイオードＤ１の総損失推定値Ｗａ＿ｄを得る。総損失推定値を得る数式（総損失推定値Ｗａ＝Ｗｓ×Ｃｆ×Ｃｓ）から明らかなとおり、総損失推定値Ｗａ＿ｔ（Ｗａ＿ｄ）も、オフセット電圧ｄＶをパラメータに含んでいる（オフセット補正係数Ｃｓを求める際にオフセット電圧ｄＶを用いた）。それゆえ、総損失推定値Ｗａ＿ｔ（Ｗａ＿ｄ）は、オフセット電圧ｄＶを変化させたときの予想総損失を与える。そこで、コントローラ２０は、オフセットｄＶを様々に変化させ、トランジスタの総損失推定Ｗａ＿ｔ（総損失の予想値）とダイオードの総損失推定値Ｗａ＿ｄ（総損失の予想値）の和が最小となるように、オフセット電圧を決定する。この決定プロセスによれば、トランジスタＴｒ１とダイオードＤ１の逆並列回路で構成されるスイッチング回路の総損失を最小にすることができる。スイッチング回路の総損失を最小にできれば、そのスイッチング回路の温度上昇も抑制できる。このオフセット電圧の決定プロセスを、第２オフセット電圧決定プロセスと称する。

次に、上記した第１温度推定プロセスとは別の温度推定プロセスを説明する。このプロセスを実施するに際して、コントローラ２０は、第１温度推定プロセスにて用いられた周波数補正係数マップ、オフセット補正係数マップに代えて、ＯＮ抵抗マップを記憶している。ＯＮ抵抗マップは、電流Ｉｃの値に対して素子（トランジスタあるいはダイオード）のＯＮ抵抗Ｒｎの値が対応付けられているマップである。ＯＮ抵抗とは、素子（トランジスタあるいはダイオード）に電流を流したときの電気抵抗であり、素子の物理的性質で定まる。それゆえ、ＯＮ抵抗の値は、事前の試験あるいはシミュレーションなどで予め求められる。また、ＯＮ抵抗は、流す電流の大きさによって異なる。ＯＮ抵抗マップは、トランジスタとダイオードの夫々に対して用意される。以下、トランジスタ用のＯＮ抵抗を記号Ｒｎｔで表し、ダイオード用のＯＮ抵抗を記号Ｒｎｄで表す。ＯＮ抵抗マップの一例を図６に示す。

コントローラ２０は、ＯＮ抵抗マップ（図６）、スイッチング損失マップ（図２）、及び、冷却補正係数マップ（図５）を用い、次の計算によって、トランジスタとダイオードの温度推定値を求める。以下では、トランジスタＴｒ１を例として、その温度推定プロセスを説明する。

コントローラ２０は、電圧センサ１６からインバータ１３への入力電圧ＶＨを取得する。同時に、Ｕ相の電力供給線に取り付けた電流センサ１４ａからＵ相上アームのスイッチング回路ＳＷ１（トランジスタＴｒ１とダイオードＤ１で構成されるスイッチング回路）を流れる電流Ｉｃを取得し、温度センサ１７からスイッチング回路ＳＷを冷却する冷媒の温度Ｔｃを取得する。コントローラ２０は、トランジスタ用のＯＮ抵抗マップを参照し、取得した電流Ｉｃに対応するＯＮ抵抗Ｒｎｔを求める。次にコントローラ２０は、トランジスタＴｒ１の定常損失の推定値Ｗｃを、Ｗｃ＝Ｉｃ^２×Ｒｎの式で求める。定常損失が、流れる電流の二乗とＯＮ抵抗の積で求められることはよく知られている。

