JP4655056B2 - スイッチング素子の駆動装置 - Google Patents

Description

本発明は、電圧駆動形のスイッチング素子の導通制御端子に出力する電圧を可変設定可能な電圧印加手段を備えて前記スイッチング素子を駆動するスイッチング素子の駆動装置に関する。

この種の駆動装置としては、例えば下記特許文献１に見られるように、３相モータの制動制御時、インバータの下側アームのＭＯＳトランジスタ（スイッチング素子）を全てオン状態とすることで３相モータの全相を短絡させ、これによりモータの回転エネルギを減衰させるものも提案されている。そして、制動制御時においては、トランジスタのゲート（導通制御端子）に印加する電圧を低下させる。これにより、トランジスタの駆動回路を流れる電流を低減することができ、ひいては駆動回路の発熱量を低減することができる。
特開２００４−２２２４２０号公報

ところで、上記駆動装置では、トランジスタをオフ状態からオン状態へと切り替える際に、ゲート電圧に出力する電圧を低下させると、ゲートに印加される電圧が一時的に不定となるおそれがある。

更に、一般に、トランジスタのゲートに印加される電圧の絶対値が大きいほど、トランジスタのソース及びドレイン間の電力損失（導通損失）を低減することができる。一方、トランジスタのゲートに印加される電圧の絶対値が大きいほど、トランジスタのオフ状態からオン状態への切り替えやオン状態からオフ状態への切り替えに伴って生じるサージノイズが増大する傾向にある。このため、トランジスタの導通損失を低減することとサージノイズを低減することとは互いにトレードオフの関係となっており、双方を低減することは困難であった。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、その目的は、電圧駆動形のスイッチング素子の導通制御端子に出力する電圧を可変設定可能な電圧印加手段を備えて前記スイッチング素子を駆動するに際し、導通制御端子に印加される電圧が不定となることを好適に回避することのできるスイッチング素子の駆動装置を提供することにある。また、本発明の目的は、電圧駆動形のスイッチング素子の導通制御端子に出力する電圧を可変設定可能な電圧印加手段を備えて前記スイッチング素子を駆動するに際し、スイッチング素子の導通損失とサージノイズとの双方を好適に低減することのできるスイッチング素子の駆動装置を提供することにある。

以下、上記課題を解決するための手段、及びその作用効果について記載する。

請求項１記載の発明は、前記スイッチング素子が、回転機の電力変換回路に備えられるものであり、前記導通制御端子の駆動信号に関する情報に基づき、前記スイッチング素子のオン状態及びオフ状態のいずれか一方の期間内に前記出力する電圧の変更を完結させる完結手段と、前記回転機の回転状態及び前記電力変換回路の過去の操作状態の少なくとも一方に基づき、現在のスイッチング状態の継続時間を推定する手段とを備え、前記導通制御端子の駆動信号に関する情報は、前記推定される継続時間に関する情報を含むことを特徴とする。

上記発明では、完結手段を備えるために、スイッチング素子のオン状態とオフ状態との間の切り替え時に上記出力する電圧が変化することを回避することができる。このため、導通制御端子に印加される電圧が不定となることを確実に回避することができる。
ところで、電力変換回路のスイッチング状態は、回転機の回転状態と相関を有する。また、電力変換回路の過去の操作状態によれば、現在の操作状態を推定することが可能となる。上記発明では、この点に着目し、これらに基づき現在のスイッチング状態の継続時間を推定する。このため、スイッチング状態が切り替えられるタイミングを予測することができ、ひいては、スイッチング素子のオン状態とオフ状態との間の切り替え時に上記出力する電圧を変更することを回避することができる。

請求項３記載の発明は、請求項１または２記載の発明において、前記導通制御端子に印加する電圧を変更する要求に基づき前記電圧印加手段を操作することで前記出力する電圧を変更する変更手段を更に備え、前記完結手段は、前記変更する要求が生じるとき、前記変更手段による前記出力する電圧の変更を、前記オン状態とオフ状態との切り替わり期間を回避して行わせることを特徴とする。

上記発明では、導通制御端子に印加する電圧を変更する要求があるとき、オン状態及びオフ状態間の切り替わり期間を回避して変更が行われる。このため、導通制御端子の電圧が一時的に不定となることを回避しつつも要求に適切に応じることができる。

請求項４記載の発明は、前記導通制御端子の駆動信号に関する情報に基づき、前記スイッチング素子のオン状態及びオフ状態のいずれか一方の期間内に前記出力する電圧の変更を完結させる完結手段を備え、前記完結手段は、前記スイッチング素子がオン状態に切り替わった後に前記出力する電圧の絶対値を増大させることを特徴とする。

スイッチング素子がオン状態に切り替わる際には、サージノイズが生じる。サージノイズは、導通制御端子に出力される電圧の絶対値が大きいほど大きくなる。この点、上記発明では、スイッチング素子がオン状態に切り替わった後に導通制御端子に出力される電圧の絶対値を増大させるために、オン状態への切り替え時のサージノイズを好適に低減することができる。そして、オン状態に切り替わった後に出力する電圧の絶対値を増大させることで、スイッチング素子の導通損失を低減することもできる。

請求項５記載の発明は、前記導通制御端子の駆動信号に関する情報に基づき、前記スイッチング素子のオン状態及びオフ状態のいずれか一方の期間内に前記出力する電圧の変更を完結させる完結手段を備え、前記完結手段は、前記スイッチング素子がオフ状態に切り替わる前に前記出力する電圧の絶対値を減少させることを特徴とする。

