JP2015198461A - Inverter controller - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、交流の回転電機を駆動制御する技術に関する。 The present invention relates to a technique for driving and controlling an AC rotating electrical machine.
例えば、電気自動車やハイブリッド自動車などの動力に用いられる大出力の交流の回転電機は高い電圧で駆動される。また、このような自動車に搭載される高電圧の電源は、直流のバッテリであるから、スイッチング素子を用いたインバータ回路によって例えば3相交流に変換される。回転電機は、電気エネルギーにより車両を駆動する動力を出力するモータとしての機能に留まらず、車両や内燃機関などの運動エネルギーにより発電を行う発電機としての機能も併せ持っている。回転電機により発電された電力は、バッテリに回生されて蓄電される。 For example, a high-output AC rotating electrical machine used for power of an electric vehicle or a hybrid vehicle is driven at a high voltage. Moreover, since the high voltage power supply mounted in such a motor vehicle is a direct current battery, it is converted into, for example, a three-phase alternating current by an inverter circuit using a switching element. The rotating electrical machine has not only a function as a motor that outputs power for driving a vehicle by electric energy but also a function as a generator that generates electric power by kinetic energy of a vehicle, an internal combustion engine, or the like. The electric power generated by the rotating electrical machine is regenerated and stored in the battery.
ところで、バッテリと回転電機の間、より具体的にはバッテリとインバータとの間には、開閉装置(コンタクタ)が備えられている場合がある。コンタクタは、例えばリレーを用いて構成されたシステムメインリレー(SMR)であり、車両のイグニッションキー(IGキー)がオン状態(有効状態)の際に接点が閉じて導通状態となり、IGキーがオフ状態(非有効状態)の際に接点が開いて非導通状態となる。即ち、SMRが閉状態においてバッテリとインバータ(及び回転電機)とが電気的に接続され、SMRが開状態においてバッテリとインバータ(及び回転電機)との電気的接続が遮断される。通常動作時には、IGキーの状態に応じてSMRの開閉状態も制御される。しかし、IGキーがオン状態の際に、車両の故障や衝突等によって、SMRが開放される場合がある。例えば、SMRへの電源供給が遮断された場合、SMRの駆動回路に異常が生じた場合、SMRが振動・衝撃やノイズ等によって機械的に故障した場合、SMR周辺の回路に断線が生じた場合、等にSMRの接点が開状態となり、コンタクタが開放状態となる可能性がある。 By the way, an opening / closing device (contactor) may be provided between the battery and the rotating electrical machine, more specifically between the battery and the inverter. The contactor is, for example, a system main relay (SMR) configured using a relay. When the ignition key (IG key) of the vehicle is on (valid), the contact is closed and the IG key is off. In the state (invalid state), the contact opens and becomes non-conductive. That is, the battery and the inverter (and the rotating electrical machine) are electrically connected when the SMR is closed, and the electrical connection between the battery and the inverter (and the rotating electrical machine) is disconnected when the SMR is open. During normal operation, the open / close state of the SMR is also controlled according to the state of the IG key. However, when the IG key is on, the SMR may be released due to a vehicle failure or a collision. For example, when the power supply to the SMR is cut off, when an abnormality occurs in the SMR drive circuit, when the SMR mechanically fails due to vibration, shock, noise, etc., or when the circuit around the SMR is disconnected , Etc., the contact of the SMR may be opened, and the contactor may be opened.
このため、コンタクタが開放状態となった場合には、インバータを構成するスイッチング素子を全てオフ状態とするシャットダウン制御(SD制御)が実施される場合がある。インバータの直流側(直流リンク部)には、直流電圧(直流リンク電圧)を平滑化する平滑コンデンサ(直流リンクコンデンサ)が備えられていることが多いが、SD制御が実施された場合、ステータコイルに蓄積された電力が、スイッチング素子に逆並列接続されたフリーホイールダイオード(FWD)を介して平滑コンデンサを充電する。このため、平滑コンデンサの端子間電圧(直流リンク電圧)が短時間で上昇する可能性がある。直流リンク電圧の上昇に備えて平滑コンデンサを大容量化、高耐圧化すると、平滑コンデンサの体格の増大につながる。また、インバータの高耐圧化も必要となる。その結果、回転電機駆動装置の小型化の妨げとなり、部品コスト、製造コスト、製品コストにも影響する。 For this reason, when a contactor will be in an open state, shutdown control (SD control) which makes all the switching elements which constitute an inverter into an OFF state may be performed. On the DC side (DC link portion) of the inverter, a smoothing capacitor (DC link capacitor) that smoothes the DC voltage (DC link voltage) is often provided. When SD control is performed, the stator coil The electric power accumulated in the capacitor charges the smoothing capacitor via a free wheel diode (FWD) connected in antiparallel to the switching element. For this reason, the voltage between the terminals of the smoothing capacitor (DC link voltage) may increase in a short time. Increasing the capacity and withstand voltage of the smoothing capacitor in preparation for an increase in the DC link voltage leads to an increase in the size of the smoothing capacitor. In addition, it is necessary to increase the breakdown voltage of the inverter. As a result, downsizing of the rotating electrical machine drive device is hindered, and the component cost, manufacturing cost, and product cost are also affected.
また、コンタクタが開放状態となった場合に、いくつかのスイッチング素子をオン状態にして電流を還流させるアクティブショート制御(アクティブショートサーキット制御(ASC制御))〜例えばゼロベクトルシーケンス制御(ZVS制御)〜が実行される場合もある。例えば、特開2011−55582号公報(特許文献1)には、インバータの上段側のスイッチング素子を全てオフ状態とし、下段側のスイッチング素子の何れか1つ以上をオン状態とする制御方法が開示されている(特許文献1:図2、第158、159、165段落等)。ASC制御では、直流リンク電圧の上昇は抑制できるが、スイッチング素子やステータコイルを大電流(還流電流)が流れることになる。また、熱等によってステータコイルに蓄積された電力が消費されるまで、大電流が流れ続けることになる。このため、スイッチング素子やステータコイルを消耗させ、寿命を低下させる可能性がある。また、大電流に対応したスイッチング素子などを用いる必要が生じて、部品コスト、製造コスト、製品コストにも影響する可能性がある。 In addition, when the contactor is in an open state, an active short control (active short circuit control (ASC control)) in which some switching elements are turned on to return the current to, for example, zero vector sequence control (ZVS control) May be executed. For example, Japanese Patent Laying-Open No. 2011-55582 (Patent Document 1) discloses a control method in which all upper switching elements of an inverter are turned off and one or more of lower switching elements are turned on. (Patent Document 1: FIG. 2, paragraphs 158, 159, 165, etc.). In the ASC control, an increase in the DC link voltage can be suppressed, but a large current (reflux current) flows through the switching element and the stator coil. Further, a large current continues to flow until the electric power accumulated in the stator coil is consumed due to heat or the like. For this reason, a switching element and a stator coil may be consumed, and a lifetime may be reduced. Moreover, it becomes necessary to use a switching element corresponding to a large current, which may affect the component cost, manufacturing cost, and product cost.
