JP5499850B2 - インバータの放電制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、インバータの放電制御装置に関する。

電気自動車やハイブリッド車両などのモータを駆動源に持つ車両は、モータに交流電力を供給するために、インバータを搭載している。インバータには、直流電源からの直流電力を平滑化し、電荷を蓄電するコンデンサが設けられている。このコンデンサには通常でも高電圧（例えば、６５０Ｖ程度）の電荷が蓄電されるが、インバータにはモータで発生する逆起電力によって非常に高い電圧（例えば、最大で１４００Ｖ程度）が入力される場合があるので、この場合にはコンデンサにはその非常に高い電圧の電荷が蓄電されることになる。

車両に搭載される各種装置は、衝突した場合を想定して、衝突した場合でも可能な限り安全性を確保する必要がある。車両が衝突した場合、インバータでは外部ワイヤハーネス（例えば、バッテリ（低圧電源用＋Ｂ）との電源線、上位ＥＣＵ[Electronic Control Unit]との通信線、モータとのパワーケーブル）が断線する可能性がある。このような場合に対処するために、インバータに電源が供給されていないことを想定して、インバータ単独で上記したようなコンデンサの高電圧の電荷を短時間で放電する機能が必要となる。特許文献１には、インバータの上アームと下アームのＩＧＢＴ[Insulated Gate Bipolar Transistor]をスイッチング（ＯＮ／ＯＦＦ）してコンデンサの電荷を放電することが開示されている。

特開２００５−２０９５２号公報 特開２０１０−４６６８号公報 特開２００８−３０６７９５号公報

上記の放電方法では下アームのＩＧＢＴをＯＮ／ＯＦＦするので、下アームのＩＧＢＴがＯＦＦしている場合、上アームのＩＧＢＴのエミッタの電位はＶＨ電位（インバータでの高圧側電位）となる。そのため、上アームのＩＧＢＴをＯＮするためには、上アームのゲート電圧としてＶＨ電圧より高い電圧（例えば、１４００Ｖ以上の電圧）が必要となる。このような高電圧の駆動電圧を発生させるためには、スイッチングレギュレータなどの高価で回路規模が大きい電源回路が必要となる。また、上アームのＩＧＢＴと下アームのＩＧＢＴとを高精度にＯＮ／ＯＦＦ制御するためには、駆動回路や同期回路などが必要となる。そのため、高コストとなり、回路規模も大型化する。

そこで、本発明は、簡素な回路構成でインバータ内に蓄積された電荷を放電することができるインバータの放電制御装置を提供することを課題とする。

本発明に係るインバータの放電制御装置は、車両に搭載され、上アームのスイッチング素子と下アームのスイッチング素子を備えるインバータにおいて、インバータ内に蓄積された電荷を放電するための放電制御装置であって、車両における異常又は車両における異常が予測される場合、下アームのスイッチング素子をＯＮに固定した後に、上アームのスイッチング素子をＯＮ／ＯＦＦ又はＯＮに固定してインバータ内の電荷を放電し、上アームのスイッチング素子をＯＮ／ＯＦＦ又はＯＮに固定する場合、上アームのスイッチング素子のゲートに磁気結合により絶縁された信号伝達手段を介してＯＮ／ＯＦＦ又はＯＮに固定するための駆動電圧を印加し、磁気結合における一次側制御信号は、下アームの電位を基準として動作する回路で生成されることを特徴とする。

