JP2019205247A - Inverter - Google Patents
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Description
本明細書が開示する技術は、直流電力を走行用のモータを駆動するための交流電力に変換するインバータに関する。 The technology disclosed in this specification relates to an inverter that converts DC power into AC power for driving a traveling motor.
電気自動車や燃料電池車などは、電源の直流電力を走行用のモータを駆動するための交流電力に変換するインバータを備えている。インバータで電力変換を行う主たる部品はスイッチング素子である。特許文献1には、電力変換用の2種類のスイッチング素子を並列に接続したインバータが開示されている。2種類のスイッチング素子は、ユニポーラ型のスイッチング素子と、バイポーラ型のスイッチング素子である。特許文献1のインバータは、並列回路に流れる電流の大きさに応じて先にターンオンさせるスイッチング素子を切り換えることで、2個のスイッチング素子の並列回路全体におけるスイッチング速度を高める。 An electric vehicle, a fuel cell vehicle, and the like include an inverter that converts DC power of a power source into AC power for driving a running motor. The main component that performs power conversion with an inverter is a switching element. Patent Document 1 discloses an inverter in which two types of switching elements for power conversion are connected in parallel. The two types of switching elements are a unipolar switching element and a bipolar switching element. The inverter of Patent Document 1 increases the switching speed in the entire parallel circuit of two switching elements by switching the switching element to be turned on first according to the magnitude of the current flowing in the parallel circuit.
本明細書は、2種類の異なるスイッチング素子の並列接続を採用したインバータに関し、コストと性能を両立する技術を提供する。 The present specification relates to an inverter that employs parallel connection of two different types of switching elements, and provides a technology that achieves both cost and performance.
本明細書が開示するインバータは、炭化シリコンで作られている電力変換用の第1スイッチング素子と、シリコンで作られている電力変換用の第2スイッチング素子と、コントローラを備えている。第1スイッチング素子と第2スイッチング素子は並列に接続されている。コントローラは、モータがロックしているときは第2スイッチング素子を駆動し、モータがロックしていないときは第1スイッチング素子を駆動する。 The inverter disclosed in this specification includes a first switching element for power conversion made of silicon carbide, a second switching element for power conversion made of silicon, and a controller. The first switching element and the second switching element are connected in parallel. The controller drives the second switching element when the motor is locked, and drives the first switching element when the motor is not locked.
炭化シリコンで作られているスイッチング素子は、シリコンで作られているスイッチング素子よりもバンドギャップが広く、シリコン製のスイッチング素子よりも性能が高い。特に、炭化シリコン製のスイッチング素子は、シリコン製のスイッチング素子よりも損失が小さい。反面、炭化シリコン製のスイッチング素子は、シリコン製のスイッチング素子よりも高価である。特に、高い耐熱性(高い熱容量)を求めようとすると、スイッチング素子そのもののコストが高くなるだけでなく、サイズが大型化することによってもコストが嵩む。一方、シリコン製のスイッチング素子は、炭化シリコン製のスイッチング素子と比べてコストが低い。他方、モータがロックすると、インバータの三相出力のうち、特定の相だけが電流値の大きい状態が続いてしまい、その相のスイッチング素子に負荷が集中する。そこで、本明細書が開示するインバータでは、モータロック状態(高負荷状態)のときにはシリコン製のスイッチング素子(第2スイッチング素子)を使い、モータ非ロック状態(通常負荷状態)では炭化シリコン製のスイッチング素子(第1スイッチング素子)を使うようにする。炭化シリコン製のスイッチング素子を特殊な高負荷のときに使わないように使用条件を限定することで、炭化シリコン製のスイッチング素子に対する耐熱性の要求を下げることができる。その結果、コストを抑えつつ、通常走行時には高い性能が得られる。なお、本明細書が開示する技術は、シリコン製のスイッチング素子(第2スイッチング素子)を用いる条件をさらに広げることを排除するものではない。 A switching element made of silicon carbide has a wider band gap than a switching element made of silicon, and has higher performance than a switching element made of silicon. In particular, the switching element made of silicon carbide has a smaller loss than the switching element made of silicon. On the other hand, the switching element made of silicon carbide is more expensive than the switching element made of silicon. In particular, when seeking high heat resistance (high heat capacity), not only the cost of the switching element itself increases, but also the cost increases due to the increase in size. On the other hand, the cost of a silicon switching element is lower than that of a silicon carbide switching element. On the other hand, when the motor is locked, only a specific phase among the three-phase outputs of the inverter continues to have a large current value, and the load concentrates on the switching element of that phase. Therefore, in the inverter disclosed in this specification, a silicon switching element (second switching element) is used when the motor is locked (high load state), and silicon carbide switching is used when the motor is not locked (normal load state). An element (first switching element) is used. By limiting the use conditions so that the silicon carbide switching element is not used at a special high load, the heat resistance requirement for the silicon carbide switching element can be lowered. As a result, high performance can be obtained during normal driving while suppressing costs. Note that the technology disclosed in this specification does not exclude further expansion of the conditions for using silicon switching elements (second switching elements).