上記背景に鑑みて、インバータと直流電源とを接続するコンタクタが開放状態となった際に、インバータの直流リンク電圧の上昇や、還流電流の総量を抑制しつつ、回転電機に流れる電流をゼロにする技術が望まれる。 In view of the above background, when the contactor connecting the inverter and the DC power supply is opened, the current flowing to the rotating electrical machine is reduced to zero while suppressing the increase of the DC link voltage of the inverter and the total amount of return current. Technology to do is desired.
上記課題に鑑みた本発明に係るインバータ制御装置の特徴構成は、
直流電源にコンタクタを介して接続されると共に交流の回転電機に接続されて直流と3相交流との間で電力変換を行うものであって交流1相分のアームが上段側スイッチング素子と下段側スイッチング素子との直列回路により構成されたインバータと、前記インバータの直流側の電圧である直流リンク電圧を平滑化する直流リンクコンデンサと、を備える回転電機駆動装置を制御対象として、前記インバータを構成するスイッチング素子をスイッチング制御するインバータ制御装置であって、
前記回転電機の回転中に前記コンタクタが開放状態となった場合に、全ての前記スイッチング素子をオフ状態とするプレシャットダウン制御を実行し、
さらに、前記プレシャットダウン制御の開始後に、何れか1相の前記アームである対象アームの電流がゼロとなる際に、前記対象アームとは別の前記アームの内、少なくとも1相の前記アームの前記上段側スイッチング素子、又は前記下段側スイッチング素子をオン状態とするパーシャルアクティブショート制御を実行し、
その後、前記対象アームとは別の2相の前記アームの電流が共にゼロとなる際に残りの全ての前記アームにおいてオン状態に制御されているスイッチング素子をオフ状態とするように制御するフルシャットダウン制御を実行する
点にある。
In view of the above problems, the characteristic configuration of the inverter control device according to the present invention is:
Connected to a DC power source via a contactor and connected to an AC rotating electrical machine to perform power conversion between DC and three-phase AC, and an arm for one AC phase has an upper switching element and a lower switching element The inverter is configured with a rotating electrical machine driving device including an inverter configured by a series circuit with a switching element and a DC link capacitor that smoothes a DC link voltage that is a voltage on the DC side of the inverter as a control target. An inverter control device that controls switching of a switching element,
When the contactor is in an open state during rotation of the rotating electrical machine, pre-shutdown control is performed to turn off all the switching elements,
Furthermore, after the start of the pre-shutdown control, when the current of the target arm that is any one phase of the arm becomes zero, the arm of the at least one phase among the arms different from the target arm Perform partial active short control to turn on the upper switching element or the lower switching element,
After that, when both the currents of the two-phase arms different from the target arm become zero, the full shutdown is performed so that the switching elements that are controlled to be turned on in all the remaining arms are turned off. The point is to execute the control.
この構成によれば、コンタクタが開放状態となった後、プレシャットダウン制御、パーシャルアクティブショート制御、フルシャットダウン制御が時系列に適切なタイミングで実行される。シャットダウン制御では直流リンクコンデンサの端子間電圧(直流リンク電圧)が大きく上昇し、アクティブショート制御では大電流が還流し続けるという課題を有する。しかし、この構成のように、シャットダウン制御とアクティブショート制御とが時系列に適切なタイミングで実行されることによって、シャットダウン制御による電圧上昇を抑制し、アクティブショート制御による電流を抑制することができる。プレシャットダウン制御においてエネルギーが直流リンクコンデンサに供給されるので、パーシャルアクティブショート制御へ移行した際の還流電流が減少する。また、パーシャルアクティブショート制御からフルシャットダウン制御への移行時には、シャットダウンされるアームの電流がゼロであるから、シャットダウンによって直流リンク電圧の上昇を招くことが抑制される。このように、本構成によれば、インバータと直流電源とを接続するコンタクタが開放状態となった際に、インバータの直流リンク電圧の上昇や、還流電流の総量を抑制しつつ、回転電機に流れる電流をゼロにすることができる。 According to this configuration, after the contactor is opened, the pre-shutdown control, the partial active short control, and the full shutdown control are executed at appropriate timing in time series. The shutdown control has a problem that the voltage between the terminals of the DC link capacitor (DC link voltage) greatly increases, and the active short control has a problem that a large current continues to circulate. However, as in this configuration, the shutdown control and the active short control are executed at appropriate timing in time series, thereby suppressing the voltage increase due to the shutdown control and suppressing the current due to the active short control. Since energy is supplied to the DC link capacitor in the pre-shutdown control, the return current when shifting to the partial active short control is reduced. Moreover, since the current of the arm to be shut down is zero at the time of transition from the partial active short control to the full shutdown control, it is possible to suppress an increase in the DC link voltage due to the shutdown. Thus, according to this configuration, when the contactor connecting the inverter and the DC power supply is in an open state, the increase in the DC link voltage of the inverter and the total amount of the return current are suppressed, and the current flows to the rotating electrical machine. The current can be zero.
