JP5838770B2

JP5838770B2 - パワースイッチング素子の駆動装置

Info

Publication number: JP5838770B2
Application number: JP2011264601A
Authority: JP
Inventors: 雅文保田
Original assignee: Aisin Seiki Co Ltd; Aisin Corp
Current assignee: Aisin Corp
Priority date: 2011-12-02
Filing date: 2011-12-02
Publication date: 2016-01-06
Anticipated expiration: 2031-12-02
Also published as: JP2013118756A

Description

本発明は、パワースイッチング素子の駆動装置に関する。

パワースイッチング素子は、例えばモータジェネレータなどのモータに電力を供給する回路に用いられる。例えば、２つのパワースイッチング素子を直列に接続した素子回路を３相設けてインバータを構成してモータを駆動する。パワースイッチング素子の駆動装置は、これら電力供給用の素子回路に用いられるパワースイッチング素子を駆動（オン／オフ）するための装置である。

特開２０１１−３０３６１号公報（特許文献１）に記載の駆動装置では、スイッチング状態の切替速度を可変とし、パワースイッチング素子の端子間電圧を検出し、端子間電圧が安全閾値を超えた場合に切替速度を低下させている。特許文献１の駆動装置では、スイッチング状態の切替に伴う電力損失を抑えつつ、サージノイズを抑えてパワースイッチング素子の耐圧を超える電圧の印加を回避することが可能となる。

また、特開２０１１−１０４４１号公報（特許文献２）に記載の駆動装置では、パワースイッチング素子に流れる電流を検出し、その電流値が安全閾値を超えた場合に切替速度を低下させている。特許文献２の駆動装置では、特許文献１同様、スイッチング状態の切替に伴う電力損失を抑えつつ、サージノイズを抑えることが可能となる。

特開２０１１−３０３６１号公報特開２０１１−１０４４１号公報

しかしながら、特許文献１の駆動装置では、パワースイッチング素子の端子間電圧のみに基づいて切替速度の高速・低速を切り替えている。パワースイッチング素子に流れる電流量が小さい場合、端子間電圧が大きくてもサージノイズは大きくならず、切替速度を低速化する必要はない。つまり、特許文献１の駆動装置では、切替速度を低速化する必要のない場合でも低速化してしまい、切替に伴う電力損失の面で問題があった。さらには、端子間電圧のみに基づいて切替速度を選択するため、大電流時にもサージノイズが耐圧を超えないよう大きめのマージンをとって安全閾値を小さくとる必要がある。

また、特許文献２の駆動装置では、パワースイッチング素子に流れる電流のみに基づいて切替速度を切り替えている。電流値が大きい場合でも、端子間電圧が小さい場合は、切替速度を低速化する必要はなく、特許文献２の駆動装置では、特許文献１同様、不要な低速化や安全閾値のマージンなど、切替に伴う電力損失の面で問題があった。

本発明は、このような事情に鑑みて為されたものであり、パワースイッチング素子を電圧超過から保護するとともに、スイッチング状態の切替速度の不要な低速化を抑えることができるパワースイッチング素子の駆動装置を提供することを目的とする。

