JP6291899B2 - Rotating electrical machine control device - Google Patents
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Description
本発明は、交流の回転電機を駆動制御する回転電機制御装置に関する。 The present invention relates to a rotating electrical machine control device that drives and controls an AC rotating electrical machine.
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]の高圧バッテリからインバータを介して電力が供給される。また、回転電機は、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おり、生成された電力はインバータを介してバッテリへ回生される。このようなインバータには、パワーデバイスと称される耐用電力の大きい半導体スイッチング素子が利用される。一方、インバータを構成する各スイッチング素子は、一般的には12〜24[V]程度の低圧バッテリから電力を供給されて動作する制御装置によってスイッチング制御される。 In an electric vehicle or a hybrid vehicle that does not receive power supply from an overhead line, power is generally supplied from a high-voltage battery having a direct current of 200 to 400 [V], for example, to an electric rotating machine as a driving force source via an inverter. The rotating electrical machine also has a function as a generator that generates electric power using kinetic energy of a vehicle or an internal combustion engine, and the generated electric power is regenerated to a battery via an inverter. For such an inverter, a semiconductor switching element called a power device having a large withstand power is used. On the other hand, each switching element constituting the inverter is generally subjected to switching control by a control device that operates by being supplied with electric power from a low voltage battery of about 12 to 24 [V].
ところで、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、インバータと高圧バッテリとの電気的接続が切り離される場合がある。この際、インバータに備えられた平滑コンデンサに蓄積された電力や、慣性力により回転する回転電機により生成される電力を早急に消費或いは放電させる必要がある。一例として、インバータの上段側のスイッチング素子(正極と負極との間に直列接続されて相補的にスイッチングする例えば2つのスイッチング素子の内の上段側(正極側)のスイッチング素子)をオフ状態に制御し、下段側(負極側)のスイッチング素子をオン状態に制御するアクティブショート制御が実行される。 By the way, when a vehicle collides or when a collision is predicted, the electrical connection between the inverter and the high voltage battery may be disconnected in order to stop the vehicle at an early stage. At this time, it is necessary to quickly consume or discharge the electric power accumulated in the smoothing capacitor provided in the inverter and the electric power generated by the rotating electric machine rotating by the inertial force. As an example, the switching element on the upper stage of the inverter (for example, the upper switching element (positive switching element) of two switching elements that are connected in series between the positive electrode and the negative electrode in a complementary manner) is controlled to be in an OFF state. Then, active short control is performed to control the switching element on the lower stage side (negative electrode side) to the on state.
しかし、車両が衝突した場合などでは、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。例えば、低圧バッテリと制御装置との間の配線に断線が生じると、制御装置は電源を喪失し、インバータに対してアクティブショート制御を行うことができなくなってしまう。そこで、例えば特表2005−525777号公報(特許文献1)には、インバータのローサイドアームに接続される電力スイッチ(下段側(負極側)のスイッチング素子)をノーマリオンスイッチングエレメントにより構成することが提案されている(特許文献1:要約、第4,7,11段落、図1等)。ノーマリオンスイッチングエレメントは、当該エレメント(電力スイッチ)に対する制御信号が非アクティブ状態の際に、オン状態となって導通する。従って、制御装置が電源を喪失して動作を停止し、制御信号が非アクティブ状態となった場合に、オン状態となり、アクティブショート制御が自動的に実行されることになる。尚、上段側のスイッチン素子は、通常タイプのもの(ノーマリオンスイッチングエレメントではないもの)が用いられる。 However, when the vehicle collides, the circuit in the vehicle may be disconnected due to the impact of the collision. For example, if a break occurs in the wiring between the low voltage battery and the control device, the control device loses power and cannot perform active short control on the inverter. Therefore, for example, Japanese Patent Application Publication No. 2005-525777 (Patent Document 1) proposes that the power switch (the lower-stage (negative-side) switching element) connected to the low-side arm of the inverter is configured with a normally-on switching element. (Patent Document 1: Abstract, 4th, 7th, 11th paragraphs, FIG. 1 and the like). The normally-on switching element is turned on and becomes conductive when a control signal for the element (power switch) is in an inactive state. Accordingly, when the control device loses power and stops its operation, and the control signal becomes inactive, it is turned on, and active short control is automatically executed. As the upper-side switching element, a normal type element (not a normally-on switching element) is used.
