JP3899942B2

JP3899942B2 - 交流発電電動機用インバータ

Info

Publication number: JP3899942B2
Application number: JP2002014727A
Authority: JP
Inventors: 公壽辻; 茂上西
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2002-01-23
Filing date: 2002-01-23
Publication date: 2007-03-28
Anticipated expiration: 2022-01-23
Also published as: JP2003219677A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば自動車に適用され、始動時にエンジンを起動する交流電動機（スタータモータ）として使用され、エンジン起動後にバッテリーを充電する等の役割を果たす発電機（オルタネータ）として使用される交流発電電動機のために用いられるインバータに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図５は、従来の交流発電電動機用インバータの回路構成図である。この図５において、１０は自動車に搭載された三相交流発電電動機、１２はバッテリーである。この三相交流発電電動機１０とバッテリー１２との間にインバータが接続されている。
【０００３】
インバータの接続構成を説明すると、まず、三相交流発電電動機１０とバッテリー１２との間に、電流センサ１４，１５，１６を介して上アームのスイッチング素子２０，２１，２２が接続され、同間に、一端が接地されたコンデンサ２４を介して下アームのスイッチング素子２６，２７，２８が接続されている。なお、上下アームのスイッチング素子２０〜２２と２６〜２８は、ＭＯＳ(Metal Oxide Semiconductor)型のＦＥＴ(Field Effect Transistor)であり、このＦＥＴのソース−ドレイン間に形成されたボディダイオードを備えている。
【０００４】
さらに、上アームのスイッチング素子２０〜２２の各ゲートと、下アームのスイッチング素子２６〜２８の各ゲートに、バッファ３０〜３２、３４〜３６を介してゲート駆動回路４０，４１，４２が接続されている。このゲート駆動回路４０〜４２には、ゲート駆動用電源４４および制御回路４６が接続されており、制御回路４６にホールセンサ４８と電流センサ１４〜１６が接続されて構成されている。なお、制御回路４６には、力行、発電切換、および励磁調整の各制御信号が入力されるようになっている。
【０００５】
このような構成において、自動車の始動時にバッテリー１２からの直流電流がインバータで三相交流電流に変換されて三相交流発電電動機１０へ供給されると、三相交流発電電動機１０がスタータモータとして動作することによりエンジンが起動する。
【０００６】
一方、エンジンの起動後は、三相交流発電電動機１０が発電機として動作し、この発電によって生成される三相交流電流がインバータで直流電流に変換され、この直流電流がバッテリー１２に充電されるようになっている。
【０００７】
制御回路４６は、力行、発電切換、および励磁調整の各制御信号の入力に応じて力行、発電切換、および励磁調整の各制御を行う。この制御は、ゲート駆動回路４０〜４２を制御することにより上下アームのスイッチング素子２０〜２２，２６〜２８をＯＮ／ＯＦＦして行う。
【０００８】
また、三相交流発電電動機１０を電動機または発電機として作動させる場合に、制御回路４６は、ホールセンサ４８で検出される三相交流発電電動機１０の回転角や、電流センサ１４〜１６で検出される電流値に応じて、ゲート駆動回路４０〜４２を介して上下アームのスイッチング素子２０〜２２，２６〜２８をＯＮ／ＯＦＦする。
【０００９】
なお、この種の交流発電電動機用インバータの公知例として、特開２００１−１１９９７９号公報が挙げられる。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記従来のインバータにおいては、ゲート駆動用にゲート駆動用電源４４が必要であり、また三相交流発電電動機１０の過電流検出および回転制御に高価な電流センサ１４〜１６が必要であり、さらに過電流、過電圧、過熱等の保護機能を制御基板上に設ける必要がある。これらの理由からインバータの大型化並びに高コスト化を招くという問題がある。
【００１１】