請求項１に記載の発明は、パワースイッチング素子の駆動装置であって、高電位側のパワースイッチング素子及び低電位側のパワースイッチング素子が直列に接続された電力変換用の素子回路について、前記パワースイッチング素子のオン／オフを制御する制御部と、前記パワースイッチング素子のオンされた際における前記パワースイッチング素子の入力端子及び出力端子間の電圧を検出する電圧検出部と、前記パワースイッチング素子のオフされた際における前記パワースイッチング素子に流れる電流を検出する電流検出部と、前記制御部によって前記パワースイッチング素子のスイッチング状態の切替速度が少なくとも低速と高速とで選択可能な変速回路部と、を備え、前記制御部は、前記パワースイッチング素子の保護に関して設定された第一電圧閾値及び第一電流閾値と、前記第一電圧閾値より大きく前記パワースイッチング素子の耐圧値よりも小さい第二電圧閾値と、前記第一電流閾値より大きく且つ前記電圧検出部で検出された電圧値が第一電圧閾値以下である場合にサージノイズと前記電圧値の和が前記耐圧値を超えないように設定された第二電流閾値に基づいて、前記変速回路部における前記切替速度を選択し、前記電圧値が前記第二電圧閾値を超えた場合、前記電流検出部で検出された電流値が前記第二電流閾値を超えた場合、又は、前記電圧値が前記第一電圧閾値を超えて且つ前記電流値が前記第一電流閾値を超えた場合には、前記変速回路部により前記切替速度を低速とし、前記電圧検出部で検出された電圧値が前記第一電圧閾値以下で且つ前記電流検出部で検出された電流値が前記第一電流閾値以下である場合には、前記変速回路部により前記切替速度を高速とし、前記電圧値が前記第一電圧閾値を超えた場合、前記電圧値が前記第二電圧閾値以下で且つ前記電流値が前記第一電流閾値以下であれば、前記変速回路部により前記切替速度を高速とし、前記電流値が前記第一電流閾値を超えた場合、前記電流値が前記第二電流閾値以下で且つ前記電圧値が前記第一電圧閾値以下であれば、前記変速回路部により前記切替速度を高速とすることを特徴とする。

請求項１に記載の発明によれば、パワースイッチング素子の端子間の電圧及び電流を監視することで、従来不要に低速制御されていたケースを無くし、適切に高速選択することができる。また、本発明では、電圧値及び電流値についてそれぞれ２つの閾値を設けており、両値の組み合わせを考慮して変速制御している。これにより、パワースイッチング素子を電圧超過から適切に保護することができる。このように本発明によれば、パワースイッチング素子を電圧超過から保護するとともに、スイッチング状態の切替速度の不要な低速化を抑えることができる。

本実施形態のパワースイッチング素子の駆動装置の回路構成を示す構成図である。電圧値及びサージノイズを説明するための説明図である。本実施形態のパワースイッチング素子の駆動装置における変速制御を示すタイムチャートである。

次に、好ましい実施形態を挙げ、本発明をより詳しく説明する。本実施形態では、本発明をハイブリッド車に適用したものについて説明する。本実施形態におけるパワースイッチング素子の駆動装置（以下、駆動装置と略称する）１は、車載装置（ここではモータジェネレータ）９に接続される３相の素子回路８を構成するパワースイッチング素子８１、８２を駆動する装置である。

素子回路８は、高電位側のパワースイッチング素子８１と低電位側のパワースイッチング素子８２を直列接続した回路である。パワースイッチング素子８１、８２の接続点が、モータジェネレータ９の各相にそれぞれ接続されている。

パワースイッチング素子８１、８２は、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）で構成されている。パワースイッチング素子８１、８２は、公知の構成であって、フリーホイールダイオードＦＤと、センス端子ＳＴと、を備えている。

（駆動装置１）
本実施形態の駆動装置１は、ドライブユニットであって、主に、電圧検出部２と、電流検出部３と、変速回路部４と、制御部５と、を備えている。駆動装置１は、パワースイッチング素子８１、８２毎に設置されている。一対の駆動装置１は、絶縁手段を有するインターフェースを介して通信可能となっている。また、駆動装置１は、高電圧のバッテリにより給電されている。ここでは、パワースイッチング素子８１に接続された駆動装置１について説明する。

電圧検出部２は、パワースイッチング素子８１の入力端子（コレクタ）及び出力端子（エミッタ）間の電圧（以下、端子間電圧とも称する）を検出するものである。電圧検出部２は、入力端子及び出力端子間（以下、端子間とも称する）に直列接続された２つの抵抗、すなわち、第一抵抗体２１と、第二抵抗体２２と、を備えている。

