JP3625692B2

JP3625692B2 - 車載用電力変換装置

Info

Publication number: JP3625692B2
Application number: JP14992899A
Authority: JP
Inventors: 博敏前川; 清治安西; 英二土屋
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1999-05-28
Filing date: 1999-05-28
Publication date: 2005-03-02
Anticipated expiration: 2019-05-28
Also published as: JP2000340740A; FR2794305B1; DE19963656A1; FR2794305A1; US6137705A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体スイッチング素子を用いた車載用電力変換装置における電気的絶縁方法と装置の小型化及び信頼性向上に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図４は、従来の車載用電力変換装置の電源構成を示す回路ブロック図で、三相交流負荷を駆動するスイッチング部に関しては、その一相分の回路のみを抜粋した図である。なお、他二相分の回路は、上記一相分の回路と同一であるので、本図では省略する（図５の全体構成を示す回路ブロック図を参照）。
同図において、１は図外の交流負荷を駆動するための高電圧系の直流電源であり、電気自動車などの用途では、一般に数十Ｖから数百Ｖの電圧が使用されている。また、上記直流電源１は、安全上の理由から車体とは電気的に絶縁されている。２は上記直流電源１の電源間に２個直列に接続され、スイッチング部の１個のアームを構成するスイッチング素子で、一般的にＩＧＢＴ（ＩｎｓｕｌａｔｅｄＧａｔｅＢｉｐｏｌａｒＴｒａｎｓｉｓｔｏｒ）に代表されるパワー素子が使用されており、後述するように、３組のアームが並列接続された構成のスイッチング動作により、上記直流電源１を三相交流電力に変換して出力する。３は上記各スイッチング素子２とペアで構成され、スイッチング時の還流電流を交流負荷または直流電源１に還元するためのフライホイールダイオードである。
４は上記各スイッチング素子２を駆動するとともに、上記各スイッチング素子２を過熱や短絡電流等から保護するためのスイッチング素子の駆動・保護回路で、フォトカプラ８を介して、マイクロコンピュータ（以下、マイコンと略す）５の駆動信号出力ポートとスイッチング異常信号入力のポートとに接続されている。なお、１０はスイッチング時のリップル電流を平滑するための平滑用コンデンサである。また、上記マイコン５の駆動電源は、低電圧系の直流電源６より供給され、一般的な定電圧レギュレータ回路７で作られた５Ｖを使用している。
【０００３】
このように、電気自動車やハイブリッド電気自動車の場合には、一般的に２種類の直流電源構成となっている。すなわち、低電圧系の直流電源６は、通常の車載用途で使用される１２Ｖ電圧バッテリが流用されており、電源のＧＮＤ電位は車体の電位と共通となるように、ボディアースされている。
また、高電圧系の直流電源１は、一般的に高電庄であることから、車体とは完全に電気絶縁された状態で使用される場合が多く、感電防止等の安全上の問題やスイッチング素子２の動作原理上（動作基準電位の違い）から、絶縁処理用素子を用いて、上記駆動・保護回路４と上記マイコン５との間に電気的な絶縁処理を行っている。上記絶縁処理用素子としては、一般的に比較的安価で入手性のよいフォトカプラ（光半導体）８が使用される場合が多い。