そこで本発明は、小型で低コストな交流発電電動機のインバータを提供することを課題とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
このような課題を解決するために、本発明の交流発電電動機用インバータは、交流発電電動機と充放電手段との間に接続され、交流発電電動機を電動機として動作させる際には三本の第１アームと三本の第２アームの各アームにそれぞれ設けられたスイッチング素子を制御することにより充放電手段からの直流電力を三相交流電力に変換して交流発電電動機に電力を供給し、交流発電電動機を発電機として動作させる際には複数のスイッチング素子にそれぞれ形成されているボディダイオードを利用して交流発電電動機で発生した交流電力を直流電力に変換し充放電手段に出力する交流発電電動機用インバータにおいて、第１アームに設けられた各スイッチング素子が、スイッチング動作を行う第１のトランジスタを備えると共に、チャージポンプ、過電流検出および過熱検出の各機能を実行する手段を有する多機能スイッチング素子であり、第２アームに設けられた各スイッチング素子が、第２のトランジスタであることを特徴とする。
【００１３】
更に、この交流発電電動機用インバータは、スイッチング動作を行う第３トランジスタを備えると共に、チャージポンプ、過電流検出および過熱検出の各機能を実行する手段を有する多機能スイッチング素子が励磁コイルに直列接続された励磁回路を備え、前記過熱検出手段による過熱検出出力に基づいて第３トランジスタをオフする制御回路を備えたことを特徴とする。
【００１４】
この構成によれば、第１のトランジスタを備える多機能スイッチング素子は、過電流検出機能および過熱検出機能を備えるので、各アームのスイッチング素子に過電流が流れたときや、過熱状態となったときに、この検出信号に基づいてたとえば制御手段で第１のトランジスタをオフすることにより、交流発電電動機の電流経路を遮断することができる。また、この多機能スイッチング素子にチャージポンプ機能が備わっているので、多機能スイッチング素子自体で、ゲート駆動用電源の確保が可能となる。
【００１５】
更に、第３のトランジスタを備える多機能スイッチング素子の周囲温度が上昇して高温となった場合に、この多機能スイッチング素子が過熱検出を行うことによって自己のトランジスタをオフとし、これによって交流発電電動機の励磁を停止させるので、ボディダイオードを含むスイッチング素子の熱破壊を防止することができる。
【００１６】
本発明の交流発電電動機用インバータにおいては、第２トランジスタは、三相交流電力の基本波形を生成するための第１信号とパルス幅変調を行うための第２信号との論理積により得られる第３信号によりスイッチング制御されることが望ましい。
【００１７】
第１信号のスイッチング制御により、各アームのスイッチング素子は上アームのいずれか一つと下アームのいずれか一つを選択的に直列接続する。したがって、下アームの第２トランジスタを第１信号と第２信号との論理積である第３信号でスイッチング制御すれば、第２信号のパルス幅変調を適切に調整することにより、交流発電電動機の負荷電流を高精度に制御することができる。なお、多機能スイッチング素子は、チャージポンプ機能を有するために自己の第１トランジスタを高速にスイッチングして負荷電流をパルス幅変調することは難しいが、第２トランジスタはパルス幅変調を行える程度高速にスイッチングすることが可能である。
【００１８】
【発明の実施の形態】
図１は第１実施形態にかかる三相交流発電電動機用インバータの回路構成図である。この図１において、１０は自動車のスタータモータおよびオルタネータととして機能する三相交流発電電動機、１２は充放電手段であるバッテリーである。この三相交流発電電動機１０とバッテリー１２との間に、第１実施形態の交流発電電動機用インバータが接続されている。
【００１９】
インバータの接続構成を説明すると、まず、三相交流発電電動機１０とバッテリー１２のプラス端子との間には、上アームのスイッチング素子であるＩＰＤ(Intelligent Power Device)５０，５１，５２が接続されている。ＩＰＤ５０〜５２はいわゆる多機能スイッチング素子であり、ＭＯＳ型のＦＥＴ５０ａ〜５２ａと、このＦＥＴ５０ａ〜５２ａのソース−ドレイン間に実質的に形成されているボディダイオード５０ｂ〜５２ｂとを備え、この他、チャージポンプによるゲート昇圧駆動機能、過電流および過熱検出機能のための回路を備える。過電流および過熱検出は、ＦＥＴ５０ａ〜５２ａの過電流および過熱を検出するものであり、これは、三相交流発電電動機１０を電動機として動作させたときの過電流および過熱検出を行うことになる。