ここで、前記プレシャットダウン制御の開始後に、前記パーシャルアクティブショート制御でオン状態とされるスイッチング素子は、前記対象アームの電流がゼロとなる際に相電流が流れている相の内、少なくとも1相の前記アームを構成する前記スイッチング素子であると好適である。一般的に、インバータは、フリーホイールダイオードを備えて構成されており、当該フリーホイールダイオードに順方向バイアスが印加される条件では順方向電流が流れるから、スイッチング素子がオフ状態であっても相電流が流れる。パーシャルアクティブショート制御でオン状態とされるスイッチング素子が、パーシャルアクティブショート制御の開始時に(対象アームの電流がゼロとなる際に)、フリーホイールダイオードを介して相電流が流れている相のスイッチング素子であると、スイッチング素子を介して直接的に相電流の流れ方を制御することができる。 Here, after the start of the pre-shutdown control, the switching element that is turned on by the partial active short control has at least one phase among the phases in which the phase current flows when the current of the target arm becomes zero. It is preferable that the switching element constitutes the arm. In general, an inverter is configured to include a freewheel diode, and a forward current flows under a condition in which a forward bias is applied to the freewheel diode. Therefore, even if the switching element is in an off state, a phase current is generated. Flows. The switching element that is turned on by the partial active short control is a phase switching element in which the phase current flows through the free wheel diode when the partial active short control starts (when the current of the target arm becomes zero). If so, it is possible to directly control the flow of the phase current via the switching element.
パーシャルアクティブショート制御に際しては、対象アームの電流がゼロとなる際に、対象アームとは別のアームの内、少なくとも1相のアームの上段側スイッチング素子、又は下段側スイッチング素子がオン状態に制御される。但し、インバータが、フリーホイールダイオードを備えており、あるアームにおいて電流がフリーホイールダイオードを流れている状態では、当該フリーホイールダイオードに並列に接続されたスイッチング素子がオフ状態であっても、そのアームには電流が流れる。従って、パーシャルアクティブショート制御に際しては、フリーホイールダイオードを介して電流が流れ続けるのであれば、スイッチング素子がオフ状態を維持していても問題はない。パーシャルアクティブショート制御では大電流が還流するので、フリーホイールダイオードを介して電流が流れているアームのスイッチング素子をオフ状態のまま維持することによって、当該スイッチング素子の寿命の低下を抑制することができる。換言すれば、パーシャルアクティブショート制御に際しては、対象アームとは別のアームの内、オン状態としなければ電流が流れないアームのスイッチング素子をオン状態とすれば足りる。即ち、前記インバータが、下段側から上段側へ向かう方向を順方向として各スイッチング素子に並列に接続されたフリーホイールダイオードを備えている場合、前記パーシャルアクティブショート制御の実行に際してオン状態とされるスイッチング素子は、前記対象アームとは別の前記アームの内、前記順方向に非導通状態の前記フリーホイールダイオードを有する前記アームの当該フリーホイールダイオードに並列接続されているスイッチング素子を少なくとも含むと好適である。 In the partial active short control, when the current of the target arm becomes zero, the upper side switching element or the lower side switching element of at least one phase arm is controlled to be in the ON state among the arms different from the target arm. The However, the inverter includes a freewheel diode, and when a current flows through the freewheel diode in an arm, even if the switching element connected in parallel to the freewheel diode is in the off state, the arm A current flows through. Therefore, in the partial active short control, there is no problem even if the switching element maintains the OFF state as long as the current continues to flow through the free wheel diode. In the partial active short control, a large current is circulated. Therefore, by maintaining the switching element of the arm through which the current flows through the free wheel diode in an OFF state, it is possible to suppress a decrease in the life of the switching element. . In other words, in the partial active short control, it is only necessary to turn on the switching element of the arm that does not flow current unless it is turned on among the arms other than the target arm. That is, when the inverter includes a free wheel diode connected in parallel to each switching element with the direction from the lower stage side to the upper stage side as a forward direction, the switching that is turned on when executing the partial active short control It is preferable that the element includes at least a switching element connected in parallel to the free wheel diode of the arm having the free wheel diode that is non-conductive in the forward direction in the arm different from the target arm. is there.
