JP6064657B2 - 回転電機駆動装置 - Google Patents

Description

本発明は、交流の回転電機を駆動制御する回転電機駆動装置に関する。

架線からの電力供給を受けない電気自動車やハイブリッド自動車では、一般的に駆動力源としての回転電機に、例えば直流２００〜４００［Ｖ］のバッテリから電力が供給される。また、回転電機は、電動機としての機能に留まらず、車両や内燃機関などの運動エネルギーにより発電を行う発電機としての機能も併せ持っている。回転電機により発電された電力は、バッテリに回生されて蓄電される。多くの場合、回転電機として交流回転電機が利用され、バッテリは直流電源であるから、バッテリと回転電機との間には、一般的に、直流電力と交流電力との間で電力変換を行うインバータが備えられる。

ところで、バッテリと回転電機の間、より具体的にはバッテリとインバータとの間には、開閉装置（コンタクタ）が備えられている場合がある。コンタクタが閉状態においてバッテリとインバータ（及び回転電機）とが電気的に接続され、コンタクタが開状態においてバッテリとインバータ（及び回転電機）との電気的接続が遮断される。例えば、車両のメインスイッチがオフ状態となった場合や、車両のメインスイッチがオン状態であっても、インバータとバッテリとの電気的接続を切り離す必要が生じた場合などに、このコンタクタが開状態となる。例えば、車両が衝突した際や、衝突が予見された際に、早期に車両を停止させるために、インバータとバッテリとの電気的接続が切り離される。

特開２００６−２０４５０号公報（特許文献１）には、車両の衝突時又は衝突予見時に、インバータとバッテリとの電気的接続を遮断すると共に、インバータの上段側のスイッチング素子をオフ状態に制御し、下段側のスイッチング素子をオン状態に制御する車両用制御装置が開示されている。つまり、この車両用制御装置は、駆動力源である回転電機への電力供給を遮断すると共に、回転電機を発電機として機能させ、発電された電力を還流させることによって車両の制動力を得るように構成されている（特許文献１：要約等）。

車両の衝突が予見されたような場合には、車両内の各種回路が正常に動作している可能性が高く、特許文献１の手法により、車両に好適な制動力を与えることが可能である。しかし、車両が衝突した場合には、衝突の衝撃により、車両内の回路に断線が生じる可能性もある。回転電機を駆動力源とする車両では、多くの場合、回転電機に電力を供給する高圧のバッテリとは別に、車両用制御装置などの電子回路に電力を供給するための１２〜２４［Ｖ］程度の低圧バッテリも備えられている。例えば、衝突の衝撃によって、車両用制御装置と低圧バッテリとの接続が遮断されたような場合には、上述したようなインバータの制御を実施することができなくなってしまう。低圧バッテリを複数化したり、低圧バッテリと制御装置との接続ケーブルを強化したりすることも可能ではあるが、装置規模を増大させることは好ましくはない。

特開２００６−２０４５０号公報

上記背景に鑑みて、装置規模が増大することを抑制しつつ、インバータの制御回路の電源が喪失した場合にも、円滑にインバータを制御する技術が望まれる。

上記課題に鑑みた本発明に係る、交流の回転電機を駆動制御する回転電機駆動装置の特徴構成は、
高圧直流電源と前記回転電機との間に介在され、上段側スイッチング素子と下段側スイッチング素子との直列回路により構成された交流１相分のアームを複数本有して、直流と複数相の交流との間で電力変換を行うインバータと、
前記高圧直流電源よりも低電圧の電源であり、前記高圧直流電源とは絶縁された低圧直流電源から供給される電力により動作し、前記インバータのスイッチング素子をそれぞれスイッチング制御するインバータ制御部と、
前記低圧直流電源から前記インバータ制御部への電力供給が途絶した低圧電源途絶状態では、前記インバータのスイッチング素子の制御端子と前記インバータ制御部との接続を遮断する接続遮断部と、
前記低圧電源途絶状態において、前記インバータの前記下段側スイッチング素子をオン状態に制御するバックアップ制御信号を生成するバックアップ制御部と、
前記高圧直流電源に基づく電力を電力源として構成され、前記バックアップ制御部に電力を供給するバックアップ電源部と、
前記接続遮断部と前記制御端子との間において前記バックアップ制御信号を伝達する信号線が接続される接続部と、を備え、
前記バックアップ制御部は、前記低圧電源途絶状態では、前記バックアップ電源部から供給される出力電圧を通過させて前記バックアップ制御信号として出力し、前記低圧電源途絶状態とは異なる状態では、前記バックアップ電源部から供給される出力電圧を遮断するバックアップ制御信号生成スイッチを備え、
前記接続遮断部は、前記インバータ制御部から前記制御端子へ向かう方向を順方向として接続されるダイオードと、前記ダイオードに並列に接続されるスイッチング素子とを備えて構成され、
前記バックアップ制御信号生成スイッチは、前記低圧電源途絶状態では、前記低圧直流電源の電圧を利用して生成された電圧の低下によってオン状態となり、
前記接続遮断部のスイッチング素子は、前記低圧電源途絶状態では、前記低圧直流電源の電圧を利用して生成された電圧の低下によってオフ状態となる点にある。

この構成によれば、低圧電源途絶状態において、高圧直流電源に基づく電力を電力源として、バックアップ制御部によりインバータのスイッチング素子をオン状態に制御するバックアップ制御信号が生成される。そして、このバックアップ制御信号は、接続遮断部によってインバータのスイッチング素子の制御端子とインバータ制御部との接続を解除した上で、接続部を介して当該制御端子へ伝達される。その結果、回転電機駆動装置は、低圧電源途絶状態においても、インバータのスイッチング素子をオン状態に制御することが可能となる。即ち、本特徴構成によれば、低圧バッテリを複数化することなどによる装置規模の増大を抑制しつつ、インバータの制御回路の電源が喪失した場合にも、円滑にインバータを制御することが可能となる。