なお、以下では、上記ボディアースを符号Ｚで示す。
【０００４】
次に、図５の車載用電力変換装置の全体回路ブロック図について説明する。なお、図４と同符号のものは、同じ機能を有する。
車載用電力変換装置の主回路である高電圧系を構成する電力変換装置９は、直流電源１と、平滑用コンデンサ１０と、３組並列に接続された６個のスイッチング素子２と６個のフライホイールダイオード３で構成されたスイッチング部とを備え、平滑用コンデンサ１０の端子間でスイッチング時のリップル電流が平滑された直流電圧を三相交流電圧に変換（逆変換）し、負荷となる交流電動機等の三相交流負荷１１に可変電圧可変周波数の三相交流電力を供給する。上記スイッチング素子２には、一般的にＩＧＢＴが使用される場合が多く、同図において、Ｇはゲート、Ｃはコレクタ、Ｅはエミッタを表す。
スイッチング素子の駆動・保護回路４は、通常、上記電力変換装置９とは分離されて設けられた交流負荷制御回路である制御演算装置１２からの駆動信号を電流増幅した後、上記各スイッチング素子をオン（導通）・オフ（遮断）することで、直流電源１の直流電力を可変電圧可変周波数の三相交流電力に変換するのに必要なスイッチング動作を行わせるもので、ＰＷＭ制御に代表されるデジタル信号による駆動方法が多く使用されている。また、上記駆動・保護回路４は、スイッチング素子２の過熱や短絡電流等を図外のセンサで検知し、上記センサ信号に基づいて上記スイッチング素子２を保護する働きを持つ。このため、制御演算装置１２は、一般的に交流負荷制御演算を行うためのマイコン５を内蔵し、電流検出器１３で検出した三相交流負荷１１の各相電流や車両制御装置１４からの三相交流負荷トルク制御指令信号、その他アラーム信号などを取り込み、種々の保護機能を備えた電力変換装置９を制御するようにしている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
従来の車載用電力変換装置は以上のように構成されているので、安全上、または動作原理上、スイッチング素子の駆動・保護回路４と制御演算装置１２との間を電気的に絶縁する必要がある。上記絶縁処理用素子としては、一般的に光半導体素子から成るフォトカプラ８を使用している場合が多い。
しかしながら、このフォトカプラ８は、光半導体の性質・構造上、車載等の温度サイクルの厳しい過酷な環境下で使用すると光結合部のシール性が劣化し、一次側と二次側の結合度（増幅度）が低下する。また、最悪の場合、一次側と二次側が結合されず、信号伝達ができなくなる等の信頼性（製品寿命）の点での問題があった。また、絶縁のための信号変換行程（電気信号→光信号→電気信号）が必要となるため、入力信号と出力信号の間に遅延時間や波形のなまりが発生し、ＰＷＭ駆動に必要なスイッチング時間幅が確保されない等の制約があった。
【０００６】
この発明は、かかる問題点を解決するためになされたもので、スイッチング時間の遅れや波形なまりを改善し、車載等の過酷な使用環境下においても信頼性の高い電力変換装置を得るとともに、高電圧回路の集約化と電力変換制御回路の小型化を図ること目的としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明に係わる車載用電力変換装置は、スイッチング素子の駆動・保護回路と制御演算装置とを、絶縁機能を有し、上記駆動・保護回路と上記制御演算装置との間の信号伝達を行う信号伝達手段を介して同一基板上に形成するとともに、上記基板と、上記スイッチング素子と上記平滑用コンデンサとで構成される電力変換部とを同一モジュールで構成したものである。
【０００８】
