JP5742732B2 - インバータ - Google Patents

Description

本明細書では、交流モータに交流電力を供給するインバータに関する技術を開示する。

インバータは、直流電圧を平滑化するコンデンサを備えている。コンデンサには直流電圧が充電されており、安全のために放電が必要とされることがある。例えば電気自動車やハイブリッド自動車の走行用モータに通電するインバータに内蔵されているコンデンサは、高圧に充電されており、衝突事故の発生時等には放電して安全を確保する必要がある。

コンデンサを放電するために、コンデンサの正極と負極を接続する配線にスイッチング素子を挿入し、放電する必要が生じた時にスイッチング素子を導通させて放電する技術が知られている。

インバータは、交流電力の相数に等しい数の並列分岐路を備えており、それぞれの分岐路に少なくとも２個のスイッチング素子を備えている。例えば３相交流を供給するインバータは、少なくとも６個のスイッチング素子を備えている。各分岐路のスイッチング素子が異なるタイミングでオン・オフすることで複数相の交流電力を作り出す。交流電圧を生成するスイッチング素子を放電用スイッチング素子に流用することができる。特許文献１には、３相交流を生成するスイッチング素子を放電用に利用する技術を開示している。

放電用のスイッチング素子を導通させて放電する場合、そのスイッチング素子を放電電流が通過する際に、そのスイッチング素子が発熱する。スイッチング素子が過熱されると、スイッチング素子が劣化し、あるいは損傷する。特許文献１では、スイッチング素子に隣接して温度センサを配置し、温度センサの検出値が上昇すると、スイッチング素子をオフして放電を一時的に中断する。あるいは、スイッチング素子を流れる電流を計測し、計測値が上昇すると、スイッチング素子をオフして放電を一時的に中断する。特許文献１では、スイッチング素子を断続的にオン・オフすることによって、スイッチング素子が過熱されないようにしながら放電する。

特開２００３−３４８８５６号公報

特許文献１の技術では、放電中にスイッチング素子温度またはスイッチング素子電流の計測を継続し、計測値によって放電の継続または中断を判断し続ける。このような技術は、複雑な制御手順を必要とする。
本明細書では、より簡単な制御手順で、スイッチング素子の過熱を防止しながらコンデンサに充電されている電荷を放電する技術を開示する。

本明細書で開示するインバータは、コンデンサと、コンデンサの正極と負極を接続する配線に挿入されているスイッチング素子と、スイッチング素子を冷却する冷却機構と、スイッチング素子の温度を検出する温度センサを備えている。さらに、放電開始指令を入力する装置と、待機時間を計算する計算装置を備えている。その計算装置は、放電開始指令を入力した時に、その時のスイッチング素子の温度と、冷却中のスイッチング素子の温度低下幅と経過時間の関係と、放電開始可能温度とから、待機時間を計算する。インバータは、さらに、放電開始指令を入力した時からの経過時間を計る計時装置と、計時装置で計った経過時間が計算装置で計算した待機時間となった時にスイッチング素子を導通させる装置を備えている。

スイッチング素子は、耐えられる上限温度Ｔ1が決まっている。またコンデンサを放電するまでの間にスイッチング素子を通過する放電電流によってスイッチング素子が昇温する温度上昇幅Ｔ2も予め測定しておくことができる。温度上昇幅Ｔ2は、コンデンサ容量や放電中の電流の大きさの影響を受けるが、それらを決めれば予め測定しておくことができる。すると、スイッチング素子の温度がＴ1−Ｔ2以下の温度にある間に放電を開始すれば、放電中のスイッチング素子の温度をＴ1以下に抑えられることがわかる。放電開始可能温度Ｔ3を、Ｔ1−Ｔ2の式に従って特定しておけば、放電中のスイッチング素子が過熱されることを防止できる。

本明細書で開示するインバータは、スイッチング素子を冷却する装置を備えている。放電の開始を遅らせれば、スイッチング素子は冷却される。冷却装置の冷却能力から、冷却中のスイッチング素子の温度低下幅と経過時間の関係を予め測定しておくことができる。
冷却中のスイッチング素子の温度低下幅と経過時間の関係が既知であり、放電開始可能温度Ｔ3が既知であれば、放電開始指令を入力した時のスイッチング素子の温度を利用することによって、スイッチング素子が放電開始可能温度Ｔ3にまで冷却するのに要する時間を計算することができる。待機時間の計算装置は、上記のプロセスを利用して、放電開始指令を入力した時のスイッチング素子の温度と、冷却中のスイッチング素子の温度低下幅と経過時間の関係と、放電開始可能温度Ｔ3から、待機時間を計算する。待機時間だけ経過すれば、スイッチング素子は放電開始可能温度Ｔ3以下に冷却されている。本技術では、その後に放電を開始することから、連続的に放電してもスイッチング素子は過熱されない。
本技術によると、放電を断続的に進行させる必要がなく、連続放電すればよい。制御内容が単純化される。本技術によると、連続放電の開始時期だけを制御すればよいことから、制御内容が単純化される。

