JP2023106341A - インバータの半導体素子の電圧負荷を低減する方法および装置 - Google Patents

Abstract

【課題】インバータ、特に三相インバータの半導体素子の電圧負荷を低減する方法及び装置を提供する。【解決手段】ＭＯＳＦＥＴ、ＳｉＣ－ＭＯＳＦＥＴ及び／又はパワー半導体である１以上の第１の半導体素子１０と第２の半導体素子２０と、からなる１以上の直列回路を有し、直流電圧を電気機械に適した交流電圧に変換して供給する装置において、インバータ３０は、電池４０から供給される直流電圧Ｕｂａｔを、電気機械５０に適した交流電圧Ｕａｃに変換し、電気機械５０に供給し、第１の半導体素子のゲート電圧及び／又は第２の半導体素子のゲート電圧を、電池の充電中に電池と電気機械との間の電流の流れを略遮断するように調整する。第１の半導体素子および第２の半導体素子の各ゲート電圧を低下させることにより、各半導体素子のゲート酸化膜の電圧負荷が低減され、かつ／または、各半導体素子のドレイン－ソース間経路の電圧負荷が互いに整合調整される。【選択図】図１

Description

本発明は、インバータ、特に三相インバータの半導体素子の電圧負荷を低減する方法および装置に関する。

電池、駆動用インバータ、および電動機を含む電気系統を有する、電気駆動可能な車両の電池の充電モードでは、通常、駆動用インバータは非作動状態である。駆動用インバータの接続には、基本的に２つのシステム構想が知られている。駆動用インバータは、追加スイッチで切断されるか、非作動モードに設定され、このモードのままにされる。

コストの理由から、このような追加スイッチは省略されることが多いため、インバータに使用される半導体は、充電モード時に負のゲート－ソース間電圧の印加と、いわゆる直流リンク電圧の一部の印加とによって負荷をかけられる。

さらに、従来技術では、車両の電池に蓄積された電気エネルギーを、外部の充電ステーションに逆方向にも流すことができる双方向充電モードが可能な車両が知られている。すなわち、駆動用インバータの半導体は、追加スイッチによって電池からガルバニック絶縁しない限り、エネルギーが逆流する期間でも上記のような負荷がかかる。

本発明の第１の態様によれば、例えば電気駆動車両の駆動用インバータである、インバータの半導体素子の電圧負荷を低減する方法が提案される。
本発明に係る方法の第１のステップにおいて、少なくとも１つの電池と、インバータと、電気機械と、を有する電気系統の電池を充電するための要求が特定される。電気系統が電気駆動可能な車両の構成要素である場合、電気機械は、例えば車両の駆動系の電動機であり、電気系統は、このような用途に限定されず、車両における用途に限定されない。

電池の充電要求は、例えば、車両の充電プロセスの場合、車両に電気的に接続されている充電装置によって生成される。
インバータは、少なくとも１つの第１の半導体素子と、第２の半導体素子と、からなる少なくとも１つの直列回路に基づいて構成され、電池から供給される直流電圧を、電気機械に適した交流電圧に変換し、電気機械に供給する。半導体素子は、例えば、ＭＯＳＦＥＴ（ｍｅｔａｌ－ｏｘｉｄｅ－ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ ｆｉｅｌｄ－ｅｆｆｅｃｔ ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）、ＳｉＣ－ＭＯＳＦＥＴおよび／またはパワー半導体として構成されている。さらに、例えば高負荷電流を切り替えるために、第１の半導体素子および／または第２の半導体素子に、別の半導体素子をそれぞれ並列接続することも可能である。このような場合、各並列回路内の全ての半導体素子が、同様かつ同時に制御されることが好ましい。各半導体素子は、本発明に係る評価ユニットによって、および／または、情報処理技術を用いてそのような評価ユニットに接続することができる別個のゲートドライバによって制御されることが好ましい。

