JP2021083262A

JP2021083262A - インバータ装置

Info

Publication number: JP2021083262A
Application number: JP2019210774A
Authority: JP
Inventors: 祥弘堀田; Yoshihiro Hotta
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2019-11-21
Filing date: 2019-11-21
Publication date: 2021-05-27

Abstract

【課題】オープン故障により過電圧が発生した場合にオープン故障が発生した駆動回路を特定できるインバータ装置を提供する。【解決手段】インバータ装置はコントローラと駆動電源と駆動回路とインバータ回路を備える。インバータ回路は複数個のスイッチング素子を備え、各スイッチング素子に対して対応する駆動回路が接続されている。各駆動回路は、コントロ—ラが供給するパルス信号と駆動電源が供給する電圧に基づいて、対応するスイッチング素子をオンオフする。コントローラと駆動電源には、昇圧された電圧が異常値であるときに駆動電源が供給する電圧を異常時電圧に切換える処理手順が用意されている。各駆動回路には、前記電圧が異常時電圧に切換えられたときに対応するスイッチング素子をオフする電圧に切換え、パルス信号を受信したときに所定信号をコントローラに送信する処理手順が用意されている。所定信号を受信するか否かで故障個所を特定できる。【選択図】図３

Description

本明細書が開示する技術は、インバータ装置に関する。特に、コンバータが昇圧した直流電圧を交流に変換するインバータ装置に関する。

電気自動車等のなかにはコンバータとインバータ装置を備え、バッテリの出力電圧をコンバータで昇圧し、昇圧した直流電圧をインバータ装置で交流に変換し、変換した交流電力で走行用モータを駆動するものがある。特許文献１のインバータ装置は、複数個存在しているスイッチング素子の夫々に駆動回路を接続し、コントローラから各駆動回路にパルス信号（特許文献１ではゲート信号と称している）を供給し、各駆動回路が対応するスイッチング素子をオンオフする。特許文献１では、対応するスイッチング素子に短絡等の異常が発生したときに対応する駆動回路からコントローラに異常信号を送信する。

特開２０１８−１０２０８８号公報

特許文献１の技術によると、スイッチング素子に異常が発生すれば対応する駆動回路からコントローラに異常信号が送信されるが、駆動回路自体、あるいは駆動回路とコントローラ間の信号伝達経路に異常が発生すると、コントローラに異常信号が伝達されない。異常時処理やその後の対処手順を発動できない場合が生じる。
本明細書では、スイッチング素子の異常、駆動回路の異常、あるいは駆動回路とコントローラ間の信号伝達経路の異常が原因で、コントローラがスイッチング素子をオンすることができない状態を「オープン故障」と称する。駆動回路にオープン故障が発生すると、対応するスイッチング素子はオンしない。そのため、オープン故障が発生した駆動回路に対応するスイッチング素子には電流が流れない。

インバータ回路を構成する複数相のうちの１相にオープン故障が発生すると、インバータ回路を流れる電流が乱れ、コンバータで昇圧した電圧が異常値に上昇することがある（以下、過電圧と称する）。コンバータで昇圧した異常値になったときには、どの相に異常が生じたかを特定して必要な処理を発動させる必要がある。特許文献１の技術では、異常の発生個所によってはコントローラに異常信号が伝達されないことがあり、異常になった相を特定できないことがあり、必要な処理を発動させられないことがある。本明細書は、コンバータで昇圧した電圧が異常値に上昇したときに、その原因となった相を特定することができるインバータ装置を提供する。

本明細書が開示するインバータ装置は、コンバータが昇圧した直流電圧を交流に変換するものであり、コントローラと駆動電源と駆動回路とインバータ回路を備えている。インバータ回路は複数個のスイッチング素子を備えており、各スイッチング素子に対して対応する駆動回路が接続されている。
各駆動回路は、コントロ―ラが供給するパルス信号と駆動電源が供給する電圧に基づいて、対応するスイッチング素子をオンオフする電圧を当該スイッチング素子に供給する。
コントローラと駆動電源には、コンバータが昇圧した電圧が異常値であるときに駆動電源が供給する電圧を異常時電圧に切換える処理手順が用意されている。各駆動回路には、駆動電源が供給する電圧が異常時電圧に切換えられたときに対応するスイッチング素子に供給する電圧を当該スイッチング素子をオフする電圧に切換え、その後にコントローラからパルス信号を受信したときに所定信号を前記コントローラに送信する処理手順が用意されている。

