JP6390535B2 - 電力変換制御装置 - Google Patents

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Description

本発明は、コンバータから出力された直流電圧をインバータで交流電圧に変換する電力変換システムに用いられる電力変換制御装置に関する。
従来、複数の半導体スイッチング素子で構成されるインバータにおいて、スイッチング素子のスイッチングスピードを可変制御する技術が知られている。一般にスイッチングスピードを遅くするほどスイッチング動作に伴うサージ電圧を低減し、素子の耐圧破壊を防止することができる。一方、損失低減のためにはスイッチングスピードを速くする方が良い。そこで、状況に応じてスイッチングスピードを好ましく変更することが求められる。
例えば特許文献１に開示されたインバータ装置は、ゲート駆動回路に印加される直流電源の電圧がある閾値に達したときにスイッチングスピードを変更する構成を備えている。
また、特許文献２に開示された電力変換装置は、ゲート制御回路のＥＣＵで、入力電圧に基づいてスイッチングスピードを変更する構成を備えている。
特許第３０５２７９２号公報 特開２０１４−１１８１７号公報
特許文献１の装置は、コントローラ（制御ＥＣＵ）からゲート駆動回路に対しスイッチングスピード変更を指令しているわけではない。したがって、コントローラは、スイッチングスピードの情報を知ることができない。
一方、特許文献２の装置では、ＥＣＵ側でスイッチングスピードを変更する。しかし、特許文献２の装置は、あくまで、入力電圧の結果に基づきスイッチングスピードを変更する構成にすぎない。すなわち、「入力電圧を変更する指令に対してスイッチングスピードをどのようなタイミングで変更するか」という点については言及されていない。
タイミングを考慮せずにスイッチングスピードを変更すると、スピード変更回路の動作遅れ等により、「入力電圧が高く、且つ、スイッチングスピードが速い状態」が発生する可能性がある。すると、スイッチング素子の破壊につながる可能性がある。
本発明はこのような点に鑑みて創作されたものであり、その目的は、スイッチング素子の耐圧破壊の防止や損失低減の要求に応じて、スイッチスピードを適切に変更可能な電力変換制御装置を提供することにある。
本発明の電力変換制御装置は、コンバータから出力された直流電圧をインバータで交流電圧に変換する電力変換システムに用いられ、コンバータ及びインバータの駆動を制御する。
この電力変換制御装置は、コンバータを駆動するコンバータ駆動回路、インバータ駆動回路、及び制御ＥＣＵを備える。
インバータ駆動回路は、インバータを構成する複数のインバータスイッチング素子を、スイッチングスピードを変更可能にスイッチング動作させる。ここで、スイッチングスピードを変更する手段としては、複数のゲート抵抗又はゲート電圧を切り替える方式や定電流駆動方式等の構成を用いることができる。
制御ＥＣＵは、「コンバータが出力しインバータに入力される入力電圧（Ｖｓｙｓ）についての入力電圧指令（Ｖｓｙｓ*）を変更する入力電圧変更指令」をコンバータ駆動回路に出力する。また、制御ＥＣＵは、「複数のインバータスイッチング素子に対する駆動指令」、及び、「複数のインバータスイッチング素子のスイッチングスピードを変更するスイッチングスピード変更指令」をインバータ駆動回路に出力する。
本発明では、制御ＥＣＵが入力電圧変更指令とスイッチングスピード変更指令との両方を出力するため、各指令の出力タイミング等を適切に調整することができる。よって、スイッチング素子の耐圧破壊の防止を優先するか、損失低減を優先するかに応じて、スイッチスピードを適切に変更可能である。
本発明の第一の態様では、制御ＥＣＵは、入力電圧変更指令とスイッチングスピード変更指令との出力順序、及び、出力タイミングの時間差を調整調節することを特徴とする。
例えば、素子耐圧破壊の防止を優先する観点から、制御ＥＣＵは、入力電圧指令を昇圧させるように変更するとき、スイッチングスピードを遅くするスイッチングスピード変更指令を出力した後、入力電圧変更指令を出力することが好ましい。これにより、サージ電圧が低減してから入力電圧が昇圧するため、素子の破壊を適切に防止することができる。
好ましくは、制御ＥＣＵは、スイッチングスピードを遅くするスイッチングスピード変更指令を出力した後、所定の昇圧待機時間後に入力電圧変更指令を出力する。
また、制御ＥＣＵは、入力電圧指令を降圧させるように変更するとき、入力電圧変更指令を出力した後、スイッチングスピードを速くするスイッチングスピード変更指令を出力することが好ましい。これにより、入力電圧が降圧してからサージ電圧が増加するため、素子の破壊を適切に防止することができる。
好ましくは、制御ＥＣＵは、入力電圧変更指令を出力した後、所定の増速待機時間後にスイッチングスピードを速くするスイッチングスピード変更指令を出力する。
本発明の第二の態様では、入力電圧が上昇又は下降し所定の閾値に達した時、制御ＥＣＵがスイッチングスピード変更指令を出力する構成において、制御ＥＣＵは、所定の閾値、又は、入力電圧の昇降圧速度を可変に設定することを特徴とする。この態様でも、スイッチング素子の耐圧破壊の防止を優先するか、損失低減を優先するかに応じて、スイッチスピードを適切に変更可能である。