スイッチング素子がオフ状態に切り替わる際には、サージノイズが生じる。サージノイズは、導通制御端子に出力される電圧の絶対値が大きいほど大きくなる。この点、上記発明では、スイッチング素子がオフ状態に切り替わる前に導通制御端子に出力される電圧の絶対値を減少させるために、オフ状態への切り替え時のサージノイズを好適に低減することができる。またこの場合、オン状態であるときに、電圧の絶対値が大きい期間を設けることができるため、スイッチング素子の導通損失を低減することもできる。

請求項６記載の発明は、前記導通制御端子の駆動信号に関する情報に基づき、前記スイッチング素子のオン状態及びオフ状態のいずれか一方の期間内に前記出力する電圧の変更を完結させる完結手段を備え、前記完結手段は、前記スイッチング素子がオン状態に切り替わった後に前記出力する電圧の絶対値を増大させて且つ前記スイッチング素子がオフ状態に切り替わる以前に前記出力する電圧の絶対値を減少させることを特徴とする。

スイッチング素子がオン状態に切り替わる際や、オフ状態に切り替わる際には、サージノイズが生じる。サージノイズは、導通制御端子に出力される電圧の絶対値が大きいほど大きくなる。この点、上記発明では、スイッチング素子がオン状態に切り替わった後に導通制御端子に出力される電圧の絶対値を増大させ、オフ状態に切り替わる前に同絶対値を減少させるために、オン状態への切り替え時やオフ状態への切り替え時のサージノイズを好適に低減することができる。またこの場合、オン状態であるときに、電圧の絶対値が大きい期間を設けることができるため、スイッチング素子の導通損失を低減することもできる。

請求項７記載の発明は、前記導通制御端子の駆動信号に関する情報に基づき、前記スイッチング素子のオン状態及びオフ状態のいずれか一方の期間内に前記出力する電圧の変更を完結させる完結手段を備え、前記スイッチング素子が、回転機の電力変換回路に備えられるものであり、前記完結手段は、前記スイッチング素子がオン状態に切り替わった後に前記出力する電圧の絶対値を増大させて且つ前記スイッチング素子がオフ状態に切り替わった後に前記出力する電圧の絶対値を減少させる制御と、前記スイッチング素子がオフ状態に切り替わる前に前記出力する電圧の絶対値を減少させて且つ前記スイッチング素子がオフ状態であるときに前記出力する電圧の絶対値を増大させる制御とを、前記回転機の運転状態に基づき選択的に行うことを特徴とする。

スイッチング素子がオン状態に切り替わる際や、オフ状態に切り替わる際には、サージノイズが生じる。サージノイズは、導通制御端子に出力される電圧の絶対値が大きいほど大きくなる。これらサージノイズを低減するためには、スイッチング素子がオン状態となった後に出力する電圧の絶対値を増大させ、オフ状態となる前に出力する電圧の絶対値を減少させることが望ましい。しかし、スイッチング素子がオン状態である時間が短時間となる場合には、こうした処理を行うことが困難となる懸念がある。

一方、スイッチング素子がオン状態に切り替わる際のサージノイズと、スイッチング素子がオフ状態に切り替わる際のサージノイズとのいずれが大きいものとなるかは、回転機の運転状態に依存する。上記発明では、この点に着目し、回転機の運転状態に応じて上記２つの制御のいずれかを選択的に行うことで、スイッチング素子がオン状態に切り替わる際のサージノイズと、スイッチング素子がオフ状態に切り替わる際のサージノイズとのうち、導通制御端子に出力される電圧が同一であるときに大きくなると想定される方のノイズを低減することができる。

請求項８記載の発明は、請求項３〜７のいずれかに記載の発明において、前記スイッチング素子が、回転機の電力変換回路に備えられるものであり、前記回転機の回転状態及び前記電力変換回路の過去の操作状態の少なくとも一方に基づき、現在のスイッチング状態の継続時間を推定する手段を更に備え、前記導通制御端子の駆動信号に関する情報は、前記推定される継続時間に関する情報を含むことを特徴とする。

電力変換回路のスイッチング状態は、回転機の回転状態と相関を有する。また、電力変換回路の過去の操作状態によれば、現在の操作状態を推定することが可能となる。上記発明では、この点に着目し、これらに基づき現在のスイッチング状態の継続時間を推定する。このため、スイッチング状態が切り替えられるタイミングを予測することができ、ひいては、スイッチング素子のオン状態とオフ状態との間の切り替え時に上記出力する電圧を変更することを回避することができる。

請求項９記載の発明は、請求項３〜８のいずれかに記載の発明において、前記導通制御端子の駆動信号に関する情報は、前記スイッチング素子の２つのスイッチング状態のうちの現在の状態と同一の状態についての過去の状態の継続時間に関する情報を含むことを特徴とする。

スイッチング素子の２つのスイッチング状態のうちの現在の状態と同一の状態についての過去の状態の継続時間と、現在のスイッチング状態の継続時間とは相関を有する。このため、過去の状態の継続時間によって、現在のスイッチング状態の継続時間を把握することができる。上記発明では、この点に着目し、現在の状態の継続時間を把握することで、スイッチング状態が切り替えられるタイミングを予測することができ、ひいては、スイッチング素子のオン状態とオフ状態との間の切り替え時に上記出力する電圧を変更することを回避することができる。

なお、請求項１〜９のいずれかに記載の発明は、請求項１０記載の発明によるように、前記スイッチング素子が、回転機の電力変換回路に備えられるものであることを特徴としてもよい。