上述したインバータ装置では、過電圧が発生した場合、コントローラと駆動電源によって駆動回路に供給する電圧を異常時電圧に切り換える。駆動回路は、駆動電源が供給する電圧が異常時電圧に切り換えられたときに、スイッチング素子に供給する電圧を、スイッチング素子をオフする電圧に切り換える。これにより、過電圧発生時にインバータ回路に継続して電流が流れることを阻止する。また、駆動回路は、その後にコントローラからパルス信号を受信したときに、通常時とは異なり、所定信号をコントローラに送信する。コントローラは、所定信号を受信したときに、その所定信号を出力した相が正常だと判定することができる。一方、コントローラは、所定信号を受信しない相については、オープン故障が発生したと判定することができる。

このように、本明細書が開示するインバータ装置によれば、過電圧が発生した場合に、コントローラが複数相のうちのどの相にオープン故障が発生したかを特定することができる。また、上述したインバータ装置は、駆動電源が駆動回路に供給する電圧とコントローラが駆動回路に供給するパルス信号を利用して、駆動回路が正常か否かを判定する。駆動電源が駆動回路に供給する電圧とコントローラが駆動回路に供給するパルス信号は、正常時にはスイッチング素子をオンオフする電圧をスイッチング素子に供給するために用いられる。すなわち、上述したインバータ装置によれば、駆動回路にポートや、別のデバイスを追加することなく、コントローラが複数相のうちどの相にオープン故障が発生したかを特定することができる。

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。

実施例のインバータ装置を搭載する電気自動車の駆動回路を示す概略図である。コントローラと駆動電源と駆動回路の通信経路を示すブロック図である。過電圧が発生した場合に実行する処理を示すシーケンス図である。

図面を参照して実施例のインバータ装置について説明する。図１に示されるように、実施例のインバータ装置２は、電気自動車１００に搭載される。電気自動車１００は、メインバッテリ４と、コンバータ６と、インバータ装置２と、モータ１４を備えている。電気自動車１００は、メインバッテリ４の直流電圧をコンバータ６で昇圧し、インバータ装置２によって３相交流に変換してモータ１４に供給する。

コンバータ６は、第１平滑化コンデンサ３６、リアクトル３４、２つのＲＣ−ＩＧＢＴ（Reverse Conducting Insulated Gate Bipolar Transistor）３０、第２平滑化コンデンサ３８を有している。リアクトル３４は、第１高電位配線１７に介装されている。第１平滑化コンデンサ３６は、リアクトル３４よりもメインバッテリ４側の部分の第１高電位配線１７と低電位配線１９の間に接続されている。各ＲＣ−ＩＧＢＴ３０は、ＩＧＢＴ３０ａとダイオード３０ｂによって構成されている。ＩＧＢＴ３０ａのコレクタがダイオード３０ｂのカソードに接続されており、ＩＧＢＴ３０ａのエミッタがダイオード３０ｂのアノードに接続されている。２つのＲＣ−ＩＧＢＴ３０は、コレクタが第２高電位配線１８側を向く向きで、第２高電位配線１８と低電位配線１９の間に直列に接続されている。２つのＲＣ−ＩＧＢＴ３０の中点は、リアクトル３４と第１高電位配線１７によって接続されている。第２平滑化コンデンサ３８は、第２高電位配線１８と低電位配線１９の間に接続されている。コンバータ６は、各ＲＣ−ＩＧＢＴ３０（すなわち、各ＩＧＢＴ３０ａ）をオンオフすることで、メインバッテリ４の直流電圧を昇圧し、昇圧した電圧を第２高電位配線１８と低電位配線１９の間に出力する。

