JP2017050275A - 加熱装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】複数のスイッチング素子に同時に異常が発生することを防止する。
【解決手段】加熱装置100は、電力が供給されると発熱するヒータ30と、ヒータ30に直列に接続され、オンとオフとが切り換えられることでヒータ30への電力の供給と遮断とを切り換える少なくとも2つのIGBT10,20と、を備え、IGBT10は、IGBT20がオンとオフとの切換動作を繰り返している間、オン状態を維持する。
【選択図】図1
【解決手段】加熱装置100は、電力が供給されると発熱するヒータ30と、ヒータ30に直列に接続され、オンとオフとが切り換えられることでヒータ30への電力の供給と遮断とを切り換える少なくとも2つのIGBT10,20と、を備え、IGBT10は、IGBT20がオンとオフとの切換動作を繰り返している間、オン状態を維持する。
【選択図】図1
Description
本発明は、加熱装置に関する。
特許文献1には、ヒータと直列に一対のIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor:絶縁ゲートバイポーラトランジスタ)が設けられ、IGBTの温度が所定温度以上の場合にIGBTを強制的にオフにする車載暖房用ヒータの制御装置が開示されている。
ところで、上記のようなヒータのスイッチングに用いられるIGBTでは、例えばサージ電圧によって、オンオフ時に異常が生じることがある。
本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、複数のスイッチング素子に同時に異常が発生することを防止することを目的とする。
本発明のある態様によれば、加熱装置は、電力が供給されると発熱するヒータと、前記ヒータに直列に接続され、オンとオフとが切り換えられることで前記ヒータへの電力の供給と遮断とを切り換える少なくとも2つのスイッチング素子と、を備え、前記少なくとも2つのスイッチング素子のうち第1のスイッチング素子は、第2のスイッチング素子がオンとオフとの切換動作を繰り返している間、オン状態を維持することを特徴とする。
この態様では、少なくとも2つのスイッチング素子のうち第1のスイッチング素子は、第2のスイッチング素子がオンとオフとの切換動作を繰り返している間、オン状態を維持する。そのため、第1のスイッチング素子がオンに切り換えられた時点では、第2のスイッチング素子がオフであるので、ヒータに電力は供給されない。よって、オンに切り換えられても電流が流れないので、第1のスイッチング素子が異常な状態になることが防止される。したがって、複数のスイッチング素子に同時に異常が発生することを防止できる。
以下、図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。
(第1の実施形態)
以下、図1から図5を参照して、本発明の第1の実施形態に係る加熱装置100について説明する。
以下、図1から図5を参照して、本発明の第1の実施形態に係る加熱装置100について説明する。
まず、図1を参照して、加熱装置100の全体構成について説明する。
加熱装置100は、直流電源1から供給される電力によって駆動されるヒータ30と、ヒータ30と直列に接続されるスイッチング素子としてのIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor:絶縁ゲートバイポーラトランジスタ)10,20と、を備える。ここでは、一対のIGBTが設けられる場合について説明するが、一対に限られるものではなく、少なくとも2つのIGBTが設けられればよい。
加熱装置100は、EV(Electric Vehicle:電動車両)やHEV(Hybrid Electric Vehicle:ハイブリッド車両)などの車両に搭載される車両用空調装置(図示省略)に適用される。車両用空調装置は、暖房運転を実行するために、冷媒をヒータ30によって加熱する温水タンク31を有する。