上記各請求項記載の発明において、当該駆動装置は、車載回転機と電気的に接続される高圧システムを構成して且つ低圧システムと絶縁されてなることを特徴とする。

上記発明では、当該駆動装置が高圧システムを構成するものである。このため、通常低圧システムを構成するマイコンとの通信には、フォトカプラ等の絶縁素子を介して行う必要が生じる。この点、上記発明では、高圧システム内にいくつかの処理を行う機能を備えることで、必ずしも低圧システムとの通信によらずともいくつかの処理を行うことができる。例えば請求項８，９の事項を有する場合には、スイッチング状態の継続時間の推定に際してマイコンとの通信を行う必要が生じない。このため、絶縁素子数を低減することができる。

（第１の実施形態）
以下、本発明にかかるスイッチング素子の駆動装置をハイブリッド車の高圧システムに適用した第１の実施形態について、図面を参照しつつ説明する。

図１に、本実施形態にかかる電動機の制御システムの全体構成を示す。

図示されるように、電動機１０の３つの相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）には、インバータ１２が接続されている。このインバータ１２は、３相インバータであり、３つの相のそれぞれと図示しない高圧バッテリの正極側又は負極側とを導通させるべく、スイッチング素子ＳＷ１、ＳＷ２（Ｕ相レッグ）とスイッチング素子ＳＷ３，ＳＷ４（Ｖ相レッグ）とスイッチング素子ＳＷ５，ＳＷ６（Ｗ相レッグ）との並列接続体を備えて構成されている。そして、スイッチング素子ＳＷ１及びスイッチング素子ＳＷ２を直列接続する接続点が電動機１０のＵ相と接続されている。また、スイッチング素子ＳＷ３及びスイッチング素子ＳＷ４を直列接続する接続点が電動機１０のＶ相と接続されている。更に、スイッチング素子ＳＷ５及びスイッチング素子ＳＷ６を直列接続する接続点が電動機１０のＷ相と接続されている。ちなみに、これらスイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ６は、本実施形態では、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）によって構成されている。なお、インバータ１２は、各スイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ６に逆並列に接続されたフライホイールダイオードを備えているが、図１では、便宜上、これらの記載を割愛している。また、各スイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ６の近傍には、これら各スイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ６の温度を検出するための感温ダイオードＤ１〜Ｄ６が設けられている。

上記スイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ６は、ドライバユニット１４を介して、低圧バッテリ１６を電力源とするマイクロコンピュータ（マイコン１８）により操作される。図２に、ドライバユニット１４のうち、スイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ６のいずれか１つ（以下、スイッチング素子ＳＷ）の駆動に関する構成部分を示す。なお、感温ダイオードＤは、スイッチング素子ＳＷ近傍に設けられた感温ダイオードである。

図示されるように、ドライバユニット１４は、スイッチング素子ＳＷの導通制御端子（ゲート）に電圧を印加するドライバ２０を備えている。ドライバ２０は、ＮＰＮ型バイポーラトランジスタ（トランジスタ２０ｎ）及びＰＮＰ型バイポーラトランジスタ（トランジスタ２０ｐ）の直列接続体を備えて構成されている。ドライバ２０の両端には、コンデンサ２２及び抵抗体２４がそれぞれ並列接続されている。そして、コンデンサ２２の両電極間には、駆動電圧生成回路２６が接続されている。駆動電圧生成回路２６は、ドライバ２０に印加する電圧を生成するものである。

駆動電圧生成回路２６は、トランス２６ａの１次側に、電源２６ｂ及びコンデンサ２６ｃがそれぞれ並列接続されるとともに、これらトランス２６ａと電源２６ｂ及びコンデンサ２６ｃとの間を導通及び遮断するスイッチング素子２６ｄが設けられている。また、トランス２６ａの２次側の出力電圧は、ダイオード２６ｅを介してコンデンサ２２に印加される。

上記ドライバ２０は、上記マイコン１８からの駆動信号に応じて駆動される。詳しくは、フォトカプラ３０及び駆動ＩＣ３２により電力変換された駆動信号によって駆動される。駆動ＩＣ３２では、駆動信号が論理「Ｈ」であるときには、トランジスタ２０ｎをオンして且つトランジスタ２０ｐをオフする。一方、駆動信号が論理「Ｌ」であるときには、トランジスタ２０ｎをオフして且つトランジスタ２０ｐをオンする。これにより、駆動信号が論理「Ｈ」であるときには、コンデンサ２２の電圧がスイッチング素子ＳＷのゲートＧに印加され、駆動信号が論理「Ｌ」であるときには、スイッチング素子ＳＷのゲートＧはエミッタＥと同電位とされる。

電圧設定部４０は、上記駆動電圧生成回路２６のスイッチング素子２６ｄのオン・オフ操作をデューティ制御によって行なうことで、駆動電圧生成回路２６の出力電圧を可変設定する。これにより、コンデンサ２２に印加される電圧を可変設定することができ、ドライバ２０に印加される電圧を可変設定することができる。このため、電圧設定部４０によるデューティ制御によれば、スイッチング素子ＳＷのゲートに出力する電圧を可変設定することができる。

ここで、電圧設定部４０は、感温ダイオードＤによって検出されるスイッチング素子ＳＷの温度が高いときに、スイッチング素子ＳＷの温度上昇を抑制すべく、駆動電圧生成回路２６の出力電圧（エミッタＥを基準とした電圧）を増大させる。以下、これについて詳述する。

図３に、スイッチング素子ＳＷのコレクタ及びエミッタ間の電圧と、コレクタ電流と、ゲートに印加される電圧（ＶＧＥ）との関係を示す。図示されるように、ゲートに印加される電圧が高いほど、コレクタ及びエミッタ間の電圧が低下する。このことは、コレクタ及びエミッタ間を電流が流れる際に生じる電力損失（導通損失）は、ゲートに印加される電圧が高いほど減少することを意味する。そして、スイッチング素子の導通損失が減少すると、スイッチング素子で発生する熱量が減少する。このため、スイッチング素子ＳＷのゲートに印加する電圧を高くするほど、スイッチング素子の温度上昇量が減少する。

