JP2013540227A - 電気機器の駆動方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、電気機器を駆動するための方法および回路に関する。本発明による方法は殊にスタートフェーズにおいて実施される。その際、制御可能な抵抗により電流が制限され、制御可能な抵抗は少なくとも１つの半導体スイッチ（４６，４８，５０，５２）により実現される。半導体スイッチはタイミング制御される信号により駆動制御され、この信号は、スタートフェーズ中、少なくとも１つの半導体スイッチ（４６，４８，５０，５２）が完全にはスイッチオフされないように調整される。

Description

本発明は、電気機器の駆動方法及び駆動装置に関する。

背景技術
内燃機関を始動するために、慣用的な手法で電気機器例えば直流機器として構成されたスタータを使用することは公知である。例えば内燃機関のスタータなどのように、電気機器ないしは電気的駆動装置を作動開始させるときには、一般に高い始動電流が発生する。この電流を制限することは、例えば自動車において始動中に車載電源電圧の落ち込みを最小限に抑える目的で、重要な課題である。

ドイツ連邦共和国特許出願DE 102 52 511 A1には、内燃機関のスタータを流れる電流を制御する装置について述べられている。この装置によれば、第１の計算ユニットにより最大許容バッテリ電流が計算される。この最大許容バッテリ電流は第２の計算ユニットへ供給され、さらに第２の計算ユニットは他の負荷の電流消費予測を考慮に入れて、最大許容始動電流を計算する。

DE 100 21 153 A1には内燃機関始動装置が開示されており、この装置によれば、車両バッテリと駆動ユニットとの間の接続経路中に電流制限ユニットが配置されており、この電流制限ユニットにより、駆動ユニットに向かって流れる電流がまえもって定められた振幅値に制限される。

EP 387 729 A2には、給電電圧が変動したときに電流のタイミング制御とフリーホイール回路によって直流給電を調整する電子保護制御装置が開示されている。スイッチオフフェーズすなわち電流ゼロのフェーズにおいて回路を保護するために、フリーホイールダイオードが設けられている。

しかしながら、スイッチオフフェーズないしは遮断フェーズにおいて電流ゼロで電流タイミング制御を行う上述のアプローチのためには、スイッチオフフェーズにおいて誘導される高い電圧から回路を保護するフリーホイールダイオードが必要とされる。

さらにEP 2 148 084 A2には、スタータ及びスタータに接続されたスタータ制御回路によって内燃機関を始動させるための方法が知られている。この方法によれば、始動過程においてスタータ電流が、電子部品を含むスタータ制御回路によって規定されて調整される。この場合、始動過程におけるスタータ電流が制御され、この電流はバッテリまたはエネルギ蓄積器にはじかには供給されない。制御回路は電流調整装置を有しており、この電流調整装置がＤＣ／ＤＣコンバータを含むようにすることができる。

EP 1 041 277 B1には、消耗ないしは摩耗を避けるための自動車用スタータ調整装置が開示されている。この目的で、スタータ過程の始めに給電電圧を低減するための手段が設けられている。

電流を制限するためのさらに別の可能性として挙げられるのは、付加的な抵抗を一時的に直列接続することである。これにより閉じた電流回路中の総抵抗が、そこを流れる電流が規定された値に制限されるようになる。

US 2004/0168664 A1には、内燃機関を始動させるためのスタータが開示されている。これに関連して、電流を制限するための抵抗について述べられており、これによれば始動過程をうまく行うことができるように電流が設定される。

一定の抵抗を使用することは、そのサイズならびにそれに付随して熱が発生することから不都合である。抵抗は固定値であるので、それを整合させることはできない。したがって、電流制限を別の手法によって実現するようにすべきである。

発明の概要
このような背景から、請求項１記載の電気機器の駆動方法及び請求項８記載の該方法を実施するための装置が提供される。従属請求項、発明の詳細な説明ならびに図面には、本発明の実施形態が示されている。

本発明によれば、使用される半導体スイッチもしくはパワースイッチの駆動電圧を特別な手法で変調することによって、電流制限が達成される。このことにより、発生する誘導電圧を最小限に抑えることができ、そのようにして半導体スイッチを保護することができる。さらに直列抵抗を省略することができる。半導体スイッチによって、誘導負荷の導線中に仮想のオーミックな直列抵抗が形成され、それによって電流が制限される。