以下、本発明のインバータ制御装置の実施形態を図面に基づいて説明する。インバータ制御装置20は、図1に示すように、インバータ10と直流リンクコンデンサ4とを備える回転電機駆動装置1を制御対象とし、回転電機駆動装置1を介して回転電機80を駆動制御する。後述するように、インバータ10は、直流電源(11)にコンタクタ9を介して接続されると共に、交流の回転電機80に接続されて直流と多相交流(ここでは3相交流)との間で電力変換を行う電力変換装置であり、交流1相分のアームが上段側スイッチング素子と下段側スイッチング素子との直列回路により構成されている。直流リンクコンデンサ4は、このインバータ10の直流側の電圧である直流リンク電圧Vdcを平滑化する。回転電機駆動装置1及びインバータ制御装置20による駆動対象の回転電機80は、例えばハイブリッド自動車や電気自動車等の車両の駆動力源となる回転電機である。車両の駆動力源としての回転電機80は、多相交流(ここでは3相交流)により動作する回転電機であり、電動機としても発電機としても機能することができる。
Embodiments of an inverter control device according to the present invention will be described below with reference to the drawings. As shown in FIG. 1, the
鉄道のように架線から電力の供給を受けることができない自動車のような車両では、回転電機80を駆動するための電力源としてニッケル水素電池やリチウムイオン電池などの二次電池(バッテリ)や、電気二重層キャパシタなどの直流電源を搭載している。本実施形態では、回転電機80に電力を供給するための大電圧大容量の直流電源として、例えば電源電圧200〜400[V]の高圧バッテリ11(直流電源)が備えられている。回転電機80は、交流の回転電機であるから、高圧バッテリ11と回転電機80との間には、直流と交流(ここでは3相交流)との間で電力変換を行うインバータ10が備えられている。インバータ10の直流側の正極電源ラインPと負極電源ラインNとの間の電圧は、以下“直流リンク電圧Vdc”と称する。高圧バッテリ11は、インバータ10を介して回転電機80に電力を供給可能であると共に、回転電機80が発電して得られた電力を蓄電可能である。
In a vehicle such as an automobile that cannot receive power from an overhead line such as a railway, a secondary battery (battery) such as a nickel metal hydride battery or a lithium ion battery is used as a power source for driving the rotating
インバータ10と高圧バッテリ11との間には、インバータ10の直流側の正負両極間電圧(直流リンク電圧Vdc)を平滑化する平滑コンデンサ(直流リンクコンデンサ4)が備えられている。直流リンクコンデンサ4は、回転電機80の消費電力の変動に応じて変動する直流電圧(直流リンク電圧Vdc)を安定化させる。直流リンクコンデンサ4と高圧バッテリ11との間には、直流リンクコンデンサ4から回転電機80までの回路と、高圧バッテリ11との電気的な接続を切り離すことが可能なコンタクタ9が備えられている。本実施形態において、このコンタクタ9は、車両の最も上位の制御装置の1つである車両ECU(Electronic Control Unit)90からの指令に基づいて開閉するメカニカルリレーであり、例えばシステムメインリレー(SMR:System Main Relay)と称される。コンタクタ9は、車両のイグニッションキー(IGキー)がオン状態(有効状態)の際にSMRの接点が閉じて導通状態(接続状態)となり、IGキーがオフ状態(非有効状態)の際にSMRの接点が開いて非導通状態(開放状態)となる。インバータ10は、高圧バッテリ11と回転電機80との間にコンタクタ9を介して介在され、コンタクタ9が接続状態において高圧バッテリ11とインバータ10(及び回転電機80)とが電気的に接続され、コンタクタ9が開放状態において高圧バッテリ11とインバータ10(及び回転電機80)との電気的接続が遮断される。
Between the
インバータ10は、直流リンク電圧Vdcを有する直流電力を複数相(nを自然数としてn相、ここでは3相)の交流電力に変換して回転電機80に供給すると共に、回転電機80が発電した交流電力を直流電力に変換して直流電源に供給する。インバータ10は、複数のスイッチング素子を有して構成される。スイッチング素子には、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)やパワーMOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)やSiC−MOSFET(Silicon Carbide - Metal Oxide Semiconductor FET)やSiC−SIT(SiC - Static Induction Transistor)、GaN−MOSFET(Gallium Nitride - MOSFET)などの高周波での動作が可能なパワー半導体素子を適用すると好適である。図1に示すように、本実施形態では、スイッチング素子としてIGBT3が用いられる。
The
例えば直流と多相交流(ここでは3相交流)との間で電力変換するインバータ10は、よく知られているように多相(ここでは3相)のそれぞれに対応する数のアームを有するブリッジ回路により構成される。つまり、図1に示すように、インバータ10の直流正極側(直流電源の正極側の正極電源ラインP)と直流負極側(直流電源の負極側の負極電源ラインN)との間に2つのIGBT3が直列に接続されて1つのアームが構成される。3相交流の場合には、この直列回路(1つのアーム)が3回線(3相)並列接続される。つまり、回転電機80のU相、V相、W相に対応するステータコイル8のそれぞれに一組の直列回路(アーム)が対応したブリッジ回路が構成される。
For example, an
対となる各相のIGBT3による直列回路(アーム)の中間点、つまり、正極電源ラインPの側のIGBT3(上段側IGBT(上段側スイッチング素子)31,33,35:図3等参照)と負極電源ラインN側のIGBT3(下段側IGBT(下段側スイッチング素子)32,34,36:図3等参照)との接続点は、回転電機80のステータコイル8(8u,8v,8w:図3等参照)にそれぞれ接続される。尚、各IGBT3には、負極“N”から正極“P”へ向かう方向(下段側から上段側へ向かう方向)を順方向として、並列にフリーホイールダイオード(FWD)5が備えられている。
The intermediate point of the series circuit (arm) of each pair of
図1に示すように、インバータ10は、インバータ制御装置20により制御される。インバータ制御装置20は、マイクロコンピュータ等の論理回路を中核部材として構築されている。例えば、インバータ制御装置20は、車両ECU90等の他の制御装置等からCAN(Controller Area Network)などを介して要求信号として提供される回転電機80の目標トルクTMに基づいて、ベクトル制御法を用いた電流フィードバック制御を行って、インバータ10を介して回転電機80を制御する。回転電機80の各相のステータコイル8を流れる実電流は電流センサ12により検出され、インバータ制御装置20はその検出結果を取得する。また、回転電機80のロータの各時点での磁極位置は、例えばレゾルバなどの回転センサ13により検出され、インバータ制御装置20はその検出結果を取得する。インバータ制御装置20は、電流センサ12及び回転センサ13の検出結果を用いて、電流フィードバック制御を実行する。インバータ制御装置20は、電流フィードバック制御のために種々の機能部を有して構成されており、各機能部は、マイクロコンピュータ等のハードウエアとソフトウエア(プログラム)との協働により実現される。電流フィードバック制御については、公知であるのでここでは詳細な説明は省略する。
As shown in FIG. 1, the
車両には、高圧バッテリ11の他に、高圧バッテリ11よりも低電圧の電源である低圧バッテリ(不図示)も搭載されている。低圧バッテリの電源電圧は、例えば12〜24[V]である。低圧バッテリと高圧バッテリ11とは、互いに絶縁されており、互いにフローティングの関係にある。低圧バッテリは、インバータ制御装置20や車両ECU90の他、オーディオシステムや灯火装置、室内照明、計器類のイルミネーション、パワーウィンドウなどの電装品や、これらを制御する制御装置に電力を供給する。車両ECU90やインバータ制御装置20などの電源電圧は、例えば5[V]や3.3[V]である。
In addition to the
ところで、インバータ10を構成する各IGBT3の制御端子であるゲート端子は、ドライバ回路30を介してインバータ制御装置20に接続されており、それぞれ個別にスイッチング制御される。回転電機80を駆動するための高圧系回路と、マイクロコンピュータなどを中核とするインバータ制御装置20などの低圧系回路とは、動作電圧(回路の電源電圧)が大きく異なる。このため、このため、各IGBT3に対するゲート駆動信号(スイッチング制御信号)の駆動能力(例えば電圧振幅や出力電流など、後段の回路を動作させる能力)をそれぞれ高めて中継するドライバ回路30(制御信号駆動回路)が備えられている。低圧系回路のインバータ制御装置20により生成されたIGBT3のゲート駆動信号は、ドライバ回路30を介して高圧回路系のゲート駆動信号としてインバータ10に供給される。ドライバ回路30は、例えばフォトカプラやトランスなどの絶縁素子やドライバICを利用して構成される。