ただし、ゲートに印加される電圧が高いと、スイッチング素子ＳＷをオン状態からオフ状態へと切り替える際のサージノイズやスイッチング素子ＳＷをオフ状態からオン状態へと切り替える際のサージノイズが増大する。このため、本実施形態では、スイッチング素子ＳＷの温度が上昇し、その信頼性の低下が懸念されるときに限ってゲートに印加する電圧を上昇させる。

ところで、スイッチング素子ＳＷがオン状態からオフ状態へと切り替わる際や、オフ状態からオン状態へと切り替わる際にドライバ２０の出力電圧が変更されると、ゲートに印加される電圧が一時的に不定となるおそれがある。このため、本実施形態では、駆動電圧生成回路２６の出力電圧（コンデンサ２２の電圧）の変更を、スイッチング素子ＳＷのオン状態及びオフ状態のいずれかの期間内に完結させる。図４に、本実施形態にかかる駆動電圧生成回路２６の出力電圧の変更に関する処理の手順を示す。この処理は、ドライバユニット１４によって、例えば所定周期で繰り返し実行される。

この一連の処理では、まずステップＳ１０において、感温ダイオードＤによるスイッチング素子ＳＷの温度の検出値Ｔｄを取得する。続くステップＳ１２においては、スイッチング素子ＳＷのオン状態及びオフ状態の２つの状態のうちの現在の状態と等しい方についての前回の継続時間を取得する。すなわち、現在のスイッチング素子ＳＷの状態がオン状態であるときには、前回のオン状態の継続時間に関する情報を取得し、また、現在のスイッチング素子ＳＷの状態がオフ状態であるときには、前回のオフ状態の継続時間に関する情報を取得する。そして、ステップＳ１４においては、今回のスイッチング素子ＳＷのスイッチング状態の継続時間が、規定の最小時間ＳＴｍｉｎ以上であって且つステップＳ１２にて取得された継続時間ＳＴから所定のマージン量αを減算した値（閾値時間）以下であるか否かを判断する。この処理は、駆動電圧生成回路２６の出力電圧の変更を直ちに行うと、変更期間が、スイッチング素子ＳＷをオン状態からオフ状態へと切り替えるタイミングやオフ状態からオン状態へと切り替えるタイミングと重複するか否かを判断するものである。すなわち、今回のスイッチング状態の継続時間は、前回の継続時間と近似すると考えられるため、上記閾値時間以下であるなら、駆動電圧生成回路２６の出力電圧を変更する間にスイッチング状態が切り替えられることはないと考えられる。また、今回のスイッチング状態の継続時間が短い場合には、スイッチング素子ＳＷのスイッチングの切り替え後、ゲートの電圧が未だ安定せず、スイッチング状態が定常状態となっていない可能性がある。これに対し、スイッチング状態が上記最小時間ＳＴｍｉｎ以上継続していれば、スイッチング素子ＳＷの切り替わりの過渡状態に駆動電圧生成回路２６の出力電圧を変更することを回避することができる。

上記ステップＳ１４において肯定判断されるときには、駆動電圧生成回路２６の出力電圧を変更してもよいとして、ステップＳ１６に移行する。ステップＳ１６では、ステップＳ１０において取得された検出値Ｔｄが規定温度Ｔｔｈ以上であるか否かを判断する。この処理は、駆動電圧生成回路２６の出力電圧を変更する要求があるか否かを判断するものである。

そして、規定温度Ｔｔｈ以上であるときには、ステップＳ１８において、駆動電圧生成回路２６の出力電圧をスイッチング素子ＳＷの温度上昇を抑制する際の高い電圧（第１規定電圧）に設定する。これは、駆動電圧生成回路２６のスイッチング素子２６ｄの操作に関するデューティを、予め定められた値（第１規定値）とする処理である。一方、規定温度Ｔｔｈ未満であるときには、ステップＳ２０において、駆動電圧生成回路２６の出力電圧を、上記第１規定電圧よりも低い第２規定電圧に設定する。これは、駆動電圧生成回路２６のスイッチング素子２６ｄの操作に関するデューティを、上記第１規定値よりも小さい第２規定値とする処理である。これらステップＳ１６〜Ｓ２０の処理によれば、検出値Ｔｄが規定温度Ｔｔｈ未満である状態から以上である状態に切り替わるときに、駆動電圧生成回路２６の出力電圧を増大させ、検出値Ｔｄが規定温度Ｔｔｈ以上である状態から未満である状態に切り替わるときに、駆動電圧生成回路２６の出力電圧を低下させることができる。なお、ステップＳ１６の処理は、実際には、駆動電圧生成回路２６の出力電圧を増大させる条件と、駆動電圧生成回路２６の出力電圧を低下させる条件とを異ならせることで、駆動電圧生成回路２６の出力電圧が頻繁に変更されるハンチングを回避することが望ましい。

