JP2020092505A - 電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】Ｓｉスイッチング素子の過度な温度上昇を抑制する電力変換装置を提供する。【解決手段】電力変換装置１０は、電源２と負荷４との間に設けられたＳｉスイッチング素子１４と、Ｓｉスイッチング素子１４と並列に接続された非Ｓｉスイッチング素子１６と、Ｓｉスイッチング素子１４又は非Ｓｉスイッチング素子１６に流れる電流に基づいて、Ｓｉスイッチング素子１４と非Ｓｉスイッチング素子１６との一方を選択的に駆動するコントローラ２０とを備える。コントローラ２０は、前記電流が所定の電流閾値よりも小さいときは、非Ｓｉスイッチング素子１６を駆動し、前記電流が前記電流閾値よりも大きいときは、Ｓｉスイッチング素子１４を優先して駆動する一方で、駆動中のＳｉスイッチング素子１４の温度が所定の温度閾値を超えたときは、Ｓｉスイッチング素子１４に代えて非Ｓｉスイッチング素子１６を駆動する。【選択図】図１

Description

本明細書が開示する技術は、電力変換装置に関する。

ＤＣ−ＤＣコンバータやインバータといった、電源と負荷との間で電力変換を行う電力変換装置が知られている。この種の電力変換装置は、複数のスイッチング素子を介して電源と負荷との間を接続し、各々のスイッチング素子の動作を制御することによって、電力変換を行っている。

例えば特許文献１に、インバータの一例が開示されている。このインバータは、並列に接続された二つのスイッチング素子を有し、スイッチング素子に流れる電流に応じて、二つのスイッチング素子を選択的に駆動する。一方のスイッチング素子には、シリコン（Ｓｉ）基板を用いて構成されたＳｉスイッチング素子が採用されており、他方のスイッチング素子には、例えば炭化シリコン（ＳｉＣ）基板といった、非シリコン基板を用いて構成された非Ｓｉスイッチング素子が採用されている。

国際公開２０００／０７２４３３号

上記構成における一つの制御方式として、小電流域では非Ｓｉスイッチング素子を駆動し、大電流域ではＳｉスイッチング素子を駆動することが考えられる。このような構成によると、特性の異なる二つのスイッチング素子を、同時に駆動することを避けることができる。一方で、Ｓｉスイッチング素子は、最大電流に対応した素子設計をする必要が生じる。その結果、さらに非Ｓｉスイッチング素子が存在することもあって、電力変換装置が大型化してしまう。本明細書は、このような問題を少なくとも部分的に解決し得る技術を提供する。

本明細書が開示する技術は、電源と負荷との間で電力変換を行う電力変換装置に具現化される。この電力変換装置は、電源と負荷との間に設けられたＳｉスイッチング素子と、Ｓｉスイッチング素子と並列に接続された非Ｓｉスイッチング素子と、Ｓｉスイッチング素子又は非Ｓｉスイッチング素子に流れる電流に基づいて、Ｓｉスイッチング素子と非Ｓｉスイッチング素子との一方を選択的に駆動するコントローラとを備える。コントローラは、前記電流が所定の電流閾値よりも小さいときは、非Ｓｉスイッチング素子を駆動し、前記電流が前記電流閾値よりも大きいときは、Ｓｉスイッチング素子を優先して駆動する一方で、駆動中のＳｉスイッチング素子の温度が所定の温度閾値を超えたときは、Ｓｉスイッチング素子に代えて非Ｓｉスイッチング素子を駆動する。

ここで、Ｓｉスイッチング素子とは、シリコン（Ｓｉ）基板を用いて構成されたスイッチング素子を意味し、非Ｓｉスイッチング素子とは、例えば炭化シリコン（ＳｉＣ）やＩＩＩ−Ｖ族半導体といった、シリコン以外の半導体基板を用いて構成されたスイッチング素子を意味する。それらのスイッチング素子は、特に限定されないが、例えばＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor）やＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）であってよい。以下では、Ｓｉスイッチング素子を単にＳｉ素子と称し、非Ｓｉスイッチング素子を単に非Ｓｉ素子と称することもある。