直流電源1は、EVやHEVに搭載される強電バッテリである。直流電源1の出力電圧は、30[V]以上の強電であり、ここでは例えば350[V]である。直流電源1は、供給ライン5を通じてヒータ30に電力を供給し、グラウンド9に接続される。
ヒータ30は、電力が供給されると発熱するシーズヒータである。ヒータ30は、温水タンク31内に収装される。
IGBT10及びIGBT20は、上位のコントローラ3からの指令に応じてオンとオフとが切り換えられることで、直流電源1からヒータ30への電力の供給と遮断とを切り換える。IGBT10及びIGBT20は、PWM(Pulse Width Modulation:パルス幅変調)制御によってオンとオフとが切り換えられる。ここでは、IGBT10が第1のスイッチング素子に該当し、IGBT20が第2のスイッチング素子に該当する。
IGBT10及びIGBT20は、互いに異なる周期でオンとオフとが周期的に切り換えられる。なお、IGBT10又はIGBT20を周期的に切り換えずに、オンに切り換えられた後に、オンの状態を維持するようにしてもよい。
IGBT10は、ヒータ30の上流に設けられ、IGBT20は、ヒータ30の下流に設けられる。IGBT10とIGBT20とは直列に設けられるので、IGBT10とIGBT20とがともにオンに切り換えられた場合にのみ、直流電源1からヒータ30へ電力が供給される。
IGBT10には、制御ライン12を通じてオンとオフとを切り換えるドライバ回路11と、IGBT10が正常に動作しているか否かを診断する故障診断回路13と、が設けられる。
コントローラ3は、例えば車両用空調装置を制御するECU(Electronic Control Unit:電子制御装置)である。コントローラ3は、車両用空調装置の制御を実行するCPU(中央演算処理装置)と、CPUの処理動作に必要な制御プログラムや設定値等が記憶されたROM(リードオンリメモリ)と、各種センサが検出した情報を一時的に記憶するRAM(ランダムアクセスメモリ)と、を備える。コントローラ3には、オンに切り換えられるとヒータ30への通電が開始されるヒータスイッチ4が接続される。
ヒータスイッチ4は、車両用空調装置がマニュアル式である場合には、運転者の操作に基づいてオンとオフとが切り換えられる。ヒータスイッチ4は、車両用空調装置がオート式である場合には、車両用空調装置の暖房要求に基づいてオンとオフとが切り換えられる。
ドライバ回路11は、コントローラ3からの指令に基づいてIGBT10をオンとオフとに切り換える。ドライバ回路11は、IGBT10のゲートをオンとオフとに切り換えるゲート駆動回路である。
故障診断回路13は、直流電源2Aから供給される電力の電圧Va[V]と制御ライン12から供給される電力の電圧とを監視して、IGBT10が正常に動作しているか否かを診断する。
直流電源2Aは、ダイオード14を通じて供給ライン5に接続されており、IGBT10を介してグラウンド19に接地されている。このため、IGBT10が通電状態の場合には、直流電源2Aからグラウンド19に電流が流れるので、故障診断回路13が検出する電圧Vaは低くなる(例えば0[V])。一方、IGBT10が遮断状態の場合には、直流電源2Aはグラウンド19に対して絶縁されているため、故障診断回路13が検出する電圧Vaは高くなる。なお、直流電源2Aは、直流電源2Aからグラウンド19までの電位差が例えば20[V]程度の弱電である。
よって、IGBT10が正常に動作している場合には、直流電源2Aからダイオード14を通じて供給される電力の電圧Vaの波形と、制御ライン12から供給されるゲート信号(ゲート電圧)の波形とは、互いに逆位相に変化する。一方、IGBT10に異常が生じて、例えば、ゲート信号がオフにもかかわらず通電状態が常時継続するような場合には、制御ライン12から供給されるゲート信号の波形に関わらず、直流電源2Aの電圧Vaは常に低くなる。逆に、ゲート信号がオンにもかかわらず遮断状態が常時継続するような場合には、制御ライン12から供給されるゲート信号の波形に関わらず、直流電源2Aの電圧Vaは常に高くなる。故障診断回路13は、このような電圧の変化を検出して、IGBT10が正常に動作しているか否かを診断する。