インバータ装置２は、コントローラ１０と、駆動電源１２と、インバータ回路８と、駆動回路ユニット９と、電圧センサ１６を備えている。インバータ回路８は、ＲＣ−ＩＧＢＴ２０の直列回路を３相分有している。各直列回路は、第２高電位配線１８と低電位配線１９の間に直列に接続された２つのＲＣ−ＩＧＢＴ２０を備えている。各ＲＣ−ＩＧＢＴ２０は、コレクタが第２高電位配線１８側を向く向きで接続されている。なお、インバータ回路８のＲＣ−ＩＧＢＴ２０の構成は、コンバータ６の各ＲＣ−ＩＧＢＴ３０の構成と等しく、各ＲＣ−ＩＧＢＴ２０は、ＩＧＢＴ２０ａと、ダイオード２０ｂを備えている。図１において左側の直列回路の２つのＲＣ−ＩＧＢＴ２０の中点に、出力配線Ｕが接続されている。図１の中央の直列回路の２つのＲＣ−ＩＧＢＴ２０の中点に、出力配線Ｖが接続されている。図１の右側の直列回路の２つのＲＣ−ＩＧＢＴ２０の中点に出力配線Ｗが接続されている。以下では、出力配線Ｕが接続されている直列回路をＵ相と表現することがある。同様に、出力配線Ｖが接続されている直列回路をＶ相、出力配線Ｗが接続されている直列回路をＷ相と表現することがある。

出力配線Ｕ、Ｖ、Ｗは、モータ１４に接続されている。インバータ回路８は、複数個のＲＣ−ＩＧＢＴ２０（すなわち、ＩＧＢＴ２０ａ）をオンオフすることで、第２高電位配線１８と低電位配線１９の間の直流電力（コンバータ６の出力電力）を３相交流電力に変換する。インバータ回路８が変換した３相交流電力は、出力配線Ｕ、Ｖ、Ｗによってモータ１４に供給される。

駆動回路ユニット９は、複数個の駆動回路を備えている。図１に示されるように、駆動回路ユニット９の複数個の駆動回路のそれぞれは、対応するＲＣ−ＩＧＢＴ２０のＩＧＢＴ２０ａのゲートに接続されている。Ｕ相の上流側のＲＣ−ＩＧＢＴ２０のＩＧＢＴ２０ａのゲートには、駆動回路２３ａが接続されている。Ｕ相の下流側のＲＣ−ＩＧＢＴ２０のＩＧＢＴ２０ａのゲートには、駆動回路２３ｂが接続されている。Ｖ相の上流側のＲＣ−ＩＧＢＴ２０のＩＧＢＴ２０ａのゲートには、駆動回路２２ａが接続されている。Ｖ相の下流側のＲＣ−ＩＧＢＴ２０のＩＧＢＴ２０ａのゲートには、駆動回路２２ｂが接続されている。Ｗ相の上流側のＲＣ−ＩＧＢＴ２０のＩＧＢＴ２０ａのゲートには、駆動回路２１ａが接続されている。Ｗ相の下流側のＲＣ−ＩＧＢＴ２０のＩＧＢＴ２０ａのゲートには、駆動回路２１ｂが接続されている。このように、インバータ回路８の複数個のＩＧＢＴ２０ａには、対応する駆動回路が接続されている。各駆動回路は、対応するＩＧＢＴ２０ａのゲートに電圧を供給することで、対応するＩＧＢＴ２０ａをオンオフする。

図１に示されるように、第２高電位配線１８には、電圧センサ１６が設けられている。電圧センサ１６は、コンバータ６とインバータ回路８の間に設けられている。電圧センサ１６は、コンバータ６が昇圧した直流電圧の値を計測する。電圧センサ１６が計測した電圧値は、コントローラ１０に送信される。コントローラ１０は、電圧センサ１６から送信される電圧値、モータ１４の回転数、インバータ回路８の温度等によって、インバータ回路８の各ＩＧＢＴ２０ａのオンオフを制御する。より具体的には、コントローラ１０は、駆動回路ユニット９が備える各駆動回路にオンオフのタイミングを示すパルス信号を供給して、各ＩＧＢＴ２０ａのオンオフを制御する。