上記した電力変換装置によると、通常、小電流域では非Ｓｉ素子が駆動され、大電流域ではＳｉ素子が駆動される。しかしながら、大電流域であっても、Ｓｉ素子の温度が所定の温度閾値を超えたときは、Ｓｉ素子に代えて非Ｓｉ素子が駆動される。これにより、大電流が継続的に通電されたときでも、Ｓｉ素子の過度な温度上昇が防止されるので、Ｓｉ素子のサイズを比較的に小さく設計することができる。そして、Ｓｉ素子のサイズが小さくなることで、例えば電力変換装置の小型化を図ることができる。なお、非Ｓｉ素子が駆動されることで、非Ｓｉ素子の温度も上昇していくが、その間にＳｉ素子の温度は低下していく。従って、特に限定されないが、非Ｓｉ素子の温度が所定の温度閾値に達したときは（あるいは、それ以前に）、非Ｓｉ素子の駆動を中止して、Ｓｉ素子の駆動を再開してもよい。

電力変換装置１０の構成を示す回路ブロック図。 コントローラ２０が実行する動作の流れを示すフローチャート。 図２のフローチャートにおける「温度フラグ決定処理」の流れを示すフローチャート。 図２のフローチャートにおける「駆動素子決定処理」の流れを示すフローチャート。 Ｓｉ素子１４又はＳｉＣ素子１６に流れる電流と、Ｓｉ素子１４及び又ＳｉＣ素子１６の各温度（Ｔ＿Ｓｉ、Ｔ＿ＳｉＣ）を経時的に示すグラフ。

図面を参照して、実施例の電力変換装置１０について説明する。本実施例の電力変換装置１０は、一例ではあるが、ハイブリッド車、燃料電池車又は電気自動車といった自動車に搭載され、バッテリ２とモータジェネレータ４との間で電力変換を行う。但し、本実施例で開示される技術は、自動車に搭載される電力変換装置１０だけでなく、様々な用途の電力変換装置にも採用することができる。

モータジェネレータ４は、電動機として機能することもあり、また、発電機として機能することもある。モータジェネレータ４が電動機として機能するときは、電源であるバッテリ２から、負荷であるモータジェネレータ４へ、電力変換装置１０を介して駆動電力が供給される。一方、モータジェネレータ４が電動機として機能するときは、電源であるモータジェネレータ４から負荷であるバッテリ２へ、電力変換装置１０を介して充電電力が供給される。

図１に示すように、電力変換装置１０は、六つのスイッチングモジュール１２と、それらの動作を制御するコントローラ２０とを備える。六つのスイッチングモジュール１２は、バッテリ２とモータジェネレータ４との間において、三相インバータ回路を構成するように接続されている。即ち、六つのスイッチングモジュール１２には、Ｕ相の上アームに位置するもの、Ｖ相の上アームに位置するもの、Ｗ相の上アームに位置するもの、Ｕ相の下アームに位置するもの、Ｖ相の下アームに位置するもの、及び、Ｗ相の下アームに位置するものが含まれる。各々のスイッチングモジュール１２は、コントローラ２０から駆動信号に基づいて、それぞれが設けられたアームを電気的に通電及び遮断する。

各々のスイッチングモジュール１２は、Ｓｉスイッチング素子１４と、ＳｉＣスイッチング素子１６とを有する。Ｓｉスイッチング素子１４とＳｉＣスイッチング素子１６は、互い並列に接続されている。ここで、Ｓｉスイッチング素子１４は、シリコン基板を用いて構成されたスイッチング素子を意味する。ＳｉＣスイッチング素子は、炭化シリコン基板を用いて構成されたスイッチング素子を意味し、前述した非Ｓｉスイッチング素子の一例である。以下では、Ｓｉスイッチング素子１４を単にＳｉ素子１４と称し、ＳｉＣスイッチング素子１６を単にＳｉＣ素子１６と称することがある。Ｓｉ素子１４とＳｉＣ素子１６は、それぞれゲート駆動回路１８ａ、１８ｂを介してコントローラ２０に接続されており、その動作（オン及びオフ）がコントローラ２０によって制御される。特に限定されないが、本実施例におけるＳｉ素子１４はＩＧＢＴの構造を有し、ＳｉＣ素子１６はＭＯＳＦＥＴの構造を有する。なお、Ｓｉ素子１４は、ダイオード構造をさらに内蔵するＲＣ（Reverse Conducting）−ＩＧＢＴであってもよい。