請求項２の発明に係わる車載用電力変換装置は、上記信号伝達手段を、フォトカプラのような絶縁素子ではなく、ＨＶＩＣ（ＨｉｇｈＶｏｌｔａｇｅＩｎｔｅｇｒａｔｅｄＣｉｒｃｕｉｔ；高耐圧の半導体集積回路）により構成したものである。
【０００９】
請求項３の発明に係わる車載用電力変換装置は、同一基板上に形成されたスイッチング素子の駆動・保護回路と制御演算装置のそれぞれの電源ＧＮＤを、スイッチング素子の電源ＧＮＤと共通としたものである。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図面に基づき説明する。
なお、以下の説明中、従来例と共通する部分については同一符号を用いて説明する。
実施の形態１．
図１は、本発明の車載用電力変換装置の電源構成を示す回路ブロック図で、三相交流負荷を駆動するスイッチング部に関しては、その一相分の回路のみを抜粋した図である。
図１において、１は高電圧系の直流電源、２はＩＧＢＴから成るスイッチング素子、３はフライホイールダイオード、４はスイッチング素子の駆動・保護回路、１０は平滑用コンデンサ、１２は交流負荷制御演算を行うためのマイコン５と低電圧系の直流電源６とを備えた制御演算装置、１５は上記制御演算装置１２とを絶縁する機能を有するとともに、上記駆動・保護回路４と上記制御演算装置１２との間の信号伝達を行う信号伝達手段であるＨＶＩＣ、１６は上記マイコン５に電圧を供給するための絶縁電源である。
本実施の形態の車載用電力変換装置は、従来の装置に対して、スイッチング素子の駆動・保護回路４と交流負荷制御回路である制御演算装置１２に内蔵されているマイコン５との絶縁処理用素子であるフォトカプラ８を廃止し、ＨＶＩＣ（ＨｉｇｈＶｏｌｔａｇｅＩｎｔｅｇｒａｔｅｄＣｉｒｃｕｉｔ；高耐圧の半導体集積回路）１５を使用している点と、マイコン５の電源ＧＮＤを高電圧系の直流電源１のＧＮＤと共通にするとともに、マイコン５用電源に、低電圧系の直流電源から５Ｖ電圧を得る絶縁電源１６を用いることで、最小限に車体との電気絶縁を構成している点が大きく異なっている。
【００１１】
ＨＶＩＣは、一般的には、ＮｃｈＭＯＳで低電圧系から高電圧系へ、ＰｃｈＭＯＳで高電圧系から低電圧系へ信号レベルのシフトを行う周知の高耐圧の半導体集積回路であり、ＪＩ形、ＤＩ形と呼ばれている構造が多く用いられている。上記ＨＶＩＣは、ＭＯＳゲート相当の絶縁抵抗が確保できることから、産業・民生分野においては、絶縁機能を有する信号伝達手段として実用化されている。
ＨＶＩＣは、図２の等価回路ブロック図に示すように、接続点ａを介してマイコン５の出力ポートと接続される高耐圧のＮｃｈＭＯＳ（ＨＶＮｃｈＭＯＳ）を備えたＯＮ回路１５ａ及びＯＦＦ回路１５ｂと、上記ＯＮ回路１５ａ及びＯＦＦ回路１５ｂからの出力に応じて作動するＳＲ−ＦＦ（スレーブ・フリップフロップ）１５ｃとを備え、マイコン５からの信号をスイッチング素子の駆動・保護回路４へ伝達する第１の信号伝達回路１５Ａと、接続点ｂを介して上記駆動・保護回路４の出力側と接続されるＨＶＰｃｈＭＯＳを備えたＯＮ回路１５ｄ及びＯＦＦ回路１５ｅと、上記ＯＮ回路１５ｄ及びＯＦＦ回路１５ｅからの出力に応じて作動するＳＲ−ＦＦ１５ｆとを備え、上記駆動・保護回路４からの信号をマイコン５へ伝達する第２の信号伝達回路１５Ｂとから構成され、上記駆動・保護回路４とマイコン５とを絶縁する機能を有するとともに、上記駆動・保護回路４とマイコン５との間の信号伝達を行う。
【００１２】
すなわち、第１の信号伝達回路１５Ａでは、接続点ａから入力された入力パルスの立ち上がりエッジでＯＮ回路１５ａが作動し、立ち下がりエッジでＯＦＦ回路１５ｂが作動することにより２系統の信号を作り、後段のＳＲ−ＦＦ１５ｃを作動させる。ＯＮ回路１５ａのＨＶＮｃｈＭＯＳがオンすることで、ＳＲ−ＦＦ１５ｃがセットされ、駆動・保護回路４との接続点ｂの電位がＨｉｇｈになり、ＯＮ回路１５ｂのＨＶＮｃｈＭＯＳがオンすることで、ＳＲ−ＦＦ１５ｃがリセットされ、上記ｂ点の電位がＬｏｗになることにより、マイコン５からの信号がスイッチング素子の駆動・保護回路４へ伝達される。