安全のために、コンデンサの放電完了までの時間が制約されていることがある。それをここでは許容時間ということにする。
本明細書の技術では、待機時間だけ待ってから放電を開始することから、放電完了までの時間は、待機時間＋放電時間となる。
その待機時間は、冷却装置の冷却能力で調整することができる。冷却能力を高めれば待機時間を短縮化できる。あるいは、コンデンサ容量を小型化することによっても待機時間を短縮化できる。コンデンサ容量が小さければ、放電総電力量が小さくなり、放電中の温度上昇幅が低下することから、待機時間を短縮化できる。耐熱能力が高いスイッチング素子を用いことによっても、待機時間を短縮化できる。放電電流の大きさを小さくすれば、放電中の温度上昇幅は低下する。反面、放電時間が長くなるので、一概に放電電流を制限すれば「待機時間＋放電時間」を短くできるとはいえない。しかしながら、放電電流の大きさと「待機時間＋放電時間」の間には関係があり、放電電流の大きさを調整することで「待機時間＋放電時間」を短縮化することができる。
コンデンサ容量と、放電電流の大きさと、スイッチング素子の耐熱能力と、冷却装置の冷却能力のうちの少なくとも一つを選定することで、待機時間＋放電時間＜許容時間の関係を満たすことができる。

待機時間を計算する代わりに、スイッチング素子が放電開始可能温度Ｔ3以下に冷却されたことを検出してから、スイッチング素子を導通させてもよい。すなわち、スイッチング素子の温度を検出する温度センサの検出値が放電開始可能温度Ｔ3以下に低下した時に、スイッチング素子を導通させる制御装置を利用してもよい。

本明細書に記載のインバータによると、放電開始タイミングを遅らせるだけでよく、放電を開始したら連続的に放電すればよい。スイッチング素子の過熱を防止するために、放電の開始と停止を繰り返し制御する必要がない。制御手順が簡単化される。

（ａ）は、インバータのシステム構成を示し、（ｂ）はシステムが利用する現象を示している。 インバータが実施する処理手順を示す。

下記に説明する実施例の主要な特徴を列記する。なお下記の特徴は、単独でも有用性を発揮するものであり、他の特徴と組み合わせることが不可欠ではない。
特徴１：インバータは３相交流を供給する。
特徴２：３相交流を生成するスイッチング素子が放電用スイッチング素子を兼用する。
特徴３：３相交流を生成するスイッチング素子の全部のスイッチング素子（全相に対応する）が導通して放電する。
特徴４：素子が耐えられる上限温度Ｔ１−放電によって生じるスイッチング素子の温度上昇幅Ｔ2＝放電開始可能温度Ｔ3の関係である。
特徴５：待機時間の間に素子が冷却されて温度が低下する幅＝放電開始指令入力時のスイッチング素子温度−放電開始可能温度Ｔ3の関係である。
特徴６：特徴4における素子が耐えられる上限温度Ｔ１は、放電という短時間の現象であることから、交流生成時における上限温度よりも高い関係にある。

図１は、直流電源７とインバータ１１とインバータ制御装置１７とモータ１２を備えている駆動力発生装置を示している。駆動力発生装置は電気自動車またはハイブリッド自動車に車載されており、モータ１２が回転すると自動車が走行する。自動車が制動される際には、モータ１２が発電機となって直流電源７を充電する。
インバータ１１は、直流電源７とモータ１２の間に接続されており、平滑用コンデンサ９を備えている。インバータ１１は、ｕ相用上段スイッチング素子１と、ｕ相用下段スイッチング素子２と、ｖ相用上段スイッチング素子３と、ｖ相用下段スイッチング素子４と、ｗ相用上段スイッチング素子５と、ｗ相用下段スイッチング素子６を備えている。
スイッチング素子１と並行にフライホイールダイオード１ａが接続され、スイッチング素子２と並行にフライホイールダイオード２ａが接続され、スイッチング素子３と並行にフライホイールダイオード３ａが接続され、スイッチング素子４と並行にフライホイールダイオード４ａが接続され、スイッチング素子５と並行にフライホイールダイオード５ａが接続され、スイッチング素子６と並行にフライホイールダイオード６ａが接続されている。
ｕ相用上段スイッチング素子１のゲート端子１ｂと、ｕ相用下段スイッチング素子２のゲート端子２ｂと、ｖ相用上段スイッチング素子３のゲート端子３ｂと、ｖ相用下段スイッチング素子４のゲート端子４ｂと、ｗ相用上段スイッチング素子５のゲート端子５ｂと、ｗ相用下段スイッチング素子６のゲート端子６ｂは、インバータ制御装置１７に接続されている。
インバータ制御装置１７は、スイッチング素子１〜６を異なるタイミングでオン・オフさせつことによって３相交流を生成してモータ１２に通電する。ｕ相の電流波形はｖ相の電流波形よりも１２０°進んだ位相で変化し、ｗ相の電流波形はｖ相の電流波形よりも１２０°遅れた位相で変化する。
ｖ相用下段スイッチング素子４の近傍に温度センサ１３が配置されている。

