JP5317834B2 - インバータ制御装置 - Google Patents

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Description

本発明は、電源電圧の監視を適切に行うことができる電源監視回路を備えたインバータ制御装置に関する。
電動コンプレッサのインバータ制御装置には、電圧が不安定になった場合にも制御に支障が生じないように、低電圧側と高電圧側が絶縁された回路の高電圧側に配置したマイクロコントローラ(マイコン)によって、低電圧側の主電源の電圧低下を検出する電源監視回路などが設けられている。
例えば、特許文献1には、入力された電源電圧を一定時間ごとにマイコン等に取り込んで、その電圧値を識別する電源電圧監視回路において、所定の演算手段、抵抗体およびコンデンサの組み合わせにより演算手段への入力電圧の低下を引き延ばし、瞬時停電を見逃さずに検知して停電プログラムを実行できるようにした電源電圧監視回路が記載されている。
特開平07−072185号公報
従来の電源監視回路において、低電圧側の主電源の電圧が瞬時に低下したことを検知するために、電源監視用IC等を用いることができる。しかしながら、電源監視用ICの入力電圧が動作電圧の下限値未満にまで低下すると、電源監視用ICの正常な動作が妨げられて、電源電圧が異常に低下しているにもかかわらず、電源が正常であることを示すハイインピーダンスを誤って出力する可能性がある。そして、このような誤った出力をマイコンが信用してしまうと、上記主電源の電圧低下に伴って生じる副電源の電圧低下が、電源の異常として検知されずに、上記副電源により作動される各種機器(パワー半導体、CANトランシーバ等)自体の故障として誤って検知される可能性がある。このようなマイコンの誤検知が生じると、インバータ制御装置は、本来故障していない機器を故障しているものと認識し、CAN通信を停止するなど、異常な動作を行う場合がある。
このような異常動作を防止するために、特許文献1に記載されるような電源電圧監視回路を用いることが可能である。しかし、特許文献1の電源電圧監視回路は、瞬間的に低下した電圧が上昇して回復するまでの時間を引き延ばすことによって、電圧低下を検知しやすくし、停電プログラムへの確実な移行を図るものである。従って、瞬時停電の後に電圧が正常範囲に回復した場合にも、停電プログラムが進行してしまうので、定常状態に復帰するのに却って時間がかかってしまう。
そこで本発明の課題は、上記のような問題点に鑑み、電源電圧の瞬時異常を確実に検知可能であり、また、電源電圧の異常が解消した場合には速やかに定常状態に復帰可能なインバータ制御装置を提供することにある。
上記課題を解決するために、本発明に係るインバータ制御装置は、主電源と、該主電源から分配された電力を変換する副電源と、該副電源から供給される制御用電力で作動するコントローラと、エミッタ−コレクタ間電流がオン/オフされることにより前記コントローラの入力信号をオン/オフするトランジスタと、入力端子が少なくとも抵抗(r)を介して前記主電源に接続されて前記主電源の電圧を監視する電源監視回路とからなるインバータ制御装置であって、前記トランジスタのエミッタ端子が接地され、前記トランジスタのベース端子が抵抗(r)を介して前記電源監視回路の出力端子に接続され、前記電源監視回路の出力信号に応じて前記トランジスタのエミッタ−コレクタ間電流がオン/オフされることを特徴とするものからなる。
本発明に係るインバータ制御装置は、上記副電源から供給される制御用電力で作動するコントローラと、エミッタ−コレクタ電流がオン/オフされることによりコントローラの入力信号をオン/オフするトランジスタと、主電源の電圧を監視する電源監視回路とからなり、電源監視回路の出力信号に応じてトランジスタのエミッタ−コレクタ間電流がオン/オフされる回路構成を採用しているので、主電源の電圧に異常な低下がみられたために電源監視回路の正常な電源監視機能が妨げられ、電源監視回路において主電源の異常発生を検知できないような場合にも、トランジスタがコントローラの入力信号を速やかにオフすることによって、コントローラが機器等の故障を誤って検知することが防止される。
本発明に係るインバータ制御装置において、前記電源監視回路の出力端子が少なくとも抵抗(r)を介して前記主電源に接続され、前記電源監視回路の入力端子が接地抵抗(r)を介して接地され、前記トランジスタのベース端子が抵抗(r)を介して接地されていることが好ましい。このような抵抗r、r、rが設けられることにより、電源監視回路の動作を安定化させることが可能となる。