図２を参照して、コントローラ１０と各駆動回路の通信経路について説明する。以下では、Ｗ相の上流側のＩＧＢＴ２０ａのゲートに接続されている駆動回路２１ａをメインに説明する。駆動回路２１ａと、コントローラ１０の間には、集積回路２８と、駆動フォトカプラ２４が接続されている。コントローラ１０は、集積回路２８と駆動フォトカプラ２４を介してパルス信号ＰＳ１を駆動回路２１ａに供給する。パルス信号ＰＳ１は、ＩＧＢＴ２０ａのオンオフのタイミングを示す信号である。また、駆動回路２１ａには、駆動電源１２から駆動電圧Ｖ１が供給されている。駆動電圧Ｖ１は、ＩＧＢＴ２０ａのゲートをオンさせるための電圧である。駆動回路２１ａは、コントローラ１０から供給されるパルス信号ＰＳ１と、駆動電源１２から供給される駆動電圧Ｖ１に基づいて、対応するＩＧＢＴ２０ａをオンオフする電圧を、対応するＩＧＢＴ２０ａのゲートに供給する。なお、参照番号２６は駆動回路２１からコントローラ１０に信号を送る異常フォトカプラである。

実施例のインバータ装置２（図１参照）は、コントローラ１０のパルス信号ＰＳ１と、駆動電源１２の駆動電圧Ｖ１によってＩＧＢＴ２０ａをオンオフする。ここで、例えばコントローラ１０のパルス信号ＰＳ１が駆動回路２１ａに正常に送信されない場合、駆動回路２１ａに異常が発生した場合、あるいはＩＧＢＴ２０ａに異常が発生した場合、ＩＧＢＴ２０ａは正常にオンされない。この場合、図１に示されるＷ相には電流が流れない。先に述べたように、インバータ回路８は、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の３相の交流をモータ１４に供給している。そのため、そのうちの１相であるＷ相に電流が流れないと、Ｕ相、Ｖ相の２相に電流が流れる。その結果、インバータ回路８の電流が乱れ、インバータ回路８に入力される電圧が異常値を超えることがある。すなわち、複数相の駆動回路等のいずれかにオープン故障が発生すると、過電圧が発生することがある。従来のインバータ装置では、駆動回路自体に異常が生じている場合は、コントローラ１０に故障を示す信号を送付できない。異常フォトカプラ２６に異常が生じている場合も、コントローラ１０に故障を示す信号を送付できない。

図３を参照して、過電圧が発生した場合に、実施例のインバータ装置２（図１参照）が実行する処理手順について説明する。過電圧が発生すると、Ｔ１００において、電圧センサ１６（図１参照）の値が閾値を超える。すなわち、電圧センサ１６の値が異常値となる。ここで、異常値は、メインバッテリ４（図１参照）の容量等によって異なるが、インバータ装置２（図１参照）の各機器に対して故障を誘発するおそれがある電圧である。Ｔ１００で電圧センサ１６の値が閾値を超えると、コントローラ１０は、Ｔ１０２において、電圧上昇指示ＶＵを駆動電源１２に送信する。駆動電源１２は、Ｔ１０２において電圧上昇指示ＶＵをコントローラ１０から受信すると、Ｔ１０４において、出力電圧を上昇させる。なお、実施例のインバータ装置２（図１参照）では、上述した駆動電圧Ｖ１は１８Ｖである。このため、駆動電源１２は、Ｔ１０４において、出力電圧を１８Ｖと識別可能な例えば２２Ｖまで上昇させる。すなわち、駆動電源１２は、Ｔ１０４において、各駆動回路に供給する電圧を異常時電圧ＶＡに切り替える。その後、駆動電源１２は、Ｔ１０６において、異常時電圧ＶＡを駆動回路２１ａに供給する。