本発明に係る方法の第２のステップにおいて、第１の半導体素子のゲート電圧（「ゲート－ソース間電圧」の略）および／または第２の半導体素子のゲート電圧は、電池の充電中に、電池と、電気機械との間の電流の流れを略遮断するように調整されている。ここで「略」とは、半導体素子がオフの状態でも半導体素子のソース－ドレイン間経路を介して流れる可能性がある、通常存在するリーク電流に関連する。したがって、ここで電流の流れを遮断することは、第１の半導体素子および／または第２の半導体素子のオフ状態を意味する。

第１の半導体素子のゲート電圧および／または第２の半導体素子のゲート電圧の調整は、第１の半導体素子および第２の半導体素子の各ゲート電圧を低下させることにより、各半導体素子のゲート酸化膜にかかる電圧負荷が低減されるように行われる。

代替的に、ゲート電圧の調整は、各半導体素子のドレイン－ソース間経路の電圧負荷が互いに整合調整されるように行われる。半導体素子の各ドレイン－ソース間経路のコンダクタンス値が相違するため、２つの半導体素子の異なる電圧負荷が生じる可能性があり、これは、相応して２つの半導体素子を介した異なる電圧降下をもたらす。

各半導体素子のドレイン－ソース間経路の電圧負荷を整合調整するために、適切な電圧センサを用いて電圧測定を行い、それに基づいて電圧負荷の各偏差が特定される。このために、各電圧センサは、例えば、情報処理技術を用いて、本発明に係る評価ユニットに接続されている。

コストおよび／またはスペースなどの理由から充電モードでインバータをガルバニック絶縁するためのスイッチがない場合、半導体素子の電圧負荷が低減および／または整合調整されるため、この方法によってインバータの長寿命化を有利に達成することができる。さらに、半導体素子の製造公差は、本発明に係る方法によって補償することができるため、半導体素子の公差要求を低減することができ、それによって、相応して半導体素子の製造コストも低減することができる。

これらの利点は、特に、使用される半導体素子が、全使用期間中、主にオフ状態で動作する場合に発揮される。特に、上記の電気駆動可能な車両は、通常、充電期間よりも使用期間が著しく短く、そのような車両に適用することができる。

引用形式請求項には、本発明の好ましいさらなる改善形態が示されている。
本発明の有利な実施形態では、第１の半導体素子および第２の半導体素子の各ドレイン－ソース間電圧は、電池の充電中に、一貫して略同一の値に設定される。つまり、ドレイン－ソース間電圧が互いに近似するだけでなく、ドレイン－ソース間電圧の同一の特性が得られる。

代替的に、第１の半導体素子および第２の半導体素子は、それぞれ、電池の充電中に導電モードと非導電モードとの間で交互に切り替えられ、それぞれ２つの半導体素子のうちの一方のみが導電モードである一方で、それぞれ２つの半導体素子のうちの他方が非導電モードであり、電池の充電中の２つの半導体素子の導電モードの各合計時間が略同じである。つまり、これによって、２つの半導体素子にかかる電圧負荷の経時的な均一化が達成される。特に、後述する多相インバータの構成では、個々の半導体の負荷を異なる相の半導体に順次分散させることができるため、各半導体の個々の負荷が低減されるという特別な利点がある。

第１の半導体素子および第２の半導体素子の各ゲート電圧を０Ｖに設定して、または０Ｖに近づけて、半導体素子の各ゲート酸化膜の電圧負荷を低減させることが特に好ましい。

有利には、第１の半導体素子および第２の半導体素子の各ゲート電圧は、専ら負のゲート電圧値から所定の閾値までに達する電圧範囲内で、半導体素子の各ドレイン－ソース間経路の電圧負荷を整合調整するように調整され、所定の閾値は、各半導体素子の閾値電圧を下回る。所定の閾値は、半導体素子の閾値電圧を少なくとも１Ｖ下回る値であり、そのためリーク電流を低く抑えることができ、および／または、各半導体が意図せずオン状態にならないことが好ましい。本発明に係る半導体素子の電圧負荷低減制御は、リーク電流による電力損失が電池の負担にならず、充電装置の負担になる電池の充電モード中に行われるため、リーク電流のレベルについては、ゲート電圧が閾値に近づいても通常問題ない。