本発明のインバータ制御装置において、前記電源監視回路の出力端子が前記ダイオードと抵抗(r)を介して前記主電源に接続され、さらに前記電源監視回路の入力端子がダイオードを介して前記主電源に接続されており、前記ダイオードの順方向電圧の最大値(VFmax)、前記電源監視回路の最低作動電圧(VMOV)、前記電源監視回路の入力電圧がVMOVに等しい時の前記主電源の電圧(VST)、前記トランジスタのベース−エミッタ間電圧の最小値(VBEmin)および抵抗(r,r,r,r,r)の電気抵抗値(R,R,R,R,R)が、以下の式1および式2を満たすようにすることが好ましい。
〔式1〕
ST=VMOV×(R+R)/R+VFmax
〔式2〕
(VST−VFmax)×R/(R+R+R)<VBEmin
このように、抵抗r〜rが上記関係式1および2を満たすような電気抵抗値R〜Rを有することによって、電源監視回路の入力電圧が最低作動電圧(VMOV)未満になるとトランジスタがオフ状態となるので、主電源の電圧が異常低下しているにも関わらず電源監視回路がハイインピーダンス出力の状態になっている場合においても、コントローラによる機器故障の誤検知を防止可能となる。
なお、本発明のインバータ制御装置において、回路を構成する各種部品の特性のバラツキをも考慮した上で、回路設計を行うことが好ましい。具体的には、R、R、Rについては、電気抵抗値の誤差を考慮した最小値について上記関係式1および2を満たし、一方、R,Rについては、電気抵抗値の誤差を考慮した最大値について上記関係式1および2を満たすように、回路が構成されることが好ましい。
また、このような本発明に係るインバータ制御装置において、本前記ダイオードの順方向電圧の最大値(VFmax)、前記電源監視回路のスレッショルド電圧(VTH)、前記電源監視回路の入力電圧がVTHに等しい時の前記主電源の電圧(V)、前記トランジスタのベース電流の最小値(IBmin)、前記トランジスタの直流電流増幅率(hFE)、前記トランジスタのコレクタ電流の最大値(ICmax)、前記トランジスタのベース−エミッタ間電圧の最大値(VBEmax)および抵抗(r,r,r,r,r)の電気抵抗値(R,R,R,R,R)が、以下の式3〜式5のすべてを満たすことが好ましい。
〔式3〕
=VTH×(R+R)/R+VFmax
〔式4〕
Bmin=(V−VFmax−VBEmax)/(R+R)−VBEmax/R
〔式5〕
Bmin×hFE>ICmax
このように、抵抗r〜rが、さらに上記関係式3〜5を満たすような電気抵抗値R〜Rを有することによって、主電源の電圧が低下した後、正常な電圧範囲にまで回復して電源監視回路の入力電圧がスレッショルド電圧(VTH)以上になると、トランジスタがオン状態に復帰するようになる。このように、本発明のインバータ制御装置においては、主電源の電圧異常が解消されると、インバータ制御装置が速やかに定常状態に復帰するような回路を構成することが可能である。
なお、本発明のインバータ制御装置において、回路を構成する各種部品の特性のバラツキをも考慮した上で、回路設計を行うことが好ましい。具体的には、R、Rについては、電気抵抗値の誤差を考慮した最大値について上記関係式4を満たし、R、V、については、電気抵抗値の誤差を考慮した最小値について上記関係式4を満たし、またhFEについては、電気抵抗値の誤差を考慮した最小値について上記関係式5を満たすように、回路が構成されることが好ましい。
本発明のインバータ制御装置においては、前記電源監視回路が電源監視用集積回路からなることが好ましい。このように、電源監視回路が内蔵された集積回路(IC)を用いることにより、インバータ制御装置の小型化が可能となる。
また、本発明のインバータ制御装置が絶縁境界を有し、かつ、該絶縁境界をまたいで上記トランジスタがコントローラの入力信号をオン/オフするような場合には、前記トランジスタが、前記絶縁境界をまたいで設けられたフォトカプラを介して前記コントローラの入力信号をオン/オフするように回路を構成することが好ましい。例えば、高電圧側回路と低電圧側回路を有し、高電圧側回路と低電圧側回路との間に絶縁境界が設けられるような本発明のインバータ装置において、上記フォトカプラを介してトランジスタがコントローラへの入力信号をオン/オフするように構成することが好ましい。