また、回転電機駆動装置の前記バックアップ制御部は、前記低圧電源途絶状態では、前記バックアップ電源部から供給される出力電圧を通過させて前記バックアップ制御信号として出力し、前記低圧電源途絶状態とは異なる状態では、前記バックアップ電源部から供給される出力電圧を遮断するバックアップ制御信号生成スイッチを備え、前記接続遮断部は、前記インバータ制御部から前記制御端子へ向かう方向を順方向として接続されるダイオードと、前記ダイオードに並列に接続されるスイッチング素子とを備えて構成される。そして、前記バックアップ制御信号生成スイッチは、前記低圧電源途絶状態では、前記低圧直流電源の電圧を利用して生成された電圧の低下によってオン状態となり、前記接続遮断部のスイッチング素子は、前記低圧電源途絶状態では、前記低圧直流電源の電圧を利用して生成された電圧の低下によってオフ状態となる。この構成によれば、接続遮断部のスイッチング素子、及びバックアップ制御信号生成スイッチは、低圧直流電源の電圧を利用して生成された電圧の低下によって、オン状態とオフ状態とが切り換わる。従って、接続遮断部のスイッチング素子によって簡潔且つ確実にインバータ制御部と制御端子とを結ぶ信号線を遮断することができる。また、バックアップ制御信号生成スイッチによって簡潔且つ確実にバックアップ電源部から供給される電圧を通過させてバックアップ制御信号として出力することができる。また、ダイオードによって、制御端子の動作論理に応じた方向の電流の流れが規定されるので、バックアップ制御信号と通常時の制御信号との競合を抑制することができる。

ところで、バックアップ電源部は、高圧直流電源に基づく電力を電力源として構成されるが、低圧電源途絶状態では高圧直流電源と回転電機駆動装置との接続も途絶している可能性がある。一般的に、インバータには、直流側の電圧を平滑する平滑コンデンサが備えられており、この平滑コンデンサに蓄積された電荷は高圧直流電源との接続が途絶しても瞬時には放電されない。従って、高圧直流電源と回転電機駆動装置との電気的接続が遮断された状態、具体的には、高圧直流電源と平滑コンデンサとの電気的接続が遮断された状態において、バックアップ電源部は、平滑コンデンサに蓄えられた電力を電力源とすることができる。１つの態様として、本発明に係る回転電機駆動装置は、前記高圧直流電源と前記インバータとの間に介在され、前記インバータの直流電圧を平滑する平滑コンデンサを備え、前記バックアップ電源部が、前記高圧直流電源と前記平滑コンデンサとの電気的接続が遮断された状態では、前記平滑コンデンサに蓄えられた電力を電力源として前記バックアップ制御部に電力を供給すると好適である。

ところで、高圧直流電源と回転電機駆動装置との電気的接続が遮断された後、回転電機が発電機として機能している場合には、発電された電力を高圧直流電源に回生することができない。従って、行き場のない電荷が平滑コンデンサに蓄積され、平滑コンデンサの電位が上昇する可能性もある。点検などで作業者がインバータに触れることも考慮すると、高圧直流電源と回転電機駆動装置との電気的接続が遮断されている状態では、平滑コンデンサの電位を速やかに低下させることが好ましい。つまり、平滑コンデンサへの充電を抑制し、既に平滑コンデンサに蓄積された電荷もできるだけ早く放電させることが好ましい。上述したように、バックアップ電源部が、平滑コンデンサに蓄えられた電力を電力源としてバックアップ制御部に電力を供給することで、平滑コンデンサに蓄積された電荷を消費するので、平滑コンデンサへの充電を抑制し、蓄積された電荷もできるだけ早く放電させることが可能となる。

バックアップ制御信号は、インバータのスイッチング素子をオン状態に制御する信号である。従って、通常動作時においてバックアップ制御信号が、通常の制御信号と競合し、スイッチング素子をオン状態に制御してしまうことは好ましくない。このため、バックアップ制御信号は、インバータ制御部が通常動作を行うことができない低圧電源途絶状態において生成される。つまり、バックアップ制御信号を生成する条件が限定され、通常動作時においてバックアップ制御信号が通常の制御信号と競合するような可能性が抑制されている。このような競合を抑制する観点では、バックアップ制御信号を生成する条件をさらに規定することも好適である。例えば、高圧直流電源と回転電機駆動装置との電気的接続が維持されていれば、上述したような平滑コンデンサの端子間電圧の上昇などは抑制される。従って、高圧直流電源と回転電機駆動装置との電気的接続状態も考慮することも好適である。１つの態様として、本発明に係る回転電機駆動装置は、前記バックアップ制御部が、前記高圧直流電源と前記インバータとの電気的接続が遮断された高圧直流電源遮断状態でのみ、前記バックアップ制御信号を生成すると好適である。

回転電機駆動装置のシステム構成を模式的に示す回路ブロック図 接続遮断部周辺の構成を模式的に示すブロック図 バックアップ制御部の構成を模式的に示す回路ブロック図

以下、ハイブリッド車両や電動車両等の駆動力源となる回転電機ＭＧを制御する回転電機駆動装置を例として、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。図１のブロック図は、回転電機駆動装置１００の構成を模式的に示している。車両の駆動力源としての回転電機ＭＧは、多相交流（ここでは３相交流）により動作する回転電機であり、電動機としても発電機としても機能することができる。