但し、ノーマリオンスイッチングエレメントは、汎用的ではなく、部品単価も高い。また、正極と負極との間に直列接続されて相補的にスイッチングする例えば2つのスイッチングエレメントの電気的な特性が異なることになり、均一なスイッチング特性を得ることが容易ではなくなってしまう。一方、通常タイプのノーマリオフスイッチングエレメント(制御信号がアクティブ状態の際に、オン状態となって導通する素子)を用いて同様の作用を実現するためにはローサイドアームのスイッチングエレメントと並列にノーマリオンのリレーを接続するような工夫が必要となり、コストや回路規模の点で好ましくない。その他、制御装置の電源喪失を検出して起動されるアクティブショート制御回路を付加する方法もあるが、やはり、コストや回路規模の観点からは好ましいものではない。 However, normally-on switching elements are not general-purpose and have a high component unit price. In addition, for example, two switching elements that are connected in series between the positive electrode and the negative electrode and perform complementary switching have different electrical characteristics, and it becomes difficult to obtain uniform switching characteristics. On the other hand, in order to achieve the same effect using a normal type normally-off switching element (an element that is turned on when the control signal is in an active state), the normally-on switching element is connected in parallel with the switching element of the low-side arm. A device for connecting the relay is required, which is not preferable in terms of cost and circuit scale. In addition, there is a method of adding an active short control circuit that is activated upon detection of power loss of the control device, but it is also not preferable from the viewpoint of cost and circuit scale.
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。 In view of the above background, there is a demand for a technique for smoothly controlling an inverter even when the power supply of the control circuit of the inverter is lost while suppressing an increase in the device scale.
上記課題に鑑みた本発明に係る回転電機制御装置の特徴構成は、
交流の回転電機を駆動制御する回転電機制御装置であって、
高圧直流電源と前記回転電機との間に介在され、直流と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スイッチング制御するインバータ制御装置と、
前記高圧直流電源を電力源として構成され、前記インバータ制御装置に電力を供給可能なバックアップ電源と、
前記低圧直流電源から前記インバータ制御装置へ供給される電力が予め規定された基準値以下となった低圧電源低下状態では、前記バックアップ電源から前記インバータ制御装置へ電力を供給するように電力供給経路を切り替える電源切替スイッチと、を備え、
前記インバータを構成する交流1相分のアームは、相補的にスイッチング制御される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るものであり、
前記インバータ制御装置により生成され、各スイッチング素子を制御するスイッチング制御信号を中継する制御信号駆動回路と、
前記制御信号駆動回路のそれぞれに電力を供給する駆動回路用電源と、を備え、
前記駆動回路用電源の内、前記上段側スイッチング素子に前記スイッチング制御信号を中継する前記制御信号駆動回路に電力を供給する上段側駆動回路用電源は、前記低圧直流電源を電力源として構成され、前記下段側スイッチング素子に前記スイッチング制御信号を中継する前記制御信号駆動回路に電力を供給する下段側駆動回路用電源は、前記高圧直流電源を電力源として構成されている点にある。
In view of the above problems, the characteristic configuration of the rotating electrical machine control device according to the present invention is:
A rotating electrical machine control device for driving and controlling an AC rotating electrical machine,
An inverter that is interposed between the high-voltage DC power supply and the rotating electrical machine and performs power conversion between DC and AC;
An inverter control device that is a power source having a voltage lower than that of the high-voltage DC power source, operates with power supplied from a low-voltage DC power source that is insulated from the high-voltage DC power source, and controls switching of the switching elements of the inverter;
The high-voltage DC power supply is configured as a power source, and a backup power supply capable of supplying power to the inverter control device;
In a low-voltage power supply lowered state in which the power supplied from the low-voltage DC power source to the inverter control device is equal to or lower than a predetermined reference value, a power supply path is provided so as to supply power from the backup power source to the inverter control device. A power switch for switching ,
The arm for one phase of AC constituting the inverter is constituted by a series circuit of an upper stage side switching element and a lower stage side switching element that are complementarily switched and controlled.
A control signal drive circuit that relays a switching control signal that is generated by the inverter control device and controls each switching element;
A drive circuit power supply for supplying power to each of the control signal drive circuits,
Among the drive circuit power supplies, the upper drive circuit power supply that supplies power to the control signal drive circuit that relays the switching control signal to the upper switch element is configured with the low-voltage DC power supply as a power source, The power source for the lower stage drive circuit that supplies power to the control signal drive circuit that relays the switching control signal to the lower stage side switching element is configured by using the high-voltage DC power source as a power source .
この構成によれば、低圧直流電源からインバータ制御装置への電力供給が低下し、低圧電源低下状態となった場合に、インバータ制御装置への電力供給経路が切り替えられ、バックアップ電源からインバータ制御装置へ電力が供給されるようになる。バックアップ電源は、低圧直流電源とは絶縁された別の電源である高圧直流電源を電力源として構成されているので、例えば低圧直流電源や、低圧直流電源の周囲の配線に異常が生じた場合であっても、これらの状態に依存することなくインバータ制御装置へ電力を供給することができる。低圧直流電源やその周辺に異常が生じた場合、インバータ制御装置によってインバータを制御することができなくなり、過電圧などを生じさせる可能性がある。このため、インバータ制御装置に代わってインバータを停止させるシャットダウン制御や、余剰電力を消費させるためのアクティブショート制御などのフェールセーフ制御を行うフェールセーフ回路が設けられる場合がある。しかし、本構成によれば、そのようなフェールセーフ回路に依存することなく、インバータ制御装置を用いて、シャットダウン制御やアクティブショート制御を実行することができる。即ち、本構成によれば、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ことが可能となる。 According to this configuration, when the power supply from the low-voltage DC power supply to the inverter control device is reduced and the low-voltage power supply is lowered, the power supply path to the inverter control device is switched, and the backup power supply to the inverter control device is switched. Electric power is supplied. The backup power supply is configured with a high-voltage DC power supply, which is a separate power supply from the low-voltage DC power supply, as the power source. For example, when there is an abnormality in the wiring around the low-voltage DC power supply or the low-voltage DC power supply Even if it exists, electric power can be supplied to an inverter control apparatus, without depending on these states. If an abnormality occurs in the low-voltage DC power supply or the vicinity thereof, the inverter cannot be controlled by the inverter control device, which may cause overvoltage or the like. For this reason, a fail-safe circuit for performing fail-safe control such as shutdown control for stopping the inverter and active short control for consuming surplus power may be provided instead of the inverter control device. However, according to this configuration, it is possible to execute shutdown control and active short control using the inverter control device without depending on such a fail-safe circuit. That is, according to this configuration, it is possible to smoothly control the inverter even when the power source of the control circuit of the inverter is lost while suppressing an increase in the device scale.