本発明による駆動制御の利点は殊に、複数の半導体スイッチもしくはパワースイッチをパラレルに駆動制御できることにあり、すなわち１つの端子を介して駆動制御できることにある。従来技術の構造によれば、電力経路中に並列に接続された複数の半導体スイッチの間で、製造に起因して相違が生じることや、構造に起因して半導体スイッチのところで局所的な温度の変動が生じることから、個々の電流端子各々で測定を行い、対応するゲートを別個に適切な手法で駆動制御しなければならない。これが十分な精度で行われないと、個々の半導体スイッチもしくは電力用半導体が、通常はドレイン・ソース間で最も小さい抵抗を有する半導体スイッチもしくは電力用半導体が、他よりも多く総電流に関与することになる。そのような半導体スイッチもしくは電力用半導体はいっそう強く加熱し、それによって損傷してしまうおそれがある。

本発明による方法の１つの実施形態に従ってパラレルな駆動制御を行うことにより、回路コストを格段に低減することができ、それにもかかわらず、関与する半導体スイッチをバランスよく利用することができる。

本発明による方法に従って行われる駆動制御により、従来技術とは異なり多くの重要な利点がもたらされる。鋭いスイッチングエッジを伴う完全なスイッチオフを避けることにより、高い誘導電圧を発生させることなく、誘導負荷を流れる電流を制限することができる。これにより、フリーホイールダイオードが不要となることから、回路の複雑さを低減することができ、回路コストを抑えることができる。さらに、直列抵抗を接続して組み込まなくてもよくなる。このようにして回路の複雑さが抑えられ、ひいてはコストが抑えられる。

さらに、半導体スイッチのゲートコンタクトをすべて共通に並列に接続することができ、１つの端子を介して駆動制御することができる。この場合、各スイッチ間の製造公差に起因して生じる個々の特性曲線の変化ならびに種々の温度は、最小限の影響しかもたない。このことにより、個別の測定および制御を行うよりも回路コストが低減する。

以下の説明ならびに図面には、本発明のさらに別の利点ならびに実施形態が示されている。なお、当然ながら、これまでの説明及び以下で述べる特徴は、それぞれ挙げられた組み合わせで適用できるのみならず、本発明の範囲を逸脱することなく、他の組み合わせでも使用できるし、あるいは単独でも使用することができる。

従来技術による制御の手法について示す図 従来技術による別の制御の手法について示す図 ＭＯＳ−ＦＥＴのゲート・ソース電圧の典型的な経過特性を示す図 従来技術による制御の手法を示す図 本発明による方法を実施するための本発明による装置に関する１つの実施形態を示す図 本発明による方法を実施するための本発明による装置に関する別の実施形態を示す図 本発明による方法に従った制御の手法について示す図 本発明による方法に従った別の制御の手法について示す図 従来技術に従った制御において生じる電気的パラメータの経過特性を示す図 本発明による方法に従った制御において生じる電気的パラメータの経過特性を示す図 本発明による方法に従った制御において生じる電気的パラメータを示す図 温度が変化したときのＭＯＳ−ＦＥＴの特性曲線の変動を示す図

発明を実施するための形態
次に、図面を参照しながら実施例に基づき本発明について詳しく説明する。

図１には従来技術による装置が示されている。この図には、直流電源１２と、スイッチ１４と、駆動すべき電気機器を表すインダクタンス１６とが示されている。スイッチ１４により電流のスイッチングが行われる。スイッチ１４の操作によりスイッチオン状態になると、１，０００Ａに及ぶ高い電流が発生し、これによって給電電圧の落ち込みが引き起こされる可能性がある。

図２には、図１による装置の代替となる従来技術による装置２０が示されている。この装置の場合にも、直流源２２とスイッチ２４とインダクタンス２６とが設けられている。さらにこの場合には、固定的な抵抗２８と別のスイッチ３０も設けられている。この別のスイッチ３０を用いることによって、抵抗２８を電流の流れに挿入することができ、これによって電流を制限することができる。ただし、この抵抗２８は整合不可能であり、場合によっては著しく加熱するし、殊にスイッチが機械的なリレーとして構成されている場合には、大きな組み込みスペースが必要となる。

