JP2014007812A - ブートストラップコンデンサの初期充電方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ブートストラップコンデンサの同時充電時の急峻な電流による、充電用電源の低下や不安定化、誤動作の可能性がある。
【解決手段】出力線は、一方を多相モータに接続され、もう一方をハイサイド側スイッチング素子とローサイド側スイッチング素子との接続点に接続され、ハイサイド側スイッチング素子のオン／オフを制御するために設けられたブートストラップコンデンサと、ブートストラップコンデンサと充電用電源ＶＤとの間に接続されたブートストラップ用スイッチと、抵抗と、ブートストラップ用ダイオードと、を備えるインバータ装置に対し、ローサイド側スイッチング素子をオンにした状態で、各相ごとにタイミングを異ならせて前記ブートストラップ用スイッチ９１、９２、９３をオンにすることで、ブートストラップコンデンサ７１、７２、７３の初期充電のタイミングを異ならせて開始する。
【選択図】図２

Description

本発明は、多相インバータ装置におけるブートストラップコンデンサの初期充電方法に関する。

従来、多相インバータ装置において、ハイサイド側スイッチング素子を駆動するハイサイド側ドライバのために、ブートストラップコンデンサを設けられている。図４は、多相インバータ装置のインバータ回路と多相モータ２００との接続を示す回路図である。

Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相に相当する出力線８１、８２、８３は、一方が多相モータ２００と接続され、もう一方が、ハイサイド側スイッチング素子２１、２２、２３（図では例として、保護ダイオード付のＩＧＢＴで示すが、ＭＯＳＦＥＴでもよい）とローサイド側スイッチング素子３１、３２、３３（図では例として、保護ダイオード付のＩＧＢＴで示すが、ＭＯＳＦＥＴでもよい）の接続点と接続されている。

ハイサイド側スイッチング素子２１、２２、２３のもう一方は、多相モータ用電源ＶＣと接続されており、ハイサイド側スイッチング素子２１、２２、２３がオンすることにより、出力線８１、８２、８３がＶＣとなる。

また、ローサイド側スイッチング素子３１、３２、３３のもう一方は、電流検出用シャント抵抗６を介して、グランドＧ（ＶＣ＞Ｇ）と接続されており、ローサイド側スイッチング素子３１、３２、３３がオンすることにより、出力線８１、８２、８３がシャント抵抗を介してグランドＧとなる。

ハイサイド側スイッチング素子２１、２２、２３及びローサイド側スイッチング素子３１、３２、３３のオン／オフは、各々ドライバ４１、４２、４３、５１、５２、５３にて制御される。

ハイサイド側ドライバ用電源は、ブートストラップコンデンサ７１、７２、７３から電圧が供給される。ブートストラップコンデンサ７１、７２、７３は、一方が抵抗１１、１２、１３及びブートストラップ用ダイオード６１、６２、６３を介して、充電用電源ＶＦと接続され、もう一方が出力線８１、８２、８３と接続されている。

このように構成されたインバータ装置において、ハイサイド側スイッチング素子２１、２２、２３を、インバータ動作当初から動作させるため、ブートストラップコンデンサ７１、７２、７３の初期充電が必要である。

図５は、初期充電を示すタイムチャートである。時刻ｔ０において、信号ＳＸ、ＳＹ、ＳＺは一斉にローサイド側スイッチング素子３１、３２、３３をオンにする。これに伴い、ブートストラップコンデンサ７１、７２、７３からの電流ＩＢＵ、ＩＢＶ、ＩＢＷも一斉に流れ出し、電流検出用シャント抵抗６に流れる電流ＩＳ＝ＩＢＵ＋ＩＢＶ＋ＩＢＷは急峻な立ち上がりを生じる（例えば、特許文献１参照）。

特開２００１−２７５３６６号公報

上記従来例のように、急峻に大きな電流ＩＳが流れると、充電用電源ＶＤに対する負荷急変もしくは負荷増大となるため、ＶＤの低下や不安定化、誤動作を招く可能性がある。

電流ＩＳを抑制するためには、抵抗１１、１２、１３の抵抗値を大きくすることが考えられるが、この方法だと、ブートストラップコンデンサへの充電が遅くなり、回転動作中の再充電が小さくなり、ハイサイド側スイッチング素子２１、２２、２３の損失増加を招いたり、電圧低下による保護動作が働いたりする可能性がある。

本発明は、ハイサイド側スイッチング素子の損失を抑制しつつ、上記の誤動作を回避するためになされたものであって、ブートストラップコンデンサの初期充電における充電電流を抑制する技術を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために本発明のブートストラップコンデンサの初期充電は、ローサイド側スイッチング素子をオンにした状態で、各相ごとにタイミングを異ならせて前記ブートストラップ用スイッチをオンにすることで、ブートストラップコンデンサの初期充電のタイミングを異ならせて開始するものである。

これにより、ＩＳを小さく抑えることができるため、急峻に大きな電流ＩＳによる、充電用電源ＶＤに対する負荷急変もしくは、負荷増大に伴うＶＤの低下や不安定化、さらにはインバータ装置の誤動作を抑制することが可能となる。