鉄道のように架線から電力の供給を受けることができない自動車のような車両では、回転電機を駆動するための電力源としてニッケル水素電池やリチウムイオン電池などの二次電池（バッテリ）や、電気二重層キャパシタなどの直流電源を搭載している。本実施形態では、回転電機ＭＧに電力を供給するための大電圧大容量の直流電源として、例えば電源電圧２００〜４００［Ｖ］の高圧バッテリ１１（高圧直流電源）が備えられている。回転電機ＭＧは、交流の回転電機であるから、高圧バッテリ１１と回転電機ＭＧとの間には、直流と交流との間で電力変換を行うインバータ１０が備えられている。インバータ１０の直流側の正極電源ラインＰと負極電源ラインＮとの間の直流電圧は、以下“システム電圧Ｖｄｃ”と称する。高圧バッテリ１１は、インバータ１０を介して回転電機ＭＧに電力を供給可能であると共に、回転電機ＭＧが発電して得られた電力を蓄電可能である。

インバータ１０と高圧バッテリ１１との間には、直流電圧（システム電圧Ｖｄｃ）を平滑化する平滑コンデンサ４０が備えられている。平滑コンデンサ４０は、回転電機ＭＧの消費電力の変動に応じて変動する直流電圧を安定化させる。平滑コンデンサ４０と高圧バッテリ１１との間には、平滑コンデンサ４０から回転電機ＭＧまでの回路と、高圧バッテリ１１との電気的な接続を切り離すことが可能なコンタクタ９が備えられている。本実施形態において、このコンタクタ９は、車両の最も上位の制御装置の１つである不図示の車両ＥＣＵ（electronic control unit）からの指令に基づいて開閉するメカニカルリレーであり、例えばシステムメインリレー（ＳＭＲ：system main relay）と称される。尚、コンタクタ９を開放した際に、平滑コンデンサ４０の残存電荷を放電させるために、平滑コンデンサ４０には並列に放電抵抗が設けられている。

ところで、図１に例示するように回転電機駆動装置１００には、コンバータ１９が備えられる場合がある。このコンバータ１９は、システム電圧Ｖｄｃと高圧バッテリ１１の電圧との間で直流電力（直流電圧）を変換する。この場合、システム電圧Ｖｄｃは、コンバータ１９の出力電圧（昇圧側出力電圧）となる。昇圧率が“１”の場合には、コンバータ１９の出力電圧は、高圧バッテリ１１の端子間電圧（ＰＴ−ＮＴ間電圧）にほぼ一致する。高圧バッテリ１１（高圧直流電源）とインバータ１０とは、コンタクタ９を介して、或いはコンタクタ９及びコンバータ１９を介して電気的に接続されている。尚、コンタクタ９を開放することによって、コンバータ１９の有無に拘わらず、高圧バッテリ１１とインバータ１０との電気的接続は遮断される。

インバータ１０は、システム電圧Ｖｄｃを有する直流電力を複数相（ｎを自然数としてｎ相、ここでは３相）の交流電力に変換して回転電機ＭＧに供給すると共に、回転電機ＭＧが発電した交流電力を直流電力に変換して直流電源に供給する。インバータ１０は、複数のスイッチング素子を有して構成される。スイッチング素子には、ＩＧＢＴ（insulated gate bipolar transistor）やパワーＭＯＳＦＥＴ（metal oxide semiconductor field effect transistor）などのパワー半導体素子を適用すると好適である。図１に示すように、本実施形態では、スイッチング素子としてＩＧＢＴ３が用いられる。

例えば直流と多相交流（ここでは３相交流）との間で電力変換するインバータ１０は、よく知られているように多相（ここでは３相）のそれぞれに対応する数のアームを有するブリッジ回路により構成される。つまり、図１に示すように、インバータ１０の直流正極側（直流電源の正極側の正極電源ラインＰ）と直流負極側（直流電源の負極側の負極電源ラインＮ）との間に２つのＩＧＢＴ３が直列に接続されて１つのアーム１０Ｌが構成される。ここで、正極電源ラインＰに接続されるＩＧＢＴ３を上段側ＩＧＢＴ３Ｕ（上段側スイッチング素子又はハイサイドスイッチ）と称し、負極電源ラインＮに接続されるＩＧＢＴ３を下段側ＩＧＢＴ３Ｌ（負極側スイッチング素子又はローサイドスイッチ）と称する。

３相交流の場合には、この直列回路（１つのアーム１０Ｌ）が３回線（３相：１０Ｕ，１０Ｖ，１０Ｗ）並列接続される。つまり、回転電機ＭＧのＵ相、Ｖ相、Ｗ相に対応するステータコイルのそれぞれに一組の直列回路（アーム１０Ｌ）が対応したブリッジ回路が構成される。各相の上段側ＩＧＢＴ３Ｕのコレクタ端子は正極電源ラインＰに接続され、エミッタ端子は各相の下段側ＩＧＢＴ３Ｌのコレクタ端子に接続される。また、各相の下段側ＩＧＢＴ３Ｌのエミッタ端子は、負極電源ラインＮ（例えば、高圧系回路のグラウンド）に接続される。対となる各相のＩＧＢＴ３による直列回路（アーム１０Ｌ）の中間点、つまり、上段側ＩＧＢＴ３Ｕと下段側ＩＧＢＴ３Ｌとの接続点は、回転電機ＭＧのステータコイルにそれぞれ接続される。

尚、ＩＧＢＴ３には、それぞれフリーホイールダイオード３９（回生ダイオード）が並列に接続される。フリーホイールダイオード３９は、カソード端子がＩＧＢＴ３のコレクタ端子に接続され、アノード端子がＩＧＢＴ３のエミッタ端子に接続される形で、各ＩＧＢＴ３に対して並列に接続される。

図１に示すように、インバータ１０は、制御装置８０により制御される。制御装置８０は、ＥＣＵ（electronic control unit）やドライバ回路を有して構成されている。制御装置８０に搭載されるＥＣＵは、マイクロコンピュータ等の論理回路を中核部材として構築されている。本実施形態では、ＥＣＵは、不図示の車両ＥＣＵ等の他の制御装置等からの要求信号として制御装置８０に提供される回転電機ＭＧの目標トルクＴＭに基づいて、ベクトル制御法を用いた電流フィードバック制御を行って、インバータ１０を介して回転電機ＭＧを制御する。制御装置８０のＥＣＵは、電流フィードバック制御のために種々の機能部を有して構成されており、各機能部は、マイクロコンピュータ等のハードウエアとソフトウエア（プログラム）との協働により実現される。図２及び図３に示すインバータ制御部８１は、このようなＥＣＵを中核として構成されている。

