JP2019129688A

JP2019129688A - スイッチング素子の駆動回路

Info

Publication number: JP2019129688A
Application number: JP2018011982A
Authority: JP
Inventors: 文哉向井; Fumiya Mukai
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2018-01-26
Filing date: 2018-01-26
Publication date: 2019-08-01

Abstract

【課題】スイッチング素子の飽和電流のバラツキの影響を抑制した、スイッチング素子の短絡保護機能を提供する。【解決手段】電力変換装置に使用されるスイッチング素子６の駆動回路８は、スイッチング素子のメイン電極から分割されたセンスエミッタＥ２に接続されるセンス抵抗Ｒ１から得られるセンス電圧Ｖｅｓを短絡検知電圧Ｖｓｃと比較することで短絡を検知し、さらに前記短絡検知電圧は可変電源４２によって調整可能に構成されている。【選択図】図２

Description

本明細書が開示する技術は、スイッチング素子の駆動回路に関する。

スイッチング素子に接続される負荷が短絡する等の不具合が発生すると、スイッチング素子に電源電圧に相当する過電圧が印加され、スイッチング素子が短絡し、スイッチング素子を流れる電流が飽和電流まで増加する。飽和電流が流れる状態が継続すると、スイッチング素子が熱破壊してしまう虞がある。このため、このようなスイッチング素子の短絡からスイッチング素子を保護するために、センス機能が付与されたスイッチング素子が開発されている。この種のスイッチング素子は、メイン電極から分割されたセンス電極を有している。そのセンス電極にセンス抵抗が接続されており、センス電極を流れる電流はセンス抵抗によってセンス電圧に変換される。駆動回路は、そのセンス電圧を短絡検知電圧と比較することでスイッチング素子の短絡を検知するように構成されている。特許文献１は、このようなスイッチング素子の駆動回路の一例を開示する。

特開２０１１−０２９８１８号公報

従来の駆動回路では、短絡検知電圧は、予め決められた固定値として設定されており、全ての駆動回路で共通である。しかしながら、スイッチング素子の飽和電流は、製造公差の範囲内であっても相違することがある。このため、スイッチング素子の飽和電流が予想される値よりも小さいと、スイッチング素子が短絡したときのセンス電圧が、固定の短絡検知電圧を超えることができず、短絡保護機能が良好に働かない事態が生じ得る。本明細書は、短絡保護機能が良好に働くことができるスイッチング素子の駆動回路を提供することを目的としている。

本明細書が開示するスイッチング素子の駆動回路は、メイン電極から分割されたセンス電極に接続されるセンス抵抗から得られるセンス電圧を短絡検知電圧と比較することで短絡検知をするように構成されている。この駆動回路の短絡検知は、センス電圧と短絡検知電圧の比較結果のみならず、スイッチング素子のゲート電圧等の他の指標を加味して判断してもよい。この駆動回路は、短絡検知電圧を調整可能に構成されている可変電源を備えることができる。この駆動回路によると、スイッチング素子の特性を考慮して短絡検知電圧を調整することができる。このため、スイッチング素子の飽和電流のバラツキの影響を抑えることができる。このスイッチング素子の駆動回路では、短絡保護機能が良好に働くことができる。

実施例の電力変換装置を含む電気自動車のブロック図である。駆動回路の回路図である。駆動回路の短絡検知電圧を設定する方法のフローチャートである。

図面を参照して電力変換装置の一実施形態を説明する。この電力変換装置は、ハイブリッド車等の電気自動車に搭載され、バッテリの電力を昇圧した後に交流に変換する装置である。図１に電力変換装置５を含む電気自動車のブロック図を示す。電気自動車は、走行用の駆動源として、モータ９３とエンジン９１を備えている。モータ９３の出力トルクとエンジン９１の出力トルクは、動力分配機構９２で適宜に分配／合成され、車軸９４（即ち車輪）へ伝達される。なお、図１は、本明細書が開示する技術の説明に要する部品だけを表しており、説明に関係のない一部の部品は図示を省略していることに留意されたい。

モータ９３を駆動するための電力はメインバッテリ３から供給される。メインバッテリ３は、システムメインリレー４を介して電力変換装置５に接続されている。システムメインリレー４は、メインバッテリ３と車両の駆動系を接続したり切断したりするスイッチである。システムメインリレー４は、上位コントローラ２５により切り換えられる。