図３には、様々な温度のときの典型的なゲート・ソース電圧Ｕ_GSが描かれている。その際、横軸２００には、Ｕ_GSがＶを単位として描かれており、縦軸２０２には、ｍΩ領域の抵抗Ｒ_DS(on)のときにドレインからソースへ流れる電流Ｉ_DSがＡを単位として描かれている。また、第１の特性曲線２０４は、温度Ｔ_j＝２５℃のときの経過特性を示すものであり、第２の特性曲線２０６は、温度Ｔ_j＝１２５℃のときの経過特性を示すものである。

従来技術から知られているように、電流制限モジュールにおいて電力ＭＯＳＦＥＴを使用すれば、切換損失が最小限に抑えられる。このような切換損失は、導通状態における損失よりも大きいことが多い。この損失をできる限り小さく抑えるためには、切換をできる限り迅速に行う必要がある。スイッチオフが行われると、まずはゲートがコンデンサのように電子によって荷電される。これらの電子はごく短期間でゲートから「吸い出され」、アースへ向かって放出されなければならない。このために必要とされる時間いわゆるスイッチオフ時間は、ゲート容量及び制御段の内部抵抗によって決まる。

図４には、従来技術による制御の手法が描かれている。この図では横軸２１０に時間が記されており、縦軸２１２にはゲート・ソース電圧Ｕ_GSが記されている。特性曲線２１４はタイミング制御されたゲート・ソース電圧Ｕ_GSの経過特性を示すものであり、スイッチオフフェーズ２１６Ｒ_DS(on)では無限大に向かい、スイッチオンフェーズ２１８Ｒ_DS(on)では０へ向かう。

図５には、本発明による装置の実施形態が全体として参照符号４０が付されて描かれている。この図にも、直流源４２とスイッチ４４とインダクタンス４５とが示されている。さらにこの図には、４つの半導体スイッチ４６，４８，５０，５２が描かれており、これらは制御可能な直列抵抗のエミュレーションを表している。半導体４６，４８，５０，５２は、この事例ではＭＯＳＦＥＴである。さらに駆動制御回路５４が設けられており、これは半導体スイッチ４６，４８，５０，５２を駆動制御するために設けられている。基本的には、１つまたは複数の半導体スイッチによりエミュレーションを実現することができる。

図６には、図５によるコンポーネントもしくは素子を備えた別の装置６０が示されており、この事例では、半導体スイッチ４６，４８，５０，５２がパラレルに駆動制御される。

図７には、本発明による方法に従った駆動制御について描かれている。特性曲線２５０はＵ_GSの経過特性を表しており、これにはスイッチオンフェーズ２５２とスイッチオフフェーズ２５４が示されている。駆動制御信号はタイミング制御され、その際、従来技術による駆動制御の場合とは異なり、スイッチオフフェーズ２５４中、半導体スイッチの完全な阻止もしくはスイッチオフが行われる。

図８によれば、特性曲線２６０によりＵ_GSの経過特性が示されている。参照符号２６２によりスイッチオンフェーズが示されており（Ｒ_DS(on) -> ０）、参照符号２６４によりスイッチオフフェーズが示されており、このスイッチオフフェーズ中、半導体スイッチの完全なスイッチオフは行われない（Ｒ_DS(on) -> ０Ｒ_lin）。

これらの図７及び図８には、本発明による方法に従った駆動制御電圧の時間経過特性が描かれている。この場合、半導体スイッチはスイッチオフフェーズ２５４及び２６４中、完全にはスイッチオフされず、有限のＲ_DS(on)をもつ線形領域内で駆動される。図７の場合、このことは、２．８Ｖから約４Ｖよりも上に及ぶ領域における電圧Ｕ_GSに相応する。図８の場合、Ｕ_GSは、所期のようにエッジの急峻性が低減されて、「オン」（フェーズ２６２）と「線形動作」（フェーズ２６４）という２つの状態の間で設定される。