回転電機ＭＧの各相のステータコイルを流れる実電流は電流センサ１２により検出され、制御装置８０はその検出結果を取得する。本実施形態では、３相全ての電流を検出する構成を示しているが、３相は平衡状態にあり、電流の瞬時値の総和は零であるので２相のみの電流を電流センサ１２で検出し、制御装置８０において残りの１相の電流を演算により求めてもよい。また、回転電機ＭＧのロータの各時点での磁極位置は、回転センサ１３により検出され、制御装置８０はその検出結果を取得する。回転センサ１３は、例えばレゾルバ等により構成される。ここで、磁極位置は、電気角上でのロータの回転角度を表している。制御装置８０のＥＣＵは、電流センサ１２及び回転センサ１３の検出結果を用いて、回転電機ＭＧをフィードバック制御する。

車両には、高圧バッテリ１１の他に、高圧バッテリ１１よりも低電圧の電源である低圧バッテリ１８（低圧直流電源）も搭載されている。低圧バッテリ１８の電源電圧（＋Ｂ）は、例えば１２〜２４［Ｖ］である。低圧バッテリ１８は、インバータ制御部８１（ＥＣＵ）の他、オーディオシステムや灯火装置、室内照明、計器類のイルミネーション、パワーウィンドウなどの電装品や、これらを制御する制御装置に電力を供給する。尚、低圧バッテリ１８と高圧バッテリ１１とは、互いに絶縁されており、互いにフローティングの関係にある。従って、高圧バッテリ１１から電力を供給される高圧系回路のグラウンド“Ｎ”（負極電源ラインＮ）と、低圧バッテリ１８から電力を供給される低圧系回路のグラウンド“ＧＢ”とは電気的にフローティングの関係にある。

インバータ１０を構成する各ＩＧＢＴ３の制御端子であるゲート端子３ｇは、図２及び図３に示すように、ドライブ回路８２を介してインバータ制御部８１（ＥＣＵ）に接続されており、それぞれ個別にスイッチング制御される。回転電機ＭＧを駆動するための高圧系回路と、マイクロコンピュータなどを中核とするＥＣＵなどの低圧系回路とは、動作電圧（回路の電源電圧）が大きく異なる。このため、低圧系回路のインバータ制御部８１（ＥＣＵ）により生成されたＩＧＢＴ３の制御信号は、ドライブ回路８２を介して高圧回路系のゲート駆動信号（制御信号Ｓ）としてインバータ１０に供給される。ドライブ回路８２は、フォトカプラやトランスなどの絶縁素子を利用して構成されている。尚、回転電機駆動装置１００にコンバータ１９が搭載されている場合には、同様のドライブ回路を介して高圧回路系のコンバータ用ゲート駆動信号ＳＣがコンバータ１９に供給される。

図２及び図３に示すように、インバータ制御部８１は“ＶＣＣ１”を電源電圧として動作する。電源電圧“ＶＣＣ１”は、低圧バッテリ１８の電圧（＋Ｂ：例えば１２［Ｖ］）からレギュレータＩＣなどの不図示の制御系電源回路を用いて生成された電圧であり、低圧回路系のグラウンド“ＧＢ”を基準として例えば５［Ｖ］や３．３［Ｖ］である。フォトカプラやトランスなどの絶縁素子を含むドライブ回路８２のインバータ制御部８１側の回路は、この電源電圧“ＶＣＣ１”で動作する。

一方、ドライブ回路８２のインバータ１０側（ＩＧＢＴ３側）の回路は、この電源電圧“ＶＣＣ１”とは絶縁された、電源電圧“ＶＣＣ２”で動作する。この電源電圧“ＶＣＣ２”は、図３に示すように、トランスを用いたゲート駆動電源８により生成される。ゲート駆動電源８は、図３に示すように、例えば低圧バッテリ１８の電圧（＋Ｂ：例えば１２［Ｖ］）を利用して生成された電圧であり、出力側の端子間電圧は例えば１５〜２０［Ｖ］である。この電圧は、各ＩＧＢＴ３に対応して独立したフローティング電源であるが、下段側ＩＧＢＴ３Ｌについては、負極電源ラインＮが共通しているため、共通のグラウンド“Ｎ”を有する電源となる。尚、ゲート駆動電源８は、低圧バッテリ１８の電圧から電源電圧“ＶＣＣ２”を生成しているが、電源電圧“ＶＣＣ２”はトランスを介して生成されているために、グラウンドＧＢを基準とした低圧回路系とは独立した電源系である。また、本実施形態では、低圧バッテリ１８及びトランスを利用してゲート駆動電源８が構成される例を示したが、高圧バッテリ１１から電力の供給を受けて構成される形態を採ることも可能である。

ここで、コンタクタ９が閉じた状態から開放状態へ切り替わった場合を考える。上述したように、コンタクタ９はメカニカルリレーによって構成されているので、高圧バッテリ１１からインバータ１０側への電力の供給は直ちに遮断される。しかし、コンタクタ９とインバータ１０との間には、平滑コンデンサ４０が接続されており、この平滑コンデンサ４０は、高圧バッテリ１１と同電位となるまで充電されている（システム電圧Ｖｄｃとなるまで充電されている）。高圧バッテリ１１の電源電圧は、上述したように２００〜４００［Ｖ］である。従って、コンタクタ９を開放状態とした後でも、平滑コンデンサ４０の端子間電圧はすぐには低下しない。例えば、回転電機ＭＧやインバータ１０のメンテナンス等を行う場合には、平滑コンデンサ４０の電位が充分に低下するまで待機する必要がある。この待機時間は、短いほど好ましい。