このインバータは、上アームのスイッチング素子と下アームのスイッチング素子を備えており、通常、上アームのスイッチング素子と下アームのスイッチング素子をＯＮ／ＯＦＦ制御することによって直流電力を交流電力に変換してモータに供給する。放電制御装置では、車両における異常又は車両における異常が予測される場合、まず、下アームのスイッチング素子をＯＮに固定する。下アームのスイッチング素子がＯＮのときには、上アームのスイッチング素子のエミッタがＮ電位（インバータでの低圧側電位）となる。したがって、上アームのスイッチング素子をＯＮするためにＮ電位を基準とした駆動電圧を印加すればよい。そこで、放電制御装置では、下アームのスイッチング素子のＯＮ固定状態で、上アームのスイッチング素子をＯＮ／ＯＦＦ又はＯＮに固定するためにＮ電位を基準とした駆動電圧を印加する。上アームのスイッチング素子がＯＮすると、上アームのスイッチング素子に電流が流れ、インバータ内に蓄電された電荷を上下アームのスイッチング素子を同時にＯＮ通電することによりＮ電位に放電する。したがって、放電時の上アームのスイッチング素子への駆動電圧を発生させるためには、スイッチングレギュレータなどの高電圧の絶縁電源回路が必要ない。また、放電時には上アームのスイッチング素子及び下アームのスイッチング素子をＯＮ／ＯＦＦ制御しないので、高性能な駆動回路や同期回路などが必要ない。このように、このインバータの放電制御装置は、下アームのスイッチング素子をＯＮに固定した後に上アームのスイッチング素子をＯＮ／ＯＦＦ又はＯＮに固定することにより、簡素な回路構成でインバータ内に蓄積された電荷を放電することができる。

本発明の上記インバータの放電制御装置では、上アームのスイッチング素子をＯＮ／ＯＦＦ又はＯＮに固定する場合、インバータによって駆動されるモータ又はＤＣ−ＤＣコンバータの駆動制御電圧よりも低くすると好適である。

この放電制御装置では、下アームのスイッチング素子をＯＮ固定した後に、上アームのスイッチング素子をＯＮ／ＯＦＦ又はＯＮに固定する場合にインバータによって駆動されるモータ又はＤＣ−ＤＣコンバータの駆動制御電圧よりも低い駆動電圧を上アームのスイッチング素子に印加する。このような駆動電圧を印加すると、スイッチング素子には少しずつしか電流が流れない。そのため、放電時にインバータ内に蓄電された高電圧の電荷が上アームのスイッチング素子に大電流となって一気に流れないので、スイッチング素子が故障などしない。このように、このインバータの放電制御装置は、放電時に上アームのスイッチング素子をＯＮ／ＯＦＦ又はＯＮに固定する場合にモータ又はＤＣ−ＤＣコンバータの駆動制御電圧よりも低くすることにより、上アームのスイッチング素子を保護することができる。

この放電制御装置では、放電実施時は下アームのスイッチング素子のＯＮ固定した後に、磁気結合により絶縁された信号伝達手段を介して上アームのスイッチング素子のゲートにＯＮ／ＯＦＦ又はＯＮに固定するための駆動電圧を印加する。このように、インバータの放電制御装置は、モータ駆動時において磁気結合により絶縁された信号伝達手段によって絶縁され、上アームのスイッチング素子を保護することができる。

本発明は、下アームのスイッチング素子をＯＮに固定した後に上アームのスイッチング素子をＯＮ／ＯＦＦ又はＯＮに固定することにより、簡素な回路構成でインバータ内に蓄積された電荷を放電することができる。

本実施の形態に係るインバータの構成図である。 本実施の形態に係るインバータの他の形態の構成図である。

以下、図面を参照して、本発明に係るインバータの放電制御装置の実施の形態を説明する。なお、各図において同一又は相当する要素については同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

本実施の形態では、本発明に係るインバータの放電制御装置を、モータを駆動源に持つ車両（例えば、ハイブリッド車両、電気自動車、燃料電池車両）のインバータの放電制御機能に適用する。本実施の形態に係るインバータは、モータ駆動時にバッテリの直流電力を三相交流電力に変換してモータに供給する。

図１を参照して、本実施の形態に係るインバータ１について説明する。図１は、本実施の形態に係るインバータの構成図である。なお、図１のインバータでは出力段の上アームと下アームのＩＧＢＴ等についてはモータの１相分のみ示しているが、実際には出力段にモータの３相分の上アームと下アームのＩＧＢＴ等がある。