上述したように、本発明に係る回転電機制御装置は、前記インバータを構成する交流1相分のアームが、相補的にスイッチング制御される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るものであり、以下のように構成されている。即ち、当該回転電機制御装置は、前記インバータ制御装置により生成され、各スイッチング素子を制御するスイッチング制御信号を中継する制御信号駆動回路と、前記制御信号駆動回路のそれぞれに電力を供給する駆動回路用電源と、を備え、前記駆動回路用電源の内、前記上段側スイッチング素子に前記スイッチング制御信号を中継する前記制御信号駆動回路に電力を供給する上段側駆動回路用電源は、前記低圧直流電源を電力源として構成され、前記下段側スイッチング素子に前記スイッチング制御信号を中継する前記制御信号駆動回路に電力を供給する下段側駆動回路用電源は、前記高圧直流電源を電力源として構成されている。 As described above, in the rotating electrical machine control device according to the present invention, the AC one-phase arm constituting the inverter is configured by a series circuit of an upper-stage switching element and a lower-stage switching element that are complementarily switched and controlled. is intended to be, that is organized as follows. That is, the rotary electric machine control device is generated by pre-Symbol inverter control device, and a control signal driving circuit that relays a switching control signal for controlling each switching element, the drive circuit for supplying power to each of the control signal driving circuit with a use power, and of the power supply for the drive circuit, the power source for the upper stage driver circuit for supplying electric power to said control signal driving circuit for relaying the switching control signal to the upper-stage switching element, the low-pressure DC power supply It is configured as a power source, the lower-side power supply for the lower-side drive circuit for supplying electric power to said control signal driving circuit for relaying the switching control signal to the switching element, that has the high-voltage DC power source is configured as a power source .
上述したように、低圧電源低下状態においては、バックアップ電源からインバータ制御装置へ電力を供給するように電力供給経路が切り替えられるので、インバータ制御装置によりインバータの制御を行うことができる。しかし、スイッチング制御信号を中継する制御信号駆動回路のそれぞれに電力を供給する駆動回路用電源への電力供給が滞ると、インバータ制御装置から信号を出力しても、インバータをスイッチング制御することができなくなってしまう。シャットダウン制御やアクティブショート制御は、インバータの上段側スイッチング素子、或いは下段側スイッチング素子の何れか一方を用いて実行することができる。従って、上段側駆動回路用電源、或いは下段側駆動回路用電源の何れかが、低圧電源低下状態においても機能するように構成されていれば、インバータ制御装置によるフェールセーフ制御をインバータに作用させることができる。インバータ制御回路に電力を供給するバックアップ電源への電力源である高圧直流電源を電力源として、下段側駆動回路用電源が構成されることで、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。 As described above, in the low-voltage power supply lowered state, the power supply path is switched so as to supply power from the backup power supply to the inverter control device, so that the inverter control device can control the inverter. However, if the power supply to the power supply for the drive circuit that supplies power to each of the control signal drive circuits that relay the switching control signal stagnate, the inverter can be switched and controlled even if a signal is output from the inverter control device. It will disappear. Shutdown control and active short-circuit control can be performed using either the upper stage switching element or the lower stage switching element of the inverter. Therefore, if either the upper-stage drive circuit power supply or the lower-stage drive circuit power supply is configured to function even in a low-voltage power supply lowered state, failsafe control by the inverter control device can be applied to the inverter. Can do. As a power source high-voltage DC power source is a power source to the backup power supply for supplying power to the inverter control circuit, when power for the lower-stage side drive circuit is configured, when the power supply of the control circuit of the inverter is lost In addition, the inverter can be controlled smoothly.