電力変換装置５は、メインバッテリ３の電圧をモータ９３の駆動に適した電圧まで昇圧する電圧コンバータ回路２１と、昇圧後の直流電力を交流に変換するインバータ回路２２を含む。なお、図示を省略しているが、電力変換装置５は、メインバッテリ３の電力を補機（カーナビやルームランプなど、低電圧で駆動する電気デバイス）の駆動に適した電圧に降圧する降圧コンバータも含んでいる。

なお、電気自動車は、エンジン９１の駆動力、あるいは車両の減速エネルギを利用してモータ９３で発電することもできる。モータ９３が発電する場合、インバータ回路２２が交流を直流に変換し、さらに電圧コンバータ回路２１がメインバッテリ３よりも僅かに高い電圧まで降圧し、メインバッテリ３へ供給する。

電圧コンバータ回路２１は、フィルタコンデンサ１２とリアクトル１３、及び、２個のスイッチング素子６ａ、６ｂ、および、それらのスイッチング素子を駆動する駆動回路８ａ、８ｂを主とする回路である。スイッチング素子６ａ、６ｂはトランジスタであり、典型的には逆導通ＩＧＢＴ（ＲＣ−ＩＧＢＴ）である。逆導通ＩＧＢＴとは、各スイッチング素子に逆並列に接続される還流ダイオードがスイッチング素子と同一基板に形成された素子である。電圧コンバータ回路の上記構成と電圧変換の仕組みはよく知られているので説明は省略する。駆動回路８ａ、８ｂは、電力変換装置５のコントローラ（パワーコントローラ２３）からのＰＷＭ信号を受け、それをスイッチング素子のゲートに供給する機能と、スイッチング素子の過電流を検知する機能、及び、スイッチング素子の短絡を検知する機能を有している。駆動回路８ａ、８ｂについては後に詳しく説明する。

インバータ回路２２は、モータ９３のＵ、Ｖ、Ｗの各相の交流電流を生成すべくスイッチングを繰り返す６個のスイッチング素子６ｃ−６ｈを主とする回路である。電圧コンバータ回路２１のスイッチング素子６ａ、６ｃと同様に、スイッチング素子６ｃ−６ｈもトランジスタであり、典型的には逆導通ＩＧＢＴである。また、スイッチング素子６ｃ−６ｈのそれぞれにも駆動回路８ｃ−８ｈが接続されている。駆動回路８ｃ−８ｈも、パワーコントローラ２３からのＰＷＭ信号を受け、それをスイッチング素子のゲートに供給する機能と、スイッチング素子の過電流を検知する機能、及び、スイッチング素子の短絡を検知する機能を有している。

電圧コンバータ回路２１の高電圧側（即ちインバータ回路側）には平滑化コンデンサ１４が並列に接続されている。平滑化コンデンサ１４は、インバータ回路２２に入力される電流を平滑化するために挿入されている。なお、電圧コンバータ回路２１の高電位側や、インバータ回路２２の高電位側の電線をＰ線と称する。これに対し、電圧コンバータ回路２１とインバータ回路２２の低電位側の電線をＮ線と称する。Ｎ線はグランドＧｎｄに接続している。

パワーコントローラ２３は、さらに上位のコントローラ２５からモータの目標出力指令を受けたり、電力変換装置５の異常を上位コントローラ２５に伝えたりする。また、パワーコントローラ２３は、電力変換装置５の異常を含む動作履歴のデータを不揮発性メモリ２４へ記録する。不揮発性メモリ２４は、車両のメンテナンスのときにサービススタッフが参照し、メンテナンスの参考にする。不揮発性メモリ２４に記録されるデータは診断データなどと呼ばれることがある。

次に駆動回路を詳しく説明する。図１に示すように、電力変換装置５は複数のスイッチング素子６ａ−６ｈと、夫々のスイッチング素子に対応して駆動回路８ａ−８ｈを有している。以下、一つのスイッチング素子と駆動回路をそれぞれ符号６と８で表すことにする。なお、図示を省略しているが、前述したように電力変換装置５は、メインバッテリ３の電圧を降圧する降圧コンバータを備えており、その降圧コンバータ内にもスイッチング素子と駆動回路が備えられている。