【００２０】
三相交流発電電動機１０と接地点との間には、下アームのスイッチング素子２６，２７，２８が接続されている。スイッチング素子２６，２７，２８はＭＯＳ型のＦＥＴ２６ａ〜２８ａであり、このＦＥＴ２６ａ〜２８ａのソース−ドレイン間に実質的に形成されているボディダイオード２６ｂ〜２８ｂを備える。
【００２１】
下アームのスイッチング素子２６〜２８のゲート端子には、バッファ３４，３５，３６および論理積回路５４，５５，５６を介してＰＷＭ(Pulse Width Modulation)駆動回路５８の出力端子とゲート制御回路６０のゲート駆動信号出力端子が接続されている。また、上アームのＩＰＤ５０，５１，５２の制御信号入力端子には反転素子１００〜１０２を介してゲート制御回路６０のゲート駆動信号出力端子が接続されている。
【００２２】
さらに、バッテリ１２のプラス端子と接地点との間、すなわち、実質的にはバッテリ１２のプラス端子とマイナス端子の間には、励磁コイル６２とＩＰＤ６６のＭＯＳトランジスタ６６ａとの直列回路を有する励磁回路が接続されている。ＩＰＤ６６の電流モニタ出力端子は抵抗６８を介して接地されると共に、ＩＰＤ６６のゲート駆動端子に接続されている。なお、励磁コイル６２にはダイオード６４が並列接続されている。
【００２３】
ゲート制御回路６０は、力行、発電切換、および励磁調整の各制御信号の入力に応じて力行、発電切換、および励磁調整の各制御を行う。さらに、ゲート制御回路６０は、三相交流発電電動機１０を電動機として作動させる場合に、ホールセンサ４８で検出される三相交流発電電動機１０の回転角や、ＩＰＤ５０〜５２で検出（電流モニタ）される電流値に応じて、ＩＰＤ５０〜５２およびスイッチング素子２６〜２８をＯＮ／ＯＦＦする。
【００２４】
このような構成のうち本実施形態のインバータには、次に記述する３つの特徴がある。
【００２５】
１つ目の特徴は、上アームのスイッチング素子にＩＰＤ５０〜５２を用いたことにある。ＩＰＤ５０〜５２は、上記の各機能を有することから、それ自体で、ゲート駆動用電源が確保される。また、過電流および過熱検出機能を備えるので、過電流または過熱検出時に、この検出を示す過電流値がゲート制御回路６０へ出力され、この過電流値に応じたゲート制御回路６０の制御によってＩＰＤ５０〜５２のＦＥＴがＯＦＦされ、三相交流発電電動機１０の電流経路が遮断される。
【００２６】
これは、図２に波線枠７２で囲むように、三相交流発電電動機１０のリアクトルを介してＩＰＤ５２のＦＥＴ５２ａとスイッチング素子２７のＦＥＴ２７ａとが直列に接続された構造となっているので電流経路が遮断されるものである。この遮断機能を以降ＩＰＤの保護機能という。
【００２７】
２つ目の特徴は、ＰＷＭ駆動回路５８を用いたことにある。ＰＷＭ駆動回路５８は、パルス幅変調により得た複数回の「Ｌ」／「Ｈ」を繰り返すＰＷＭ駆動信号を生成して論理積回路５４〜５６に供給する。
【００２８】
論理積回路５４〜５６には図３（ａ）に示すようなゲート駆動信号（第１信号）とＰＷＭ駆動回路５８からのＰＷＭ駆動信号（第２信号）とが入力されるので、論理積回路５４〜５６の出力信号（第３信号）は、図３（ｂ）に示すように、ゲート駆動信号が「Ｈ」のときにＰＷＭ駆動信号による「Ｌ」／「Ｈ」を繰り返す。この出力信号（第３信号）はスイッチング素子２６〜２８のＦＥＴのゲート端に供給され、これによって、スイッチング素子２６〜２８のＦＥＴが高速にスイッチング動作する。
【００２９】
たとえば、ＩＰＤ５２のＦＥＴ５２ａが三相交流発電電動機１０のリアクトルを介してスイッチング素子２７のＦＥＴ２７ａに直列に接続された電流経路を例に挙げると、ＩＰＤ５２のＦＥＴ５２ａが動作状態となっている時に、スイッチング素子２７が高速にスイッチング動作を行い、三相交流発電電動機１０の負荷電流が高精度に制御される。
【００３０】
ＩＰＤは、半導体内部の小さな容量によるチャージポンプを備えるため、そのチャージポンプが制約となり「Ｌ」／「Ｈ」の変化時の応答性が低く、負荷電流を高精度に制御することはできない。しかし、下アームのスイッチング素子は、上記のように高速にスイッチングすることが可能なので、負荷電流を高精度に制御することがでいる。
【００３１】
３つ目の特徴は、サーマルプロテクション機能を備えるＩＰＤ６６を、三相交流発電電動機１０の励磁回路に接続したことにある。三相交流発電電動機１０を発電機（オルタネータ）として動作させるときには、ＩＰＤ５０〜５２のボディダイオード５０ｂ〜５２ｂおよびスイッチング素子２６〜２８のボディダイオード２６ｂ〜２８ｂが整流用のダイオードとして利用され、本実施形態のインバータは実質的に図４のような回路構成となる。