同様に、IGBT20には、制御ライン22を通じてオンとオフとを切り換えるドライバ回路21と、IGBT20が正常に動作しているか否かを診断する故障診断回路23と、が設けられる。ドライバ回路21及び故障診断回路23は、上述したドライバ回路11及び故障診断回路13と同様であるので、具体的な構成の説明は省略する。
なお、直流電源2Bは、直流電源2Aとは別系統であり、グラウンド29は、グラウンド19とは別系統である。よって、IGBT10とIGBT20とが正常に動作しているか否かは、故障診断回路13と故障診断回路23とによって各々個別に診断される。
以下、図2から図5を参照して、加熱装置100の動作について説明する。図2及び図4のルーチンは、コントローラ3によって実行される。
まず、図2及び図3を参照して、ヒータスイッチ4がオンに切り換えられたときの加熱装置100の動作について説明する。ここでは、IGBT10がヒータ30への通電を可能とするスイッチ機能を有し、IGBT20がヒータ30を周波数制御する制御機能を有する運転状態(第1運転状態)である場合について説明する。
図2のステップS11では、ヒータスイッチ4がオフからオンに切り換えられたか否かを判定する。ステップS11にて、ヒータスイッチ4がオフからオンに切り換えられたと判定された場合には、ステップS12に移行する。一方、ステップS11にて、ヒータスイッチ4がオフからオンに切り換えられていないと判定された場合には、ヒータ30に電力を供給する必要がないので、そのままリターンする。
ステップS12では、IGBT10とIGBT20とがともにオフであるか否かを確認する。ステップS12にて、IGBT10とIGBT20とがともにオフであると判定された場合には、正常な状態であるので、ステップS13に移行する。一方、ステップS12にて、IGBT10又はIGBT20がオンであると判定された場合には、異常な状態であるので、ステップS16に移行してコントローラ3に異常発報を行いリターンする。
このように、ヒータスイッチ4がオフからオンに切り換えられた時点でIGBT10又はIGBT20がオンであった場合は、異常な状態である。よって、IGBT10及びIGBT20は、ヒータスイッチ4がオフからオンに切り換えられた時点でともにオフである場合にのみ、オンに切り換えられる。
ステップS13では、IGBT10をオンに切り換える。図3に示すように、加熱装置100では、ヒータスイッチ4がオフからオンに切り換えられてから時間T1[s]だけ遅れてIGBT10がオンに切り換えられる。この時点では、IGBT20はオフのままであるので、直流電源1からの電力はヒータ30には供給されない。このように、IGBT10は、IGBT20と比較して先にオンに切り換えられる。
加熱装置100では、IGBT10はオンに切り換えられると、ヒータスイッチ4がオフに切り換えられるまでオンの状態を維持する。このように、IGBT10は、IGBT20と比較して通電時間が長く設定される。
図2のステップS14では、図3に示す時間T2[s]が経過したか否かを判定する。ステップS14にて、時間T2が経過したと判定された場合には、ステップS15に移行する。一方、ステップS14にて時間T2が経過していないと判定された場合には、時間T2が経過するまでステップS14の処理を繰り返す。
ステップS15では、IGBT20のPWM制御を開始する。このように、IGBT20は、IGBT10とはオンに切り換えられるタイミングが異なる。IGBT20のPWM制御を開始されると、直流電源1からヒータ30への電力の供給が開始される。
IGBT20のPWM制御が開始されると、図3に示すように、ヒータ30を時間T3[s]の間オンに切り換えた後、時間T4[s]の間オフに切り換える。このように、IGBT20は、T3+T4を一周期とするPWM制御によって駆動される。
このように、IGBT10は、IGBT20がオンとオフとの切換動作を繰り返している間、オン状態を維持する。また、IGBT10がオンに切り換えられた後オフに切り換えられる1回の切換動作の間に、IGBT20は2回以上切換動作が実行される。