フェールセーフ制御として、アクティブショート制御を行う場合には、インバータの上段側スイッチング素子がオフ状態に制御され、下段側スイッチング素子がオン状態に制御されることが多い。そして、一般的にはインバータに用いられるスイッチング素子は、制御端子が非アクティブ状態の際には、オフ状態となる素子であるから、アクティブショート制御の際には、上段側スイッチング素子は制御されずにオフ状態となってよい。従って、低圧電源低下状態においては、少なくとも下段側駆動回路用電源が機能すれば足りる。従って、上述したように、前記上段側駆動回路用電源が、前記低圧直流電源を電力源として構成され、前記下段側駆動回路用電源が、前記高圧直流電源を電力源として構成されていると好適である。 When performing active short control as fail-safe control, the upper switching element of an inverter is often controlled to be in an off state and the lower switching element is often controlled to be in an on state. In general, the switching element used in the inverter is an element that is turned off when the control terminal is in an inactive state. Therefore, the upper-side switching element is not controlled during active short-circuit control. May be off. Therefore, it is sufficient that at least the power supply for the lower drive circuit functions in the low-voltage power supply lowered state. Therefore, as described above, it is preferable that the upper drive circuit power supply is configured with the low-voltage DC power supply as a power source, and the lower drive circuit power supply is configured with the high-voltage DC power supply as a power source. It is.
また、本発明に係る回転電機制御装置は、前記電源切替スイッチと前記インバータ制御装置との間に、前記インバータ制御装置の電源電圧を安定化するコンデンサを備えると好適である。低圧電源低下状態となった場合に、少しでもインバータ制御装置への電力供給を維持するために、インバータ制御装置への電源供給ラインに設けられる電圧安定用コンデンサの静電容量を大きくしておく方法がある。しかし、静電容量を大きくするとコンデンサの体格も大きくなり、コストも高くなる。上述したように、バックアップ電源を設け、低圧電源低下状態となった場合に電源切替スイッチによって電力供給経路を切り替えると、この切り替えの際や、ノイズ、電圧変動などによって生じる短時間の電圧降下(瞬断)に対応できる程度まで、当該コンデンサの静電容量を抑制することができる。つまり、コンデンサの体格も小さくすることができ、低コスト化も実現できる。 The rotating electrical machine control device according to the present invention is preferably provided with a capacitor for stabilizing a power supply voltage of the inverter control device between the power supply changeover switch and the inverter control device. A method of increasing the capacitance of the voltage stabilizing capacitor provided in the power supply line to the inverter control device in order to maintain the power supply to the inverter control device even if a low voltage power supply is lowered. There is. However, increasing the capacitance increases the size and cost of the capacitor. As described above, when a backup power supply is provided and the power supply path is switched by the power switch when the low-voltage power supply is in a lowered state, a short-time voltage drop (instantaneous) caused by this switching, noise, voltage fluctuation, etc. The capacitance of the capacitor can be suppressed to the extent that it can cope with the That is, the size of the capacitor can be reduced and the cost can be reduced.
以下、電気自動車やハイブリッド自動車の動力用モータ(回転電機)を駆動制御するモータ制御装置(回転電機制御装置)を例として、本発明の実施形態を説明する。はじめに、図1を参照して、モータ制御装置の構成について説明する。モータ90(回転電機)は、3相交流モータであり、発電機としても機能する。 Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described by taking a motor control device (rotary electric machine control device) for driving and controlling a power motor (rotary electric machine) of an electric vehicle or a hybrid vehicle as an example. First, the configuration of the motor control device will be described with reference to FIG. The motor 90 (rotary electric machine) is a three-phase AC motor and also functions as a generator.