図２にスイッチング素子６と駆動回路８の回路図を示す。スイッチング素子６は、メインエミッタＥ１のほかにセンスエミッタＥ２を備えるセンス機能付きの逆導通ＩＧＢＴである。スイッチング素子６は、そのエミッタの一部が他の大部分から分割されており、小さい部分のエミッタがセンスエミッタＥ２に相当する。エミッタの残りの大部分がメインエミッタＥ１に相当する。センスエミッタＥ２の面積に対するメインエミッタＥ１の面積の比をセンス比という。センス比は、例えば数千といった値である。ゲートＧに所定の電圧を加えると、大部分のメイン電流はコレクタＣからメインエミッタＥ１を通じて流れるが、僅かなセンス電流はコレクタＣからセンスエミッタＥ２を通じて流れる。コレクタＣ、ゲートＧ、及び、メインエミッタＥ１が通常のスイッチング素子として機能し、センスエミッタＥ２はスイッチング素子６の過電流検知及び短絡検知に利用される。

スイッチング素子６のセンスエミッタＥ２にはセンス抵抗Ｒ１が接続している。センス抵抗Ｒ１の他端はグランドに接続している。センス抵抗Ｒ１はよく知られているように、センス電流の大きさを電圧の大きさとして検知する際に用いられる。具体的には、センス抵抗Ｒ１は小さな抵抗値が精密に決められた抵抗であり、センスエミッタＥ２を通じて流れるセンス電流の大きさに正確に比例したセンス電圧Ｖｅｓを高電位側で実現する。センスエミッタＥ２とセンス抵抗Ｒ１の接続点の電圧を「センスエミッタＥ２のセンス電圧Ｖｅｓ」又は「センス抵抗Ｒ１から得られるセンス電圧Ｖｅｓ」と称する。

駆動回路８は、駆動電圧生成回路３１と、２個のコンパレータ３２、３３（比較器）、フィルタ回路３４、遮断信号生成回路３５、および、２つの電源４１、４２を備えている。電源４１は定電圧電源であり、電源４２は可変電源である。この駆動回路８は、パワーコントローラ２３からのＰＷＭ信号を受け、それをスイッチング素子６のゲートＧに供給する機能と、スイッチング素子６の過電流を検知する機能、及び、スイッチング素子６の短絡を検知する機能を有している。ＰＷＭ信号をスイッチング素子６のゲートＧに供給する機能は、通常の駆動回路が一般に有している機能である。

駆動電圧生成回路３１は、パワーコントローラ２３からＰＷＭ信号を受けると、スイッチング素子６のゲートＧに向けて駆動パルス信号を出力する。駆動回路６とスイッチング素子６の間にゲート抵抗Ｒ２が接続されており、そのゲート抵抗Ｒ２を介してスイッチング素子６のゲートに駆動パルス信号が入力する。このように、駆動パルス信号に基づいてスイッチング素子６のゲートに電荷が充電されると、スイッチング素子６のゲート電圧Ｖｇが上昇し、ゲート電圧Ｖｇが閾値を超えるとスイッチング素子６がオンする。また、駆動電圧生成回路３１は、後述するように、遮断信号生成回路３５から遮断信号Ｓ３が入力すると、ＰＷＭ信号に関わらず、スイッチング素子６のスイッチング動作を停止させ、スイッチング素子６を流れる電流を遮断する。

駆動回路８は、スイッチング素子６の過電流モードを検知するための過電流検知用コンパレータ３２とスイッチング素子６の短絡モードを検知するための短絡検知用コンパレータ３３を有している。過電流検知用コンパレータ３２は、サージ等によってスイッチング素子６に過電流が流れたのを検知するために設けられている。短絡検知用コンパレータ３３は、負荷短絡等によってスイッチング素子６に電源電圧に相当する過電圧が印加され、スイッチング素子６が短絡し、スイッチング素子６に飽和電流が流れたのを検知するために設けられている。過電流モードにおいてスイッチング素子６を流れる過電流は、短絡モードにおいてスイッチング素子６を流れる飽和電流よりも小さい。

過電流検知用コンパレータ３２は、その非反転入力端子にセンスエミッタＥ２が接続されており、これにより、非反転入力端子にセンス電圧Ｖｅｓが入力するように構成されている。過電流検知用コンパレータ３２はさらに、その反転入力端子に定電圧電源４１が接続されており、これにより、反転入力端子に定電圧電源４１の過電流検知電圧Ｖｏｃが入力するように構成されている。定電圧電源４１の過電流検知電圧Ｖｏｃは、スイッチング素子６が正常動作するときに流れるであろうと予想される最大のコレクタ電流が流れたときのセンス電圧Ｖｅｓよりも大きい値に設定されている。このように、スイッチング素子６のコレクタＣとメインエミッタＥ１の間に流れるコレクタ電流が正常範囲の間は、センスエミッタＥ２のセンス電圧Ｖｅｓが過電流検知電圧Ｖｏｃよりも小さく、過電流検知用コンパレータ３２の過電流検知信号Ｓ１はＬｏｗとなる。スイッチング素子６のコレクタＣとメインエミッタＥ１の間に過電流が流れると、センスエミッタＥ２のセンス電圧Ｖｅｓが過電流検知電圧Ｖｏｃよりも大きくなり、過電流検知用コンパレータ３２の過電流検知信号Ｓ１がＨｉｇｈとなる。