By the way, the gate terminal which is a control terminal of each IGBT3 which comprises the
上述したように、コンタクタ9は、車両のイグニッションキー(IGキー)がオン状態(有効状態)の際に接続状態となり、IGキーがオフ状態(非有効状態)の際に開放状態となる。通常動作時には、IGキーの状態に応じてコンタクタ9の開閉状態も制御される。しかし、IGキーがオン状態の際に、車両の故障や衝突等によって、コンタクタ9が開放状態となる場合がある。例えば、コンタクタ9への電源供給が遮断された場合、コンタクタ9の駆動回路に異常が生じた場合、コンタクタ9が振動・衝撃やノイズ等によって機械的に故障した場合、コンタクタ9周辺の回路に断線が生じた場合、等にコンタクタ9が開放状態となる可能性がある。コンタクタ9が開放状態となると、高圧バッテリ11からインバータ10側への電力の供給は直ちに遮断される。同様に、回転電機80からインバータ10を介して高圧バッテリ11への電力の回生もコンタクタ9によって遮断される。
As described above, the contactor 9 is connected when the ignition key (IG key) of the vehicle is on (valid), and is open when the IG key is off (invalid). During normal operation, the open / close state of the contactor 9 is also controlled according to the state of the IG key. However, when the IG key is in the ON state, the contactor 9 may be in an open state due to a vehicle failure or a collision. For example, when the power supply to the contactor 9 is interrupted, when the drive circuit of the contactor 9 is abnormal, when the contactor 9 is mechanically damaged due to vibration, shock, noise, etc., the circuit around the contactor 9 is disconnected. If this occurs, there is a possibility that the contactor 9 will be open. When the contactor 9 is in an open state, the supply of power from the
このため、コンタクタ9が開放状態となった場合には、インバータ10を構成するIGBT3を全てオフ状態とするシャットダウン制御(SD制御)が実施される場合がある。SD制御が実施された場合、ステータコイル8に蓄積された電力が、FWD5を介して直流リンクコンデンサ4を充電する。このため、直流リンクコンデンサ4の端子間電圧(直流リンク電圧Vdc)が短時間で上昇する可能性がある。直流リンク電圧Vdcの上昇に備えて直流リンクコンデンサ4を大容量化、高耐圧化すると、コンデンサの体格の増大につながる。また、インバータ10の高耐圧化も必要となる。その結果、回転電機駆動装置1の小型化の妨げとなり、部品コスト、製造コスト、製品コストにも影響する。
For this reason, when the contactor 9 is in an open state, shutdown control (SD control) that turns off all the
また、コンタクタ9が開放状態となった場合に、いくつかのIGBT3をオン状態にして電流を還流させるアクティブショート制御(アクティブショートサーキット制御(ASC制御))〜例えばゼロベクトルシーケンス制御(ZVS制御)〜が実行される場合もある。電流(還流電流)の有するエネルギーは、IGBT3やステータコイル8などにおいて熱などによって消費される。ASC制御では、直流リンク電圧Vdcの上昇は抑制できるが、IGBT3やステータコイル8を大電流が流れることになる。還流電流は、ステータコイル8に蓄積された電力が消費されるまで流れ続けるので、IGBT3やステータコイル8の寿命を低下させる可能性がある。また、大電流に対応した素子などを用いる必要が生じて、部品コスト、製造コスト、製品コストにも影響する可能性がある。また、大電流等によって発生する熱によって、回転電機80のロータに備えられた永久磁石が減磁し、回転電機80の耐久性が低下する可能性もある。
Also, when the contactor 9 is in an open state, active short control (active short circuit control (ASC control)) in which some of the
本実施形態のインバータ制御装置20は、SD制御とASC制御とを組み合わせて、回生電力を抑制しつつ、回転電機80に流れる電流をゼロにする制御(回生電力抑制制御)を実行する点に特徴を有する。即ち、インバータ制御装置20は、インバータ10と高圧バッテリ11とを接続するコンタクタ9が開放状態となった際に、直流リンク電圧Vdcの上昇や、還流電流の総量を抑制しつつ、回転電機80に流れる電流をゼロにする。尚、上述したように、高圧バッテリ11とは別に、不図示の低圧バッテリが備えられており、インバータ制御装置20や車両ECU90は、低圧バッテリから電力を供給されて動作する。本実施形態においては、コンタクタ9が開放状態となっても、低圧バッテリからインバータ制御装置20や車両ECU90への電力供給は維持されているものとして説明する。
The
図1及び図3等に示すように、インバータ10は、交流1相分のアームが、相補的にスイッチング制御される上段側スイッチング素子(上段側IGBT(31,33,35))と下段側スイッチング素子(下段側IGBT(32,34,36))との直列回路により構成される。インバータ制御装置20は、回転電機80の回転中にコンタクタ9が開放状態となった場合に、3相全てのスイッチング素子3をオフ状態とするプレシャットダウン制御(PSD制御)を実行する(図2:Phase1)。さらに、インバータ制御装置20は、PSD制御の開始後に、何れか1相のアームである対象アームの電流がゼロとなる際に、対象アームとは別のアームの内、少なくとも1相のアームの上段側IGBT(31,33,35)、又は下段側IGBT(32,34,36)をオン状態とするパーシャルアクティブショート制御(PASC制御)を実行する(図2:Phase2)。換言すれば、PSD制御の開始後に、PASC制御でオン状態とされるスイッチング素子は、少なくとも1相のアームで相電流が流れているIGBT3である。その後、対象アームとは別の2相のアームの電流が共にゼロとなる際に残りの全てのアームにおいてオン状態に制御されているIGBT3をオフ状態とするように制御するフルシャットダウン制御(FSD制御)を実行する(図2:Phase3)。
As shown in FIG. 1 and FIG. 3 and the like, the
以下、このような回生電力抑制制御について説明する。図2は、コンタクタ9の開放時の制御例を模式的に示す波形図であり、図3は、上述したPhase1におけるIGBT3の制御例と電流の流れを示す等価回路図であり、図4は、同じくPhase2におけるIGBT3の制御例と電流の流れを示す等価回路図である。図2に示す時刻“t0”は、コンタクタ9が開放状態となった時刻を示している。コンタクタ9が開放状態となると、直流リンク電圧Vdcが上昇し始める。インバータ制御装置20は、コンタクタ9が開放状態(コンタクタオープン)であると判定すると、回生電力抑制制御を開始する。コンタクタオープンであるとの判定は、例えば、車両ECU90からの通信に基づいて実施されても良いし、直流リンク電圧Vdcを検出する電圧センサ14の検出結果に基づいて実施されても良い。また、コンタクタオープンであるとの判定は、バッテリ電流センサ15により検出された高圧バッテリ11の電流(バッテリ電流)の急激な変化に基づいて判定されてもよい。ここでは、電圧センサ14により検出された直流リンク電圧Vdcが、回生電力抑制制御の要否を判定する判定しきい値を超えているか否かによって、回生電力抑制制御の開始が判定されるものとする。