本発明のさらなる有利な実施形態では、インバータは、少なくとも１つの第１の半導体素子と、第２の半導体素子と、からなる複数の直列回路（例えば２つまたは３つ以上のハーフブリッジ回路またはフルブリッジ回路）を有し、各直列回路は、多相電気機械（例えば三相電動機）の相をそれぞれ制御するように構成されており、電池の充電中にこれら全ての半導体素子の電圧負荷が低減および／または整合調整される。整合調整により、各相の電圧差は０Ｖになることが好ましい。

有利には、各ゲート電圧は、少なくとも２つの半導体素子からなる少なくとも１つの直列回路を介した総電圧降下を表す第１の電圧測定値に基づいて、かつ直列回路の低電位側にある半導体素子（すなわち、「ローサイド」半導体素子）を介した電圧降下を表す第２の電圧測定値に基づいて調整される。駆動用インバータでは、通常、電動機の固定子の漏れインダクタンスによって短絡した並列の三相が存在する。これにより、一次近似として、三相の電圧が全て同じであると仮定することができる。したがって、上述の単体の相電圧センサを使用すれば、全ての半導体を介した電圧を測定するのに十分である。これにより、インバータが多相用の構成であるにもかかわらず、１つの相電圧センサのみでよいため、特にコスト効率の良い本発明の実施形態が可能となる。

本発明のさらなる有利な実施形態では、低電位側の半導体素子を介した電圧降下は、この半導体素子の温度検出のために設けられたＮＴＣ（ｎｅｇａｔｉｖｅ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ）抵抗の測定値に基づいて、かつこの半導体素子の推定温度に基づいて特定される。このため、半導体素子の温度を特定するためのＮＴＣ抵抗を介した電圧測定が既に行われていることが多いため、半導体素子を介した電圧測定のために追加の電圧センサを配置する必要がないという利点がある。ＮＴＣ抵抗を、高抵抗を介して半導体素子のドレイン端子に接続することにより、これによって構成された分圧器に基づいて、半導体素子の特に簡単でコスト効率の良い電圧測定を実施することができる。

さらに有利には、各半導体素子の電圧負荷の整合調整は、特にゲート電圧の変動値によって特定される各半導体素子の既存の劣化を考慮して行われる。このため、半導体素子の特性曲線の変化を把握するために、半導体素子の閾値電圧を下回る電圧範囲（「サブスレッショルド」領域ともいう）において、半導体素子のゲート電圧の変動値が設けられている。確認される場合がある特性曲線の変化は、半導体素子の電圧負荷を低減する際に考慮されると有利である。

本発明の第２の態様によれば、インバータの半導体素子の電圧負荷を低減する装置が提案される。この装置は、第１の半導体素子と、第２の半導体素子と、評価ユニットとを有する。評価ユニットは、例えば、ＡＳＩＣ（Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ Ｓｐｅｃｉｆｉｃ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）、ＦＰＧＡ（ｆｉｅｌｄ－ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ ｇｒｉｄ ａｒｒａｙ）、プロセッサ、デジタル信号プロセッサ、マイクロコントローラ等として構成され、情報処理技術を用いて、２つの半導体素子の制御入力部（ゲート）にそれぞれ接続されている第１のゲートドライバおよび第２のゲートドライバに接続されていることが好ましい。第１のゲートドライバおよび第２のゲートドライバは、例えば、評価ユニットに統合され、および／または、別個のコンポーネントとして構成されている。評価ユニットは、少なくとも１つの電池、インバータ、および電気機械（例えば電動機）を有する電気系統の電池の充電要求を特定するように構成され、インバータは、少なくとも第１の半導体素子と、第２の半導体素子（例えば各ＭＯＳＦＥＴ）とからなる少なくとも一つの直列回路に基づいて構成され、電池によって供給される直流電圧を電気機械に適した交流電圧に変換して、電気機械に供給する。評価ユニットは、（好ましくは第１のゲートドライバによって）第１の半導体素子のゲート電圧および／または（好ましくは第２のゲートドライバによって）第２の半導体素子のゲート電圧を調整して、電池の充電中に電池と電気機械との間の電流の流れを略遮断し、第１の半導体素子および第２の半導体素子の各ゲート電圧を低下させることにより、各半導体素子のゲート酸化膜の電圧負荷を低減し、および／または、各半導体素子のドレイン－ソース間経路の電圧負荷を整合調整するように構成されている。特徴、特徴の組み合わせ、およびその結果として得られる利点は、繰り返しを避けるために上記の説明を参照するように、本発明の冒頭に述べた態様に関連して説明されたものに対応する。