先にオンに切り換えられるIGBT10がオンに切り換えられた時点では、IGBT20がオフであるので、ヒータ30に電力は供給されない。よって、IGBT10がオンに切り換えられても供給ライン5に電流は流れないので、先にオンに切り換えられるIGBT10が異常な状態になることが防止される。
次に、図4及び図5を参照して、ヒータスイッチ4がオフに切り換えられたときの加熱装置100の動作について説明する。
図4のステップS21では、ヒータスイッチ4がオンからオフに切り換えられたか否かを判定する。ステップS21にて、ヒータスイッチ4がオンからオフに切り換えられたと判定された場合には、ステップS22に移行する。一方、ステップS21にて、ヒータスイッチ4がオンからオフに切り換えられていないと判定された場合には、ヒータ30への電力の供給を遮断する必要がないので、そのままリターンする。
ステップS22では、IGBT20をオフに切り換える。図5に示すように、IGBT20は、ヒータスイッチ4がオフからオンに切り換えられる場合とは異なり、ヒータスイッチ4がオンからオフに切り換えられると同時にオフに切り換えられる。これにより、IGBT10はオンのままであるが、直流電源1からの電力がヒータ30に供給されなくなる。
図4のステップS23では、図5に示す時間T9[s]が経過したか否かを判定する。ステップS23にて、時間T9が経過したと判定された場合には、ステップS24に移行する。一方、ステップS23にて時間T9が経過していないと判定された場合には、時間T9が経過するまでステップS23の処理を繰り返す。
ステップS24では、IGBT10をオフに切り換える。このように、IGBT10は、IGBT20と比較して後でオフに切り換えられる。
IGBT20がオフに切り換えられた時点で、IGBT10はオンであるが、ヒータ30への電力の供給が停止される。よって、IGBT10がオフに切り換えられるときに電流は流れていないので、後でオフに切り換えられるIGBT10が異常な状態になることが防止される。
以上のように、ヒータ30への通電を可能とするスイッチ機能を有するIGBT10は、供給ライン5に電流が流れていないときにオンとオフとが切り換えられるので、ヒータ30を周波数制御する制御機能を有するIGBT20と比較して異常な状態になりにくい。したがって、例えIGBT20が異常な状態になったとしても、IGBT10が確実にヒータ30への通電を停止させることができる。
以上の第1の実施形態によれば、以下に示す効果を奏する。
加熱装置100では、IGBT10は、IGBT20がオンとオフとの切換動作を繰り返している間、オン状態を維持する。また、加熱装置100では、ヒータ30への電力の供給と遮断とを切り換えるIGBT10及びIGBT20は、オンに切り換えられるタイミングが異なり、IGBT10は、IGBT20と比較して通電時間が長く設定される。そのため、IGBT10がオンに切り換えられた時点では、IGBT20がオフであるので、ヒータ30に電力は供給されない。よって、オンに切り換えられても電流が流れないので、IGBT10が異常な状態になることが防止される。したがって、IGBT10及びIGBT20に同時に異常が発生することを防止できる。
なお、加熱装置100は、IGBT10がヒータ30を周波数制御する制御機能を有し、IGBT20がヒータ30への通電を可能とするスイッチ機能を有する運転状態(第2運転状態)に切り換え可能である。
例えば、IGBT10とIGBT20とのうち制御機能を有する方がオンとオフとに切り換えられた回数が設定回数に達するごとに、第1運転状態と第2運転状態とを交互に切り換えてもよい。また、IGBT10とIGBT20とのうち制御機能を有する方の温度が設定温度に達するごとに、第1運転状態と第2運転状態とを交互に切り換えてもよい。
このように第1運転状態と第2運転状態とを交互に切り換えることで、IGBT10とIGBT20の切り換え回数や温度上昇を均等化することができるので、IGBT10及びIGBT20をより長く正常な状態で使用することができる。
(第2の実施形態)
以下、主に図6及び図7を参照して、本発明の第2の実施形態に係る加熱装置200について説明する。以下では、上記の実施形態と異なる点を中心に説明し、同様の機能を有する構成には同一の符号を付して説明を省略する。