第２の信号伝達回路１５Ｂは、上記第１の信号伝達回路１５Ａにおいて、高耐圧のＭＯＳがＮｃｈＭＯＳからＰｃｈＭＯＳに変わっただけであり、同様の動作を行い、スイッチング素子の駆動・保護回路４からの信号をマイコン５へ伝達する。
【００１３】
次に、上記構成の車載用電力変換装置の動作について説明する。
マイコン５は、制御演算装置１２に内蔵され予め定められたパターンでＰＷＭ信号を出力し、ＨＶＩＣ１５を介してスイッチング素子駆動・保護回路４をオン（導通）・オフ（遮断）することで、スイッチング素子２を駆動して、高電圧系の直流電源１を可変電圧可変周波数の三相交流電力に変換（逆変換）する。また、スイッチング素子２が過熱や短絡電流などの異常を発生した時には、スイッチング素子駆動・保護回路４内部にて、スイッチング素子２へのゲート信号を遮断するなどの処理を行い、同時に、上記異常が発生したことをＨＶＩＣ１５を介してマイコン５に伝達する。
このように、本実施の形態の車載用電力変換装置は、ＧＮＤレベルの異なる素子間の信号伝達にＨＶＩＣ１５を使用しているため、フォトカプラを使用しなくても、マイコン５のＧＮＤを高電圧系の直流電源１のＧＮＤと共通にすることができるので、電力変換制御回路を小型化することができる。
【００１４】
実施の形態２．
図３は、本発明の車載用電力変換装置の全体回路ブロック図を示している。なお、図３において、上記図１と同符号のものは、同様の機能を有する。
本発明の車載用電力変換装置は、従来の装置に対して、交流負荷制御回路である制御演算装置１２を電力変換装置９に内蔵し、上記制御演算装置１２とスイッチング素子の駆動・保護回路４とを同一基板上に形成する構成としている。更に、上記実施の形態１で説明したように、マイコン５を含んだ制御演算装置１２の大半の回路のＧＮＤ電位が、スイッチング素子２のアームのＬｏｗ側の基準電位、すなわち高電圧系の直流電源１のＧＮＤ電位と共通になるようにしているので、トリプルブリッジに回路構成された６個のスイッチング素子２を、フォトカプラのような電気絶縁素子を使用しなくても、あたかも同電位コモンであるかのように信号伝達することが可能になる。
また、スイッチング素子２の過熱や短絡電流などの異常発生時には、スイッチング素子２のオンチップ上に形成されたセンサの信号により、スイッチング素子の駆動・保護回路４内部にて異常処理するとともに、異常が発生したことをＨＶＩＣ１５を介してマイコン５に伝達するようにしている。
したがって、通常、電力変換装置９とは分離された車両制御装置１４との制御指令信号の伝達部分で一括して電気的な絶縁を行うことにより、高電圧回路の集約と電力変換制御回路の小型化を実現することができる。
【００１５】
また、従来のフォトカプラに代えて、ＨＶＩＣ１５を使用したことで、絶縁処理時における電気信号から光信号などの変換行程がないことから、信号伝達速度が大幅に向上し、スイッチングパルス幅を有効に利用することができ、ＰＷＭ制御範囲が拡大する。
更に、電力変換装置９にマイコン５を含んだ制御演算装置１２を配置したことでスイッチング素子２のオンチップ上に形成されたセンサの学習制御機能や上記センサ信号を用いての保護機能等を容易に付加でき、高機能な電力変換装置となっている。なお、ＨＶＩＣ１５は、完全な電気絶縁にはならないため、安全上、外部の車両制御装置１４との間に電気絶縁素子１７が必要となるが、外部の車両制御装置１４との信号伝達方法を一般的なシリアル通信、またはＬＡＮ形式にすることで信号伝達の本数を減少すればよい。このことは、車両配線の削減に寄与し、コネクタ接触不良等の確率が減少することから信頼性向上にも繋がる。上記電気絶縁素子１７には、例えばパルストランスのような磁気結合素子を使用すればよい。