駆動回路２１ａは、Ｔ１０６において異常時電圧ＶＡが供給されると、Ｔ１０８において異常モードへ移行する。ここで、異常モードでは、駆動回路２１ａが記憶している異常時プログラムを実行する。駆動回路２１ａは、異常時電圧ＶＡが供給されたときに、異常モードに切り替わる。Ｔ１０８において異常モードに移行した駆動回路２１ａは、Ｔ１０９において、通常時とは異なりＩＧＢＴ２０ａをオフする。より具体的には、駆動回路２１ａは、ＩＧＢＴ２０ａに供給する電圧をロー電位に固定する。

コントローラ１０は、Ｔ１０２において電圧上昇指示ＶＵを駆動電源１２に送信した後、所定の時間経過後に、Ｔ１１０において、パルス信号ＰＳ１を駆動回路２１ａに供給する。ここで、所定の時間は、コントローラ１０が電圧上昇指示ＶＵを送信してから駆動回路２１ａの異常モードへの移行が完了するまでの時間である。Ｔ１１０においてパルス信号ＰＳ１が供給されると、異常モードの駆動回路２１ａは、通常時とは異なり、Ｔ１１２において、所定信号ＮＳを生成する。駆動回路２１ａは、Ｔ１１４において、所定信号ＮＳをコントローラ１０に送信する。コントローラ１０は、駆動回路２１ａ等が適切に異常処理を実行しているときに所定信号ＮＳを受信する。所定信号ＮＳは、駆動回路２１ａ等が正常であることを示す所定信号ということができる。

コントローラ１０は、Ｔ１１４において所定信号ＮＳを受信すると、Ｔ１１６において、電圧上昇指示ＶＵを駆動電源１２に送信してから所定信号ＮＳを受信するまでに経過した時間が、制限時間内か否かを判定する。制限時間以内でれば（Ｔ１１６：ＹＥＳ）、駆動回路２１ａにはオープン故障は発生していないため、コントローラ１０は、Ｔ１２０において、他の故障を模索する。より具体的には、コントローラ１０は、他の駆動回路に対してパルス信号を送信する。また、全ての駆動回路にオープン故障が発生していない場合には、コントローラ１０は、インバータ回路８（図１参照）の他の機器の故障を模索する。

また、制限時間以内でない場合には（Ｔ１１６：ＮＯ）、コントローラ１０は、Ｔ１１８において、駆動回路２１ａのオープン故障を確定する。その場合、コントローラ１０は、他にもオープン故障が発生した駆動回路があるかどうかを上述の処理手順により判定する。その後、電圧センサ１６（図１参照）の値が閾値以下となるように正常なＵ相、Ｖ相のＩＧＢＴ２０ａを制御する。

ここで、再び図２に戻り、過電圧が発生した場合のコントローラ１０と駆動回路２０ａの通信経路について説明する。図２では、過電圧が発生した場合に通信される信号にかっこを付している。図３を参照して説明したように、コントローラ１０は、電圧センサ１６の計測した値が異常値を示した場合に、駆動電源１２に対して電圧上昇指示ＶＵを送信する。その場合、駆動電源１２は、駆動回路２１ａに供給する電圧を、通常時の駆動電圧Ｖ１から異常時電圧ＶＡに切り替える。これにより、駆動回路２１ａは、異常モードに切り替わる。その後、コントローラ１０は、集積回路２８および駆動フォトカプラ２４を介してパルス信号ＰＳ１を駆動回路２１ａに送信する。駆動電源１２から異常時電圧ＶＡが供給されることで異常モードに切り替えられた駆動回路２１ａは、コントローラ１０からパルス信号ＰＳ１を受信すると、異常フォトカプラ２６を介して所定信号ＮＳをコントローラ１０に送信する。コントローラ１０は、所定信号ＮＳを送信した駆動回路２１ａは、自身が送信したパルス信号ＰＳ１を正常に受信したことを判定することができる。すなわち、コントローラ１０は、コントローラ１０と駆動回路２１ａとの間の通信が正常に行われていることを判定することができる。また、コントローラ１０は、所定信号ＮＳを送信した駆動回路２１ａは、正常に機能していることを判定することができる。すなわち、コントローラ１０は、所定信号ＮＳを送信した駆動回路２１ａには、オープン故障が発生していないことを判定することができる。一方、異常モードに切り替わった後に、コントローラ１０がパルス信号ＰＳ１を送信したにもかかわらず、所定信号ＮＳを送信しない駆動回路は、正常にパルス信号ＰＳ１を受信していないか、もしくは駆動回路自体が正常に機能していない可能性がある。このように、実施例のインバータ装置２（図１参照）は、過電圧が発生した場合に、オープン故障が発生した駆動回路を特定することができる。