短絡検知用コンパレータ３３は、その非反転入力端子にセンスエミッタＥ２が接続されており、これにより、非反転入力端子にセンス電圧Ｖｅｓが入力するように構成されている。短絡検知用コンパレータ３３はさらに、その反転入力端子に可変電源４２が接続されており、これにより、可変電源４２の短絡検知電圧Ｖｓｃが入力するように構成されている。可変電源４２の短絡検知電圧Ｖｓｃは、過電流検知電圧Ｖｏｃよりも高い値であり、スイッチング素子６に飽和電流が流れるときのセンス電圧Ｖｅｓ以下に設定されている。後述するように、可変電源４２の短絡検知電圧Ｖｓｃは、製造されたスイッチング素子６の飽和電流を測定し、その測定された飽和電流に基づいて設定される。この設定方法は一例であり、他の設定方法を採用することもできる。このように、スイッチング素子６のコレクタＣとメインエミッタＥ１の間に流れるコレクタ電流が正常範囲の間は、センスエミッタＥ２のセンス電圧Ｖｅｓが短絡検知電圧Ｖｓｃよりも小さく、短絡検知用コンパレータ３３の短絡検知信号Ｓ２はＬｏｗとなる。スイッチング素子６が短絡してスイッチング素子６のコレクタＣとメインエミッタＥ１の間に飽和電流が流れると、センスエミッタＥ２のセンス電圧Ｖｅｓが短絡検知電圧Ｖｓｃよりも大きくなり、短絡検知用コンパレータ３３の短絡検知信号Ｓ２がＨｉｇｈとなる。

過電流検知用コンパレータ３２の過電流検知信号Ｓ１と短絡検知用コンパレータ３３の短絡検知信号Ｓ２は、遮断信号生成回路３５に入力する。このうちの過電流検知信号Ｓ１は、フィルタ回路３４を介して遮断信号生成回路３５に入力する。上記したように、過電流検知信号Ｓ１は、センス電圧Ｖｅｓと過電流検知電圧Ｖｏｃの比較結果に基づいて生成される信号である。閾値として設定される過電流検知電圧Ｖｏｃは、スイッチング素子６が正常動作するときに流れるであろうと予想される最大のコレクタ電流が流れたときのセンス電圧Ｖｅｓよりも大きい値に設定されているものの、センス電流に重畳するノイズ等に起因して過電流検知信号Ｓ１にノイズが重畳することがある。フィルタ回路３４は、ＲＣローパスフィルタであり、このようなノイズを除去し、誤検出が発生するのを抑えるために設けられている。一方、短絡検知信号Ｓ２は、フィルタ回路を介さずに遮断信号生成回路３５に入力する。フィルタ回路による遅延が発生しないので、スイッチング素子６に短絡が発生したときに速やかに短絡検知信号Ｓ２が遮断信号生成回路３５に入力する。遮断信号生成回路３５は、過電流検知信号Ｓ１と短絡検知信号Ｓ２の少なくともいずれか一方がＨｉｇｈのときに、遮断信号Ｓ３を駆動電圧生成回路３１に出力する。また、遮断信号生成回路３５は、過電流及び／又は短絡を検出したことを示す信号を、パワーコントローラ２３へ送る。パワーコントローラ２３は、過電流及び／又は短絡を検知したことをさらに上位のコントローラ２５に送るとともに、その旨を示すデータを不揮発性メモリ２４に記録する。

次に、図３を参照し、可変電源４２の短絡検知電圧Ｖｓｃを設定する方法を説明する。まず、ステップＳ１１に示されるように、製造されたスイッチング素子６の電気検査を実施し、スイッチング素子６の飽和電流を取得する。次に、ステップＳ１２に示されるように、可変電源４２の短絡検知電圧Ｖｓｃが以下の式を満たすように、可変電源４２の短絡検知電圧Ｖｓｃを設定する。