以下に、添付図面を参照して、本発明の実施例を詳細に説明する。
本発明に係る装置の一実施形態の回路図である。 本発明に係る例示的な相電圧測定を説明するための回路図である。

図１は、本発明に係る装置の一実施形態を示す回路図である。本装置は、電池４０の直流電圧を三相交流電圧Ｕａｃに変換するように構成されたインバータ３０を有する。３つの相Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３の各回路は、簡略化の理由から破線の長方形で表され、３つの相Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３全てを代表するものとして、第１の相Ｐ１の回路のみが詳細に示されている。他の相Ｐ２、Ｐ３は、第１の相Ｐ１と同様に構成されている。

第１の相Ｐ１の回路は、並列接続された２つの第２のＭＯＳＦＥＴ２０と直列接続された、並列接続された２つの第１のＭＯＳＦＥＴ１０を有する。ここでは、ＭＯＳＦＥＴ１０、２０は制御可能な抵抗器として簡略化されており、それぞれが半導体素子１０、２０のドレイン－ソース間経路の抵抗値を表していることに留意されたい。３つの相Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３の回路の各中点端子３５は、電動機５０に電気的に接続されているため、インバータ３０は、このようにして三相交流電圧Ｕａｃを電動機５０に供給するように構成されている。

本発明に係る装置は、ここではＡＳＩＣとして構成され、情報処理技術を用いて第１のゲートドライバ７０および第２のゲートドライバ７５に接続されている評価ユニット６０をさらに含む。ゲートドライバ７０、７５は、それぞれ対応する半導体素子１０、２０に電気的に接続されている。第２の相Ｐ２および第３の相Ｐ３の回路もこれと同様に構成されているが、そのゲートドライバおよび各電気接続は、見易さの理由から省略されていることに留意されたい。

発明に係るインバータ３０は、電池４０に持続的に電気接続されておらず、電池４０は、インバータ３０に直流電圧Ｕｂａｔを供給するように構成されている。
評価ユニット６０は、充電装置８０が充電ケーブル（図示せず）を介して電池４０と電気的に接続されるとすぐに、外部の充電装置８０と情報処理技術を用いて接続されるように構成されている。

上述の構成に基づき、評価ユニット６０は、充電装置８０から信号の形態で出力される電池４０の充電要求を特定し、電池４０の充電要求がある場合には、電池４０の充電中に電池４０と電気機械５０との間の電流の流れを略遮断するように、第１のゲートドライバ１０によって第１の半導体素子１０のゲート電圧、および／または第２のゲートドライバ２０によって第２の半導体素子２０のゲート電圧を調整するよう構成されている。

半導体素子１０、２０の各ドレイン－ソース間経路の電圧負荷を低減するために、調整されたゲート電圧は、第１の半導体素子１０のドレイン－ソース間経路の各抵抗値（またはこれらの経路を介して降下するドレイン－ソース間電圧）が、第２の半導体素子２０に関して可能な限り互いに整合調整され、一方で、各ゲート電圧を可能な限り０Ｖの値に近似させて、半導体素子１０、２０のゲート酸化膜への電圧負荷を同時に低減させるように設定される。

各ゲート電圧を調整する根拠として電圧測定を行い、第１の半導体スイッチ１０と第２の半導体スイッチ２０との間の電圧偏差が特定される。このために、一方ではインバータ３０の直列回路にわたって印加される第１の電圧が、他方では第１の相Ｐ１の電圧を表す第２の電圧が特定される。各電圧センサは、表示を見易くする理由からここでは示していない。