モータ制御装置には、IGBT(insulated gate bipolar transistor)やパワーMOSFET(metal oxide semiconductor field effect transistor)などの電力型スイッチング素子(パワースイッチング素子)を用い、直流を3相交流に変換するインバータ1が構成されている。当然ながら、バイポーラ型など種々の構造のパワースイッチング素子を用いてインバータ1を構成することも可能である。本実施形態では、インバータ1は、3相交流モータであるモータ90と高圧バッテリ2Hとの間に介在して、直流と交流との間で電力変換を行う。従って、インバータ1は、直流と3相交流との間で電力変換を行う。インバータ1を構成する交流1相分のアームは、相補的にスイッチング制御される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る。図1に示すように、インバータ1は、この直列回路を3相分備えて構成され、本実施形態では、6つのスイッチング素子10を備えて構成される。尚、図示は省略しているが、各スイッチング素子10には、並列にフリーホイールダイオードが備えられている。
The motor control device includes an inverter 1 that uses a power switching element (power switching element) such as an insulated gate bipolar transistor (IGBT) or a power MOSFET (metal oxide semiconductor field effect transistor) to convert direct current into three-phase alternating current. Has been. Of course, the inverter 1 can also be configured using power switching elements having various structures such as a bipolar type. In the present embodiment, the inverter 1 is interposed between the
スイッチング素子10には、高圧直流電源としての高圧バッテリ2Hから直流電圧が印加され、U相、V相、W相の3相交流に変換される。モータ90が自動車の動力用モータである場合、スイッチング素子10には数百ボルトの直流電圧が入力され、スイッチング素子10からは、3相のモータ駆動電流が出力される。これらのモータ駆動電流は、モータ90のU相、V相、W相のステータコイルに供給される。
A DC voltage is applied to the switching
モータ制御装置には、インバータ1の電源電圧(正極P−負極N;200〜400[V])よりも遥かに低電圧で動作する制御回路30(インバータ制御装置)が備えられている。制御回路30へは、低圧直流電源としての低圧バッテリ2L(正極B−グラウンド;12〜24[V])から、レギュレータ回路などにより構成された電源回路(制御回路駆動電源6)を介して電力が供給される。制御回路30は、マイクロコンピュータやDSP(digital signal processor)などを中核部品として構成される。マイクロコンピュータやDSPなどの動作電圧は、一般的に3.3[V]や5[V]である。従って、制御回路駆動電源6は、低圧バッテリ2Lから供給される、例えば12[V]前後の電源電圧から、3.3[V]や5[V]の動作電圧を生成する。
The motor control device includes a control circuit 30 (inverter control device) that operates at a voltage much lower than the power supply voltage of the inverter 1 (positive electrode P-negative electrode N; 200 to 400 [V]). The
制御回路30は、車両の運行を制御する不図示のECU(electronic control unit)などからCAN(controller area network)などの通信によって取得する指令に従って、モータ90を制御する。また、制御回路30は、モータ90の挙動を検出する電流センサ91や回転センサ92からの検出信号を受け取り、モータ90の動作状態に応じたフィードバック制御を実行する。制御回路30は、モータ90を制御するためにインバータ1のスイッチング素子10を駆動する駆動信号(スイッチング制御信号)を生成する。スイッチング素子10がIGBTやFETである場合、これらの制御端子はゲート端子であるので、本実施形態では制御端子に入力される駆動信号をゲート駆動信号(スイッチング制御信号)と称する。
The
上述したように、インバータ1は高圧バッテリ2Hに接続され、高電圧で動作する高電圧回路である。一方、制御回路30は低電圧で動作する低電圧回路である。高電圧回路と低電圧回路とは、所定の絶縁距離だけ離間して配置され、ゲート駆動信号は、絶縁部品ISを介して、制御回路30からインバータ1に伝達される。絶縁部品ISは、例えば、フォトカプラである。フォトカプラは、入力側に発光ダイオード、出力側にフォトダイオード又はフォトトランジスタを備え、入力側から出力側へ光によってワイヤレス伝送する公知の絶縁部品である。尚、絶縁部品ISとして、信号伝送用の小型トランスを用いることも好適である。
As described above, the inverter 1 is a high voltage circuit that is connected to the
また、本実施形態のような高電圧回路に属するインバータ1を構成するパワースイッチング素子の制御端子(例えばゲート端子)には、一般的に12〜18[V]程度の振幅を有する駆動信号(ゲート駆動信号)を与える必要がある。一方、上述したように、ゲート駆動信号を生成する制御回路30の動作電圧は、12[V]未満であるから、必要な振幅を有するゲート駆動信号をインバータ1に提供することができない。このため、各スイッチング素子10に対するゲート駆動信号(スイッチング制御信号)の駆動能力(例えば電圧振幅や出力電流など、後段の回路を動作させる能力)をそれぞれ高めて中継するゲート駆動回路20(制御信号駆動回路)が備えられている。