なお、上記ステップＳ１４において否定判断されるときや、ステップＳ１８、Ｓ２０の処理が完了するときには、この一連の処理を一旦終了する。

図５に、上記処理による駆動電圧生成回路２６の出力電圧の変更処理態様を示す。詳しくは、図５（ａ）に、スイッチング素子ＳＷの駆動信号の推移を示し、図５（ｂ）に、駆動電圧生成回路２６の出力電圧の推移を示し、図５（ｃ）に、駆動電圧生成回路２６に対するデューティの推移を示し、図５（ｄ）に、スイッチング素子ＳＷの温度の推移を示す。図示されるように、時刻ｔ１においてスイッチング素子ＳＷの温度が規定温度Ｔｔｈ以上となるものの、このタイミングは駆動信号の立ち上がり直前であるため、スイッチングはなされない。そして、駆動信号が時刻ｔ２において立ち上がった後の時刻ｔ３においてデューティが増大され、これにより、駆動電圧生成回路２６の出力電圧が増大する。そして、駆動電圧生成回路２６の出力電圧の変更は、駆動信号の立ち下がる時刻ｔ５よりも早い時刻ｔ４に完了する。このため、駆動電圧生成回路２６の出力電圧の変更に際してスイッチング状態が切り替えられることを回避することができる。なお、先の図４のステップＳ１４に示したマージン量αは、隣接するスイッチング操作間でのオン状態継続時間やオフ状態継続時間の変化量として想定される最大値に、駆動電圧生成回路２６の出力電圧の変更を完了するまでに要する所要時間（上記最小時間ＳＴｍｉｎ）を加算した値程度とすることが望ましい。

これに対し、先の図４のステップＳ１４の処理を設けない場合には、図５（ｅ）に示されるように、駆動電圧生成回路２６の出力電圧の変更中にスイッチング状態が切り替えられるおそれがある。

なお、先の図４に示した処理によれば、図５（ｂ）に例示するようにスイッチング素子ＳＷのオン状態の期間内に駆動電圧生成回路２６の出力電圧が増大されるケースに限らず、図６に示されるケースも生じ得る。すなわち、図６（ａ１）及び図６（ｂ１）には、スイッチング素子ＳＷがオフ状態である間に、駆動電圧生成回路２６の出力電圧を増大させる例を示している。また、図６（ａ２）及び図６（ｂ２）には、スイッチング素子ＳＷがオフ状態である間に、駆動電圧生成回路２６の出力電圧を低下させる例を示している。更に、図６（ａ３）及び図６（ｂ３）には、スイッチング素子ＳＷがオン状態である間に、駆動電圧生成回路２６の出力電圧を低下させる例を示している。これらはいずれも、駆動電圧生成回路２６の出力電圧の変更に際してスイッチング状態が切り替えられることを回避している。

以上詳述した本実施形態によれば、以下の効果が得られるようになる。

（１）スイッチング素子ＳＷの駆動信号に関する情報に基づき、スイッチング素子ＳＷのオン状態及びオフ状態のいずれか一方の期間内に駆動電圧生成回路２６の出力電圧の変更を完結させた。これにより、スイッチング素子ＳＷのゲートに印加される電圧が不定となることを確実に回避することができる。

（２）スイッチング素子ＳＷの温度状態に基づき駆動電圧生成回路２６の出力電圧を変更する要求が生じるとき、駆動電圧生成回路２６の出力電圧の変更を、オン状態とオフ状態との切り替わり期間を回避して行わせた。これにより、スイッチング素子ＳＷのゲートの電圧が一時的に不定となることを回避しつつも要求に適切に応じることができる。

（３）スイッチング素子ＳＷの２つのスイッチング状態のうちの現在の状態と同一の状態についての前回の状態の継続時間に基づき、駆動電圧生成回路２６の出力電圧の変更を行った。これにより、スイッチング状態が切り替えられるタイミングを予測することができるため、スイッチング素子ＳＷのオン状態とオフ状態との間の切り替え時に駆動電圧生成回路２６の出力電圧が変化することを回避することができる。

（第２の実施形態）
以下、第２の実施形態について、先の第１の実施形態との相違点を中心に図面を参照しつつ説明する。

本実施形態では、図７に示すように、スイッチング素子ＳＷがオン状態に変化して定常状態となる度に、駆動電圧生成回路２６の出力電圧を一旦上昇させ、スイッチング素子ＳＷがオフ状態に変化する以前に駆動電圧生成回路２６の出力電圧を低下させる。これにより、ゲートに印加される電圧が相対的に低い電圧であるときにスイッチング素子ＳＷのスイッチング状態の切り替えを行うことができるため、サージノイズ（サージ電圧）を低減することができる。しかも、スイッチング素子ＳＷがオン状態であるときには、ゲートに印加される電圧が一旦上昇されるために、導通損失を低減することもできる。

図８に、本実施形態にかかる駆動電圧生成回路２６の出力電圧の設定処理の手順を示す。この処理は、ドライバユニット１４によって、例えば所定周期で繰り返し実行される。

この一連の処理では、まずステップＳ３０において、スイッチング素子ＳＷがオフ状態からオン状態へと切り替えられたときであるか否かを判断する。そして、ステップＳ３０において肯定判断されるときには、ステップＳ３２において、スイッチング素子ＳＷがオン状態に切り替えられてからの経過時間を計時する計時動作を開始する。そして、最小時間ＳＴｍｉｎが経過すると（ステップＳ３４：ＹＥＳ）、ステップＳ３６において、駆動電圧生成回路２６の出力電圧を上昇させる。そして、ステップＳ３８においては、前回のオン状態の継続時間ＳＴを取得する。続くステップＳ４０では、スイッチング素子ＳＷがオン状態となってから、継続時間ＳＴから所定のマージン量だけ減算した値（閾値時間）が経過したか否かを判断する。そして、閾値時間が経過したと判断されるときには、ステップＳ４２において、駆動電圧生成回路２６の出力電圧を低下させる。