尚、高圧バッテリ１１と平滑コンデンサ４０との電気的接続を遮断するコンタクタ９の制御は、車両ＥＣＵなどの上位の制御装置によって実行される。例えば、コンタクタ９が開放状態に制御されたことを示す情報は、車両ＥＣＵからインバータ制御部８１に伝達され、インバータ制御部８１は、その情報に基づいて回転電機ＭＧの駆動を停止する制御を行う。平常時には、ユーザーが車両のメインスイッチをオフ状態に操作し、そのメインスイッチの操作状態に基づいて、車両ＥＣＵがコンタクタ９を開放状態へと制御することによって、高圧バッテリ１１と平滑コンデンサ４０との接続が遮断される。この際、インバータ制御部８１は、回転電機ＭＧの駆動を停止する制御を行うが、好適には、平滑コンデンサ４０の残存電荷がより短い時間で放電されるように制御を実施する。

一方、車両が故障したり破損したりしたような場合には、車両ＥＣＵが自動的にコンタクタ９を開放状態へと制御したり、コンタクタ９が破損して開放状態へ遷移したりすることがある。この際も、インバータ制御部８１は、回転電機ＭＧの駆動を停止する制御を、平滑コンデンサ４０の残存電荷がより短い時間で放電されるように実施すると好適である。しかし、車両が故障したり破損したりしたような場合には、低圧バッテリ１８からインバータ制御部８１への電力供給が途絶しているような状況も考えられる。ここでは、そのような状況を“低圧電源途絶状態”と称する。低圧電源途絶状態では、回転電機ＭＧの駆動を停止する制御や、平滑コンデンサ４０の残存電荷をより短い時間で放電させる制御が良好に実施できない。

さらに、例えば、車両が故障したり破損したりしたような場合に、車輪が回転を続けていると、その運動エネルギーによって比較的大きな電力が発電されることがある。そして、発電された電力は、コンタクタ９が開放状態となっていると、高圧バッテリ１１の充電には用いられず、平滑コンデンサ４０の充電に用いられることになる。このため、平滑コンデンサ４０の放電が遅れたり、放電以上に充電されて平滑コンデンサ４０の端子間電圧が上昇したりする可能性もある。従って、車両が故障したり破損したりしたような場合にも、回転電機ＭＧの駆動を停止する制御や、平滑コンデンサ４０の残存電荷をより短い時間で放電させる制御が円滑に実行されることが望ましい。

本発明に係る回転電機駆動装置１００は、“低圧電源途絶状態”においても、インバータ１０の下段側ＩＧＢＴ３Ｌをオン状態に制御することができるように構成されている。これによって、発電により生じた電力や、平滑コンデンサ４０に蓄積された電荷は、高圧回路系のグラウンドである負極電源ラインＮに還流される。

具体的には、図２及び図３に示すように、インバータ１０とインバータ制御部８１とを備える回転電機駆動装置１００が、さらに接続遮断部１と、バックアップ制御部２と、バックアップ電源部４と、接続部５とを備えて構成される。インバータ１０は、上述したように、高圧バッテリ１１と回転電機ＭＧとの間に介在されて直流と交流との間で電力変換を行う回路である。インバータ制御部８１は、高圧バッテリ１１よりも低電圧の電源であって高圧バッテリ１１とは絶縁された低圧バッテリ１８から供給される電力により動作し、インバータ１０のＩＧＢＴ３をスイッチング制御する。図２に示すように、接続遮断部１は、低圧バッテリ１８からインバータ制御部８１への電力供給が途絶した低圧電源途絶状態において、インバータ１０のＩＧＢＴ３のゲート端子３ｇ（制御端子）とインバータ制御部８１との接続を解除する（遮断する）。バックアップ制御部２は、低圧電源途絶状態において、インバータ１０のＩＧＢＴ３、特に下段側ＩＧＢＴ３Ｌをオン状態に制御するバックアップ制御信号ＢＳを生成する。

バックアップ制御信号ＢＳを伝達する信号線は、接続遮断部１とＩＧＢＴ３のゲート端子３ｇとの間に設定された接続部５において接続される。上述したように、低圧電源途絶状態では、ＩＧＢＴ３のゲート端子３ｇとインバータ制御部８１との接続は、接続遮断部１によって解除されているから、ゲート端子３ｇには制御信号Ｓに代わってバックアップ制御信号ＢＳが入力される。バックアップ制御信号ＢＳは、下段側ＩＧＢＴ３Ｌをオン状態に制御する信号であるから、回転電機ＭＧにより発電された電力、並びに平滑コンデンサ４０の残存電荷は、下段側ＩＧＢＴ３Ｌを介して負極電源ラインＮに還流される。尚、バックアップ制御部２は、バックアップ電源部４から電力を供給されて、バックアップ制御信号ＢＳを生成する。バックアップ電源部４は、高圧バッテリ１１に基づく電力を電力源として構成されている。ここで、高圧バッテリ１１に基づく電力とは、高圧バッテリ１１を直接の電力源とする構成に限定されるものではない。例えば、高圧バッテリ１１との電気的接続が遮断された状態において、平滑コンデンサ４０に蓄えられた電力（残存電荷）は高圧バッテリ１１に基づく電力である。従って、平滑コンデンサ４０に蓄えられた電力（残存電荷）を電力源とする構成も含まれる。

尚、好適な態様として、接続遮断部１は、図２及び図３に示すように、インバータ制御部８１からゲート端子３ｇ（制御端子）へ向かう方向を順方向として接続されるダイオード１ｄと、このダイオード１ｄに並列に接続されるスイッチング素子１ｓとを備えて構成される。スイッチング素子１ｓとしては、例えばＦＥＴを利用すると好適である。接続遮断部１のスイッチング素子１ｓは、低圧電源途絶状態では常時オフ状態となり、ＩＧＢＴ３のゲート端子３ｇとインバータ制御部８１（制御装置８０）との接続を遮断する。