有利には、半導体素子１０、２０は、開口と閉口のために交互に制御されるため、個々の半導体素子１０、２０の各電圧負荷は、経時的に低減する。
ドレイン－ソース間電圧の整合調整のために、各ゲート電圧を調整する範囲は、所定の閾値までの負の値の範囲に限定され、ここでは、半導体素子１０、２０の閾値電圧を１Ｖ下回る。

図２は、本発明に係る例示的な相電圧測定を説明する回路図である。見易くするために、図２には本発明に係るインバータ３０の第１の半導体素子１０のみが示されているが、インバータ３０は、第１の半導体素子１０と直列に配置された第２の半導体素子２０をさらに有する。

さらに、第１の半導体素子１０に熱結合されたＮＴＣ抵抗１００によって、第１の半導体素子１０の温度を測定する公知の構成が示されている。ＮＴＣ抵抗１００は、通常、このために電流源１１０によって電力供給されるため、ＮＴＣ抵抗１００を介した電圧降下をアナログ／デジタル変換器９０によって検出することができる。

ＮＴＣ抵抗１００と並列に接続されるコンデンサ１２０は、電圧のフィルタリングおよび過電圧保護のために例示的に配置されている。
本発明によれば、上記公知の構成は、高抵抗１３０（例えば１メガオームのレベル）によって拡張され、この抵抗は、ＮＴＣ抵抗１００と共に、第１の半導体素子１０（この場合ＭＯＳＦＥＴ）と並列に接続される分圧器を構成し、こうしてインバータ３０の直流リンク電圧測定を実行するために構成されている。

さらに、本発明によれば、アナログ／デジタル変換器９０によって検出された電圧値を受信し、これらの電圧値およびＮＴＣ抵抗１００の現在の温度に関する情報に基づいて、本発明によって半導体素子１０、２０を制御するように構成された評価ユニット６０が設けられる。ＮＴＣ抵抗１００の現在の温度に関する情報は、例えば、隣接する相の温度センサに基づいて、かつ／または、半導体素子１０、２０を冷却するための冷却水回路の温度を測定する温度センサに基づいて特定することができる。さらに、評価ユニット６０は、インバータ３０に結合された電池４０の充電モード中に電源１１０を非作動にし、ＮＴＣ抵抗１００を用いて相電圧を測定できるように構成されている。

Claims (10)