【００１６】
なお、上記実施の形態１，２においては、スイッチング素子２として、一般的なＩＧＢＴを使用した例を示したが、バイポーラトランジスタやＭＯＳＦＥＴ等のパワー素子を使用しても、同様の効果が得られることは明らかである。
【発明の効果】
【００１７】
以上説明したように、請求項１に記載の発明によれば、スイッチング素子駆動・保護回路と制御演算装置とを、絶縁機能を有する信号伝達手段を介して、同一基板上に形成するとともに、上記基板と、上記スイッチング素子と上記平滑用コンデンサで構成される電力変換部とを同一モジュールで構成することにより、信号伝達距離を短くでき、回路を小容量化することができるので、車載用電力変換装置自体を小型化することができるとともに、装置のＥＭＣ特性を向上させことができる。
【００１８】
請求項２に記載の発明によれば、上記信号伝達手段を、ＨＶＩＣにより構成したので、車載等の過酷な環境下においても信頼性の高い電力変換装置を得ることができるとともに、スイッチング時間の遅延や波形なまりを改善することができるので、ＰＷＭ制御波形のデューテイ領域を広く使用でき、制御領域を拡大することができる。
【００１９】
請求項３に記載の発明によれば、同一モジュール内に形成されたスイッチング素子の駆動・保護回路と制御演算装置のそれぞれの電源ＧＮＤを、スイッチング素子の電源ＧＮＤと共通としたので、高電圧回路の集約と電力変換装置自体の小型化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施の形態に係わる車載用電力変換装置の電源回路ブロック図である。
【図２】ＨＶＩＣの等価回路ブロック図である。
【図３】本実施の形態に係わる車載用電力変換装置の全体回路ブロック図である。
【図４】従来の車載用電力変換装置の電源回路ブロック図である。
【図５】従来の車載用電力変換装置の全体回路ブロック図である。
【符号の説明】
１高電圧系の直流電源、２スイッチング素子、３フライホイールダイオード、４スイッチング素子の駆動・保護回路、５マイクロコンピュータ、
６低電圧系の直流電源、９電力変換装置、１０平滑用コンデンサ、
１１三相交流負荷、１２制御演算装置、１３電流検出器、１４車両制御装置、１５ＨＶＩＣ、１６絶縁電源、１７電気絶縁素子。

Claims

直流電源の平滑用コンデンサと、２個のスイッチング素子を直列接続したアームを、上記直流電源間に３組並列に接続して成るスイッチング部と、上記各スイッチング素子を駆動及び保護する駆動・保護回路と、交流負荷制御回路である制御演算装置と、上記駆動・保護回路と上記制御演算装置とを絶縁する機能を有するとともに、上記駆動・保護回路と上記制御演算装置との間の信号伝達を行う信号伝達手段とを備え、直流電力を交流電力に変換して出力する車載用電力変換装置において、上記スイッチング素子の駆動・保護回路と上記制御演算装置とを上記信号伝達手段を介して同一基板上に形成するとともに、上記基板と、上記スイッチング素子と上記平滑用コンデンサとで構成される電力変換部とを同一モジュールで構成したことを特徴とする車載用電力変換装置。
上記信号伝達手段を、高耐圧の半導体集積回路により構成したことを特徴とする請求項１記載の車載用電力変換装置。
スイッチング素子の駆動・保護回路と制御演算装置のそれぞれの電源ＧＮＤを、スイッチング素子の電源ＧＮＤと共通としたことを特徴とする請求項１または請求項２記載の車載用電力変換装置。