Hereinafter, such regenerative power suppression control will be described. FIG. 2 is a waveform diagram schematically showing a control example when the contactor 9 is opened, FIG. 3 is a control example of the
回生電力抑制制御が開始されると、まず、PSD制御が実行される。PSD制御では、3相全てのスイッチング素子3がオフ状態に制御され、直流リンク電圧Vdcが上昇する。本実施形態においては、コンタクタ9が開放状態となったことによって直流リンク電圧Vdcが上昇すると共に、PSD制御によっても直流リンク電圧Vdcが上昇する。従って、説明を容易にするために、図2では、コンタクタオープンの時刻“t0”と、PSD制御を開始する時刻“t1”とを区別することなく例示し、コンタクタオープンからPSD制御が実行される期間(Phase1)に亘って直流リンク電圧Vdcが上昇している。
When the regenerative power suppression control is started, first, PSD control is executed. In the PSD control, all the
図3は、Phase1におけるIGBT3の制御例と電流の流れを示している。図3において、破線で示すIGBT3は、オフ状態にスイッチング制御されていることを示し、実線で示すIGBT3はオン状態に制御されていることを示す。また、破線で示すFWD5は非導通状態であることを示し、実線で示すFWD5は導通状態であることを示す。図3に示すように、PSD制御においては、全てのIGBT3がオフ状態に制御されている。U相電流IuはU相上段側FWD51を流れ、V相電流IvはV相上段側FWD53を流れ、W相電流IwはW相下段側FWD56を流れて直流リンクコンデンサ4を充電する。これにより、直流リンク電圧Vdcは、電圧“V1”まで上昇する。
FIG. 3 shows a control example of the
Phase1の期間において、つまり、PSD制御の実行中に、何れか1相のアームである対象アームの電流がゼロとなる際に、PASC制御が実行される。PASC制御は、図2に示す時刻“t2”において実行されると好適であるが、厳密ではなく、時刻“t2”の前後において実行されればよい。電流がゼロとなったことを検出した後では、PASC制御の実行が遅れるため、例えば、PASC制御は、相電流がゼロの時を予想して実行されると好適である。図2においては、Phase1の期間においてU相電流Iuがゼロとなる際にPASC制御が実行される形態を例示している。従って、対象アームはU相アームであり、図4に示すように、U相アームとは別のアームであるV相下段側IGBT34及びW相下段側IGBT36がオン状態に制御される。換言すれば、PSD制御の開始後に、PASC制御でオン状態とされるIGBT3は、PASC制御の開始時に(対象アームの電流がゼロとなる際に)、相電流が流れている相のアームを構成するIGBT3である。この状態は、3相の内の2相のみが、オン状態とされている状態であるから、2相スイッチング(Tow Phase Switching)制御と称することができる。これにより、V相とW相との2相による部分的なアクティブショート回路が実現される。尚、後述するように、PSD制御の開始後に、PASC制御でオン状態とされるIGBT3は、PASC制御の開始時に(対象アームの電流がゼロとなる際に)、相電流が流れている両方の相のアームを構成するIGBT3ではなく、相電流が流れている相の内の少なくとも1相のアームを構成するIGBT3であってもよい。詳細については後述する。
PASC control is executed when the current of the target arm, which is one of the one-phase arms, becomes zero during the Phase 1 period, that is, during execution of PSD control. The PASC control is preferably executed at time “t2” shown in FIG. 2, but is not strict and may be executed before and after time “t2”. Since the execution of the PASC control is delayed after detecting that the current becomes zero, for example, it is preferable that the PASC control is executed in anticipation of the phase current being zero. FIG. 2 illustrates a mode in which PASC control is executed when the U-phase current Iu becomes zero during the Phase 1 period. Accordingly, the target arm is a U-phase arm, and as shown in FIG. 4, the V-phase
U相はシャットダウンされた状態のままである。つまり、U相によって部分的なシャットダウンが実現されている。シャットダウンでは、ステータコイル8に蓄積された電力が、FWD5を介して直流リンクコンデンサ4を充電するが、相電流(Iu)がゼロの状態で他の2相の電流を平衡させて還流させているため、時刻t2以降にはU相電流Iuは流れず、直流リンク電圧Vdcの上昇は電圧“V1”で停止する。
The U phase remains shut down. That is, partial shutdown is realized by the U phase. In shutdown, the electric power stored in the
図4は、Phase2におけるIGBT3の制御例と電流の流れを示している。図4に示すように、V相電流Ivは、V相下段側IGBT34を流れ、W相電流Iwは、W相下段側IGBT36を流れると共に、W相下段側IGBT36に逆並列に接続されたW相下段側FWD56も流れる。U相がシャットダウンされているため、V相電流IvとW相電流Iwとは平衡する。従って、図2に示すように、V相電流IvとW相電流Iwとは同じ時刻(ここでは時刻“t3”)においてゼロとなる。インバータ制御装置20は、対象アーム(ここではU相)とは別の2相のアーム(ここではV相、W相)の電流が共にゼロとなる際に残りの全てのアームにおいてオン状態に制御されているIGBT3(ここでは“34,36”)をオフ状態とするように制御するFSD制御を実行する(図2:Phase3)。シャットダウンが実施された場合には、ステータコイル8に蓄積された電力が、FWD5を介して直流リンクコンデンサ4を充電するが、相電流(Iv,Iw)がゼロの状態でシャットダウンを行っているため、直流リンク電圧Vdcは上昇しない。
FIG. 4 shows a control example of the
ところで、Phase2では、全てのIGBT3がオフ状態に制御された状態から、部分的に還流ループを生成するようにIGBT3をオン状態に制御するため、この制御をパーシャルアクティブショート制御(PASC制御)と称している。しかし、見方を変えれば、U相がシャットダウンされた状態であるから、部分的にシャットダウン制御(SD制御)が実行されているということもできる。従って、時刻“t2”から実行される制御(Phase2で実行される制御)は、パーシャルシャットダウン制御(PSD制御)と称することもできる。
By the way, in Phase 2, since all the
上述したように、PASC制御に際しては、対象アームとは別のアームの内、少なくとも1相のアームの上段側IGBT(31,33,35)、又は下段側IGBT(32,34,36)がオン状態に制御される。上記では、図4を参照して、対象アームがU相であり、V相下段側IGBT34と、W相下段側IGBT36とがオン状態に制御される形態を例示した。しかし、図5に示す用に、V相上段側IGBT33と、W相上段側IGBT35とがオン状態に制御されてもよい。この場合には、V相電流Ivは、V相上段側IGBT33及びV相上段側FWD53を流れ、W相電流Iwは、W相上段側IGBT35を流れて還流することになる。
As described above, at the time of PASC control, the upper-stage IGBT (31, 33, 35) or the lower-stage IGBT (32, 34, 36) of at least one phase arm is turned on among the arms different from the target arm. Controlled by the state. In the above, with reference to FIG. 4, the target arm is the U-phase, and the V-phase