ここで、Ｉｓは、電気検査によって測定されたスイッチング素子６の飽和電流である。Ｓｒは、スイッチング素子６のセンス比である。Ｒｅｓは、センス抵抗Ｒ１の抵抗値である。即ち、短絡検知電圧Ｖｓｃは、測定された飽和電流Ｉｓからセンス比Ｓｒに基づいて算出されるセンス電流（Ｉｓ／Ｓｒ）がセンス抵抗Ｒ１を流れるときのセンス抵抗Ｒ１から得られる電圧以下であることを意味している。

スイッチング素子６の飽和電流は、製造公差の範囲内でバラツキが存在することがある。上記方法によると、製造されたスイッチング素子６毎に飽和電流を測定し、その飽和電流に基づいて短絡検知電圧Ｖｓｃが設定される。このため、スイッチング素子６の飽和電流のバラツキの影響を抑えることができる。したがって、駆動回路８は、スイッチング素子６の短絡を確実に検知し、短絡保護機能を働かせることができる。

上記した駆動回路８の他の特徴を列記する。
（１）上記したように、過電流検知信号Ｓ１は、ノイズ対策のために、フィルタ回路３４を介して遮断信号生成回路３５に入力している。このため、過電流検知信号Ｓ１は、フィルタ回路３４によって遅延して遮断信号生成回路３５に入力する。仮に、従来の駆動回路のように、スイッチング素子６が短絡しているにも関わらず短絡保護機能が良好に働かない場合、過電流検知信号Ｓ１が遮断信号生成回路３５に入力して過電流保護機能が働くまで、スイッチング素子６の電流を遮断することができないこととなる。この場合、フィルタ回路３４の遅延時間に相当する間、スイッチング素子６に飽和電流が流れ続けることとなり、スイッチング素子６の熱破壊が生じてしまう虞がある。一方、上記した駆動回路８では、スイッチング素子６の飽和電流のバラツキが考慮されており、このような事態が回避される。スイッチング素子６の飽和電流のバラツキを考慮して短絡検知電圧Ｖｓｃを設定する技術は、フィルタ回路３４を利用した過電流保護機能を有する駆動回路８において有用である。

（２）逆導通ＩＧＢＴであるスイッチング素子６は、アクティブ面積縮小によって飽和電流が低下しており、短絡保護機能を働かせることが難しい傾向にある。また、オン電圧の低下のために薄板化されたスイッチング素子６は、短絡耐量が低下しており、短絡エネルギの低減が求められている。このように、駆動回路８は、短絡保護機能を良好に働かせることによって短絡エネルギを減少させることができることから、逆導通ＩＧＢＴであるスイッチング素子６を駆動するのに特に有用である。

（３）上記の駆動回路８では、短絡検知信号Ｓ２は、センス電圧Ｖｅｓと短絡検知電圧Ｖｓｃの比較結果のみに基づいて生成されていた。この例に代えて、短絡検知信号Ｓ２は、センス電圧Ｖｅｓと短絡検知電圧Ｖｓｃの比較結果に加えて、例えばスイッチング素子６のゲート電圧Ｖｇを指標に用いてもよい。

（４）上記の駆動回路８では、スイッチング素子６の飽和電流を測定し、その測定された飽和電流に基づいて短絡検知電圧Ｖｓｃが調整された。この例に代えて、測定された飽和電流以外の指標に基づいて短絡検知電圧Ｖｓｃが調整されてもよい。例えば、駆動対象のスイッチング素子６の設計値に基づいて短絡検知電圧Ｖｓｃが調整されてもよい。あるいは、スイッチング素子６を駆動したときの駆動データに基づいて短絡検知電圧Ｖｓｃが調整されてもよい。

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。

６：スイッチング素子
３１：駆動電圧生成回路
３２：過電流検知用コンパレータ
３３：短絡検知用コンパレータ
３４：フィルタ回路
３５：遮断信号生成回路
４１：定電圧電源
４２：可変電源
Ｅ１：メインエミッタ
Ｅ２：センスエミッタ
Ｒ１：センス抵抗
Ｖｅｓ：センス電圧
Ｖｏｃ：過電流検知電圧
Ｖｓｃ：短絡検知電圧

Claims

メイン電極から分割されたセンス電極に接続されるセンス抵抗から得られるセンス電圧を短絡検知電圧と比較することで短絡検知をするように構成されているスイッチング素子の駆動回路であって、
前記短絡検知電圧を調整可能に構成されている可変電源、を備えるスイッチング素子の駆動回路。