また、本発明のインバータ制御装置は、電動コンプレッサの制御において好適に用いられ、とくに、車両に用いられる電動コンプレッサのインバータ制御装置として好適に用いられる。例えば電気自動車やハイブリッド自動車等の車両用の電動コンプレッサを制御するインバータ制御装置は、車両内の比較的狭いスペースに設置され、高電圧側回路と低電圧側回路が絶縁境界によって隔てられており、電源電圧の変動も生じやすいので、本発明のような、シンプルで迅速な動作が可能な電源監視機能を有するインバータ制御装置を採用するメリットは大きい。
また、本発明のインバータ制御装置は、車両に用いられる車輪駆動用インバータ、EPS(電動パワーステアリング機構)、DC−DCコンバータ、バッテリー制御用ECU(エンジンコントロールユニット)等のように、インバータ制御装置の回路内に絶縁境界が設けられる製品一般に好適に使用される。
本発明に係るインバータ制御装置によれば、主電源の電圧が低下した場合にも、適切に主電源の電圧低下を検知し、誤って他の正常な機器の異常を検知しないような制御が可能となる。また、本発明のインバータ制御装置が車両用電動コンプレッサの制御に用いられる場合には、車両側ECU(エンジンコントロールユニット)に誤った異常検出情報(インバータ内部機器の異常検出情報など)を送信し、車両運転者への誤情報通知の防止や、エラーフレームを誤って送信してCAN通信に支障が生じることを防止することが可能となる。
本発明の一実施態様に係るインバータ制御装置を用いた電動コンプレッサの概略配線図である。 本発明の一実施態様に係るインバータ制御装置の電源監視機能に関する要部の回路図である。 本発明の他の実施態様に係るインバータ制御装置の電源監視機能に関する要部を示す回路図である。
以下に、本発明の望ましい実施の形態を、図面を参照して説明する。
図1は、本発明の一実施態様に係るインバータ制御装置を用いた電動コンプレッサ1の概略配線図である。電動コンプレッサ1は、大きく分けて駆動回路8と圧縮機9の部分からなり、駆動回路8には、コネクタ19を介して高電圧側バッテリー20が、制御信号用コネクタを介して低電圧側バッテリー(LV12V電源)31、車内LAN32および車両側ECU(エンジンコントロールユニット)33がそれぞれ接続されている。なお、本発明においてインバータ制御装置とは、このうち駆動回路8、高電圧側バッテリー20および低電圧側バッテリー31の部分を指している。
図1において、圧縮機9は、圧縮部11と、モータ巻線10を備えるモータ13からなり、圧縮機9と駆動回路8との間の接続箇所には、密封端子12が設けられている。密封端子12は、駆動回路8内のパワー半導体素子14に接続されており、パワー半導体素子14は、IGBT(絶縁ゲートバイポーラトランジスタ)15と還流ダイオード16から構成され、コネクタ19を介して高電圧側バッテリー20から電力が供給されている。また、平滑コンデンサ17と、コイルおよびコンデンサから構成されるノイズフィルタ18が、パワー半導体素子14に対して並列に接続され、パワー半導体素子14の動作の安定化が図られている。
パワー半導体素子14は、マイコン21によって制御されている。マイコン21は、低電圧側に設けられたCANトランシーバ29との間で、絶縁素子(フォトカプラ)23を介して通信可能に構成されている。マイコン21には、主電源としての低電圧側バッテリー31から分配された電力を変換する、高電圧側副電源としての絶縁トランス電源回路22から制御用電力が供給されている。また、マイコン21は、低電圧側に設けられた電源監視部(LV12V電圧検出回路)24によってオン/オフ制御されている。
図2は、本発明の一実施態様に係るインバータ制御装置の電源監視機能に関する要部を示しており、図1のマイコン21、絶縁トランス電源回路22、絶縁素子23、電源監視部24および低電圧側バッテリー31の部分に対応する回路図である。