電流ＩＳを小さく抑えることができるため、急峻に大きな電流ＩＳによる、充電用電源ＶＤに対する負荷急変もしくは、負荷増大に伴うＶＤの低下や不安定化、さらにはインバータ装置の誤動作を抑制することが可能となる。

本発明の実施の形態１及び形態２に係るインバータ装置の電気回路図 本発明の実施の形態１に係るタイミングチャートを示すグラフ 本発明の実施の形態２に係るタイミングチャートを示すグラフ 従来のインバータ装置の電気回路図 従来のタイミングチャートを示すグラフ

第１の発明のブートストラップコンデンサの初期充電方法は、出力線は、一方を多相モータに接続され、もう一方をハイサイド側スイッチング素子とローサイド側スイッチング素子との接続点に接続され、前記ハイサイド側スイッチング素子のオン／オフを制御するために設けられたブートストラップコンデンサと、前記ブートストラップコンデンサと充電用電源ＶＤとの間に接続されたブートストラップ用スイッチと、抵抗と、ブートストラップ用ダイオードと、ローサイド側スイッチング素子と、を備えるインバータ装置に対し、前記ローサイド側スイッチング素子をオンにした状態で、前記各相ごとにタイミングを異ならせて前記ブートストラップ用スイッチをオンにすることで、前記ブートストラップコンデンサの初期充電のタイミングを異ならせて開始する。

これにより、ハイサイド側スイッチング素子の損失を抑制しつつ、上記の誤動作を回避するためになされたものであって、ブートストラップコンデンサの初期充電における充電電流を抑制することが可能となる。

第２の発明のブートストラップコンデンサの初期充電方法は、出力線は、一方を多相モータに接続され、もう一方をハイサイド側スイッチング素子とローサイド側スイッチング素子との接続点に接続され、前記ハイサイド側スイッチング素子のオン／オフを制御するために設けられたブートストラップコンデンサと、前記ブートストラップコンデンサと充電用電源ＶＤとの間に接続されたブートストラップ用スイッチと、抵抗と、ブートストラップ用ダイオードと、ローサイド側スイッチング素子と、を備えるインバータ装置に対し、前記各相ごとにタイミングを異ならせて、前記ローサイド側スイッチング素子と対応する相の前記ブートストラップ用スイッチをオンにすることで、前記ブートストラップコンデンサの初期充電のタイミングを異ならせて開始する。

これにより、ハイサイド側スイッチング素子の損失を抑制しつつ、上記の誤動作を回避するためになされたものであって、ブートストラップコンデンサの初期充電における充電電流を抑制することが可能となる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、以下の実施の形態によって本発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１及び実施の形態２に係るインバータ装置とその周辺回路である。

図２は、本発明の実施の形態１の動作を示すタイムチャートである。ブートストラップコンデンサ７１、７２、７３の初期充電期間において、制御回路（例えば、マイコン）からの信号ＳＵ、ＳＶ、ＳＷは常に非アクティブ状態（例えばローレベル）に設定して、ハイサイド側スイッチング素子２１、２２、２３をオフし続ける。

時刻ｔ３において、信号ＳＸ、ＳＹ、ＳＺを同時にアクティブ状態（例えばハイレベル）に設定し、ローサイド側スイッチング素子３１、３２、３３をオンし続ける。

次に時刻ｔ４（ｔ４≧ｔ３）において、信号ＢＵをアクティブ状態に設定し、ブートストラップ用スイッチ９１をオンにする。これにより、ブートストラップコンデンサ７１は、充電用電源ＶＤ、抵抗１１、ブートストラップ用スイッチ９１、ブートストラップ用ダイオード６１、ブートストラップコンデンサ７１、ローサイド側スイッチング素子３１、グランドＧ（電源ＶＣ＞グランドＧ）のループで電流が流れ、ブートストラップコンデンサ７１が充電される。

次に時刻ｔ５（ｔ５＞ｔ４）において、信号ＢＶをアクティブ状態に設定し、ブートストラップ用スイッチ９２をオンにする。これにより、ブートストラップコンデンサ７２は、充電用電源ＶＤ、抵抗１２、ブートストラップ用スイッチ９２、ブートストラップ用ダイオード６２、ブートストラップコンデンサ７２、ローサイド側スイッチング素子３２、グランドＧ（電源ＶＣ＞グランドＧ）のループで電流が流れ、ブートストラップコンデンサ７２が充電される。

次に時刻ｔ６（ｔ６＞ｔ５）において、信号ＢＷをアクティブ状態に設定し、ブートストラップ用スイッチ９３をオンにする。これにより、ブートストラップコンデンサ７３は、充電用電源ＶＤ、抵抗１３、ブートストラップ用スイッチ９３、ブートストラップ用ダイオード６３、ブートストラップコンデンサ７３、ローサイド側スイッチング素子３３、グランドＧ（電源ＶＣ＞グランドＧ）のループで電流が流れ、ブートストラップコンデンサ７３が充電される。