本明細書が開示する技術の詳細とさらなる改良は以下の「発明を実施するための形態」にて説明する。 Details and further improvements of the technology disclosed in this specification will be described in the following “DETAILED DESCRIPTION”.
図面を参照して実施例のインバータを説明する。実施例のインバータは、電気自動車に搭載されている。図1に、インバータ10を含む電気自動車100の電力系のブロック図を示す。電気自動車100は、バッテリ101の電力で走行用のモータ102を駆動して走行する。モータ102の出力軸103は、デファレンシャルギアを介して駆動輪104に連結されている。バッテリ101の出力電圧は100ボルトを超える。
An inverter according to an embodiment will be described with reference to the drawings. The inverter of an Example is mounted in the electric vehicle. FIG. 1 shows a block diagram of a power system of an
実施例のインバータ10は、バッテリ101の直流電力を、モータ102を駆動するための交流電力に変換する。インバータ10は、6個のスイッチング回路7a−7fと、コントローラ6で構成されている。スイッチング回路7aは、第1スイッチング素子2と第2スイッチング素子3とダイオード4で構成されている。第1スイッチング素子2と第2スイッチング素子3は並列に接続されている。ダイオード4は、スイッチング素子2、3に対して逆並列に接続されている。スイッチング回路7b−7fは、スイッチング回路7aと同じ構成を有している。スイッチング回路7aと7bは直列に接続されている。スイッチング回路7cと7dも直列に接続されている。スイッチング回路7eと7fも直列に接続されている。3組の直列接続は並列に接続されている。スイッチング回路7a−7fのスイッチング素子2、3は、コントローラ6によって駆動される。コントローラ6がスイッチング回路7a−7fのスイッチング素子2あるいはスイッチング素子3を適宜にオンオフすると、スイッチング回路の直列接続の中点から交流が出力される。スイッチング素子2、3は電力変換用のスイッチング素子である。
The
出力される三相交流のそれぞれは電流センサ5で計測される。計測された電流値はコントローラ6へフィードバックされる。また、車軸には回転数センサ105が取り付けられており、車軸の回転数(モータの回転数)もコントローラ6へフィードバックされる。コントローラ6は、不図示の上位コントローラからモータ102の目標出力指令(モータ出力指令値)を受けとり、目標出力が実現されるように、電流センサ5と回転数センサ105の計測値を使ってスイッチング素子を制御する。
Each of the output three-phase alternating current is measured by the
図2に、コントローラ6の内部構造と、スイッチング素子2、3との関係を示す。コントローラ6は、プログラムを記憶しているメモリ11と、コントローラの本体であるプロセッサ12と、プロセッサ12が出力するTTLレベルの信号をスイッチング素子2、3のゲート駆動用の信号に変換するゲート駆動回路13(ゲートドライバ)で構成されている。なお、図2では、1個のゲート駆動回路13とスイッチング素子2、3しか描かれていないが、コントローラ6には6個のゲート駆動回路13が含まれており、夫々がスイッチング回路7a−7fの夫々のスイッチング素子2、3に接続されている。先に述べたように、コントローラ6は、不図示の上位コントローラからモータ出力指令値を受けとる。一方、コントローラ6は、電流センサ5と回転数センサ105から三相交流電流と車軸回転数の計測値を受けとる。コントローラ6は、モータ出力指令値と計測電流値/回転数に基づいて、スイッチング素子2あるいはスイッチング素子3の駆動信号を生成する。コントローラ6から出力される駆動信号は、スイッチング素子2あるいはスイッチング素子3を適宜の周期でオンオフさせるPWM信号(Pulse Width Modulation信号)である。次に説明するように、コントローラ6は、所定の条件に基づいて第1スイッチング素子2と第2スイッチング素子3を切り換え、いずれか一方を駆動する。具体的には、コントローラ6のプロセッサ12がいずれのスイッチング素子を使うか判定し、駆動対象のスイッチング素子を示す素子選択信号をゲート駆動回路13に伝える。ゲート駆動回路13は、プロセッサ12から受け取ったPWM信号をゲート駆動に適した電圧に変換し、指令されたスイッチング素子へ供給する。
FIG. 2 shows the relationship between the internal structure of the