インバータ１は、モータ駆動時（通常時）に、バッテリＢからの直流電力を三相交流電力に変換し、モータの各相のコイルＣに供給する。また、車両の異常を検知した場合、インバータ１は、放電時、コンデンサに蓄電された電荷をモータの各コイルＣで放電する。

インバータ１には、システムメインリレーＲ１，Ｒ２を介してバッテリＢに接続されるとともに、モータの各相のコイルＣが接続される。また、インバータ１には、モータ制御、ハイブリッド制御などの上位ＥＣＵ[Electronic Control Unit]（図示せず）が接続され、上位ＥＣＵからの制御信号に応じて動作する。インバータ１は、主に、低電圧コンデンサ２、ＤＣ／ＤＣコンバータ３、高電圧コンデンサ４、シリーズレギュレータ５、駆動回路６、パルストランス７、各相の上アームのＩＧＢＴ８（上アームのスイッチング素子に相当）と下アームのＩＧＢＴ９（下アームのスイッチグ素子に相当）を備えている。

低電圧コンデンサ２は、システムメインリレーＲ１，Ｒ２を介してバッテリＢに並列に接続される。低電圧コンデンサ２では、バッテリＢの低電圧の直流電圧を平滑化し、低電圧の電荷を蓄電する。

ＤＣ／ＤＣコンバータ３は、コイル３ａ、ＩＧＢＴ３ｂ，３ｃ、還流ダイオード３ｄ，３ｅからなる。コイル３ａの一端には、低電圧コンデンサ２の高電圧側が接続される。コイル３ａの他端には、ＩＧＢＴ３ｂとＩＧＢＴ３ｃの接続点が接続される。ＩＧＢＴ３ｂとＩＧＢＴ３ｃとは直列に接続され、ＩＧＢＴ３ｂのコレクタに高電圧コンデンサ４の高電圧側（ＶＨ電位）が接続され、ＩＧＢＴ３ｃのエミッタに高電圧コンデンサ４の低電圧側（Ｎ電位）が接続される。ＩＧＢＴ３ｂ、ＩＧＢＴ３ｃには、還流ダイオード３ｄ，３ｅがそれぞれ逆並列接続される。このような回路構成によって、ＤＣ／ＤＣコンバータ３では、低電圧コンデンサ２の低電圧の直流電力を高電圧の直流電力に変換する。

高電圧コンデンサ４は、ＤＣ／ＤＣコンバータ３に接続される。高電圧コンデンサ４では、ＤＣ／ＤＣコンバータ３で昇圧された直流電圧を平滑化し、高電圧の電荷を蓄電する。なお、インバータ１のＶＨ電位は、通常時、例えば、６５０Ｖ程度（ＤＣ／ＤＣコンバータ３で昇圧される電圧）である。インバータ１にモータで発生する非常に高い逆起電力が入力された場合、インバータ１のＶＨ電位は、例えば、最大で１４００Ｖ程度になる。高電圧コンデンサ４には、このＶＨ電位の高電圧の電荷が蓄電される。

シリーズレギュレータ５は、高電圧コンデンサ４が接続されるとともに、駆動回路６が接続される。シリーズレギュレータ５では、高電圧コンデンサ４の高電圧を降圧して駆動回路６に定電圧（例えば、１５Ｖ程度）を出力する。なお、シリーズレギュレータ５は、Ｎ電位に接続され、Ｎ電位を基準として動作する。

駆動回路６は、シリーズレギュレータ５が接続されるとともに、パルストランス７及び下アームのＩＧＢＴ９のゲートが接続される。駆動回路６では、モータ駆動時（通常時）はパルストランス７を介して駆動せず、放電実施時のみパルストランス駆動するため上アームのＩＧＢＴ８をＯＮ／ＯＦＦするためのパルス駆動電圧をパルストランス７に出力するとともに、下アームのＩＧＢＴ９をＯＮ／ＯＦＦするためのパルス駆動電圧をＩＧＢＴ９のゲートに印加する。なお、駆動回路６は、Ｎ電位に接続され、Ｎ電位を基準として動作する。