以上のように、本発明によれば、電流ＩＳを小さく抑えることができるため、急峻に大きな電流ＩＳによる、充電用電源ＶＤに対する負荷急変もしくは、負荷増大に伴うＶＤの低下や不安定化、ひいてはインバータ装置の誤動作を抑制することが可能となる。

（実施の形態２）
図３は、本発明の実施の形態２の動作を示すタイムチャートである。ブートストラップコンデンサ７１、７２、７３の初期充電期間において、制御回路（例えば、マイコン）からの信号ＳＵ、ＳＶ、ＳＷは常に非アクティブ状態に設定して、ハイサイド側スイッチング素子２１、２２、２３をオフし続ける。

この状態で、時刻ｔ８において、信号ＳＸをアクティブ状態に設定し、ローサイド側スイッチング素子３１をオンにし、信号ＢＵをアクティブ状態に設定し、ブートストラップ用スイッチ９１をオンにする。これにより、ブートストラップコンデンサ７１は、充電用電源ＶＤ、抵抗１１、ブートストラップ用スイッチ９１、ブートストラップ用ダイオード６１、ブートストラップコンデンサ７１、ローサイド側スイッチング素子３１、グランドＧ（電源ＶＣ＞グランドＧ）のループで電流が流れ、ブートストラップコンデンサ７１が充電される。

次に時刻ｔ９（ｔ９＞ｔ８）において、信号ＳＹをアクティブ状態に設定し、ローサイド側スイッチング素子３２をオンにし、信号ＢＶをアクティブ状態に設定し、ブートストラップ用スイッチ９２をオンにする。これにより、ブートストラップコンデンサ７２は、充電用電源ＶＤ、抵抗１２、ブートストラップ用スイッチ９２、ブートストラップ用ダイオード６２、ブートストラップコンデンサ７２、ローサイド側スイッチング素子３２、グランドＧ（電源ＶＣ＞グランドＧ）のループで電流が流れ、ブートストラップコンデンサ７２が充電される。

次に時刻ｔ１０（ｔ１０＞ｔ９）において、信号ＳＺをアクティブ状態に設定し、ローサイド側スイッチング素子３３をオンにし、信号ＢＷをアクティブ状態に設定し、ブートストラップ用スイッチ９３をオンにする。これにより、ブートストラップコンデンサ７３は、充電用電源ＶＤ、抵抗１３、ブートストラップ用スイッチ９３、ブートストラップ用ダイオード６３、ブートストラップコンデンサ７３、ローサイド側スイッチング素子３３、グランドＧ（電源ＶＣ＞グランドＧ）のループで電流が流れ、ブートストラップコンデンサ７３が充電される。

以上のように、本発明によれば、電流ＩＳを小さく抑えることができるため、急峻に大きな電流ＩＳによる、充電用電源ＶＤに対する負荷急変もしくは、負荷増大に伴うＶＤの低下や不安定化、およびインバータ装置の誤動作を抑制することが可能となる。

本発明は、充電用電源ＶＤに対する負荷急変もしくは、負荷急大に伴うＶＤの低下や不安定化、ひいてはインバータ装置の誤動作を確実に抑制することが可能となるので、電気自動車、ハイブリッド自動車をはじめとする各種自動車用のインバータ装置に適用できる。

２１、２２、２３ ハイサイド側スイッチング素子
３１、３２、３３ ローサイド側スイッチング素子
５１、５２、５３ ローサイドドライバ
６１、６２、６３ ブートストラップ用ダイオード
７１、７２、７３ ブートストラップコンデンサ
９１、９２、９３ ブートストラップ用スイッチ

Claims (2)

1. 出力線は、一方を多相モータに接続され、もう一方をハイサイド側スイッチング素子とローサイド側スイッチング素子との接続点に接続され、
   前記ハイサイド側スイッチング素子のオン／オフを制御するために設けられたブートストラップコンデンサと、
   前記ブートストラップコンデンサと充電用電源ＶＤとの間に接続されたブートストラップ用スイッチと、
   抵抗と、
   ブートストラップ用ダイオードと、を備えるインバータ装置に対し、
   前記ローサイド側スイッチング素子をオンにした状態で、各相ごとにタイミングを異ならせて前記ブートストラップ用スイッチをオンにすることで、前記ブートストラップコンデンサの初期充電のタイミングを異ならせて開始するブートストラップコンデンサの初期充電方法。
2. 出力線は、一方を多相モータに接続され、もう一方をハイサイド側スイッチング素子とローサイド側スイッチング素子との接続点に接続され、
   前記ハイサイド側スイッチング素子のオン／オフを制御するために設けられたブートストラップコンデンサと、
   前記ブートストラップコンデンサと充電用電源ＶＤとの間に接続されたブートストラップ用スイッチと、
   抵抗と、
   ブートストラップ用ダイオードと、を備えるインバータ装置に対し、
   各相ごとにタイミングを異ならせて、前記ローサイド側スイッチング素子と対応する相の前記ブートストラップ用スイッチをオンにすることで、前記ブートストラップコンデンサの初期充電のタイミングを異ならせて開始するブートストラップコンデンサの初期充電方法。