第1スイッチング素子2は、炭化シリコン(SiC)で作られているMOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)である。第2スイッチング素子3は、シリコン(Si)で作られているIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)である。炭化シリコンはシリコンよりも広いバンドギャップを有しており、ワイドバンドギャップ半導体と呼ばれる。炭化シリコンでつくられたスイッチング素子は、シリコンで作られたスイッチング素子よりも損失が小さいという利点がある。一方、炭化シリコンで作られたスイッチング素子はシリコン製のスイッチング素子よりもコストが高い。先に述べたように、インバータ10が扱う電圧は100ボルト以上であり、モータ102の出力が大きい場合はスイッチング素子の負荷も大きくなる。炭化シリコン製のスイッチング素子の耐熱性を高めようとすると、素子そのもののコストが嵩むだけでなくサイズが大きくなることによってもコストが増大する。シリコン製のスイッチング素子のコストは炭化シリコン製のスイッチング素子ほど高くはなく、耐熱性を高めることによるコスト増は、炭化シリコン製のスイッチング素子の場合よりも低く抑えられる。そこで、コントローラ6は、インバータ10の負荷が高い場合にはシリコン製のスイッチング素子(即ち第2スイッチング素子3)を使ってモータ102を駆動し、負荷が高くない場合には炭化シリコン製のスイッチング素子(即ち第1スイッチング素子2)を使う。2個の異なるスイッチング素子を上記の通りに使い分けることで、コストを抑えつつ、通常走行時には高い性能(低い損失)が得られる。
The first switching element 2 is a MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) made of silicon carbide (SiC). The
負荷が高い場合の典型は、モータ102がロックした場合である。モータ102がロックするとは、モータ102に電力を供給しているにもかかわらずモータ102が回転しない状態を意味する。典型的なモータロック状態は、駆動輪が車輪止めに当接した状態でアクセルを踏んだ場合に起こり得る。図3に、モータ102がロックしたときのインバータ10の出力電流の波形グラフを示す。図3の横軸は時間であり、縦軸は電流値である。時刻T1にモータロックが生じている。時刻T1までは三相交流のそれぞれは正弦波を示しているが、時刻T1以降では、スイッチング素子を駆動しても、モータ102のロータが回転しないため、インバータ10の出力電流は一定となる。図3に例示されているように、時刻T1以降、三相各相の出力電流は、時刻T1のときの電流値に維持される。図3の例では、U相(実線)の電流値が最も大きい。U相を出力しているスイッチング素子の負荷は、通常時よりも大きくなる。なお、モータ102がロックしているか否かは、電流センサ5の計測値あるいは、回転数センサ105の計測値から判定できる。
A typical case where the load is high is when the
コントローラ6は、モータ102がロックしているときには第1スイッチング素子2を停止し、第2スイッチング素子3を駆動する。コントローラ6は、モータ102がロックしていないときには第1スイッチング素子2を駆動し、第2スイッチング素子3は停止する。また、コントローラ6は、モータの出力指令値が所定の出力閾値を超えている場合も、第1スイッチング素子2を停止し、第2スイッチング素子を用いる。コントローラ6が実行するスイッチング素子選択処理のフローチャートを図4に示す。図4の処理は、所定時間間隔で繰り返し実行される。コントローラ6は、上位コントローラから与えられる出力指令値が所定の出力閾値よりも大きい場合、駆動するスイッチング素子として第2スイッチング素子3を選択する(ステップS2:NO、S5)。一方、コントローラは、上位コントローラから与えられる出力指令値が出力閾値よりも低い場合、モータの回転数を回転数下限値と比較する(ステップS2:YES、S3)。回転数下限値には、ゼロに近い値が設定されている。コントローラ6は、モータ102の回転数が回転数下限値を下回っている場合、モータがロック状態であると判断する。コントローラ6は、モータ102の回転数が回転数下限値を下回っている場合、駆動するスイッチング素子として第2スイッチング素子を選択する(ステップS3:NO、S5)。一方、コントローラ6は、モータ102の回転数が回転数下限値を上回っている場合、駆動するスイッチング素子として第1スイッチング素子を選択する(ステップS3:YES、S4)。
The
実施例のインバータ10では、コストが高い炭化シリコン製の第1スイッチング素子2は高負荷時に使わないことで、第1スイッチング素子2に求められる耐熱性の性能の要求を低くすることができる。耐熱性の要求が低いほど、素子サイズを小さくすることができる。一方、通常走行時には第1スイッチング素子を用いることで、損失を抑えることができる。実施例のインバータ10は、コストを抑えつつ、通常走行時には高い性能(低い損失)が得られる。
In the
実施例で説明した技術に関する留意点を述べる。図4のフローチャートにおいて、ステップS3の処理に先立って、モータ102への出力指令値が所定の出力下限値よりも低い場合はステップS3をスキップしてステップS4へ移行するようにしてもよい。モータ102への出力指令値が小さい場合は、モータがロックしたとしてもスイッチング素子の負荷は小さいので、第1スイッチング素子2の温度がそれほど大きくならない。そのような場合には第1スイッチング素子2を駆動してもよい。その場合、さらには、モータ102への出力指令値が小さい場合であっても、モータロック状態が所定の期間を超えて継続した場合には、駆動するスイッチング素子を第1スイッチング素子2から第2スイッチング素子3へ切り換えることも好適である。
Points to be noted regarding the technology described in the embodiments will be described. In the flowchart of FIG. 4, prior to the process of step S3, when the output command value to the