スイッチング素子１〜６は、ターンオンする瞬間、オンしている期間、及びターンオフする瞬間等に発熱する。スイッチング素子１〜６が過熱しないように、スイッチング素子１〜６は共通の冷却装置に取り付けられている。

図１(ｂ)において、横軸は時間軸を示し、縦軸は温度を示している。図中の温度Ｔ1は、スイッチング素子１〜６が耐えられる温度の上限を示している。図中のカーブ２０Ｂは、スイッチング素子１〜６の全部を同時にオンすることによって平滑用コンデンサに蓄積されていた電荷（充電電荷）を放電したときに、スイッチング素子１〜６の各々に生じる昇温カーブを示している。スイッチング素子１〜６の各々を放電電流が通過する際に、スイッチング素子１〜６の各々が発熱して昇温する。温度幅Ｔ2は、放電完了までの間にスイッチング素子１〜６の各々に生じる温度上昇幅を示している。図中の温度Ｔ3は、Ｔ1-Ｔ2の関係に設定されている。スイッチング素子１〜６の各々が温度Ｔ3以下にある間に放電を開始すれば、連続的に放電してもスイッチング素子１〜６の各々がＴ1以上に過熱されることはない。温度Ｔ3は、放電開始可能温度である。
スイッチング素子１〜６の耐熱能力から、温度Ｔ1は既知である。コンデンサ９の容量と、放電中にスイッチング素子１〜６の各々を流れる電流値が既知であれば、温度上昇幅Ｔ2も既知である。従って、放電開始可能温度Ｔ3も既知である。インバータ制御装置１７は、放電開始可能温度Ｔ3を記憶している記憶装置１８を備えている。

図１(ｂ)において、カーブ２０Ａは、非通電中のスイッチング素子１〜６が冷却されることよって温度が低下する関係を示している。カーブ２０Ａは、経過時間と温度低下幅の関係を示している。
図中の温度Ｔ４は、コンデンサ９の放電を開始する指令が入力された時の温度センサ１３の検出値を示している。点２０Ｃからカーブ２０Ｂが伸びていれば、放電中に素子温度はＴ１を超えてしまう。すなわち、スイッチング素子１〜６は過熱されてしまう。それに対して、スイッチング素子１〜６が放電開始可能温度Ｔ3以下に冷却されるのを待ってから放電を開始すれば、放電中の素子温度がＴ１を超えることはない。
そこで、インバータ制御装置１７は、放電開始指令の入力時の温度センサ１３の検出値Ｔ4を入力して記憶する装置１９を備えている。また、曲線２０Ａ、すなわち、経過時間と温度低下幅の関係を記憶している装置２０を備えている。
素子温度Ｔ4が与えられれば、スイッチング素子１〜６が、記憶されているカーブ２０Ａに従って、記憶されて放電開始可能温度Ｔ3にまで冷却されるのに要する時間Time1を特定することができる。インバータ制御装置１７は、時間Time1を特定する装置２１を備えている。後記するように、本実施例では、放電開始指令の入力タイミングから時間Time1だけ遅れたタイミングで放電を開始する。時間Time1は、放電の開始を遅らせる待機時間である。

インバータ制御装置１７は、計時装置２２を備えている。計時装置２２は、放電開始指令の入力タイミングからの経過時間を計時する。インバータ制御装置１７は、スイッチング素子１〜６の各々のゲート電圧を制御する装置２３を備えている。インバータ制御装置１７に放電開始指令が入力されると、それから待機時間Time1だけ遅れたタイミングで、ゲート電圧制御装置２３がスイッチング素子１〜６の全部を導通させる。
インバータ制御装置１７には、温度センサ１３が接続され、衝突（Ａ／Ｂ）センサ信号の入力端子１４と、ＨＶＥＣＵとＭＧＥＣＵ間の通信異常信号を入力する端子１５と、＋Ｂ電圧の低下信号を入力する端子６が接続されており、スイッチング素子１〜６のゲート１ｂ〜６ｂに接続されている。