また、駆動回路６では、インバータ１で上位ＥＣＵから衝突などの車両異常を通知する信号を受信したか否か、あるいは、インバータ１の異常を検知したか否かを判定する。インバータ１の異常を検知する方法としては、例えば、インバータ１へのバッテリＢからの電源が供給されているか否か、上位ＥＣＵなどとの通信ができるか否かで検知する。上位ＥＣＵからの異常信号を受信した場合あるいはインバータ１の異常を検知した場合、駆動回路６では、まず、下アームのＩＧＢＴ９をフルＯＮ（飽和領域でのＯＮ）するための駆動電圧（例えば、フルＯＮ時にはＮ電位＋１５Ｖ程度）をＩＧＢＴ９のゲートに印加する。ＩＧＢＴ９へのフルＯＮの駆動電圧を印加中に、駆動回路６では、上アームのＩＧＢＴ８をハーフＯＮ（非飽和領域でのＯＮ）／ＯＦＦするためのパルス駆動電圧（例えば、ハーフＯＮ時にはＮ電位＋８Ｖ程度）をパルストランス７に出力する。このパルス駆動電圧は、インバータ１によって駆動されるモータの駆動制御電圧よりも低い。

パルストランス７は、絶縁用のパルストランスであり、磁気結合により絶縁された信号伝達手段である。パルストランス７は、入力側に駆動回路６が接続されるとともに出力側に上アームのＩＧＢＴ８のゲートが接続される。パルストランス７では、絶縁して、駆動回路６からのパルス駆動電圧を１対１でＩＧＢＴ８のゲートに出力する。ちなみに、下アームのＩＧＢＴ９がＯＦＦのときには、上アームのＩＧＢＴ８のエミッタの電位がＶＨ電位となる。一方、駆動回路６はＮ電位を基準として動作している。したがって、下アームのＩＧＢＴ９がＯＦＦのときには上アームのＩＧＢＴ８と駆動回路６との電位差が非常に大きくなり、この状態で駆動回路６からパルス駆動電圧をＩＧＢＴ８に直接印加すると、上アームのＩＧＢＴ８が故障する虞がある。そこで、パルストランス７を駆動回路６と上アームのＩＧＢＴ８との間に設けて絶縁している。

ＩＧＢＴ８とＩＧＢＴ９とは、直列に接続され、ＩＧＢＴ８のコレクタにＶＨ電位が接続され、ＩＧＢＴ９のエミッタにＮ電位が接続される。ＩＧＢＴ８のエミッタとＩＧＢＴ９のコレクタの接続点に、モータの各相のコイルＣが接続される。ＩＧＢＴ８、ＩＧＢＴ９には、還流ダイオード８ａ，９ａがそれぞれ逆並列接続される。ＩＧＢＴ８では、ゲートに印加されるパルストランス７からのパルス駆動電圧に応じてＯＮ／ＯＦＦする。ＩＧＢＴ９では、ゲートに印加される駆動回路６からのパルス駆動電圧に応じてＯＮ／ＯＦＦする。なお、ＩＧＢＴ８，９では、ゲートにフルＯＮするためのパルス駆動電圧が印加されると、フルＯＮし、コレクタ−エミッタ間に通常量の電流が流れる。また、上アームのＩＧＢＴ８では、放電時に、ゲートにハーフＯＮするためのパルス駆動電圧が印加されると、ハーフＯＮし、コレクタ−エミッタ間に少量ずつ電流が流れる。

モータを駆動する場合のインバータ１での動作について説明する。システムメインリレーＲ１，Ｒ２がＯＮしている場合、インバータ１には、バッテリＢから低電圧の直流電力が入力される。低電圧コンデンサ２では、そのバッテリＢからの低電圧の直流電力を平滑化し、低電圧の電荷を蓄電する。ＤＣ／ＤＣコンバータ３では、低電圧コンデンサ２の低電圧の直流電力を昇圧する。高電圧コンデンサ４では、その昇圧された高電圧の直流電力を平滑化し、高電圧の電荷を蓄電する。そして、各相のコイルＣに間欠的に電流を流し、三相の交流電力をモータに供給する。