コントローラ２０は、主に、プロセッサ２２と、ＡＳＩＣ（Application specific integrated circuit）２４と、セレクタ２６とを備える。プロセッサ２２は、上位に位置するコントロールユニット（図示省略）からの制御指令又は制御目標に基づいて、六つのスイッチングモジュール１２に対する駆動信号ＵＨ、ＶＨ、ＷＨ、ＵＬ、ＶＬ、ＷＬ（以下、ＵＨ−ＷＬと略す）を出力する。一例ではあるが、駆動信号ＵＨ−ＷＬは、複数のパルス信号を一定の周期で含むＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御信号である。プロセッサ２２が出力した駆動信号ＵＨ−ＷＬは、ＡＳＩＣ２４を介して、セレクタ２６に入力される。セレクタ２６は、プロセッサ２２から出力される選択信号ＳＥＬに応じて動作して、ＡＳＩＣ２４からの駆動信号ＵＨ−ＷＬを、各々のスイッチングモジュール１２のＳｉ素子１４又はＳｉＣ素子１６へ、選択的に出力する。これにより、各々のスイッチングモジュール１２では、常にＳｉ素子１４又はＳｉＣ素子１６の一方のみが駆動され、それらが同時に駆動されることはない。

コントローラ２０は、Ｓｉ素子１４又はＳｉＣ素子１６に流れる電流に基づいて、セレクタ２６に与える選択信号ＳＥＬを切り替える。これにより、Ｓｉ素子１４とＳｉＣ素子１６は、それらに流れる電流（即ち、スイッチングモジュール１２を通過する電流）に基づいて、それらの一方が選択的に駆動される。詳しくは、電流が所定の電流閾値ＣＸ（図５参照）よりも小さいときは、ＳｉＣ素子１６が駆動され、電流が電流閾値ＣＸよりも大きいときは、Ｓｉ素子１４が優先して駆動される。

なお、ここでいう電流とは、Ｓｉ素子１４又はＳｉＣ素子１６に流れる電流の実際の測定値であってもよいし、Ｓｉ素子１４又はＳｉＣ素子１６に流れる電流の制御上の目標値であってもよい。また、本明細書における電流は、瞬時値を示すものではなく、一周期中の実効値、平均値又は最大値といった、電流の実効的な大きさを示す指標を意味する。

大電流域で駆動されるＳｉ素子１４は高温となりやすい。特に、例えばモータジェネレータ４が過負荷によってロックされると、Ｕ、Ｖ、Ｗ相のうちの一つに大電流が継続して流れ、Ｓｉ素子１４の温度が許容範囲を超えるおそれがある。そのことから、本実施例におけるコントローラ２０は、電流が電流閾値ＣＸよりも大きいときでも、Ｓｉ素子１４の温度が温度閾値ＴＸを超えたときは、Ｓｉ素子１４に代えてＳｉＣ素子１６を駆動するように構成されている。このような構成によると、Ｓｉ素子１４の過度な温度上昇が防止される。従って、例えばＳｉ素子１４のサイズを比較的に小さく設計することで、スイッチングモジュール１２の小型化や、それによる電力変換装置１０の小型化を図ることができる。

以下では、図２−５を参照して、上記の機能を実現するコントローラ２０の具体的な動作について説明する。但し、ここで説明するコントローラ２０の動作は一例であり、コントローラ２０のハードウエア及びソフトウエアも含めて、その具縦的な動作態様は適宜変更することが可能である。

図２に示すように、先ず、コントローラ２０のプロセッサ２２は、Ｕ、Ｖ、Ｗ相の各電流値を取得する（Ｓ１２）。ここで取得する電流値は、実際の測定値であってもよいし、制御目標値であってもよい。次に、プロセッサ２２は、Ｕ、Ｖ、Ｗ相の各電流値を比較して、Ｕ、Ｖ、Ｗ相のいずれかに電流が集中していないかを判定する（Ｓ１４）。なお、いずれかの相に電流が集中している場合は、モータジェネレータ４がロックされたおそれがあり、Ｓｉ素子１４の過度な温度上昇が起こり得る。