また、上記説明では、対象アームとは別のアームの双方の上段側IGBT(31,33,35)、又は下段側IGBT(32,34,36)がオン状態に制御される例を示したが、少なくとも1相のアームの上段側IGBT(31,33,35)、又は下段側IGBT(32,34,36)がオン状態に制御されれば足りる。つまり、上記においては、対象アームがU相であり、V相下段側IGBT34と及びW相下段側IGBT36とがオン状態に制御される形態(図4参照)、及び、V相上段側IGBT33及びW相上段側IGBT35とがオン状態に制御される形態(図5参照)を例示した。しかし、対象アームがU相であり、V相下段側IGBT34のみがオン状態に制御される形態、及び、W相上段側IGBT35のみがオン状態に制御される形態であってもよい。
In the above description, the upper IGBT (31, 33, 35) or the lower IGBT (32, 34, 36) of both arms other than the target arm is controlled to be in the ON state. It is sufficient that the upper stage IGBT (31, 33, 35) or the lower stage IGBT (32, 34, 36) of at least one phase arm is controlled to be in the ON state. In other words, in the above, the target arm is the U-phase, the V-phase lower-
例えば、対象アームがU相であり、V相下段側IGBT34のみがオン状態に制御された場合、V相下段側IGBT34及びW相下段側FWD56を経由して、図4に示した還流ループが形成される。同様に、対象アームがU相であり、W相上段側IGBT35のみがオン状態に制御された場合には、V相上段側FWD53及びW相上段側IGBT35を経由して、図5に示した還流ループが形成される。即ち、PASC制御の実行に際してオン状態とされるIGBT3は、対象アームとは別のアームの内、順方向に非導通状態のFWD5を有するアームの当該FWD5に並列接続されているIGBT3を少なくとも含んでいればよい。
For example, when the target arm is the U-phase and only the V-phase
図3を参照すれば、対象アーム(U相)とは別のアーム(V相、W相)の内、順方向に非導通状態のFWD5を有するアームの当該FWD5は、V相下段側FWD54、又は、W相上段側FWD55である。従って、順方向に非導通状態のFWD5に並列接続されているIGBT3は、V相下段側FWD54に並列接続されたV相下段側IGBT34、又は、W相上段側IGBT35である。順方向に導通状態のFWD5に並列接続されているIGBT3は、改めてオン状態に制御されてなくても、導通状態のFWD5を介して還流ループが形成される。例えば、オン状態に制御されるV相下段側IGBT34は、既に導通状態のW相下段側FWD56を介して還流ループを形成することができるので、V相下段側IGBT34と共に、必ずしもW相下段側IGBT36がオン状態に制御されなくてもよい。同様に、オン状態に制御されるW相上段側IGBT35は、既に導通状態のV相上段側FWD53を介して還流ループを形成することができるので、W相上段側IGBT35と共に、必ずしもV相上段側IGBT33がオン状態に制御されなくてもよい。このように、3相の内の1相のみが、オン状態とされている状態は、1相スイッチング(Single phase switching)制御と称することもできる。
Referring to FIG. 3, among the arms (V phase, W phase) different from the target arm (U phase), the
このように、1相だけをオン状態とすることによって、ASC制御による大電流をFWD5に逃がし、大電流が流れることによるIGBT3の消耗を抑制し、寿命に与える影響を低減することもできる。当然ながら、PASC制御において1相だけのIGBT3がオン状態に制御された場合には、その後のFSD制御において当該1相だけのIGBT3がオフ状態に制御されれば、全てのIGBT3をオフ状態とすることができる。
In this way, by turning on only one phase, a large current due to ASC control is released to the
このように、SD制御とASC制御とを組み合わせることによって、適切に回転電機80に流れる電流をゼロにする制御を実行することができる。発明者によるシミュレーションによれば、例えば、コンタクタオープンに応答して単純にSD制御を実行した場合と比較して、直流リンクコンデンサ4の静電容量を概ね3/4程度としても、直流リンク電圧Vdcの上昇電圧は4/5程度となることが確認されている。つまり、回生電力抑制制御によって直流リンク電圧Vdcの上昇が抑制され、直流リンクコンデンサ4の小型化も可能となる。また、コンタクタオープンに応答して単純にASC制御を実行した場合と比べて、相電流の最大値は概ね1/2程度に収まっている。つまり、回生電力抑制制御によって相電流も抑制されている。従って、ステータコイル8やIGBT3の消耗による寿命の低下を抑制することができる。即ち、シミュレーションによって、最大の回生電力ポイントと、インバータ10の最大電圧の条件で、定格電流と耐圧電圧とを満足することが確認されている。
As described above, by combining the SD control and the ASC control, it is possible to appropriately execute the control for reducing the current flowing through the rotating
本実施形態のインバータ制御装置20は、SD制御とASC制御とを組み合わせて、適切に回転電機80に流れる電流をゼロにする回生電力抑制制御(SD−ASC混合制御)を実行する。SD制御、ASC制御、SD−ASC混合制御には、コンタクタオープンの際の回転電機80の動作状態に応じてそれぞれ適した領域が存在する。図6は、回転電機80の回転速度とトルクとによって表された動作マップ上において、それぞれの制御方式が適した領域を示している。回転速度が高い領域、図6における領域“defg”(領域“R2”)は、回転電機80による起電力(EMF:Electromotive Force)が高いため、ASC制御が適している。線“dg”は、逆起電圧(BEMF:Back Electromotive Force)が、直流リンク電圧Vdc以上となる境界を表している。回転速度が低い領域、図6における領域“0acdg”(領域“R1+R3”)は、SD制御が適している。即ち、SD制御は、直流リンク電圧Vdcが回転電機80による起電力よりも大きい場合に実行される。
The
このSD制御が適している領域“0acdg”の全てにおいてSD制御が可能なようにインバータ制御装置20を構築すると、当該領域における直流リンク電圧Vdcの上昇に鑑みた設計が必要となる。例えば、IGBT3などのスッチング素子に高い耐圧が求められ、直流リンクコンデンサ4にも大きな容量や高い耐圧が求められる。しかし、回転速度及びトルクが高い領域“bcd”(領域“R3”)において、直流リンク電圧Vdcの上昇を抑制できれば、それらの要求を緩和することができる。従って、上述した回生電力抑制制御は、図6における領域“bcd”(領域“R3”)において適用されると好適である。
If the
〔その他の実施形態〕
以下、本発明のその他の実施形態について説明する。尚、以下に説明する各実施形態の構成は、それぞれ単独で適用されるものに限られず、矛盾が生じない限り、他の実施形態の構成と組み合わせて適用することも可能である。
[Other Embodiments]
Hereinafter, other embodiments of the present invention will be described. Note that the configuration of each embodiment described below is not limited to being applied independently, and can be applied in combination with the configuration of other embodiments as long as no contradiction arises.