なお、上記ステップＳ３０において否定判断されるときや、ステップＳ４２の処理が完了するときには、この一連の処理を一旦終了する。

図９に、本実施形態の効果を示す。図中、１点鎖線は、ゲートに印加する電圧を変化させたときのサージ電圧及び導通損失の関係を示している。図示されるように、ゲートに印加される電圧が増大するほど導通損失は低減されるもののサージ電圧が増大する。また、ゲートに印加される電圧が低下するほどサージ電圧は低減されるものの導通損失が増大する。これに対し、本実施形態では、スイッチング素子ＳＷがオン状態となってからゲートに印加される電圧を増大させるために、印加される電圧とサージ電圧及び導通損失との関係が、図中実線にて示すものに変化したのと同等となる。このため、サージ電圧及び導通損失の双方を好適に低減することができる。

このため、本実施形態によれば、ゲートに印加される電圧を、先の第１の実施形態よりも上昇させることができる。すなわち、先の第１の実施形態では、スイッチング素子ＳＷの切り替えに伴うサージ電圧を許容範囲内とするとの制約の下で第１規定電圧及び第２規定電圧の双方を設定する必要があった。これに対し、本実施形態では、先の図８に示したステップＳ４２の処理における駆動電圧生成回路２６の出力電圧についてのみ、その設定に際して、スイッチング素子ＳＷの切り替えに伴うサージ電圧を許容範囲内とするとの制約が加わる。このため、先の図８に示したステップＳ３６の処理における駆動電圧生成回路２６の出力電圧には、上記制約が加わらない。このため、このときの電圧を導通損失を好適に低減することのできる値とすることができる。

以上説明した本実施形態によれば、先の第１の実施形態の上記（１）、(３)の効果に加えて、更に以下の効果が得られるようになる。

（４）スイッチング素子ＳＷがオン状態に切り替わった後に駆動電圧生成回路２６の出力電圧を増大させて且つオン状態からオフ状態に切り替わる以前に駆動電圧生成回路２６の出力電圧を減少させた。これにより、サージノイズ及び導通損失を好適に低減することができる。

（第３の実施形態）
以下、第３の実施形態について、先の第２の実施形態との相違点を中心に図面を参照しつつ説明する。

本実施形態では、電動機１０の運転状態に応じて、駆動電圧生成回路２６の出力電圧を、図１０（ａ１）及び図１０（ｂ１）に示すものと、図１０（ａ２）及び図１０（ｂ２）に示すものとの間で切り替える。これは、オン状態からオフ状態へと切り替える際に発生するサージノイズとオフ状態からオン状態へと切り替える際に発生するサージノイズとが等しい大きさではなく、いずれが大きいかが電動機１０の運転状態に依存するためである。すなわち、オフ状態からオン状態へと切り替える際に発生するサージノイズが特に大きくなるときには、図１０（ａ１）及び図１０（ｂ１）に示すように、スイッチング素子ＳＷがオン状態に切り替えられた後に駆動電圧生成回路２６の出力電圧を増大させて且つスイッチング素子ＳＷがオフ状態に切り替えられた後に駆動電圧生成回路２６の出力電圧を低下させる。また、オン状態からオフ状態へと切り替える際に発生するサージノイズが特に大きくなるときには、図１０（ａ２）及び図１０（ｂ２）に示すように、スイッチング素子ＳＷがオン状態となった後に駆動電圧生成回路２６の出力電圧を低下させて且つスイッチング素子ＳＷがオフ状態に切り替えられた後に駆動電圧生成回路２６の出力電圧を増大させる。

こうした処理を行えば、オフ状態からオン状態へと切り替える際に発生するサージノイズが特に大きくなる状況下、これを低減することができる。また、オン状態からオフ状態へと切り替える際に発生するサージノイズが特に大きくなる状況下、これを低減することもできる。こうした設定は、先の第２の実施形態に示すように、スイッチング素子ＳＷの一回のオン状態の期間内に駆動電圧生成回路２６の出力電圧を増大させた後、減少させることが困難な場合に特に有効である。すなわち、本実施形態によれば、スイッチング素子ＳＷの一回のオン・オフ周期内で駆動電圧生成回路２６の出力電圧を増大させた後減少させるため、先の第２の実施形態と比較して、駆動電圧生成回路２６の出力電圧の変更が容易となる。

図１１に、先の図１０（ａ１）及び図１０（ｂ１）に示した処理と、図１０（ａ２）及び図１０（ｂ２）に示した処理との切り替え処理の手順を示す。この処理は、ドライバユニット１４によって例えば所定周期で繰り返し実行される。

この一連の処理では、まずステップＳ５０において、電動機１０の要求トルクＴｏｒを取得する。この処理は、マイコン１８から要求トルクＴｏｒに関する情報を出力させることで行うことができる。続くステップＳ５２においては、要求トルクＴｏｒに基づき、オフ状態からオン状態へと切り替える際に発生するサージノイズが特に大きくなる状況下であるか否かを判断する。この処理は、オフ状態からオン状態へと切り替える際とオン状態からオフ状態へと切り替える際とのうちサージノイズが特に大きくなる方と要求トルクＴｏｒとの関係を予めマップ等に定めておくことで行うことができる。

そして、オフ状態からオン状態へと切り替える際に発生するサージノイズが特に大きくなる状況下であると判断されるときには、ステップＳ５４において、同サージノイズを低減すべく、先の図１０（ａ１）及び図１０（ｂ１）に示した処理を行う。これに対し、オン状態からオフ状態へと切り替える際に発生するサージノイズが特に大きくなる状況下であると判断されるときには、ステップＳ５６において、同サージノイズを低減すべく、先の図１０（ａ２）及び図１０（ｂ２）に示した処理を行う。なお、ステップＳ５４、Ｓ５６の処理が完了すると、この一連の処理を一旦終了する。