低電圧コンデンサ２及び高電圧コンデンサ４の電荷を放電する場合のインバータ１での動作について説明する。駆動回路６では、上位ＥＣＵからの異常信号を受信あるいはインバータ１の異常を検知すると、下アームのＩＧＢＴ９をフルＯＮするための駆動電圧をＩＧＢＴ９のゲートに印加する。この駆動電圧がゲートに印加されると、下アームのＩＧＢＴ９では、フルＯＮする。ＩＧＢＴ９がフルＯＮすると、上アームのＩＧＢＴ８のエミッタの電位（下アームのＩＧＢＴ９のコレクタの電位）が、Ｎ電位となる。したがって、上アームのＩＧＢＴ８をＯＮするためにはＮ電位を基準としたパルス駆動電圧を印加すればよい。そこで、駆動回路６では、上アームのＩＧＢＴをハーフＯＮ／ＯＦＦするためのＮ電位を基準としたパルス駆動電圧をパルストランス７に出力する。パルストランス７では、駆動回路６からのパルス駆動電圧を１対１でＩＧＢＴ８のゲートに印加する。このパルス駆動電圧がゲートに印加されると、上アームのＩＧＢＴ８では、ハーフＯＮ／ＯＦＦする。すると、低電圧コンデンサ２及び高電圧コンデンサ４に蓄電されている電荷がＩＧＢＴ８のコレクタ−エミッタ間を通って少量ずつ流れ、Ｎ電位に放電する。

このインバータ１によれば、放電時に下アームのＩＧＢＴ９をフルＯＮに固定した後に上アームのＩＧＢＴ８をハーフＯＮ／ＯＦＦすることにより、簡素な回路構成でインバータ１内に蓄積された電荷を放電することができる。放電時には上アームのＩＧＢＴ８へのパルス駆動電圧はＮ電位を基準とした電圧でよいので、スイッチングレギュレータなどの高電圧の絶縁電源回路を必要とせず、回路規模が小さく（小型）かつ低コストなシリーズレギュレータで十分に供給可能である。また、放電時には上アームのＩＧＢＴ及び下アームのＩＧＢＴをＯＮ／ＯＦＦ制御しないので、高性能な駆動回路や同期回路などが必要ない。

また、インバータ１によれば、放電時に上アームのＩＧＢＴ８をハーフＯＮすることにより、ＩＧＢＴ８を保護することができる。ハーフＯＮではインバータ１内に蓄電された高電圧の電荷が上アームのＩＧＢＴ８に大電流となって一気に流れないので、ＩＧＢＴ８が故障などしない。また、インバータ１によれば、パルストランス７による絶縁によって、上アームのスイッチング素子８を保護することができる。

図２には、上アーム用と下アーム用に専用の駆動回路を備えるインバータ１０を示している。このインバータ１０は、上アームのＩＧＢＴ８を駆動するための上アーム用駆動回路１１とその上アーム用駆動回路１１に定電圧を供給する上アーム用シリーズレギュレータ１２を備えるとともに、下アームのＩＧＢＴ９を駆動するための下アーム用駆動回路１３とその下アーム用駆動回路１３に定電圧を供給する下アーム用シリーズレギュレータ１４を備えている。このインバータ１０では、放電時には、下アーム用駆動回路１３から下アームのＩＧＢＴ９をフルＯＮするための駆動電圧をＩＧＢＴ９のゲートに印加し、その後に、上アーム用駆動回路１１から上アームのＩＧＢＴ８をハーフＯＮ／ＯＦＦするためのパルス駆動電圧をＩＧＢＴ８のゲートに印加する。上アーム用駆動回路１１は、上アームのＩＧＢＴ８のエミッタに接続されているので、上アームのＩＧＢＴ８のエミッタ電位を基準として動作する。そのため、下アームのＩＧＢＴ９がＯＦＦのときでも、上アームのＩＧＢＴ８と上アーム用駆動回路１１との電位差が大きくならない。したがって、このインバータ１０では、絶縁用のパルストランスが必要ない。