図2において、電源監視用IC3の入力端子は、ダイオード7と抵抗rを介して低電圧側バッテリー31の出力端子に接続されており、かつ、抵抗rを介して接地されている。また、電源監視用IC3の出力端子は、ダイオード7と抵抗rを介して、低電圧側バッテリー31の出力端子に接続されており、かつ、抵抗rを介してトランジスタ4のベース端子に接続されている。トランジスタ4のエミッタ端子は接地されており、かつ、抵抗rを介してトランジスタ4のベース端子に接続されている。トランジスタ4のコレクタ端子は、絶縁素子23の発光素子としての発光ダイオード5を介して低電圧側副電源(LV5V電源)2の出力端子に接続されており、低電圧側副電源2からのコレクタ電流のオン/オフが、絶縁素子23の受光素子としてのフォトトランジスタ6に流れる電流をオン/オフしている。高電圧側回路37に設けられたマイコン21には、+側電源入力端子に絶縁トランス電源回路22の+側出力が、−側電源入力端子にフォトトランジスタ6のコレクタ端子が接続され、かつ、マイコン21の+側電源入力端子は、抵抗rを介してマイコン21の−側電源入力端子に接続されている。また、フォトトランジスタ6のエミッタ端子は接地されている。
図2に示されるような回路によれば、低電圧側バッテリー31の出力電圧が瞬間的にゼロとなった場合には、トランジスタ4のベース−エミッタ間電圧(VBE)およびベース電流(I)はゼロとなる(低電圧側副電源2は瞬停時にある時間、電圧が保持されるようになっている)ので、絶縁素子23を介してマイコン21の入力信号を、電圧低下を示す信号とすることが可能となる。
また、低電圧側バッテリー31の出力電圧が異常に低下したものの、電圧ゼロにまでは低下しないような事象も考えられる。そこで、インバータ制御装置を、このような事象に対応可能とするために、抵抗(r,r,r,r,r)の電気抵抗値(R,R,R,R,R)が、以下のような関係式1〜5のすべてを満たすように回路を設計することが好ましい。
〔式1〕
ST=VMOV×(R+R)/R+VFmax
〔式2〕
(VST−VFmax)×R/(R+R+R)<VBEmin
〔式3〕
=VTH×(R+R)/R+VFmax
〔式4〕
Bmin=(V−VFmax−VBEmax)/(R+R)−VBEmax/R
〔式5〕
Bmin×hFE>ICmax
ここで、上記関係式1〜5における記号の意味は次の通りである。
TH:電源監視ICのスレッショルド電圧
:電源監視ICの入力電圧がVTHに等しい時の低電圧側バッテリーの出力電圧
Fmax:ダイオードの順方向電圧の最大値
FE:トランジスタの直流電流増幅率
Bmin:トランジスタのベース電流の最小値
Cmax:トランジスタのコレクタ電流の最大値
BEmin:トランジスタのベース−エミッタ間電圧の最小値
BEmax:トランジスタのベース−エミッタ間電圧の最大値
MOV:電源監視ICの最低作動電圧
ST:電源監視ICの入力電圧がVMOVに等しい時の低電圧側バッテリーの出力電圧
:抵抗rの電気抵抗値
:抵抗rの電気抵抗値
:抵抗rの電気抵抗値
:抵抗rの電気抵抗値
:抵抗rの電気抵抗値
なお、本実施態様に係るインバータ制御装置において、回路を構成する各種部品の特性のバラツキをも考慮した上で、回路設計を行うことが好ましい。具体的には、R、R、Rについては、電気抵抗値の誤差を考慮した最小値について上記関係式1および2を満たし、一方、R,Rについては、電気抵抗値の誤差を考慮した最大値について上記関係式1および2を満たすように、回路が構成されることが好ましい。さらにR、Rについては、電気抵抗値の誤差を考慮した最大値について上記関係式4を満たし、R、V、については、電気抵抗値の誤差を考慮した最小値について上記関係式4を満たし、またhFEについては、電気抵抗値の誤差を考慮した最小値について上記関係式5を満たすように、回路が構成されることが好ましい。
図3は、本発明の他の実施態様に係るインバータ制御装置の電源監視機能に関する要部を示している。図3においては、基本的な原理および動作は図2の場合と同様であるので、対応する部分には同一の符号を付することにより説明を省略する。
図3が図2と異なる点は、図2において存在する絶縁境界38が、図3には存在していない点である。絶縁境界38が存在しないことから、図2の絶縁トランス電源回路22および絶縁素子23が図3には設けられていない。そして、図2の絶縁トランス電源回路22の代わりに、低電圧側副電源2からマイコン21に制御用電力が供給されている。また、抵抗rが省略されている。
図3に示されるインバータ制御装置においても、図2の場合とほぼ同様にして、低電圧側バッテリー31の出力電圧がゼロとなった場合にマイコン21の入力信号を、電圧低下を示す信号とすることができる。また、低電圧側バッテリー31の出力電圧が異常に低下したものの、電圧ゼロにまでは低下しないような事象に備えて、抵抗(r,r,r,r,r)の電気抵抗値(R,R,R,R,R)を設定するにあたっても、図2の場合と同一の関係式1〜5を用いることが可能である。