1. インバータ（３０）の半導体素子（１０、２０）の電圧負荷を低減する方法であって、
   － 少なくとも１つの電池（４０）と、インバータ（３０）と、電気機械（５０）と、を有する電気系統の電池（４０）を充電するための要求を特定するステップであって、前記インバータ（３０）は、少なくとも１つの第１の半導体素子（１０）と、第２の半導体素子（２０）と、からなる少なくとも１つの直列回路に基づいて構成され、前記電池（４０）から供給される直流電圧（Ｕｂａｔ）を、前記電気機械（５０）に適した交流電圧（Ｕａｃ）に変換し、前記電気機械（５０）に供給するステップと、
   － 前記第１の半導体素子（１０）のゲート電圧および／または前記第２の半導体素子（２０）のゲート電圧を、前記電池（４０）の充電中に、前記電池（４０）と、前記電気機械（５０）との間の電流の流れを略遮断するように調整するステップであって、
   － 前記第１の半導体素子（１０）および前記第２の半導体素子（２０）の各ゲート電圧を低下させることにより、前記各半導体素子（１０、２０）のゲート酸化膜の電圧負荷が低減され、
   および／または
   － 前記各半導体素子（１０、２０）のドレイン－ソース間経路の電圧負荷が互いに整合調整されるステップと、
   を有する、方法。
2. 前記第１の半導体素子（１０）および前記第２の半導体素子（２０）の各ドレイン－ソース間電圧は、前記電池（４０）の充電中に、一貫して略同一の値に設定される、請求項１に記載の方法。
3. 前記第１の半導体素子（１０）および前記第２の半導体素子（２０）は、それぞれ、前記電池（４０）の充電中に導電モードと非導電モードとの間で交互に切り替えられ、
   － それぞれ前記２つの半導体素子（１０、２０）のうちの一方のみが導電モードである一方で、それぞれ前記２つの半導体素子（１０、２０）のうちの他方が非導電モードであり、
   － 前記電池（４０）の充電中の前記２つの半導体素子（１０、２０）の導電モードの各合計時間が略同じである、請求項１に記載の方法。
4. 前記第１の半導体素子（１０）および前記第２の半導体素子（２０）の各ゲート電圧を０Ｖに設定して、または０Ｖに近づけて、前記半導体素子（１０、２０）の前記各ゲート酸化膜の電圧負荷を低減させる、請求項１～３のいずれか一項に記載方法。
5. 前記第１の半導体素子（１０）および前記第２の半導体素子（２０）のゲート電圧は、専ら負のゲート電圧値から所定の閾値までに達する電圧範囲内で、前記半導体素子（１０、２０）の前記各ドレイン－ソース間経路の電圧負荷を整合調整するように調整され、前記所定の閾値は、前記各半導体素子（１０、２０）の閾値電圧を下回る、請求項１～４のいずれか一項に記載方法。
6. 前記インバータ（３０）は、少なくとも１つの第１の半導体素子（１０）と、第２の半導体素子（２０）と、からなる複数の直列回路を有し、各直列回路は、多相電気機械（５０）の相をそれぞれ制御するように構成されており、前記電池（４０）の充電中にこれら全ての半導体素子（１０、２０）の電圧負荷が低減および／または整合調整される、請求項１～５のいずれか一項に記載方法。
7. 各ゲート電圧は、少なくとも２つの半導体素子（１０、２０）からなる前記少なくとも１つの直列回路を介した総電圧降下を表す第１の電圧測定値に基づいて、かつ前記直列回路の低電位側にある前記半導体素子（１０、２０）を介した電圧降下を表す第２の電圧測定値に基づいて調整される、請求項１～６のいずれか一項に記載方法。
8. 前記低電位側の前記半導体素子（１０、２０）を介した電圧降下は、この半導体素子（１０、２０）の温度検出のために設けられたＮＴＣ抵抗の測定値に基づいて、かつこの半導体素子（１０、２０）の推定温度に基づいて特定される、請求項７に記載方法。
9. 前記各半導体素子（１０、２０）の電圧負荷の整合調整は、特にゲート電圧の変動値に基づいて特定される前記各半導体素子（１０、２０）の既存の劣化を考慮して行われる、請求項１～８のいずれか一項に記載方法。
10. インバータ（３０）の半導体素子（１０、２０）の電圧負荷を低減する装置であって、
    － 第１の半導体素子（１０）と、
    － 第２の半導体素子（２０）と、
    － 評価ユニット（６０）と、を有し、
    前記評価ユニット（６０）は、
    － 少なくとも１つの電池（４０）と、前記インバータ（３０）と、電気機械（５０）と、を有する電気系統の前記電池（４０）を充電するための要求を特定し、前記インバータ（３０）は、少なくとも１つの第１の半導体素子（１０）と、第２の半導体素子（２０）と、からなる少なくとも１つの直列回路に基づいて構成され、前記電池（４０）から供給される直流電圧（Ｕｂａｔ）を、前記電気機械（５０）に適した交流電圧（Ｕａｃ）に変換し、前記電気機械（５０）に供給し、
    － 前記第１の半導体素子（１０）のゲート電圧および／または前記第２の半導体素子（２０）のゲート電圧を、前記電池（４０）の充電中に、前記電池（４０）と、前記電気機械（５０）との間の電流の流れを略遮断するように調整し、
    － 前記第１の半導体素子（１０）および前記第２の半導体素子（２０）の各ゲート電圧を低下させることにより、前記各半導体素子（１０、２０）のゲート酸化膜の電圧負荷が低減され、
    および／または
    － 前記各半導体素子（１０、２０）のドレイン－ソース間経路の電圧負荷が互いに整合調整される、
    ように構成されている、装置。

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