一方、低圧バッテリ１８からインバータ制御部８１へ電力が供給されている低圧電源供給状態では、スイッチング素子１ｓは、制御信号Ｓの論理状態（Ｈ：ハイ／Ｌ：ロー）に応じて変化するゲート端子の論理状態に応じてスイッチングする。制御信号Ｓの論理状態が“Ｌ”状態の場合には、スイッチング素子１ｓのゲート−ソース間にほぼ“ＶＣＣ２”の電位差が生じて、スイッチング素子１ｓはオン状態となり、ＩＧＢＴ３のゲート端子の論理状態は“Ｌ”状態となる。つまり、スイッチング素子１ｓのドレイン−ソース間を介して、ドライブ回路８２への吸い込み電流が流れ、ＩＧＢＴ３のゲート端子の論理状態は制御信号Ｓと同様に“Ｌ”状態となる。一方、制御信号Ｓの論理状態が“Ｈ”状態の場合には、スイッチング素子１ｓのゲート−ソース間の電位差がほぼ“０”となり、スイッチング素子１ｓはオフ状態となる。しかし、スイッチング素子１ｓに対して並列に接続されているダイオード１ｄを介して、ドライブ回路８２から吐き出し電流が流れ、ＩＧＢＴ３のゲート端子の論理状態は制御信号Ｓと同様に“Ｈ”状態となる。

尚、高圧バッテリ１１とインバータ１０との電気的接続が維持されている状態では、回転電機ＭＧにより発電された電力を高圧バッテリ１１へ回生することができる。従って、インバータ１０の下段側ＩＧＢＴ３Ｌを強制的にオン状態に制御しなくてもよい。よって、バックアップ制御部２は、高圧バッテリ１１とインバータ１０との電気的接続が遮断された高圧直流電源遮断状態でのみ、バックアップ制御信号ＢＳを生成するように構成することもできる。

以下、図２及び図３を参照して、接続遮断部１、バックアップ制御部２、バックアップ電源部４の動作について詳細に説明する。まず、図２を参照して、接続遮断部１の動作を中心に説明する。回転電機駆動装置１００が通常動作している場合、即ち、高圧バッテリ１１及び低圧バッテリ１８と、回転電機駆動装置１００との接続が維持されている場合には、インバータ制御部８１及びドライブ回路８２は正常に動作している。当然ながら、ゲート駆動電源８も正常に動作しており、“ＶＣＣ２”は適正に出力されている。接続遮断部１を構成するスイッチング素子１ｓは、本実施形態ではＮチャネル型のＭＯＳＦＥＴである。このＭＯＳＦＥＴのゲート端子には、“ＶＣＣ２”が入力されており、“ＶＣＣ２”が適正に出力されている状態では、スイッチング素子１ｓはオン状態となる。このとき、バックアップ制御部２からは、バックアップ制御信号ＢＳは出力されておらず、接続部５には、制御信号Ｓのみが伝達されている。これにより、ドライブ回路８２を介して、制御信号ＳがＩＧＢＴ３のゲート端子３ｇに接続され、ＩＧＢＴ３はインバータ制御部８１によってスイッチング制御される。

一方、低圧バッテリ１８と回転電機駆動装置１００との接続が途絶した低圧電源途絶状態では、低圧バッテリ１８からインバータ制御部８１への電力供給、並びに低圧バッテリ１８からゲート駆動電源８への電力供給も途絶する。従って、制御信号Ｓの源信号や、“ＶＣＣ１”、“ＶＣＣ２”も、適正に生成されなくなる。上述したように、接続遮断部１を構成するスイッチング素子１ｓは、本実施形態ではＮチャネル型のＭＯＳＦＥＴである。従って、“ＶＣＣ２”の電位が低下すると、スイッチング素子１ｓはオフ状態となり、ＩＧＢＴ３のゲート端子３ｇに対する制御信号Ｓの接続を遮断する。尚、制御信号ＳがＩＧＢＴ３をオン状態に制御するハイ状態を維持できている場合には、当該制御信号Ｓをゲート端子３ｇに導けるように、インバータ制御部８１からゲート端子３ｇへ向かう方向を順方向として、スイッチング素子１ｓに対して並列にダイオード１ｄが接続されている。ダイオード１ｄにより、ハイ状態（ＩＧＢＴ３をオン状態に制御する論理状態）のバックアップ制御信号ＢＳがドライブ回路８２の出力側に回り込むことや、バックアップ制御信号ＢＳが有効な際に、ロー状態（ＩＧＢＴ３をオフ状態に制御する論理状態）の制御信号Ｓがゲート端子３ｇに伝達されることが抑制される。

詳細は後述するが、低圧バッテリ１８と回転電機駆動装置１００との接続が途絶した低圧電源途絶状態において、バックアップ制御部２はバックアップ制御信号ＢＳを生成する。接続部５には、バックアップ制御部２により生成されたバックアップ制御信号ＢＳを伝達する信号線が接続されている。バックアップ制御信号ＢＳは、接続部５を介してＩＧＢＴ３のゲート端子３ｇに伝達され、ＩＧＢＴ３をオン状態に制御する。即ち、低圧電源途絶状態において、下段側ＩＧＢＴ３Ｌはバックアップ制御信号ＢＳによってオン状態に制御される。