図９には、電気的なパラメータの経過特性がｍｓを単位とする時間軸上に書き込まれており、すなわち電圧１００の経過特性がＶで、電流１０２の経過特性がＡで、それぞれ示されている。この図からわかるように、１つの電流のタイミングサイクルにはスイッチオフされたときに誘導された高い負の電圧が伴っており、この事例では約１７０Ｖの電圧が伴っている。これは図４による駆動制御に対応する。

図１０にも電気的なパラメータすなわち電圧１１０がＶで、電流１１２がＡで描かれている。図８のようにフラットな制御エッジをもたせた特別な駆動制御に基づき、高い負の誘導電圧ピークが回避される。

さらに図１１にも、電圧１２０の経過特性がＶで、電流１２２の経過特性がＡで、ｍｓを単位とする時間軸上にそれぞれ書き込まれている。この図は、本発明による駆動制御の１つの実施形態を示すものであり、この実施形態によれば、高い負の誘導電圧が回避され、個々の特性曲線の作用が最小化される。

図１２には、温度が変化したときのＭＯＳＦＥＴの特性曲線の変化が示されており、この変化はパーセンテージで表されている。

ここで述べた装置の１つの可能な構造として、電力経路中に並列接続された複数の半導体スイッチを設けることができる。これらの半導体スイッチを例えばＭＯＳＦＥＴまたはＩＧＢＴとすることができ、その際、各ゲート端子をパラレルに駆動制御することができる。この点については例えば図５に示されている。この場合、半導体スイッチは、スイッチオフ時に高い負の誘導電圧が発生しないように駆動制御され（図５）、これと同時に、個々の半導体スイッチの特性曲線の間における偏差（図８）が問題とはならないよう、半導体スイッチの特性曲線のほぼ全体が迅速に進行するように駆動制御される（図８）。

これにより、並列接続された複数の半導体スイッチに時間平均で均等に電流が流され、それらの半導体スイッチは均等に加熱して、最大電流耐性に到達する。駆動制御信号の形状を、例えば正弦波状または三角波状とすることができる。

以下の表１には、本発明による方法が公知の方法と対比されて示されている。

Claims (9)

1. 電気機器の駆動方法例えば始動フェーズにおける電気機器の駆動方法において、
   電流を制御可能な抵抗により制限し、
   前記制御可能な抵抗を、少なくとも１つの半導体スイッチ（４６，４８，５０，５２）により実現し、
   該半導体スイッチ（４６，４８，５０，５２）を、タイミング制御された信号により駆動制御し、
   該信号を、前記少なくとも１つの半導体スイッチ（４６，４８，５０，５２）がスイッチオフフェーズ（２５４，２６４）中、完全にはスイッチオフされないように調整することを特徴とする、
   電気機器の駆動方法。
2. 前記制御可能な抵抗を１つまたは複数の半導体スイッチ（４６，４８，５０，５２）により実現する、請求項１記載の方法。
3. 前記半導体スイッチ（４６，４８，５０，５２）を個別に駆動制御する、請求項２記載の方法。
4. 前記半導体スイッチ（４６，４８，５０，５２）をパラレルに駆動制御する、請求項２記載の方法。
5. 前記信号をデューティサイクルにより決定する、請求項１から４のいずれか一項記載の方法。
6. 前記信号を周波数により決定する、請求項１から５のいずれか一項記載の方法。
7. 駆動制御のための前記信号は低いエッジ急峻度を有する、請求項１から６のいずれか一項記載の方法。
8. 装置例えば請求項１から７のいずれか一項記載の方法を実施するための装置において、
   少なくとも１つの半導体スイッチ（４６，４８，５０，５２）と、
   該少なくとも１つの半導体スイッチ（４６，４８，５０，５２）を駆動制御するための信号を供給する駆動制御回路（４０，６０）とを備え、
   前記信号は、前記少なくとも１つの半導体スイッチ（４６，４８，５０，５２）がスイッチオフフェーズ中、完全にはスイッチオフされないよう調整されることを特徴とする装置。
9. １つの電力経路中に並列接続された複数の半導体スイッチ（４６，４８，５０，５２）が設けられている、請求項８記載の装置。

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