In addition, a drive signal (gate) generally having an amplitude of about 12 to 18 [V] is applied to the control terminal (for example, gate terminal) of the power switching element constituting the inverter 1 belonging to the high voltage circuit as in the present embodiment. Drive signal). On the other hand, as described above, since the operating voltage of the
例えば、低電圧回路に属する制御回路30において生成されたゲート駆動信号は、絶縁部品ISであるフォトカプラの入力端子に接続される。フォトカプラの出力端子は、高電圧回路に属するゲート駆動回路20のドライバICに接続される。フォトカプラによって、低電圧回路と高電圧回路との絶縁が保たれた状態で、制御回路30からゲート駆動回路20へゲート駆動信号が伝送される。そして、ゲート駆動回路20のドライバICによりゲート駆動信号の駆動能力が高められ、高電圧回路50に属するインバータ1のスイッチング素子10が駆動制御される。
For example, the gate drive signal generated in the
モータ制御装置には、これらのゲート駆動回路20にそれぞれ電力を供給する駆動回路用電源(4,5)が備えられている。駆動回路用電源(4,5)は、フォトカプラと同様に絶縁部品であるトランスにより構成されている(図2、図3等参照)。トランスは、一次側コイルと二次側コイルとの間を電磁結合して信号やエネルギーを伝送する公知の絶縁部品である。従って、駆動回路用電源(4,5)の電力源が、高圧バッテリ2H及び低圧バッテリ2Lの何れであっても、低電圧回路と高電圧回路との絶縁を保って、ゲート駆動回路20などへ電力を供給することができる。本実施形態では、駆動回路用電源(4,5)として、上段側スイッチング素子にゲート駆動信号を中継するゲート駆動回路20に電力を供給する上段側ゲート駆動電源4(上段側駆動回路用電源)、及び、下段側スイッチング素子にゲート駆動信号を中継するゲート駆動回路20に電力を供給する下段側ゲート駆動電源5(下段側駆動回路用電源)が備えられている形態を例示している。
The motor control device includes drive circuit power supplies (4, 5) for supplying power to the
本実施形態では、さらに、高圧バッテリ2Hを電力源として構成され、制御回路30に電力を供給可能なバックアップ電源3が備えられている。例えば、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。この際、低圧バッテリ2Lと制御回路30との間の配線に断線が生じると、制御回路30はインバータ1を制御することができなくなる。ハイブリッド自動車や電気自動車では、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1と高圧バッテリ2Hとの電気的接続が切り離される場合がある。この際、図1に示すように、インバータ1に備えられた平滑コンデンサ11に蓄積された電力や、慣性力により回転するモータ90により生成される電力を早急に消費或いは放電させる必要がある。このため、インバータ1の上段側スイッチング素子をオフ状態に制御し、下段側スイッチング素子をオン状態に制御するアクティブショート制御が実行される場合がある。しかし、制御回路30への電力供給が滞ると、そのようなアクティブショート制御が実行できなくなる。
In the present embodiment, a
本実施形態では、そのような場合においても、制御回路30への電力供給を維持できるように、バックアップ電源3が備えられている。さらに、バックアップ電源3から制御回路30へ電力を供給するように電力供給経路を切り替える電源切替スイッチ7も備えられている。電源切替スイッチ7は、通常時には、制御回路駆動電源6から制御回路30へ電力を供給するように電力供給経路を設定している。一方、低圧バッテリ2Lから制御回路30へ供給される電力が予め規定された基準値以下となった低圧電源低下状態では、電力供給経路を切り替え、バックアップ電源3から制御回路30へ電力を供給するように電力供給経路を設定する。低圧電源低下状態であるか否かの判定は、切替制御回路71によって行われる。従って、切替制御回路71も含めて電源切替スイッチ7として機能するということができる。
In this embodiment, the
尚、低圧電源低下状態であるか否かを判定するための基準値は、例えば、制御回路駆動電源6を構成するレギュレータ回路の電気的特性に応じて、3〜8[V]程度に設定されていると好適である。また、低圧電源低下状態であるか否かの判定を行う対象部位は、1つの態様として、低圧バッテリ2Lの端子間電圧や、制御回路駆動電源6の入力側端子間電圧であると好適である。即ち、制御回路30が動作するため必要な電力を、制御回路駆動電源6が出力できなくなる前に、低圧電源低下状態であることが判定され、電源供給経路が切り替えられると、制御回路30が途切れることなく動作を継続することができる。
The reference value for determining whether or not the low-voltage power supply is in a lowered state is set to about 3 to 8 [V] according to the electrical characteristics of the regulator circuit that constitutes the control circuit
このように、バックアップ電源3を備え、低圧電源低下状態において電力供給経路が切り替えられるように構成されていると、制御回路駆動電源6と制御回路30との間(電源切替スイッチ7の出力側と制御回路30との間)に設けられて、制御回路30の電源電圧を安定化させるコンデンサ66の静電容量を抑制することができる。バックアップ電源3がない場合には、制御回路30への電力源の電圧が低下した際に、制御回路30の電源電圧が低下することを抑制するために、比較的大容量のコンデンサ66を設けることが好ましい。しかし、バックアップ電源3を有している場合には、電力供給経路が切り替えられる際に生じる僅かな時間の電源喪失(いわゆる瞬断)に備えられればよい。従って、当該コンデンサ66の静電容量を抑制することができ、コンデンサ66を小型化、低価格化することが可能である。
As described above, when the
ところで、上述したように、アクティブショート制御に際しては、下段側スイッチング素子がオン状態に制御される。従って、制御回路30が生成した下段側スイッチング素子のゲート駆動信号は、ゲート駆動回路20を介して適正に中継される必要がある。このため、下段側スイッチング素子へのゲート駆動信号を中継するゲート駆動回路20に電力を供給する下段側ゲート駆動電源5も、低圧電源低下状態において適正に動作する必要がある。従って、本実施形態では、バックアップ電源3と同様に、下段側ゲート駆動電源5は、高圧バッテリ2Hを電力源として構成されている。