以上、本発明に係る実施の形態について説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されることなく様々な形態で実施される。

本実施の形態ではインバータのスイッチング素子としてＩＧＢＴを適用したが、他のスイッチング素子でもよい。また、本実施の形態ではインバータの構成の一例を示したが、この構成以外のインバータにも適用可能である。

また、本実施の形態では通常駆動時と放電駆動時の駆動回路として同じ駆動回路で構成したが、通常駆動時用と放電駆動時用で別々の駆動回路で構成してもよい。

また、本実施の形態では車両での各種異常が検出された場合にインバータでの放電を行う構成としたが、車両での各種異常が予測される場合にインバータでの放電を行うようにしてもよい。

また、本実施の形態では放電する際に下アームのＩＧＢＴをＯＮ固定した後に上アームのＩＧＢＴを非飽和領域でＯＮ／ＯＦＦする構成としたが、下アームのＩＧＢＴをＯＮしているときに上アームのＩＧＢＴを飽和領域でＯＮ／ＯＦＦしてもＩＧＢＴが故障などしないことが保障されている場合には上アームのＩＧＢＴを飽和領域でＯＮしてもよい。

また、本実施の形態では放電する際に下アームのＩＧＢＴをＯＮ固定した後に上アームのＩＧＢＴを非飽和領域でＯＮ／ＯＦＦする構成としたが、上アームのＩＧＢＴを非飽和領域でＯＮ固定してもＩＧＢＴが故障などしないことが保障されている場合には上アームのＩＧＢＴを非飽和領域でＯＮ固定してもよい。

また、本実施の形態ではパルストランスを介して上アームのＩＧＢＴに駆動電圧を供給する構成としたが、パルストランスによって絶縁しなくても上アームのＩＧＢＴが故障などしないことが保障されている場合にはパルストランスがない構成としてもよい。

１，１０…インバータ、２…低電圧コンデンサ、３…ＤＣ／ＤＣコンバータ、３ａ…コイル、３ｂ，３ｃ…ＩＧＢＴ、３ｄ，３ｅ…還流ダイオード、４…高電圧コンデンサ、５…シリーズレギュレータ、６…駆動回路、７…パルストランス、８，９…ＩＧＢＴ、８ａ，９ａ…還流ダイオード、１１…上アーム用駆動回路、１２…上アーム用シリーズレギュレータ、１３…下アーム用駆動回路、１４…下アーム用シリーズレギュレータ。

Claims (2)

1. 車両に搭載され、上アームのスイッチング素子と下アームのスイッチング素子を備えるインバータにおいて、インバータ内に蓄積された電荷を放電するための放電制御装置であって、
   車両における異常又は車両における異常が予測される場合、前記下アームのスイッチング素子をＯＮに固定した後に、前記上アームのスイッチング素子をＯＮ／ＯＦＦ又はＯＮに固定してインバータ内の電荷を放電し、
   前記上アームのスイッチング素子をＯＮ／ＯＦＦ又はＯＮに固定する場合、前記上アームのスイッチング素子のゲートに磁気結合により絶縁された信号伝達手段を介してＯＮ／ＯＦＦ又はＯＮに固定するための駆動電圧を印加し、
   前記磁気結合における一次側制御信号は、前記下アームの電位を基準として動作する回路で生成されることを特徴とするインバータの放電制御装置。
2. 前記上アームのスイッチング素子をＯＮ／ＯＦＦ又はＯＮに固定する場合、前記インバータによって駆動されるモータ又はＤＣ−ＤＣコンバータの駆動制御電圧よりも低くすることを特徴とする請求項１に記載のインバータの放電制御装置。

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