次に、コントローラ２０は、スイッチング損失マップを参照し、取得した入力電圧ＶＨと電流Ｉｃの値の組に対応するスイッチング損失の推定値Ｗｓを求める。スイッチング損失推定値Ｗｓの求め方は、第１温度推定プロセスの場合と同じである。コントローラ２０は、定常損失推定値Ｗｃの時間積分値Ｗｃｉとスイッチング損失推定値Ｗｓの時間積分値Ｗｓｉを加算して総損失推定値Ｗａを求める。総損失推定値Ｗａからトランジスタの推定温度Ｔｅを求めるプロセスは、第１温度推定プロセスの場合と同じである。即ち、コントローラ２０は、冷却補正係数マップを参照し、現在の冷媒流量Ｑから冷却補正係数Ｃｒを求める。コントローラ２０は、スイッチング損失の推定値Ｗａと取得した冷却補正係数Ｃｒを使って、冷媒温度Ｔｃに対するトランジスタＴｒ１の温度上昇分ｄＴを、数式ｄＴ＝Ｗａ×Ｃｒによって求める。最後にコントローラ２０は、冷媒温度Ｔｃに温度上昇分ｄＴを加算し、トランジスタＴｒ１の温度推定値Ｔｅを求める（Ｔｅ＝Ｔｃ＋Ｗａ×ｄＴ）。ダイオードＤ１の温度推定値Ｔｄについても、同様のプロセスによって求めることができる。以上の温度推定プロセスを以下では第２温度推定プロセスと称することにする。

以上説明したように、本明細書が開示する技術は、スイッチング装置に印加される入力電圧ＶＨと、スイッチング回路に流れる電流Ｉｃに基づいてスイッチング回路を構成するトランジスタとダイオードの総損失（＝スイッチング損失＋定常損失）の推定値Ｗａを求め、さらに総損失の推定値Ｗａと、スイッチング回路を冷却する冷媒の温度Ｔｃから、トランジスタの温度推定値Ｔｅとダイオードの温度推定値Ｔｄを求めた。そして、求めた温度推定度Ｔｅ、Ｔｄを用いて、キャリア信号のゼロ点と指令信号のゼロ点の差であるオフセット電圧を決定した。オフセット電圧を導入することで、スイッチング回路の温度上昇を抑えることができる。本明細書が開示する技術は、トランジスタとダイオードの温度を推定することによって、それらの温度を計測するセンサを要することなく、オフセット電圧というパラメータを導入してスイッチング回路の温度上昇を抑制することができる。即ち、本明細書が開示する技術の一つの利点は、温度センサを必要としないのでコストメリットがあるということである。

本明細書が開示する技術に関する留意点を述べる。本明細書が開示する技術の適用先の好適な一例は、電気自動車の走行用モータに電力を供給するインバータである。本明細書が開示する技術をインバータに適用すると、インバータの温度上昇を抑えることができる。インバータの発熱が厳しい状況の一つに、車輪が輪止めなどに当たり、アクセルを踏んでも車輪が動かない、いわゆる車輪ロック状況がある。そのような状況では、アクセル開度に応じてインバータがモータへ電力を供給するが、車輪（モータ）は輪止めに当たっており、回転できない。モータが回転しないとＵＶＷ３相の位相が動かず、ＵＶＷ各相の出力電流がほぼ一定となってしまう。車輪ロックし始めたときに大きい電流が流れていた相には、その大きさの電流がほぼ一定で流れ続けることになる。即ち、その相に対応するスイッチング回路だけが特別に発熱する状況となる。本明細書が開示する技術は、そのような車輪ロックに対しても有効である。

本明細書が開示する技術を電気自動車に適用した場合の利点は、車輪ロック時に限らず、登坂時や段差乗り越え時にも有効である。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

２：ハイブリッド車
３：バッテリ
４：システムメインリレー
５：パワーコントローラ
６：エンジン
７：動力分配器
８：モータ
９：車軸
１２：電圧コンバータ
１３：インバータ
１４ａ、１４ｂ、１４ｃ：電流センサ
１６：電圧センサ
１７：温度センサ
２０：：コントローラ
Ｃｆ：キャリア周波数補正係数
Ｃｒ：冷却補正係数
Ｃｓ：オフセット補正係数
Ｒｎ：ＯＮ抵抗

Claims (5)