By the way, as described above, in the active short control, the lower stage switching element is controlled to be in the ON state. Therefore, the gate drive signal of the lower switching element generated by the
上段側ゲート駆動電源4は、アクティブショート制御の際には、非動作状態であってよい。一般的には、インバータ1を構成するスイッチング素子は、ゲート駆動信号などの制御信号がアクティブではないときにはオフ状態となる素子(ノーマリオフスイッチング素子)であるから、対応するゲート駆動回路20も動作しなくてよい。従って、本実施形態では、上段側ゲート駆動電源4は、低圧バッテリ2Lを電力源として構成されている。200〜400[V]と非常に高圧の高圧バッテリ2Hから、20[V]程度の駆動回路用電源(4,5)を生成すると損失が大きくなる。12〜24[V]程度の低圧バッテリ2Lから駆動回路用電源(4,5)を生成する方が、効率が良いため、本実施形態では、上段側ゲート駆動電源4が、低圧バッテリ2Lを電力源として構成される形態を例示している。
The upper gate
上述したように、本実施形態においては、高圧バッテリ2Hを電力源として、バックアップ電源3と、下段側ゲート駆動電源5とが生成されている。図2は、高圧バッテリ2Hを電力源とし、トランスを用いて構成された電源回路(50)を例示している。電源回路(50)は、一次側コイルに印加される電圧を制御するスイッチング素子(51(M1))と、このスイッチング素子(51)を制御する電源制御回路S5(S)とを有して構成されている。ここでは、電源回路(50)として、フライバック型の構成を例示している。トランスへの一次電圧が、安定化されている場合、二次側の出力電圧を一次側にフィードバックすることなく、トランスの変圧比によって二次側の出力電圧が決定される。即ち、トランスの変圧比によって、例えば3.3〜5[V]程度の出力電圧を有するバックアップ電源3と、例えば15〜20[V]程度の出力電圧を有する下段側ゲート駆動電源5とが構成されている。
As described above, in the present embodiment, the
尚、図1に示すインバータ1の下段側スイッチング素子のエミッタ側は全て負極Nに接続されている。従って、下段側スイッチング素子は負極側(グラウンド側)が共通であり、下段側ゲート駆動電源5も負極側(グラウンド側)を共通とする電源とすることができる。このため、図1及び図2に示したように、1組のトランスによって3つの下段側のゲート駆動回路20の全てに電力を供給するゲート駆動電源(5)が形成されている。上述したように、電源電圧が200〜400[V]と非常に高圧の高圧バッテリ2Hから、電源電圧が20[V]程度の駆動回路用電源(4,5)を生成すると損失が大きくなる。しかし、下段側ゲート駆動電源5は、各相(各アーム)に対して各別に対応させる必要がなく、共通化できるので、そのような損失を抑制することができる。
Note that the emitter side of the lower switching element of the inverter 1 shown in FIG. Accordingly, the lower switching element has a common negative electrode side (ground side), and the lower gate
上段側ゲート駆動電源4は、図1に示すように、上段側スイッチング素子のエミッタ側がそれぞれモータ90のステータに接続されており、それぞれ異なる電位である。従って、上段側ゲート駆動電源4は、下段側ゲート駆動電源5とは異なり、共通化することができず、各相(各アーム)に対して各別に対応させて構成される。本実施形態においては、電源電圧が12〜24[V]の低圧バッテリ2Lを電力源として、電源電圧が20[V]程度の上段側ゲート駆動電源4が構成されるので、損失を抑制することができる。
As shown in FIG. 1, the upper side gate
図3は、低圧バッテリ2Lを電力源とし、トランスを用いて構成された電源回路(上段側ゲート駆動電源4)を例示している。上段側ゲート駆動電源4は、一次側コイルに印加される電圧を制御する2つのスイッチング素子(41(M1),42(M2))と、これらのスイッチング素子(41,42)を制御する電源制御回路S4(S)とを有して構成されている。ここでは、上段側ゲート駆動電源4として、プッシュプル型の構成を例示している。トランスへの一次電圧が、安定化されている場合、二次側の出力電圧を一次側にフィードバックすることなく、トランスの変圧比によって二次側の出力電圧が決定される。即ち、トランスの変圧比によって、例えば15〜20[V]程度の出力電圧を有する上段側ゲート駆動電源4が構成されている。
FIG. 3 illustrates a power supply circuit (upper stage gate drive power supply 4) configured using a transformer with the low-
以上、説明したように、本発明によれば、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ことができる。 As described above, according to the present invention, it is possible to smoothly control the inverter even when the power source of the control circuit of the inverter is lost while suppressing an increase in the device scale.
〔その他の実施形態〕
以下、本発明のその他の実施形態について説明する。尚、以下に説明する各実施形態の構成は、それぞれ単独で適用されるものに限られず、矛盾が生じない限り、他の実施形態の構成と組み合わせて適用することも可能である。
[Other Embodiments]
Hereinafter, other embodiments of the present invention will be described. Note that the configuration of each embodiment described below is not limited to being applied independently, and can be applied in combination with the configuration of other embodiments as long as no contradiction arises.