電流集中が検知された場合（Ｓ１４でＹＥＳ）、プロセッサ２２は、温度フラグ設定処理（Ｓ１６）及び駆動素子決定処理（Ｓ１８）を順に実行して、駆動すべきスイッチング素子（Ｓｉ素子１４又はＳｉＣ素子１６）を決定する。一方、電流集中が検知されなければ（Ｓ１４でＮＯ）、プロセッサ２２は、温度フラグ設定処理（Ｓ１６）をスキップし、駆動素子決定処理（Ｓ１８）のみを実行して、駆動すべきスイッチング素子を決定する。そして、プロセッサ２２は、決定したスイッチング素子に応じて、選択信号ＳＥＬをセレクタ２６へ出力する（Ｓ２０）。

図３を参照して、図２中のステップＳ１６における温度フラグ設定処理について説明する。この処理では、先ず、プロセッサ２２が現在の駆動素子を特定する（Ｓ１６−１）。そして、現在の駆動素子がＳｉ素子１４の場合（Ｓ１６−２でＹＥＳ）、プロセッサ２２は、Ｕ、Ｖ、Ｗ相の各Ｓｉ素子１４の温度Ｔ＿Ｓｉ＿Ｕ、Ｖ、Ｗの温度が、所定の温度閾値ＴＸを超えているのか否を判定する（Ｓ１６−３）。少なくとも一つの相において、Ｓｉ素子１４の温度Ｔ＿Ｓｉ＿Ｕ、Ｖ、Ｗが温度閾値ＴＸを超えている場合（Ｓ１６−３でＹＥＳ）、プロセッサ２２は、温度フラグとして「Ｓｉ」を記憶して（Ｓ１６−４）、温度フラグ設定処理を終了する。一方、いずれの相においても、Ｓｉ素子１４の温度Ｔ＿Ｓｉ＿Ｕ、Ｖ、Ｗが温度閾値ＴＸを超えていない場合（Ｓ１６−３でＮＯ）、プロセッサ２２は、温度フラグを特に記憶することなく、温度フラグ設定処理を終了する。

同様に、現在の駆動素子がＳｉＣ素子１６の場合（Ｓ１６−２でＮＯ）、プロセッサ２２は、Ｕ、Ｖ、Ｗ相の各ＳｉＣ素子１６の温度Ｔ＿ＳｉＣ＿Ｕ、Ｖ、Ｗの温度が、所定の温度閾値ＴＹを超えているのか否を判定する（Ｓ１６−５）。少なくとも一つの相において、ＳｉＣ素子１６の温度Ｔ＿ＳｉＣ＿Ｕ、Ｖ、Ｗが温度閾値ＴＹを超えている場合（Ｓ１６−５でＹＥＳ）、プロセッサ２２は、温度フラグとして「ＳｉＣ」を記憶する（Ｓ１６−６）。ここで、ＳｉＣ素子１６に対する温度閾値ＴＹは、前出のＳｉ素子１４に対する温度閾値ＴＸと同じであってもよいし、異なる値であってもよい。一方、いずれの相においても、ＳｉＣ素子１６の温度Ｔ＿ＳｉＣ＿Ｕ、Ｖ、Ｗが温度閾値ＴＹを超えていない場合（Ｓ１６−５でＮＯ）、プロセッサ２２は、温度フラグを特に記憶することなく、温度フラグ設定処理を終了する。温度フラグ設定処理の終了後、プロセッサ２２は、図２のステップＳ１８における駆動素子決定処理へ進む。

図３を参照して、図２中のステップＳ１８における駆動素子決定処理について説明する。この処理では先ず、プロセッサ２２が、Ｕ、Ｖ、Ｗ相の各電流が、所定の電流閾値ＣＸを越えているのか否かを判定する（Ｓ１８−１）。少なくとも一つの相において、電流が電流閾値ＣＸを超えている場合（Ｓ１８−１でＹＥＳ）、プロセッサ２２は、温度フラグとして「Ｓｉ」が記憶されているのか否かをさらに判定する（Ｓ１８−２）。温度フラグとして「Ｓｉ」が記憶されていなければ（Ｓ１８−２でＮＯ）、プロセッサ２２はＳｉ素子１４を駆動素子として決定する（Ｓ１８−３）。一方、温度フラグとして「Ｓｉ」が記憶されていれば（Ｓ１８−２でＹＥＳ）、プロセッサ２２はＳｉＣ素子１６を駆動素子として決定する（Ｓ１８−４）。