1. トランジスタとダイオードの並列接続で構成される複数のスイッチング回路と、各トランジスタにＰＷＭ信号を供給するコントローラを備えるスイッチング装置であって、
   コントローラは、
   スイッチング装置に印加される入力電圧ＶＨとスイッチング回路に流れる電流Ｉｃに基づいて各スイッチング回路のトランジスタとダイオードの損失を推定し、
   推定した損失からトランジスタとダイオードの夫々の温度を推定し、
   推定した温度に基づいて、ＰＷＭ信号を生成するためのキャリア信号と指令信号のいずれかに加えるオフセット電圧を決定する、
   ことを特徴とするスイッチング装置。
2. スイッチング装置は、記憶装置を備えており、
   記憶装置は、トランジスタとダイオードの夫々について以下のマップ、即ち、
   入力電圧ＶＨの値と電流Ｉｃの値の組に対してスイッチング損失Ｗｓの推定値が対応付けられているスイッチング損失マップと、
   キャリア信号の周波数に対して周波数補正係数Ｃｆの値が対応付けられている周波数補正係数マップと、
   オフセット電圧の値に対してオフセット補正係数Ｃｓの値が対応付けられているオフセット補正係数マップと、
   スイッチング回路を冷却する冷媒の流量の値に対して冷却補正係数Ｃｒの値が対応付けられている冷却補正係数マップと、
   を記憶しており、
   コントローラは、トランジスタとダイオードの夫々について、
   スイッチング損失マップを使って入力電圧ＶＨと電流Ｉｃからスイッチング損失の推定値Ｗｓを求め、
   周波数補正係数マップを使って現在のキャリア信号の周波数から周波数補正係数Ｃｆを求め、
   オフセット補正係数マップを使って現在のオフセット電圧からオフセット補正係数Ｃｓを求め、
   冷却補正係数マップを使って現在の冷媒流量から冷却補正係数Ｃｒを求め、
   総損失の推定値Ｗａを、Ｗａ＝Ｗｓ×Ｃｆ×Ｃｓの式により求め、
   スイッチング回路を冷却する冷媒の温度Ｔｃを用いてトランジスタとダイオードの夫々の温度推定値Ｔを、Ｔ＝Ｔｃ＋Ｗａ×Ｃｒで求める、
   ことを特徴とする請求項１に記載のスイッチング装置。
3. スイッチング装置は、記憶装置を備えており、
   記憶装置は、トランジスタとダイオードの夫々について以下のマップ、即ち、
   電流Ｉｃの値に対してＯＮ抵抗Ｒｎの値が対応付けられているＯＮ抵抗マップと、
   入力電圧ＶＨの値と電流Ｉｃの値の組に対してスイッチング損失Ｗｓの推定値が対応付けられているスイッチング損失マップと、
   スイッチング装置を冷却する冷媒の流量の値に対して冷却補正係数Ｃｒの値が対応付けられている冷却補正係数マップと、
   を記憶しており、
   コントローラは、トランジスタとダイオードの夫々について、
   ＯＮ抵抗マップを使って電流ＩｃからＯＮ抵抗Ｒｎを求め、
   定常損失ＷｃをＷｃ＝Ｉｃ^２×Ｒｎの式で求め、
   スイッチング損失マップを使って入力電圧ＶＨと電流Ｉｃの値からスイッチング損失Ｗｓを求め、
   定常損失Ｗｃの時間積分値Ｗｃｉとスイッチング損失Ｗｓの時間積分値Ｗｓｉを加算して総損失Ｗａを求め、
   冷却補正係数マップを使って現在の冷媒流量から冷却補正係数Ｃｒを求め、
   スイッチング回路を冷却する冷媒の温度Ｔｃを用いてトランジスタとダイオードの夫々の温度推定値Ｔを、Ｔ＝Ｔｃ＋Ｗａ×Ｃｒで求める、
   ことを特徴とする請求項１に記載のスイッチング装置。
4. 記憶装置は、トランジスタとダイオードの夫々について、許容上限温度を記憶しており、
   コントローラは、トランジスタの推定温度と許容上限温度との差と、ダイオードの推定温度と許容上限温度との差が等しくなるように、オフセット電圧を決めることを特徴とする請求項２又は３に記載のスイッチング装置。
5. コントローラは、トランジスタの損失の推定値とダイオードの損失の推定値の和が最小となるように、オフセット電圧を決めることを特徴とする請求項２又は３に記載のスイッチング装置。

Images