(1)上記説明においては、上段側ゲート駆動電源4は、アクティブショート制御の際には、非動作状態であってよいので、上段側ゲート駆動電源4が、低圧バッテリ2Lを電力源として構成されている例を示した。しかし、上段側ゲート駆動電源4も、高圧バッテリ2Hを用いて構成されていてもよい。上段側ゲート駆動電源4及び下段側ゲート駆動電源5の双方の電力源が高圧バッテリ2Hとなることで、バックアップ電源3により動作を継続する制御回路30は、全てのスイッチング素子10をスイッチング制御することができ、アクティブショート制御に限らずに、多様なフェールセーフ制御を行うことができる。
(1) In the above description, the upper gate
尚、フェールセーフ制御の種類によっては、上段側スイッチング素子をスイッチングし、下段側スイッチング素子はオフ状態とする場合もある。このような制御を行う場合には、上段側ゲート駆動電源4の電力源を高圧バッテリ2Hとし、下段側ゲート駆動電源5の電力源を低圧バッテリ2Lとする構成も好適である。即ち、上段側ゲート駆動電源4、及び、下段側ゲート駆動電源5、の少なくとも一方が高圧バッテリ2Hを電力源として構成されている形態も好適である。
Depending on the type of fail-safe control, the upper switching element may be switched and the lower switching element may be turned off. When such control is performed, a configuration in which the power source of the upper gate
(2)上記説明では、ゲート駆動回路20及びゲート駆動電源(3,4)が備えられている形態を例示した。しかし、絶縁部品ISの高圧回路側においてスイッチング素子10に必要な信号振幅が確保されれば、ゲート駆動回路20及びゲート駆動電源(3,4)を備えていなくてもよい。
(2) In the above description, a mode in which the
本発明は、交流の回転電機を駆動制御する回転電機制御装置に利用することができる。 The present invention can be used in a rotating electrical machine control device that drives and controls an AC rotating electrical machine.
1 :インバータ
2H :高圧バッテリ(高圧直流電源)
2L :低圧バッテリ(低圧直流電源)
3 :バックアップ電源
4 :上段側ゲート駆動電源(上段側駆動回路用電源)
5 :下段側ゲート駆動電源(下段側駆動回路用電源)
6 :制御回路駆動電源
7 :電源切替スイッチ
10 :スイッチング素子
20 :ゲート駆動回路(制御信号駆動回路)
30 :制御回路(インバータ制御装置)
66 :コンデンサ
90 :モータ(回転電機)
1:
2L: Low voltage battery (low voltage DC power supply)
3: Backup power supply 4: Upper gate drive power supply (power supply for upper drive circuit)
5: Lower-stage gate drive power supply (lower-stage drive circuit power supply)
6: Control circuit drive power supply 7: Power supply changeover switch 10: Switching element 20: Gate drive circuit (control signal drive circuit)
30: Control circuit (inverter controller)
66: Capacitor 90: Motor (rotary electric machine)
Claims (2)
高圧直流電源と前記回転電機との間に介在され、直流と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スイッチング制御するインバータ制御装置と、
前記高圧直流電源を電力源として構成され、前記インバータ制御装置に電力を供給可能なバックアップ電源と、
前記低圧直流電源から前記インバータ制御装置へ供給される電力が予め規定された基準値以下となった低圧電源低下状態では、前記バックアップ電源から前記インバータ制御装置へ電力を供給するように電力供給経路を切り替える電源切替スイッチと、を備え、
前記インバータを構成する交流1相分のアームは、相補的にスイッチング制御される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るものであり、
前記インバータ制御装置により生成され、各スイッチング素子を制御するスイッチング制御信号を中継する制御信号駆動回路と、
前記制御信号駆動回路のそれぞれに電力を供給する駆動回路用電源と、を備え、
前記駆動回路用電源の内、前記上段側スイッチング素子に前記スイッチング制御信号を中継する前記制御信号駆動回路に電力を供給する上段側駆動回路用電源は、前記低圧直流電源を電力源として構成され、前記下段側スイッチング素子に前記スイッチング制御信号を中継する前記制御信号駆動回路に電力を供給する下段側駆動回路用電源は、前記高圧直流電源を電力源として構成されている回転電機制御装置。 A rotating electrical machine control device for driving and controlling an AC rotating electrical machine,
An inverter that is interposed between the high-voltage DC power supply and the rotating electrical machine and performs power conversion between DC and AC;
An inverter control device that is a power source having a voltage lower than that of the high-voltage DC power source, operates with power supplied from a low-voltage DC power source that is insulated from the high-voltage DC power source, and controls switching of the switching elements of the inverter;
The high-voltage DC power supply is configured as a power source, and a backup power supply capable of supplying power to the inverter control device;
In a low-voltage power supply lowered state in which the power supplied from the low-voltage DC power source to the inverter control device is equal to or lower than a predetermined reference value, a power supply path is provided so as to supply power from the backup power source to the inverter control device. A power switch for switching ,
The arm for one phase of AC constituting the inverter is constituted by a series circuit of an upper stage side switching element and a lower stage side switching element that are complementarily switched and controlled.
A control signal drive circuit that relays a switching control signal that is generated by the inverter control device and controls each switching element;
A drive circuit power supply for supplying power to each of the control signal drive circuits,
Among the drive circuit power supplies, the upper drive circuit power supply that supplies power to the control signal drive circuit that relays the switching control signal to the upper switch element is configured with the low-voltage DC power supply as a power source, The rotating electrical machine control apparatus , wherein the lower-stage driving circuit power supply that supplies power to the control signal driving circuit that relays the switching control signal to the lower-stage switching element is configured using the high-voltage DC power supply as a power source .
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