以下、図３を参照して、バックアップ制御部２、及びバックアップ制御部２に電力を供給するバックアップ電源部４について説明する。バックアップ電源部４は、高圧バッテリ１１に基づく電力を電力源として構成され、バックアップ制御部２に電力を供給する。ここで、高圧バッテリ１１に基づく電力とは、図１におけるシステム電圧Ｖｄｃを指す。従って、高圧バッテリ１１と回転電機駆動装置１００との接続が遮断されている状態、例えば、コンタクタ９が開放状態となっている状態においても、平滑コンデンサ４０に蓄えられた電力を電力源としてバックアップ制御部２に供給する電源が構築される。

バックアップ電源部４は、トランスを用いて構成され、例えば同様に平滑コンデンサ４０に蓄えられた電力を電力源として動作する不図示の電源コントローラやスイッチング素子などを利用して、電力変換を行う。本実施形態では、グラウンドレベルを負極電源ラインＮとして例えば１５［Ｖ］の出力電圧を有する“１５Ｖ＿Ｐ”と、例えば５［Ｖ］の出力を有する“５Ｖ＿Ｐ”との２種類の電源電圧が生成される例を示している。

バックアップ制御部２は、バックアップ電源部４と同様にグラウンドレベルが負極電源ラインＮの回路系である。生成された“１５Ｖ＿Ｐ”の電源は、バックアップ電源スイッチＳＷ２を介してバックアップ電源部４のバックアップ制御信号生成回路２２（後述する“ＳＷ５”など）に伝達される。バックアップ電源スイッチＳＷ２は、第１バックアップ起動スイッチＳＷ１の制御により、オンオフされる。本実施形態では、バックアップ電源スイッチＳＷ２は、Ｐチャネル型のＭＯＳＦＥＴにより構成され、第１バックアップ起動スイッチＳＷ１は、本実施形態ではＮＰＮ型トランジスタにより構成されている。例えば車両ＥＣＵから車内通信などにより伝達されるバックアップ起動信号ＥＶが、“コンタクタ９が開状態となったこと”や、“車両の衝突が検出されたこと”などの規定のイベントの発生によって、バックアップ制御部２の起動を指示する状態となった場合（ここでは“ハイ状態”）に、第１バックアップ起動スイッチＳＷ１がオン状態となる。

第１バックアップ起動スイッチＳＷ１がオン状態となると、Ｐチャネル型のＭＯＳＦＥＴで構成されたバックアップ電源スイッチＳＷ２のゲート端子がハイ状態からロー状態に遷移する。これにより、バックアップ電源スイッチＳＷ２はオン状態となり、バックアップ電源部４が生成した“１５Ｖ＿Ｐ”の電源を、バックアップ電源部４のバックアップ制御信号生成回路２２に伝達する。

バックアップ起動信号ＥＶが“コンタクタ９が開状態となったこと”によってのみハイ状態となる場合には、バックアップ制御部２は、高圧バッテリ１１とインバータ１０との電気的接続が遮断された“高圧直流電源遮断状態”でのみ、バックアップ制御信号ＢＳを生成することになる。また、バックアップ起動信号ＥＶが“車両の衝突が検出されたこと” によってのみハイ状態となる場合には、バックアップ制御部２は、車両が衝突した“車両衝突状態”でのみ、バックアップ制御信号ＢＳを生成することになる。

当然ながら、このようなバックアップ制御信号ＢＳを必要とする複数の状態の何れか１つが生じた状態においてのみ、バックアップ制御信号ＢＳを生成する構成も好適である。このような状態は、例えば、“バックアップ制御要求状態”や、下段側ＩＧＢＴ３Ｌを強制的に短絡状態に制御することが望まれる“アクティブショート要求状態”と称することができる。このように、バックアップ制御信号ＢＳが生成される条件を限定することによって、通常動作時においてバックアップ制御信号ＢＳが制御信号Ｓと競合するような可能性を抑制することができる。

バックアップ制御信号生成回路２２は、本実施形態では、第２バックアップ起動スイッチＳＷ３、信号生成起動スイッチＳＷ４、バックアップ制御信号生成スイッチＳＷ５を中心として構成されている。バックアップ電源スイッチＳＷ２がオフ状態の場合には、バックアップ制御信号ＢＳは生成されないので、ここでは、バックアップ電源スイッチＳＷ２がオン状態の場合におけるバックアップ制御信号生成回路２２の動作について説明する。本実施形態では、第２バックアップ起動スイッチＳＷ３は、Ｎチャネル型のＭＯＳＦＥＴにより構成され、信号生成起動スイッチＳＷ４は、ＰＮＰ型のトランジスタにより構成され、バックアップ制御信号生成スイッチＳＷ５は、Ｐチャネル型のＭＯＳＦＥＴにより構成されている。

上述した接続遮断部１と同様に、第２バックアップ起動スイッチＳＷ３のゲート端子には“ＶＣＣ２”が入力されている。“ＶＣＣ２”が適正に出力されている状態では、第２バックアップ起動スイッチＳＷ３はオン状態である。これにより、信号生成起動スイッチＳＷ４のベース端子はロー状態となり、信号生成起動スイッチＳＷ４もオン状態となる。バックアップ制御信号生成スイッチＳＷ５のゲート端子はハイ状態となり、バックアップ制御信号生成スイッチＳＷ５はオフ状態となる。従って、バックアップ電源部４が生成した“１５Ｖ＿Ｐ”の電源は、バックアップ制御信号生成スイッチＳＷ５によって遮断され、バックアップ制御信号ＢＳは生成されず、ロー状態のままとなる。

一方、低圧バッテリ１８と回転電機駆動装置１００との接続が途絶した低圧電源途絶状態では、低圧バッテリ１８からゲート駆動電源８への電力供給も途絶する。従って、 “ＶＣＣ２”も、適正に生成されなくなる。“ＶＣＣ２”の電位が低下すると、第２バックアップ起動スイッチＳＷ３はオフ状態となる。これにより、信号生成起動スイッチＳＷ４のベース端子はハイ状態となり、信号生成起動スイッチＳＷ４もオフ状態となる。そして、バックアップ制御信号生成スイッチＳＷ５のゲート端子はロー状態となり、バックアップ制御信号生成スイッチＳＷ５はオン状態となる。従って、バックアップ電源部４が生成した“１５Ｖ＿Ｐ”の電源は、バックアップ制御信号生成スイッチＳＷ５を介して、バックアップ制御信号ＢＳとしてバックアップ制御信号生成回路２２から出力される。