第一抵抗体２１は、一方がパワースイッチング素子８１の入力端子に接続され、他方が第二抵抗体２２及び制御部５に接続された抵抗体（線形素子）である。第二抵抗体２２は、一方が第一抵抗体に接続され、他方がパワースイッチング素子８１の出力端子に接続された抵抗体（線形素子）である。第二抵抗体２２の抵抗値は、第一抵抗体２１の抵抗値よりも十分に小さい。電圧検出部２は、制御部５で扱える電圧レベルにするために端子間電圧を分圧し、分圧した電圧を制御部５に伝えることで端子間電圧を検出する。

電流検出部３は、パワースイッチング素子８１の入力端子及び出力端子間に流れる電流（以下、端子間電流とも称する）を検出するものである。電流検出部３は、一方がセンス端子ＳＴ及び制御部５に接続され、他方がパワースイッチング素子８１の出力端子に接続されたセンス抵抗（シャント抵抗）３１を有している。

センス端子ＳＴは、パワースイッチング素子８１の入力端子及び出力端子間に流れる電流やフリーホイールダイオードＦＤに流れる電流と相関を有する微小な電流を出力する端子である。センス抵抗３１にかかる電圧値は、制御部５に伝送される。制御部５は、センス抵抗３１の電圧を電流値に換算し、それをパワースイッチング素子８１に流れる電流として、第一電流閾値及び第二電流閾値と比較する。

変速回路部４は、低速側回路４１と、高速側回路４２と、を備えている。低速側回路４１は、一方がパワースイッチング素子８１の制御端子（ゲート）に接続され、他方が制御部５に接続された抵抗体である。高速側回路４２は、同様に、一方がパワースイッチング素子８１の制御端子に接続され、他方が制御部５に接続された抵抗体である。高速側回路４２の抵抗値は、低速側回路４１の抵抗値よりも小さい。変速回路部４は、低速側回路４１及び高速側回路４２の抵抗値の違いにより、スイッチング状態（オン・オフ）の切替速度を選択可能としている。

制御部５は、モータジェネレータ９の駆動に関する制御装置（図示しないＥＣＵ）からのスイッチング素子駆動信号を受けて、当該駆動信号に基づいてパワースイッチング素子８１のオン・オフを制御する。制御部５は、予め設定された第一電圧閾値Ｖｔｈ１及び第二電圧閾値Ｖｔｈ２と電圧検出部２からの検出結果とを比較し、予め設定された第一電流閾値Ｉｔｈ１及び第二電流閾値Ｉｔｈ２と電流検出部３からの検出結果とを比較する。比較については、公知の方法が用いられ、例えばコンパレータを多段に設置し、それぞれに基準電圧の電源を接続することで複数の閾値を設けることができる。

第一電圧閾値Ｖｔｈ１は、パワースイッチング素子８１、８２の保護に関する閾値であり、電流値に関わらず、印加電圧（Ｅ＋ｅ）がパワースイッチング素子８１、８２の耐圧値Ｖｍａｘを超えないように設定される値である。例えば、図２及び図３に示すように、第一電圧閾値Ｖｔｈ１は、電圧値Ｅに基づいて、サージノイズｅ（ｅ＝Ｌ（ｄｉ／ｄｔ））が、想定される最大端子間電流の場合でも耐圧値を超えないように設定されている。したがって、第一電圧閾値Ｖｔｈ１は、安全のために大きなマージンがとられて低い値に設定されている（特許文献１参照）。設定は、回路によって異なり、実験やシミュレーションによって決定できる。Ｌは回路のインダクタンスである。

第二電圧閾値Ｖｔｈ２は、第一電圧閾値Ｖｔｈ１より大きく耐圧値Ｖｍａｘよりも小さい値である。詳細には、第二電圧閾値Ｖｔｈ２は、電流値（端子間電流）を考慮して設定される値であり、電流値が第一電流閾値Ｉｔｈ１以下である場合に、印加電圧（Ｅ＋ｅ）が耐圧値Ｖｍａｘを超えない電圧値に設定されている。例えば、第二電圧閾値Ｖｔｈ２は、電流値が第一電流閾値Ｉｔｈ１以下である場合に、印加電圧（Ｅ＋ｅ）が耐圧値Ｖｍａｘを超えない最大の電圧値に設定できる。第二電圧閾値Ｖｔｈ２は、第一電圧閾値Ｖｔｈ１同様、実験等で決定される。