上述したように、コンタクタ9が開放状態となると直流リンク電圧Vdcが直ぐに上昇する。従って、インバータ制御装置20は、コンタクタ9が開放状態となったことを迅速に判定して、回生電力抑制制御を開始することが望ましい。従って、上記説明においては、一般的に通信時間を要するCANなどを利用して車両ECU90経由でコンタクタ9の状態を取得するのではなく、直流リンク電圧Vdcの検出結果に基づいて、迅速にコンタクタ9が開放状態となったことを判定できる例を示した。また、他の1つの態様として、高圧バッテリ11と直流リンクコンデンサ4との間に設けられたバッテリ電流センサ15により検出された高圧バッテリ11の電流(バッテリ電流)の急激な変化に基づいてコンタクタオープンが判定されてもよい。コンタクタ9が開放状態となると、高圧バッテリ11と、その後段の回路(直流リンクコンデンサ4、インバータ10、回転電機80等)との電気的な接続状態が急激に変化する。このため、高圧バッテリ11を出入りする電流も急激に変化する。従って、この場合も、CANなどを利用して車両ECU90経由でコンタクタ9の状態を取得するよりも、インバータ制御装置20は、高圧バッテリ11の電流の検出結果に基づいて、コンタクタ9が開放状態となったことを迅速に判定することができる。このように、コンタクタオープンによって平滑コンデンサ(直流リンクコンデンサ4)の端子間電圧(直流リンク電圧Vdc)が短時間で上昇するのを防止するためには、コンタクタオープンを迅速に検出することが特に肝要である。
As described above, when the contactor 9 is in the open state, the DC link voltage Vdc immediately rises. Therefore, it is desirable that the
本発明は、インバータを介して交流の回転電機を駆動制御するインバータ制御装置に利用することができる。 The present invention can be used in an inverter control device that drives and controls an AC rotating electrical machine via an inverter.
1 :回転電機駆動装置
3 :IGBT(スイッチング素子)
4 :直流リンクコンデンサ
5 :フリーホイールダイオード
9 :コンタクタ
10 :インバータ
11 :高圧バッテリ(直流電源)
20 :インバータ制御装置
31〜36:IGBT(スイッチング素子)
51〜56:フリーホイールダイオード
80 :回転電機
Vdc :直流リンク電圧
1: Rotating electrical machine drive device 3: IGBT (switching element)
4: DC link capacitor 5: Freewheel diode 9: Contactor 10: Inverter 11: High voltage battery (DC power supply)
20: Inverter control devices 31-36: IGBT (switching element)
51-56: Freewheel diode 80: Rotating electric machine Vdc: DC link voltage
Claims (3)
前記回転電機の回転中に前記コンタクタが開放状態となった場合に、全ての前記スイッチング素子をオフ状態とするプレシャットダウン制御を実行し、
さらに、前記プレシャットダウン制御の開始後に、何れか1相の前記アームである対象アームの電流がゼロとなる際に、前記対象アームとは別の前記アームの内、少なくとも1相の前記アームの前記上段側スイッチング素子、又は前記下段側スイッチング素子をオン状態とするパーシャルアクティブショート制御を実行し、
その後、前記対象アームとは別の2相の前記アームの電流が共にゼロとなる際に残りの全ての前記アームにおいてオン状態に制御されているスイッチング素子をオフ状態とするように制御するフルシャットダウン制御を実行するインバータ制御装置。 Connected to a DC power source via a contactor and connected to an AC rotating electrical machine to perform power conversion between DC and three-phase AC, and an arm for one AC phase has an upper switching element and a lower switching element The inverter is configured with a rotating electrical machine driving device including an inverter configured by a series circuit with a switching element and a DC link capacitor that smoothes a DC link voltage that is a voltage on the DC side of the inverter as a control target. An inverter control device that controls switching of a switching element,
When the contactor is in an open state during rotation of the rotating electrical machine, pre-shutdown control is performed to turn off all the switching elements,
Furthermore, after the start of the pre-shutdown control, when the current of the target arm that is any one phase of the arm becomes zero, the arm of the at least one phase among the arms different from the target arm Perform partial active short control to turn on the upper switching element or the lower switching element,
After that, when both the currents of the two-phase arms different from the target arm become zero, the full shutdown is performed so that the switching elements that are controlled to be turned on in all the remaining arms are turned off. An inverter control device that executes control.
前記パーシャルアクティブショート制御の実行に際してオン状態とされるスイッチング素子は、前記対象アームとは別の前記アームの内、前記順方向に非導通状態の前記フリーホイールダイオードを有する前記アームの当該フリーホイールダイオードに並列接続されているスイッチング素子を少なくとも含む、請求項1又は2に記載のインバータ制御装置。 The inverter includes a free wheel diode connected in parallel to each switching element with the direction from the lower side to the upper side as a forward direction.
The switching element that is turned on when executing the partial active short control includes the free wheel diode in the arm having the free wheel diode that is non-conductive in the forward direction among the arms different from the target arm. The inverter control device according to claim 1, further comprising at least a switching element connected in parallel.
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