【００３２】
オルタネータ専用のレクチ用（整流用）ダイオードの場合、オルタネータ内部のファンによって冷却されるように配置することが容易であるため、発熱時の保護は考慮されていない。しかし、交流発電電動機用インバータのスイッチング素子に付随するボディダイオードを利用して整流をする場合には、構造・配置的に冷却が容易ではないため、過熱破壊を起こす可能性が高い。そのため、サーマルプロテクションを行う必要がある。
【００３３】
そこで、励磁コイル６２に対してプロテクション機能を有するＩＰＤ６６を直列接続した。なお、ダイオード６４は、ＩＰＤ６６内のＭＯＳトランジスタ６６ａのＯＦＦ時にコイル６２に生じる起電力を逃がすために接続したものである。
【００３４】
このように構成すれば、交流発電電動機のケーシング内に配置された励磁回路部の温度が上昇すれば、ＩＰＤ６６で過熱が検出されて、ＩＰＤ６６のゲート駆動信号端子に供給される。これによって、ＩＰＤ６６のＦＥＴがＯＦＦとなり、励磁コイル６２に流れる電流が遮断され、発電機１０の励磁が停止する。
【００３５】
【発明の効果】
以上のように、本発明の交流発電電動機用インバータによれば、各アームのスイッチング素子に過電流が流れたときや、過熱状態となったときに、多機能スイッチング素子自身が出力する過電流検出信号あるいは過熱検出信号に基づいて自身のトランジスタをオフし、交流発電電動機の電流経路を遮断することができる。したがって、特別な保護機能手段を別途設ける必要が無く、小型化およびコスト低減を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態にかかる三相交流発電電動機用インバータの回路構成図である。
【図２】三相交流発電電動機のリアクトルを介して上アームのＩＰＤのＦＥＴと、下アームのスイッチング素子のＦＥＴとが直列接続された電流経路を示す図である。
【図３】ゲート駆動信号およびゲート駆動信号とＰＷＭ駆動信号との論理積信号を示すタイミング図である。
【図４】三相交流発電電動機に接続されたボディダイオードと、このボディダイオードに接続されたサーマルプロテクション機能を有するＩＰＤを示す図である。
【図５】従来の交流発電電動機用インバータの回路構成図である。
【符号の説明】
１０…三相交流発電電動機、１２…バッテリー、２６〜２８…下アームのスイッチング素子、３４〜３６…バッファ、５０〜５２…上アームのスイッチング素子であるＩＰＤ、５４〜５６…論理積回路、５８…ＰＷＭ駆動回路、６０…ゲート制御回路、６２…コイル、６４…ダイオード、６６…ＩＰＤ、６８…抵抗器、８７，１００，１０１，１０２…論理反転回路。

Claims

交流発電電動機と充放電手段との間に接続され、
前記交流発電電動機を電動機として動作させる際には三本の第１アームと三本の第２アームの各アームにそれぞれ設けられたスイッチング素子を制御することにより前記充放電手段からの直流電力を三相交流電力に変換して前記交流発電電動機に電力を供給し、前記交流発電電動機を発電機として動作させる際には前記複数のスイッチング素子にそれぞれ形成されているボディダイオードを利用して前記交流発電電動機で発生した交流電力を直流電力に変換し前記充放電手段に出力する交流発電電動機用インバータにおいて、
前記第１アームに設けられた各スイッチング素子が、スイッチング動作を行う第１のトランジスタを備えると共に、チャージポンプ、過電流検出および過熱検出の各機能を実行する手段を有する多機能スイッチング素子であり、
前記第２アームに設けられた各スイッチング素子が、第２のトランジスタであり、
更に、スイッチング動作を行う第３トランジスタを備えると共に、チャージポンプ、過電流検出および過熱検出の各機能を実行する手段を有する多機能スイッチング素子が励磁コイルに直列接続された励磁回路を備え、前記過熱検出手段による過熱検出出力に基づいて前記第３トランジスタをオフする制御回路を備えた
ことを特徴とする交流発電電動機用インバータ。
前記第１のトランジスタを備える多機能スイッチング素子の過電流および過熱検出時に前記第１のトランジスタをオフする制御手段を備えたことを特徴とする請求項１に記載の交流発電電動機用インバータ。
前記第２トランジスタは、前記三相交流電力の基本波形を生成するための第１信号とパルス幅変調を行うための第２信号との論理積により得られる第３信号によりスイッチング制御されることを特徴とする請求項１に記載の交流発電電動機用インバータ。