第一電流閾値Ｉｔｈ１は、パワースイッチング素子８１、８２の保護に関する閾値であり、電圧値（端子間電圧）Ｅに関わらず、印加電圧（Ｅ＋ｅ）が耐圧値Ｖｍａｘを超えないように設定される値である。したがって、第一電流閾値Ｉｔｈ１は、安全のために大きなマージンがとられて低い値に設定されている（特許文献２参照）。サージノイズｅは、電流の時間変化（ｄｉ／ｄｔ）で決まり、想定される最大電圧Ｅの場合でも印加電圧（Ｅ＋ｅ）が耐電圧Ｖｍａｘを超えないように設定されている。第一電流閾値Ｉｔｈ１は実験等により決定される。

第二電流閾値Ｉｔｈ２は、第一電流閾値Ｉｔｈ１より大きく設定されている。詳細には、第二電流閾値Ｉｔｈ２は、電圧値Ｅを考慮して設定される値であり、電圧値Ｅが第一電圧閾値Ｖｔｈ１以下である場合に、印加電圧（Ｅ＋ｅ）が耐圧値Ｖｍａｘを超えない電流値に設定されている。例えば、第二電流閾値Ｉｔｈ２は、電圧値Ｅが第一電圧閾値Ｖｔｈ１以下である場合に、印加電圧（Ｅ＋ｅ）が耐圧値Ｖｍａｘを超えない最大の電流値に設定できる。第二電流閾値Ｉｔｈ２も実験等により決定される。

制御部５は、図３に示すように、スイッチング素子駆動信号（以下、駆動信号とも称する）のオン（ＯＮ）のタイミングにおける電圧検出部２の検出結果（電圧値）と、第一電圧閾値Ｖｔｈ１及び第二電圧閾値Ｖｔｈ２とを比較する。検出される電圧値は、駆動信号のオフの期間にパワースイッチング素子８１、８２の端子間にチャージされたほぼ一定の電圧Ｅである。また、制御部５は、駆動信号のオフ（ＯＦＦ）のタイミングにおける電流検出部３の検出結果（電流値）と、第一電流閾値Ｉｔｈ１及び第二電流閾値Ｉｔｈ２とを比較する。検出される電流値は、駆動信号のオンの期間にパワースイッチング素子８１、８２に流れる電流の最大値である。

制御部５は、検出された電圧値が第二電圧閾値Ｖｔｈ２を超えた場合、検出された電流値が第二電流閾値Ｉｔｈ２を超えた場合、又は、検出された電圧値が第一電圧閾値Ｖｔｈ１を超えて且つ検出された電流値が第一電流閾値Ｉｔｈ１を超えた場合には、変速回路部４により切替速度を低速とする。具体的に、制御部５は、上記の何れかの場合に、パワースイッチング素子８１の制御端子（ゲート）への電圧印加経路を低速側回路４１に変更する。

制御端子への電圧印加（充電）により、スイッチング状態がオン状態に切り替えられ、制御端子からの放電によりオフ状態に切り替えられる。制御端子への充放電速度がスイッチング状態の切替速度に相当し、低速側回路４１により充放電速度が遅くなることで切替速度が低速となる。切替速度が低速になるとは、図２における電圧上昇の傾きが小さくなる（ｄｔが大きくなる）ことを意味する。切替速度を低速とすることで、サージノイズｅの値を小さく抑えることができる。

一方、制御部５は、検出された電圧値が第一電圧閾値Ｖｔｈ１以下で且つ検出された電流値が第一電流閾値Ｉｔｈ１以下である場合には、変速回路部４により切替速度を高速とする。また、制御部５は、検出された電圧値が第一電圧閾値Ｖｔｈ１を超えた場合、当該電圧値が第二電圧閾値Ｖｔｈ２以下で且つ検出された電流値が第一電流閾値Ｉｔｈ１以下であれば、変速回路部４により切替速度を高速とする。また、制御部５は、検出された電流値が第一電流閾値Ｉｔｈ１を超えた場合、当該電流値が第二電流閾値Ｉｔｈ２以下で且つ検出された電圧値が第一電圧閾値Ｖｔｈ１以下であれば、変速回路部４により切替速度を高速とする。