以下、主に図6及び図7を参照して、本発明の第2の実施形態に係る加熱装置200について説明する。以下では、上記の実施形態と異なる点を中心に説明し、同様の機能を有する構成には同一の符号を付して説明を省略する。
第2の実施形態は、ヒータ30への通電を可能とするスイッチ機能を有するIGBT10が正常に動作しているか否かを加熱装置200の運転中に確認する機能を有する点で、第1の実施形態とは相違する。IGBT10の動作確認は、周期的に実行されてもよく、任意のタイミングで実行されてもよい。
加熱装置200の構成は、加熱装置100(図1参照)と同様であるので、ここでは説明を省略する。また、ヒータスイッチ4がオンに切り換えられたときとヒータスイッチ4がオフに切り換えられたときの加熱装置200の動作もまた、加熱装置100(図2から図5参照)と同様であるので、ここでは説明を省略する。
ここでもまた、IGBT10がヒータ30への通電を可能とするスイッチ機能を有し、IGBT20がヒータ30を周波数制御する制御機能を有する運転状態(第1運転状態)である場合について説明する。
図6のステップS31では、コントローラ3からIGBT10の動作確認の要求があったか否かを判定する。ステップS31にて、IGBT10の動作確認の要求があったと判定された場合には、ステップS32に移行する。一方、ステップS31にて、IGBT10の動作確認の要求がないと判定された場合には、ステップS38に移行して、そのままIGBT20のPWM制御を続行する。
ステップS32では、IGBT20がオンからオフに切り換えられたか否かを判定する。ステップS32にて、IGBT20がオンからオフに切り換えられたと判定された場合には、IGBT10はオンのままであるが、直流電源1からの電力がヒータ30に供給されなくなる。よって、IGBT10の動作確認が可能な状態であるので、ステップS33に移行する。一方、IGBT20がオンからオフに切り換えられていないと判定された場合には、ステップS38に移行して、そのままIGBT20のPWM制御を続行する。
ステップS33では、図7に示す時間T6[s]が経過したか否かを判定する。ステップS33にて、時間T6が経過したと判定された場合には、ステップS34に移行する。一方、ステップS33にて時間T6が経過していないと判定された場合には、時間T6が経過するまでステップS33の処理を繰り返す。
ステップS34では、IGBT10をオフに切り換える。続いて、ステップS35では、図7に示す時間T7[s]が経過したか否かを判定する。ステップS35にて、時間T7が経過したと判定された場合には、ステップS36に移行する。一方、ステップS35にて時間T7が経過していないと判定された場合には、時間T7が経過するまでステップS35の処理を繰り返す。図7に示すように、IGBT10は、T5+T7を一周期とするPWM制御によって駆動される。
ステップS34とステップS35にて、IGBT10がオフにされてから時間T7が経過するまでの間に、IGBT10は、ゲートがオフに切り換えられた場合にオフに切り換えられるか否かが故障診断回路13によって診断される。これにより、IGBT10が正常に動作しているか否かを診断することができる。
IGBT10がオフに切り換えられて再びオンに切り換えられる間、IGBT20はオフであるので、ヒータ30への電力の供給は停止されている。よって、IGBT10が切り換えられるときに電流が流れていないので、動作確認時にIGBT10が異常な状態になることが防止される。
ステップS36では、IGBT10をオンに切り換える。続いて、ステップS37では、図7に示す時間T8[s]が経過したか否かを判定する。ステップS37にて、時間T7が経過したと判定された場合には、ステップS38に移行して、IGBT20のPWM制御を続行する。一方、ステップS37にて時間T8が経過していないと判定された場合には、時間T8が経過するまでステップS37の処理を繰り返す。
以上のように、IGBT20がPWM制御中にオフに切り換えられている時間T4(図3参照)を時間T6,時間T7,及び時間T8に分けて、時間T7の間だけIGBT20をオフに切り換える。即ち、IGBT10は、IGBT20がオフに切り換えられている間に、オフに切り換えられて再びオンに切り換えられる。