衝突（Ａ／Ｂ）センサ信号と、ＨＶＥＣＵとＭＧＥＣＵ間の通信異常信号と、＋Ｂ電圧の低下信号は、それぞれが放電開始指令であり、いずれかがオンとなると放電開始指令が入力されたとする。いずれの事象も、コンデンサ９を放電して安全を確保するべき事象に対応する。また、衝突の結果、ＨＶＥＣＵとＭＧＥＣＵ間の通信異常または＋Ｂ電圧の低下が生じて、衝突（Ａ／Ｂ）センサ信号が受信できない場合がある。ＨＶＥＣＵとＭＧＥＣＵ間の通信異常信号と＋Ｂ電圧の低下信号も入力すると、コンデンサ９を放電して安全を確保するべき事象の発生を見逃さない。

図２は、インバータ制御装置１７が実施する放電処理に関する処理手順を示している。図２の処理は、短時間間隔で繰り返し実行される。ステップＳ２では、放電開始指令の入力の有無を監視する。放電開始指令が入力されなければ、一旦は処理を終了する。
放電開始指令が入力されれば、ステップＳ２がＹＥＳとなり、ステップＳ４を実行する。ステップＳ４では、インバータ１１の動作を停止する。ステップＳ６では、放電が可能か否かを判別する。放電不可であれば、一旦は処理を終了する。放電可能であれば、ステップＳ８を実行し、放電開始可能温度記憶装置１８に記憶されている温度Ｔ3と、放電開始指令の入力時の温度センサ１３の検出値Ｔ4（装置１９に記憶されている）と、装置２０に記憶されているカーブ２０Ａの形状から、待機時間Time1を特定する。次にステップＳ１０を実行し、計時装置２２で放電開始指令の入力時からの経過時間を計時する。次に、ステップＳ１２で待機時間Time1が経過するのを待ち、待機時間Time1が経過したら装置２３で全部のスイッチング素子１〜６のゲート１ｂ〜６ｂにオン電圧を印加して全部のスイッチング素子１〜６を導通させる。それによってコンデンサ９は放電する。放電に伴って、スイッチング素子１〜６の温度は曲線２０Ｂにしたがって上昇する。しかしながら、耐熱温度Ｔ1を超えることはない。待機時間Time1が経過するのを待って放電するので、連続放電してもスイッチング素子１〜６が過熱されることはない。

図１の仮想線８に示すように、直流電源７とインバータ１１の間に昇圧回路８が挿入されている実施例も存在する。
本実施例では、放電時にｕ相、ｖ相、ｗ相用のスイッチング素子１〜６の全部を同時にオンさせる。それに代えて、特定の相用のスイッチング素子のみをオンさせて放電させてもよい。あるいは放電する通電相を逐次着替えてもよい。

上記の実施例では、ステップＳ８からＳ１２によって、待機時間が経過するのを待ってスイッチング素子をオンする。これに代えて、温度センサ１３の検出値が放電開始可能温度Ｔ3にまで冷却されるのをまって、ステップＳ１４を実行してもよい。それによっても、スイッチング素子が過熱されることはなく、連続通電すればよい。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。
また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

１：ｕ相上段スイッチング素子
２：ｕ相下段スイッチング素子
３：ｖ相上段スイッチング素子
４：ｖ相下段スイッチング素子
５：ｗ相上段スイッチング素子
６：ｗ相下段スイッチング素子
７：直流電源
８：昇温回路
９：コンデンサ(平滑用コンデンサ)
１１：インバータ
１２：モータ
１３：温度センサ
１４：衝突（Ａ／Ｂ）センサ信号（放電開始指令１）の入力端子
１５：ＨＶＥＣＵとＭＧＥＣＵ間の通信異常信号（放電開始指令２）の入力端子
１６：＋Ｂ電圧の低下信号（放電開始指令３）の入力
１７：インバータ制御装置
１８：放電開始可能温度Ｔ3記憶装置
１９：放電開始指令の入力時の温度センサの検出値Ｔ4の入力記憶装置
２０：冷却カーブ２０Ａの記憶装置
２１：待機時間の特定装置
２２：計時装置
２３：ゲート電圧制御装置

Claims (2)

1. コンデンサと、
   コンデンサの正極と負極を接続する配線に挿入されているスイッチング素子と、
   スイッチング素子を冷却する冷却機構と、
   スイッチング素子の温度を検出する温度センサと、
   放電開始指令を入力する装置と、
   放電開始指令を入力した時に、その時のスイッチング素子の温度と、冷却中のスイッチング素子の温度低下幅と経過時間の関係と、放電開始可能温度とから、待機時間を計算する計算装置と、
   放電開始指令を入力した時からの経過時間を計る計時装置と、
   計時装置で計った経過時間が計算装置で計算した待機時間となった時に、スイッチング素子を導通させる装置、
   を備えているインバータ。
2. コンデンサ容量と、放電電流の大きさと、スイッチング素子の耐熱能力と、冷却装置の冷却能力のうちの少なくとも一つが、待機時間＋放電時間＜許容時間の関係を満たすように選定されていることを特徴とする請求項１に記載のインバータ。

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