このように構成することで、バックアップ制御部２（バックアップ制御信号生成回路２２）は、上述した“高圧直流電源遮断状態”、“車両衝突状態”などを含む、“バックアップ制御要求状態”や“アクティブショート要求状態”に加えて、実際にゲート駆動電源８の出力“ＶＣＣ２”の電圧が低下した状態である“電圧低下状態”も条件として、バックアップ制御信号ＢＳを生成することができる。本実施形態においては、ゲート駆動電源８が低圧バッテリ１８に基づいて“ＶＣＣ２”を生成しているので、この条件を“低圧直流電源遮断状態”と称することもできる。このように、バックアップ制御信号ＢＳが生成される条件を限定することによって、通常動作時においてバックアップ制御信号ＢＳが制御信号Ｓと競合するような可能性を抑制することができる。

尚、“低圧直流電源遮断状態”を判定する目的であれば、第２バックアップ起動スイッチＳＷ３のゲート端子への入力が“ＶＣＣ２”に限定されないことは自明である。第２バックアップ起動スイッチＳＷ３のゲート端子への入力は、グラウンドレベルが負極電源ラインＮであれば、低圧バッテリ１８の電圧低下を判定することができる他の電圧を利用することも当然に可能である。

ところで、バックアップ制御信号生成回路２２の出力端には、バックアップ制御部２（バックアップ制御信号生成回路２２）から接続部５に向かう方向を順方向としてダイオード２ｄが備えられている。これにより、バックアップ制御信号ＢＳがロー状態の場合に、ハイ状態の制御信号Ｓと競合して、ＩＧＢＴ３のゲート端子３ｇの電圧レベルが低下したり、ドライブ回路８２の消費電力が増加したりすることが抑制される。

図２及び図３を参照して上述した接続遮断部１、バックアップ制御部２、バックアップ電源部４の構成は一例である。当業者であれば本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、適宜改変が可能であろう。しかし、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で改変された別の実施形態も当然ながら、本発明に含まれるものである。

本発明は、交流の回転電機を駆動制御する回転電機駆動装置に利用することができる。

１ ：接続遮断部
１ｄ ：ダイオード
１ｓ ：スイッチング素子
２ ：バックアップ制御部
３ｇ ：ゲート端子（制御端子）
４ ：バックアップ電源部
５ ：接続部
１０ ：インバータ
１０Ｌ ：アーム
１１ ：高圧バッテリ（高圧直流電源）
１８ ：低圧バッテリ（低圧直流電源）
４０ ：平滑コンデンサ
８１ ：インバータ制御部
１００ ：回転電機駆動装置
ＢＳ ：バックアップ制御信号
ＭＧ ：回転電機

Claims (3)

1. 交流の回転電機を駆動制御する回転電機駆動装置であって、
   高圧直流電源と前記回転電機との間に介在され、上段側スイッチング素子と下段側スイッチング素子との直列回路により構成された交流１相分のアームを複数本有して、直流と複数相の交流との間で電力変換を行うインバータと、
   前記高圧直流電源よりも低電圧の電源であり、前記高圧直流電源とは絶縁された低圧直流電源から供給される電力により動作し、前記インバータのスイッチング素子をそれぞれスイッチング制御するインバータ制御部と、
   前記低圧直流電源から前記インバータ制御部への電力供給が途絶した低圧電源途絶状態では、前記インバータのスイッチング素子の制御端子と前記インバータ制御部との接続を遮断する接続遮断部と、
   前記低圧電源途絶状態において、前記インバータの前記下段側スイッチング素子をオン状態に制御するバックアップ制御信号を生成するバックアップ制御部と、
   前記高圧直流電源に基づく電力を電力源として構成され、前記バックアップ制御部に電力を供給するバックアップ電源部と、
   前記接続遮断部と前記制御端子との間において前記バックアップ制御信号を伝達する信号線が接続される接続部と、を備え、
   前記バックアップ制御部は、前記低圧電源途絶状態では、前記バックアップ電源部から供給される出力電圧を通過させて前記バックアップ制御信号として出力し、前記低圧電源途絶状態とは異なる状態では、前記バックアップ電源部から供給される出力電圧を遮断するバックアップ制御信号生成スイッチを備え、
   前記接続遮断部は、前記インバータ制御部から前記制御端子へ向かう方向を順方向として接続されるダイオードと、前記ダイオードに並列に接続されるスイッチング素子とを備えて構成され、
   前記バックアップ制御信号生成スイッチは、前記低圧電源途絶状態では、前記低圧直流電源の電圧を利用して生成された電圧の低下によってオン状態となり、
   前記接続遮断部のスイッチング素子は、前記低圧電源途絶状態では、前記低圧直流電源の電圧を利用して生成された電圧の低下によってオフ状態となる、
   回転電機駆動装置。
2. 前記高圧直流電源と前記インバータとの間に介在され、前記インバータの直流電圧を平滑する平滑コンデンサを備え、
   前記バックアップ電源部は、前記高圧直流電源と前記平滑コンデンサとの電気的接続が遮断された状態では、前記平滑コンデンサに蓄えられた電力を電力源として前記バックアップ制御部に電力を供給する請求項１に記載の回転電機駆動装置。
3. 前記バックアップ制御部は、前記高圧直流電源と前記インバータとの電気的接続が遮断された高圧直流電源遮断状態でのみ、前記バックアップ制御信号を生成する請求項１又は２に記載の回転電機駆動装置。

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