以上の第2の実施形態によれば、IGBT10が正常に動作しているか否かを確認するためにIGBT10をオフに切り換えてから再びオンに切り換えるまでの間、IGBT20はオフであるので、ヒータ30への電力の供給は停止されている。よって、IGBT10が切り換えられるときに電流が流れていないので、動作確認時にIGBT10が異常な状態になることが防止される。
以上、本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態は本発明の適用例の一部を示したに過ぎず、本発明の技術的範囲を上記実施形態の具体的構成に限定する趣旨ではない。
100 加熱装置
200 加熱装置
1 直流電源(強電)
3 コントローラ
4 ヒータスイッチ
5 供給ライン
10 IGBT(第1のスイッチング素子)
20 IGBT(第2のスイッチング素子)
30 ヒータ
200 加熱装置
1 直流電源(強電)
3 コントローラ
4 ヒータスイッチ
5 供給ライン
10 IGBT(第1のスイッチング素子)
20 IGBT(第2のスイッチング素子)
30 ヒータ
Claims (8)
- 電力が供給されると発熱するヒータと、
前記ヒータに直列に接続され、オンとオフとが切り換えられることで前記ヒータへの電力の供給と遮断とを切り換える少なくとも2つのスイッチング素子と、を備え、
前記少なくとも2つのスイッチング素子のうち第1のスイッチング素子は、第2のスイッチング素子がオンとオフとの切換動作を繰り返している間、オン状態を維持することを特徴とする加熱装置。 - 請求項1に記載の加熱装置であって、
前記第1のスイッチング素子は、前記第2のスイッチング素子と比較して通電時間が長く設定されることを特徴とする加熱装置。 - 請求項1又は2に記載の加熱装置であって、
前記第1のスイッチング素子がオンに切り換えられた後オフに切り換えられる1回の切換動作の間に、前記第2のスイッチング素子は2回以上切換動作が実行されることを特徴とする加熱装置。 - 請求項1から3のいずれか一つに記載の加熱装置であって、
前記第1のスイッチング素子は、前記第2のスイッチング素子に対して先にオンに切り換えられ、前記第2のスイッチング素子に対して後でオフに切り換えられることを特徴とする加熱装置。 - 請求項1から4のいずれか一つに記載の加熱装置であって、
前記第1のスイッチング素子は、前記第2のスイッチング素子がオフに切り換えられている間に、オンからオフに切り換えられて再びオンに切り換えられることを特徴とする加熱装置。 - 請求項1から5のいずれか一つに記載の加熱装置であって、
前記第1のスイッチング素子と前記第2のスイッチング素子とは、互いに異なる周期でオンとオフとが周期的に切り換えられることを特徴とする加熱装置。 - 請求項1から6のいずれか一つに記載の加熱装置であって、
オンに切り換えられると前記ヒータへの通電が開始されるヒータスイッチを更に備え、
前記第1のスイッチング素子と前記第2のスイッチング素子とは、前記ヒータスイッチがオンに切り換えられたときにともにオフである場合にのみ、オンに切り換えられることを特徴とする加熱装置。 - 請求項1から7のいずれか一つに記載の加熱装置であって、
前記第1のスイッチング素子が、前記ヒータへの通電を可能とするスイッチ機能を有し、前記第2のスイッチング素子が、前記ヒータを周波数制御する制御機能を有する第1運転状態と、
前記第1のスイッチング素子が、前記ヒータを周波数制御する制御機能を有し、前記第2のスイッチング素子が、前記ヒータへの通電を可能とするスイッチ機能を有する第2運転状態と、が切り換えられることを特徴とする加熱装置。
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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Applications Claiming Priority (2)
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