これにより、先の図１０（ａ１）及び図１０（ｂ１）に示した処理と、図１０（ａ２）及び図１０（ｂ２）に示した処理とが適宜行われることとなる。なお、これらの処理におけるスイッチング素子ＳＷのスイッチング状態の切り替えは、駆動信号が論理反転してから所定時間（最小時間ＳＴｍｉｎ）経過する毎に、駆動電圧生成回路２６の出力電圧を変更することで行うことができる。

以上説明した本実施形態によれば、先の第１の実施形態の上記（１）、(３)の効果に加えて、更に以下の効果が得られるようになる。

（５）スイッチング素子ＳＷのスイッチング状態が切り替えられる度に、駆動電圧生成回路２６の出力電圧を変更した。これにより、スイッチング素子ＳＷのオン状態及びオフ状態が短時間で切り替わる場合であれ、駆動電圧生成回路２６の出力電圧が同一であるときに大きくなると想定される方のサージノイズを低減することと、導通損失を低減することとができる。

（その他の実施形態）
なお、上記各実施形態は、以下のように変更して実施してもよい。

・スイッチング素子ＳＷのオン状態及びオフ状態のいずれか一方の期間内に導通制御端子に出力する電圧の変更を完結させる処理を行うために参照する導通制御端子の駆動信号に関する情報としては、上記実施形態で例示したものに限らない。例えば、電動機１０のスイッチング制御として、電気角の回転周期内でスイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ６のそれぞれのオン状態及びオフ状態を１度ずつとする矩形波制御がなされているときには、各スイッチング状態は所定の電気角度で切り替わって且つ電気角の半回転の間継続することから、電気角度（及び電気角速度）を駆動信号に関する情報としてもよい。また、例えば電動機１０の所定の電気角度から１２０°の間、オン状態とする１２０°通電方式でスイッチングする場合にも、電気角度（及び電気角速度）を駆動信号に関する情報としてもよい。

更に、例えばマイコン１８においてスイッチング素子ＳＷの操作信号を生成するに際してＰＷＭ制御を行う場合、ＰＷＭ制御のための指令電圧とキャリア信号との関係からスイッチングの継続時間を予め予測可能である。このため、これを用いることもできる。ただし、この場合、低圧系のマイコン１８からドライバユニット１４へとこの情報を送信する際に、低圧系と高圧系との絶縁を図るフォトカプラ等の絶縁素子を設ける。

・第１の実施形態において、スイッチング素子ＳＷの導通制御端子に印加する電圧を変更する要求としては、スイッチング素子ＳＷの温度に基づき生じるものに限らず、例えば上記特許文献１に記載されているように、電動機１０の制動制御時に生じるものであってもよい。

・第２の実施形態において、スイッチング素子ＳＷの前回のオン状態の継続時間からマージン量αを減算した閾値時間が所定時間以下となる場合に、スイッチング素子ＳＷがオン状態となっている期間における駆動電圧生成回路２６の出力電圧の変更を停止してもよい。これは、例えばスイッチング制御をＰＷＭ変調処理によって行う場合において高変調率での運転時には、特に有効である。

・電動機１０の運転状態を示すパラメータとしては、要求トルクＴｏｒに限らず、例えば電動機１０を流れる電流であってもよい。

・スイッチング素子ＳＷの導通制御端子に出力する電圧を可変設定可能な電圧印加手段としては、駆動電圧生成回路２６を備えて、デューティ制御によりその出力電圧を変更するものに限らない。例えば、駆動電圧生成回路２６を一定のデューティで操作することで一定の電圧を出力させ、その下流にレギュレータを備えることでこの電圧を調節するようにしてもよい。

・スイッチング素子ＳＷとしては、ＩＧＢＴに限らず、例えばＭＯＳトランジスタであってもよい。ここで、ＰチャネルＭＯＳトランジスタを用いる場合には、ソース及びドレインの電位に対するゲートに印加する電位を低下させればさせるほど導通損失が低減され、又、サージノイズが増大する。こうした観点から、サージノイズを低減させるためには、スイッチング素子ＳＷの導通制御端子に出力する電圧の絶対値(入出力端子の電位との電位差の絶対値)を増大させることが望ましく、導通損失を低減するためには、同絶対値を減少させることが望ましい。

・スイッチング素子ＳＷとしては、電動機１０と接続される電力変換回路の備えるものに限らず、発電機と接続される電力変換回路の備えるものであってもよい。また、例えばＤＣ−ＤＣコンバータの備えるスイッチング素子であってもよい。

第１の実施形態にかかる電動機の制御システムの全体構成を示す図。 同実施形態におけるドライバユニットの回路構成を示す回路図。 ＩＧＢＴの特性を示す図。 上記実施形態にかかる駆動電圧生成回路２６の出力電圧の変更処理の手順を示す流れ図。 上記駆動電圧生成回路２６の出力電圧の変更態様を例示するタイムチャート。 上記駆動電圧生成回路２６の出力電圧の変更態様を例示するタイムチャート。 第２の実施形態にかかる駆動電圧生成回路２６の出力電圧の変更態様を示すタイムチャート。 同実施形態にかかる駆動電圧生成回路２６の出力電圧の変更処理の手順を示す流れ図。 同実施形態にかかるサージノイズ及び導通損失の低減効果を示す図。 第３の実施形態にかかる駆動電圧生成回路２６の出力電圧の変更態様を示すタイムチャート。 上記出力電圧の変更にかかる２つの処理の切り替え処理の手順を示す流れ図。

符号の説明

１０…電動機、１２…インバータ、１４…ドライバユニット（スイッチング素子の駆動装置の一実施形態）、ＳＷ１〜ＳＷ６…スイッチング素子。

Claims (10)