また、図２に示されるように、過電圧が発生したとき、駆動回路２１ａは、駆動回路２１ａに供給する駆動電圧Ｖ１を異常時電圧ＶＡに切り替える。コントローラ１０は、その後に、通常時と同様にパルス信号ＰＳ１を駆動回路２１ａに送信する。すなわち、実施例のインバータ装置２（図１参照）は、新たな信号を通信する経路やデバイスを追加せずにオープン故障が発生した駆動回路を特定することができる。なお、コントローラ１０は、過電圧が発生した場合に駆動回路２１ａに送信するパルス信号を、正常時にＩＧＢＴ２０ａを駆動させるパルス信号ＰＳ１とは異なるパルス信号としてもよい。

実施例の留意点を以下に述べる。ＩＧＢＴは、「スイッチング素子」の一例であるが、本明細書が開示する技術は、これに限定されず、他のゲート型のスイッチング素子（例えば、ＭＯＳＦＥＴ等）を用いてもよい。また、実施例の異常時電圧ＶＡは、通常時の駆動電源１２の駆動電圧Ｖ１（１８Ｖ）より大きな値の２２Ｖであるが、これに限定されず、駆動電圧Ｖ１と識別可能であればよく、例えば２０Ｖであってもよいし、駆動電圧Ｖ１よりも小さい異常時電圧であってもよい。

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。

２：インバータ装置
４：メインバッテリ
６：コンバータ
８：インバータ回路
９：駆動回路ユニット
１０：コントローラ
１２：駆動電源
１４：モータ
１６：電圧センサ
１７：第１高電位配線
１８：第２高電位配線
１９：低電位配線
２０ａ：駆動回路
２０ｂ、３０ｂ：ダイオード
２１ａ、２１ｂ、２２ａ、２２ｂ、２３ａ、２３ｂ、３１ａ、３１ｂ：駆動回路
２４：駆動フォトカプラ
２６：異常フォトカプラ
２８：集積回路
３４：リアクトル
３６：第１平滑化コンデンサ
３８：第２平滑化コンデンサ
１００：電気自動車

Claims

コンバータが昇圧した直流電圧を交流に変換するインバータ装置であり、
前記インバータ装置は、コントローラと駆動電源と駆動回路とインバータ回路を備え、
前記インバータ回路は、複数個のスイッチング素子を備え、
各スイッチング素子に、対応する前記駆動回路が接続されており、
各駆動回路は、前記コントローラが供給するパルス信号と、前記駆動電源が供給する電圧に基づいて、対応する前記スイッチング素子をオンオフする電圧を当該スイッチング素子に供給し、
前記コントローラと前記駆動電源には、前記コンバータが昇圧した電圧が異常値であるときに前記駆動電源が供給する電圧を異常時電圧に切換える処理手順が用意されており、
各駆動回路には、前記駆動電源が供給する電圧が前記異常時電圧に切換えられたときに対応する前記スイッチング素子に供給する電圧を当該スイッチング素子をオフする電圧に切換え、その後に前記コントローラから前記パルス信号を受信したときに所定信号を前記コントローラに送信する処理手順が用意されている、インバータ装置。