具体的に、制御部５は、上記の何れかの場合に、パワースイッチング素子８１の制御端子（ゲート）への電圧印加経路を高速側回路４２に変更する。制御端子への充放電速度が高速側回路４２により速くなると、図２における電圧上昇の傾きが大きくなり（ｄｔが小さくなり）、サージノイズｅの値は大きくなるが、電力損失が小さくなる。

ここで、制御部５の変速制御について、図３を参照して具体的に説明する。図３に示すように、最初の駆動信号のオン（ａ１）において検出された電圧値（端子間電圧）は、第一電圧閾値Ｖｔｈ１及び第二電圧閾値Ｖｔｈ２を超えている。したがって、制御部５は変速回路部４の低速側回路４１を選択し、次回のオン・オフの際には、低速側回路４１を介して制御端子（ゲート）を充放電する。

次のオフ（ｂ１）で検出された電流値（端子間電流）は、第一電流閾値Ｉｔｈ１及び第二電流閾値Ｉｔｈ２を超えている。したがって、制御部５は、引き続き低速側回路４１を選択する。

次のオン（ａ２）で検出された電圧値は、第一電圧閾値Ｖｔｈ１より大きく第二電圧閾値Ｖｔｈ２以下の値となっている。この場合、制御部５は、次のオフ（ｂ２）まで選択を低速側回路４１で維持する。次のオフ（ｂ２）で検出された電流値は、第一電流閾値Ｉｔｈ１及び第二電流閾値Ｉｔｈ２を超えている。したがって、制御部５は、引き続き低速側回路４１を選択する。

次のオン（ａ３）で検出された電圧値は、第一電圧閾値Ｖｔｈ１より大きく第二電圧閾値Ｖｔｈ２以下の値となっている。この場合、制御部５は、次のオフ（ｂ３）まで選択を低速側回路４１で維持する。次のオフ（ｂ３）で検出された電流値は、第一電流閾値Ｉｔｈ１より大きく第二電流閾値Ｉｔｈ２以下となっている。したがって、制御部５は、引き続き低速側回路４１を選択する。

次のオン（ａ４）で検出された電圧値は、第一電圧閾値Ｖｔｈ１より大きく第二電圧閾値Ｖｔｈ２以下の値となっている。この場合、制御部５は、次のオフ（ｂ４）まで選択を低速側回路４１で維持する。次のオフ（ｂ４）で検出された電流値は、第一電流閾値Ｉｔｈ１以下となっている。この場合、制御部５は、制御端子への電圧印加経路について、変速回路部４の高速側回路４２を選択する。つまり、制御部５は、スイッチング状態の切替速度を高速に切り替える。

次のオン（ａ５）で検出された電圧値は、第一電圧閾値Ｖｔｈ１以下となっている。この場合、制御部５は、次のオフ（ｂ５）まで選択を高速側回路４２で維持する。次のオフ（ｂ５）で検出された電流値は、第一電流閾値Ｉｔｈ１より大きく第二電流閾値Ｉｔｈ２以下となっている。したがって、制御部５は、引き続き高速側回路４２を選択する。

このように、制御部５は、電圧値が第二電圧閾値Ｖｔｈ２を超えた場合又は電流値が第二電流閾値Ｉｔｈ２を超えた場合には、電流値（前者の場合）又は電圧値（後者の場合）に関わらず、切替速度を低速にする。一方、上記以外の場合、本実施形態の制御部５は、１つのオン状態におけるオン（ａｎ）とオフ（ｂｎ）（ｎは自然数）で検出された各検出結果に基づいて切替速度の選択を行う。つまり、この場合、１つのオン状態期間では速度変更は行われず、オフの際に速度選択がなされる。なお、制御部５は、１つのオフ状態におけるオフ（ｂｎ）とオン（ａ（ｎ＋１））で検出された各検出結果に基づいて切替速度を選択しても良い。