1. 電圧駆動形のスイッチング素子の導通制御端子に出力する電圧を可変設定可能な電圧印加手段を備えて前記スイッチング素子を駆動するスイッチング素子の駆動装置において、
   前記スイッチング素子が、回転機の電力変換回路に備えられるものであり、
   前記導通制御端子の駆動信号に関する情報に基づき、前記スイッチング素子のオン状態及びオフ状態のいずれか一方の期間内に前記出力する電圧の変更を完結させる完結手段と、
   前記回転機の回転状態及び前記電力変換回路の過去の操作状態の少なくとも一方に基づき、現在のスイッチング状態の継続時間を推定する手段とを備え、
   前記導通制御端子の駆動信号に関する情報は、前記推定される継続時間に関する情報を含むことを特徴とするスイッチング素子の駆動装置。
2. 電圧駆動形のスイッチング素子の導通制御端子に出力する電圧を可変設定可能な電圧印加手段を備えて前記スイッチング素子を駆動するスイッチング素子の駆動装置において、
   前記導通制御端子の駆動信号に関する情報に基づき、前記スイッチング素子のオン状態及びオフ状態のいずれか一方の期間内に前記出力する電圧の変更を完結させる完結手段を備え、
   前記導通制御端子の駆動信号に関する情報は、前記スイッチング素子の２つのスイッチング状態のうちの現在の状態と同一の状態についての過去の状態の継続時間に関する情報を含むことを特徴とするスイッチング素子の駆動装置。
3. 前記導通制御端子に印加する電圧を変更する要求に基づき前記電圧印加手段を操作することで前記出力する電圧を変更する変更手段を更に備え、
   前記完結手段は、前記変更する要求が生じるとき、前記変更手段による前記出力する電圧の変更を、前記オン状態とオフ状態との切り替わり期間を回避して行わせることを特徴とする請求項１または２記載のスイッチング素子の駆動装置。
4. 電圧駆動形のスイッチング素子の導通制御端子に出力する電圧を可変設定可能な電圧印加手段を備えて前記スイッチング素子を駆動するスイッチング素子の駆動装置において、
   前記導通制御端子の駆動信号に関する情報に基づき、前記スイッチング素子のオン状態及びオフ状態のいずれか一方の期間内に前記出力する電圧の変更を完結させる完結手段を備え、
   前記完結手段は、前記スイッチング素子がオン状態に切り替わった後に前記出力する電圧の絶対値を増大させることを特徴とするスイッチング素子の駆動装置。
5. 電圧駆動形のスイッチング素子の導通制御端子に出力する電圧を可変設定可能な電圧印加手段を備えて前記スイッチング素子を駆動するスイッチング素子の駆動装置において、
   前記導通制御端子の駆動信号に関する情報に基づき、前記スイッチング素子のオン状態及びオフ状態のいずれか一方の期間内に前記出力する電圧の変更を完結させる完結手段を備え、
   前記完結手段は、前記スイッチング素子がオフ状態に切り替わる前に前記出力する電圧の絶対値を減少させることを特徴とするスイッチング素子の駆動装置。
6. 電圧駆動形のスイッチング素子の導通制御端子に出力する電圧を可変設定可能な電圧印加手段を備えて前記スイッチング素子を駆動するスイッチング素子の駆動装置において、
   前記導通制御端子の駆動信号に関する情報に基づき、前記スイッチング素子のオン状態及びオフ状態のいずれか一方の期間内に前記出力する電圧の変更を完結させる完結手段を備え、
   前記完結手段は、前記スイッチング素子がオン状態に切り替わった後に前記出力する電圧の絶対値を増大させて且つ前記スイッチング素子がオフ状態に切り替わる以前に前記出力する電圧の絶対値を減少させることを特徴とするスイッチング素子の駆動装置。
7. 電圧駆動形のスイッチング素子の導通制御端子に出力する電圧を可変設定可能な電圧印加手段を備えて前記スイッチング素子を駆動するスイッチング素子の駆動装置において、
   前記導通制御端子の駆動信号に関する情報に基づき、前記スイッチング素子のオン状態及びオフ状態のいずれか一方の期間内に前記出力する電圧の変更を完結させる完結手段を備え、
   前記スイッチング素子が、回転機の電力変換回路に備えられるものであり、
   前記完結手段は、前記スイッチング素子がオン状態に切り替わった後に前記出力する電圧の絶対値を増大させて且つ前記スイッチング素子がオフ状態に切り替わった後に前記出力する電圧の絶対値を減少させる制御と、前記スイッチング素子がオフ状態に切り替わる前に前記出力する電圧の絶対値を減少させて且つ前記スイッチング素子がオフ状態であるときに前記出力する電圧の絶対値を増大させる制御とを、前記回転機の運転状態に基づき選択的に行うことを特徴とするスイッチング素子の駆動装置。
8. 前記スイッチング素子が、回転機の電力変換回路に備えられるものであり、
   前記回転機の回転状態及び前記電力変換回路の過去の操作状態の少なくとも一方に基づき、現在のスイッチング状態の継続時間を推定する手段を更に備え、
   前記導通制御端子の駆動信号に関する情報は、前記推定される継続時間に関する情報を含むことを特徴とする請求項３〜７のいずれかに記載のスイッチング素子の駆動装置。
9. 前記導通制御端子の駆動信号に関する情報は、前記スイッチング素子の２つのスイッチング状態のうちの現在の状態と同一の状態についての過去の状態の継続時間に関する情報を含むことを特徴とする請求項３〜８のいずれかに記載のスイッチング素子の駆動装置。
10. 前記スイッチング素子が、回転機の電力変換回路に備えられるものであることを特徴とする請求項１〜９のいずれかに記載のスイッチング素子の駆動装置。

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