本発明に係るインバータ制御装置は、主電源の電圧の異常低下に対して適切な制御を行うことが求められる各種機器に適用可能である。とくに、車両用の電動コンプレッサの制御等に好適に用いられる。
1 電動コンプレッサ
2 低電圧側副電源
3 電源監視用IC
4 トランジスタ
5 発光ダイオード
6 フォトトランジスタ
7 ダイオード
8 駆動回路
9 圧縮機
10 モータ巻線
11 圧縮部
12 密封端子
13 モータ
14 パワー半導体素子
15 IGBT
16 還流ダイオード
17 平滑コンデンサ
18 ノイズフィルタ
19 コネクタ
20 高電圧側バッテリー
21 マイコン
22 絶縁トランス電源回路(高電圧側副電源)
23 絶縁素子
24 電源監視部
29 CANトランシーバ
30 制御信号用コネクタ
31 低電圧側バッテリー
32 車内LAN
33 車両側ECU
34 ベース電流I
35 コレクタ電流I
36 低電圧側回路
37 高電圧側回路
38 絶縁境界
、r、r、r、r、r、r 抵抗

Claims (8)

  1. 主電源と、該主電源から分配された電力を変換する副電源と、該副電源から供給される制御用電力で作動するコントローラと、エミッタ−コレクタ間電流がオン/オフされることにより前記コントローラの入力信号をオン/オフするトランジスタと、入力端子が少なくとも抵抗(r)を介して前記主電源に接続されて前記主電源の電圧を監視する電源監視回路とからなるインバータ制御装置であって、前記トランジスタのエミッタ端子が接地され、前記トランジスタのベース端子が抵抗(r)を介して前記電源監視回路の出力端子に接続され、前記電源監視回路の出力信号に応じて前記トランジスタのエミッタ−コレクタ間電流がオン/オフされることを特徴とするインバータ制御装置。
  2. 前記電源監視回路の出力端子が少なくとも抵抗(r)を介して前記主電源に接続され、前記電源監視回路の入力端子が接地抵抗(r)を介して接地され、前記トランジスタのベース端子が抵抗(r)を介して接地されている、請求項1に記載のインバータ制御装置。
  3. 前記電源監視回路の出力端子がダイオードと抵抗(r)を介して前記主電源に接続され、さらに前記電源監視回路の入力端子がダイオードを介して前記主電源に接続されており、前記ダイオードの順方向電圧の最大値(VFmax)、前記電源監視回路の最低作動電圧(VMOV)、前記電源監視回路の入力電圧がVMOVに等しい時の前記主電源の電圧(VST)、前記トランジスタのベース−エミッタ間電圧の最小値(VBEmin)および抵抗(r,r,r,r,r)の電気抵抗値(R,R,R,R,R)が、以下の式1および式2を満たす、請求項2に記載のインバータ制御装置。
    〔式1〕
    ST=VMOV×(R+R)/R+VFmax
    〔式2〕
    (VST−VFmax)×R/(R+R+R)<VBEmin
  4. 前記ダイオードの順方向電圧の最大値(VFmax)、前記電源監視回路のスレッショルド電圧(VTH)、前記電源監視回路の入力電圧がVTHに等しい時の前記主電源の電圧(V)、前記トランジスタのベース電流の最小値(IBmin)、前記トランジスタの直流電流増幅率(hFE)、前記トランジスタのコレクタ電流の最大値(ICmax)、前記トランジスタのベース−エミッタ間電圧の最大値(VBEmax)および抵抗(r,r,r,r,r)の電気抵抗値(R,R,R,R,R)が、以下の式3〜式5のすべてを満たす、請求項3に記載のインバータ制御装置。
    〔式3〕
    =VTH×(R+R)/R+VFmax
    〔式4〕
    Bmin=(V−VFmax−VBEmax)/(R+R)−VBEmax/R
    〔式5〕
    Bmin×hFE>ICmax
  5. 前記電源監視回路が電源監視用集積回路からなる、請求項1〜4のいずれかに記載のインバータ制御装置。
  6. 絶縁境界を有し、前記トランジスタが、前記絶縁境界をまたいで設けられたフォトカプラを介して前記コントローラの入力信号をオン/オフする、請求項1〜5のいずれかに記載のインバータ制御装置。
  7. 電動コンプレッサを制御する、請求項1〜6のいずれかに記載のインバータ制御装置。
  8. 車両に用いられる電動コンプレッサを制御する、請求項7に記載のインバータ制御装置。
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