本実施形態によれば、パワースイッチング素子８１、８２の端子間の電圧及び電流を監視することで、従来不要に低速制御されていた低速選択のケースを無くし、適切に高速選択することができる。つまり、電圧値及び電流値を把握することで、変速に関する電圧閾値及び電流閾値を大きくすることができ、高速選択できる幅を大きくし、電力変換効率を高めることができる。本実施形態では、電圧値及び電流値についてそれぞれ２つの閾値を設けており、両値の組み合わせを考慮して変速制御している。これにより、パワースイッチング素子を電圧超過から適切に保護することができる。以上、本実施形態の駆動装置１によれば、パワースイッチング素子８１、８２を電圧超過から保護するとともに、スイッチング状態の切替速度の不要な低速化を抑えることができる。

なお、駆動装置１は、ソフトシャットダウンゲート抵抗７１やスイッチング素子７２を有しており、パワースイッチング素子８１、８２の短絡時には、ソフトシャットダウンが行われる。また、電圧低下検出回路６によって、駆動装置１の電源電圧（ＶｃｃＰ・ＣＯＭＰ間電圧又はＶｃｃＮ・ＣＯＭＮ間電圧）が所定値以下であることが検出された場合には、パワースイッチング素子８１、８２の損失増加による破損を防止するために、スイッチングが中止される。

１：駆動装置、２：電圧検出部、３：電流検出部、
４：変速回路部、４１：低速側回路、４２：高速側回路、
５：制御部、
８：素子回路、８１、８２：パワースイッチング素子、
ＦＤ：フリーホイールダイオード、ＳＴ：センス端子

Claims

高電位側のパワースイッチング素子及び低電位側のパワースイッチング素子が直列に接続された電力変換用の素子回路について、前記パワースイッチング素子のオン／オフを制御する制御部と、
前記パワースイッチング素子のオンされた際における前記パワースイッチング素子の入力端子及び出力端子間の電圧を検出する電圧検出部と、
前記パワースイッチング素子のオフされた際における前記パワースイッチング素子に流れる電流を検出する電流検出部と、
前記制御部によって前記パワースイッチング素子のスイッチング状態の切替速度が少なくとも低速と高速とで選択可能な変速回路部と、
を備え、
前記制御部は、
前記パワースイッチング素子の保護に関して設定された第一電圧閾値及び第一電流閾値と、前記第一電圧閾値より大きく前記パワースイッチング素子の耐圧値よりも小さい第二電圧閾値と、前記第一電流閾値より大きく且つ前記電圧検出部で検出された電圧値が第一電圧閾値以下である場合にサージノイズと前記電圧値の和が前記耐圧値を超えないように設定された第二電流閾値に基づいて、前記変速回路部における前記切替速度を選択し、
前記電圧値が前記第二電圧閾値を超えた場合、前記電流検出部で検出された電流値が前記第二電流閾値を超えた場合、又は、前記電圧値が前記第一電圧閾値を超えて且つ前記電流値が前記第一電流閾値を超えた場合には、前記変速回路部により前記切替速度を低速とし、
前記電圧検出部で検出された電圧値が前記第一電圧閾値以下で且つ前記電流検出部で検出された電流値が前記第一電流閾値以下である場合には、前記変速回路部により前記切替速度を高速とし、
前記電圧値が前記第一電圧閾値を超えた場合、前記電圧値が前記第二電圧閾値以下で且つ前記電流値が前記第一電流閾値以下であれば、前記変速回路部により前記切替速度を高速とし、
前記電流値が前記第一電流閾値を超えた場合、前記電流値が前記第二電流閾値以下で且つ前記電圧値が前記第一電圧閾値以下であれば、前記変速回路部により前記切替速度を高速とすることを特徴とするパワースイッチング素子の駆動装置。