一方、いずれの相においても、電流が電流閾値ＣＸを超えていない場合（Ｓ１８−１でＮＯ）、プロセッサ２２は、温度フラグとして「ＳｉＣ」が記憶されているのか否かを判定する（Ｓ１８−５）。温度フラグとして「ＳｉＣ」が記憶されていなければ（Ｓ１８−５でＮＯ）、プロセッサ２２はＳｉＣ素子１６を駆動素子として決定する（Ｓ１８−６）。一方、温度フラグとして「ＳｉＣ」が記憶されていれば（Ｓ１８−５でＹＥＳ）、プロセッサ２２はＳｉ素子１４を駆動素子として決定する（Ｓ１８−７）。

上述したコントローラ２０の動作態様によると、図５に示すように、電流が所定の電流閾値ＣＸよりも小さいときは、ＳｉＣ素子１６が駆動され（期間Ｐ１）、電流が電流閾値ＣＸよりも大きいときは、Ｓｉ素子１４が優先して駆動される（期間Ｐ２）。但し、電流が電流閾値ＣＸよりも大きいときでも、Ｓｉ素子１４の温度Ｔ＿Ｓｉが温度閾値ＴＸを超えたときは、Ｓｉ素子１４に代えてＳｉＣ素子１６が駆動される（期間Ｐ３）。なお、ＳｉＣ素子１６が駆動されることで、ＳｉＣ素子の温度Ｔ＿ＳｉＣも上昇していくが、その間にＳｉ素子１４の温度Ｔ＿Ｓｉは低下していく。従って、ＳｉＣ素子１６の温度Ｔ＿ＳｉＣが所定の温度閾値ＴＹに達したときは、ＳｉＣ素子１６の駆動を中止して、Ｓｉ素子１４の駆動が再開される（期間Ｐ４）。このような制御態様によって、前述したように、Ｓｉ素子１４の過度な温度上昇が防止されるので、例えばＳｉ素子１４のサイズを比較的に小さく設計することができる。

本実施例のコントローラ２０は、モータジェネレータ４がロックされたときに限って（図２のＳ１４でＹＥＳ）、駆動素子を決定する処理において、駆動中のスイッチング素子の温度を考慮するように構成されている。しかしながら、他の実施形態として、コントローラ２０は、そのような制限を受けることなく、温度を考慮した駆動素子の決定を実行してもよい。あるいは、コントローラ２０は、Ｓｉ素子１４の過度な温度上昇が想定され得るその他の条件下で、温度を考慮した駆動素子の決定を選択的に実行してもよい。

以上、いくつか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。本明細書又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る。

２：バッテリ
４：モータジェネレータ
１０：電力変換装置
１２：スイッチングモジュール
１４：Ｓｉスイッチング素子（Ｓｉ素子）
１６：ＳｉＣスイッチング素子（ＳｉＣ素子）
２０：コントローラ
２２：プロセッサ
２４：ＡＳＩＣ
２６：セレクタ

Claims (1)

1. 電源と負荷との間で電力変換を行う電力変換装置であって、
   前記電源と前記負荷との間に設けられたＳｉスイッチング素子と、
   前記Ｓｉスイッチング素子と並列に接続された非Ｓｉスイッチング素子と、
   前記Ｓｉスイッチング素子又は前記非Ｓｉスイッチング素子に流れる電流に基づいて、前記Ｓｉスイッチング素子と前記非Ｓｉスイッチング素子との一方を選択的に駆動するコントローラと、
   を備え、
   前記コントローラは、
   前記電流が所定の電流閾値よりも小さいときは、前記非Ｓｉスイッチング素子を駆動し、
   前記電流が前記電流閾値よりも大きいときは、前記Ｓｉスイッチング素子を優先して駆動する一方で、駆動中の前記Ｓｉスイッチング素子の温度が所定の温度閾値を超えたときは、前記Ｓｉスイッチング素子に代えて前記非Ｓｉスイッチング素子を駆動する、
   電力変換装置。

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