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、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。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し得るものであり、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。 Specific examples of the present invention have been described in detail above, but these are merely examples and do not limit the scope of the claims. The technology described in the claims includes various modifications and changes of the specific examples illustrated above. The technical elements described in this specification or the drawings exhibit technical usefulness alone or in various combinations, and are not limited to the combinations described in the claims at the time of filing. In addition, the technology exemplified in this specification or the drawings can achieve a plurality of objects at the same time, and has technical usefulness by achieving one of the objects.
2:第1スイッチング素子
3:第2スイッチング素子
4:ダイオード
5:電流センサ
6:コントローラ
7a−7f:スイッチング回路
10:インバータ
11:メモリ
12:プロセッサ
13:ゲート駆動回路
100:電気自動車
101:バッテリ
102:モータ
103:出力軸
104:駆動輪
105:回転数センサ
2: First switching element 3: Second switching element 4: Diode 5: Current sensor 6:
Claims (1)
炭化シリコンで作られている電力変換用の第1スイッチング素子と、
前記第1スイッチング素子と並列に接続されており、シリコンで作られている電力変換用の第2スイッチング素子と、
前記モータがロックしているときは前記第2スイッチング素子を駆動し、前記モータがロックしていないときは前記第1スイッチング素子を駆動するコントローラと、
を備えている、インバータ。 It is an inverter that converts DC power into AC power for driving a motor for traveling,
A first switching element for power conversion made of silicon carbide;
A second switching element for power conversion made of silicon, connected in parallel with the first switching element;
A controller that drives the second switching element when the motor is locked; and a controller that drives the first switching element when the motor is not locked;
Equipped with an inverter.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2018097765A JP2019205247A (en) | 2018-05-22 | 2018-05-22 | Inverter |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2018097765A JP2019205247A (en) | 2018-05-22 | 2018-05-22 | Inverter |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2019205247A true JP2019205247A (en) | 2019-11-28 |
Family
ID=68727496
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2018097765A Pending JP2019205247A (en) | 2018-05-22 | 2018-05-22 | Inverter |
Country Status (1)
Country | Link |
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JP (1) | JP2019205247A (en) |
-
2018
- 2018-05-22 JP JP2018097765A patent/JP2019205247A/en active Pending
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