加えて、インバータ駆動回路は、スイッチングスピードの変更が完了したことを制御ＥＣＵに通知する。これにより、インバータ駆動回路におけるスイッチングスピード変更機能の故障有無を制御ＥＣＵが把握することができ、システム全体の信頼性を向上させることが可能となる。
本発明の第１〜第４実施形態による電力変換制御装置が適用される電力変換システムの概略構成図。 図１の電力変換制御装置のインバータ駆動回路の構成図。 本発明の着眼点を説明する図。 第１実施形態の入力電圧指令／ＳＷスピード変更指令のタイムチャート。 第１実施形態により（ａ）昇圧指令、（ｂ）降圧指令を出力する場合のフローチャート。 第２実施形態の入力電圧指令／ＳＷスピード変更指令のタイムチャート。 第３実施形態の入力電圧指令／ＳＷスピード変更指令のタイムチャート。 第２、第３実施形態により昇圧指令を出力する場合のフローチャート。 第２、第３実施形態により降圧指令を出力する場合のフローチャート。 第４実施形態の入力電圧指令／ＳＷスピード変更指令のタイムチャート。 本発明の第５実施形態による電力変換制御装置が適用される電力変換システムの概略構成図。 比較例の入力電圧指令／ＳＷスピード変更指令のタイムチャート。
以下、本発明の複数の実施形態を図面に基づいて説明する。複数の実施形態において実質的に同一の構成、又は、フローチャートの実質的に同一のステップには、同一の符号又はステップ番号を付して説明を省略する。
各実施形態の電力変換制御装置は、例えば、ハイブリッド自動車や電気自動車の動力源であるモータジェネレータを駆動する電力変換システムに適用される。以下、「本実施形態」とは、第１〜第５実施形態を包括していう。
最初に、第１〜第４実施形態による電力変換制御装置が適用される電力変換システムの全体構成を図１に示す。電力変換システム９０は、バッテリ１５の直流電圧を昇圧するコンバータ２０、及び、コンバータ２０が昇圧した直流電圧を交流電圧に変換し負荷に印加するインバータ３０を含む。本実施形態におけるインバータ３０の負荷は、モータジェネレータ８０（図中「ＭＧ」と記載）である。
本明細書では、コンバータ２０による昇圧後の電圧、すなわち、コンバータ２０の出力電圧を、インバータ３０の視点から「インバータ３０に入力される入力電圧Ｖｓｙｓ」という。「Ｖｓｙｓ」は、システム電圧の意味でもある。
バッテリ１５は、ニッケル水素電池、リチウムイオン電池等の充放電可能な二次電池である。なお、電池に代えて、電気二重層キャパシタ等を直流電源として用いてもよい。
コンバータ２０は、力行動作時にバッテリ１５から入力されるバッテリ電圧Ｖｂａｔｔを入力電圧Ｖｓｙｓに昇圧する、いわゆる「昇圧コンバータ」である。ただし、本明細書では、主に、入力電圧Ｖｓｙｓを低圧側から高圧側に変更する意味で「昇圧」を用い、入力電圧Ｖｓｙｓを高圧側から低圧側に変更する意味で「降圧」を用いる。そのため、バッテリ電圧Ｖｂａｔｔと入力電圧Ｖｓｙｓとの大小を表現した「昇圧コンバータ」の用語は紛らわしいことから、単に「コンバータ」ということにする。
コンバータ２０及びインバータ３０は、複数の半導体スイッチング素子を含み、それぞれの駆動回路５０、６０から指令される駆動指令によって各スイッチング素子がスイッチング動作することにより駆動される。本実施形態のスイッチング素子は、例えばＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）で構成され、低電位側から高電位側へ向かう電流を許容する還流ダイオードが並列に接続されている。
以下、スイッチング素子を「ＳＷ素子」と記し、スイッチング素子の動作スピードであるスイッチングスピードを「ＳＷスピード」と記す。また、コンバータ２０及びインバータ３０に用いられるＳＷ素子を区別するため、「コンバータＳＷ素子」、「インバータＳＷ素子」という。ただし、それらの仕様や特性が異なることを意味するものではない。
コンバータ２０は、高電位側（上アーム）及び低電位側（下アーム）のコンバータＳＷ素子２３、２４の動作により、リアクトル２２の電気エネルギーの蓄積、放出を繰り返すことによって、バッテリ電圧Ｖｂａｔｔを昇圧する。
上アームのコンバータＳＷ素子２３がＯＦＦで下アームのコンバータＳＷ素子２４がＯＮのとき、リアクトル２２にリアクトル電流ＩＬが流れることにより、エネルギーが蓄積される。
上アームのコンバータＳＷ素子２３がＯＮで下アームのコンバータＳＷ素子２４がＯＦＦのとき、リアクトル２２に蓄積されたエネルギーが放出されることにより、バッテリ電圧Ｖｂａｔｔに誘起電圧が重畳された昇圧電圧（＝入力電圧Ｖｓｙｓ）が平滑コンデンサ２５に充電される。
コンバータ２０の入力部に設けられるフィルタコンデンサ２１は、バッテリ１５からの電源ノイズを除去する。
インバータ３０は、上下アームの６つのインバータＳＷ素子３１〜３６がブリッジ接続されている。詳しくは、インバータＳＷ素子３１、３２、３３は、それぞれＵ相、Ｖ相、Ｗ相の上アームのＳＷ素子であり、インバータＳＷ素子３４、３５、３６は、それぞれＵ相、Ｖ相、Ｗ相の下アームのＳＷ素子である。インバータ３０は、ＰＷＭ制御や位相制御等によって各相のインバータＳＷ素子３１〜３６が駆動され、直流電力を三相交流電力に変換してモータジェネレータ８０に供給する。
モータジェネレータ８０は、例えば永久磁石式同期型の三相交流電動機である。モータジェネレータ８０は、駆動輪を駆動するトルクを発生する電動機としての機能、及び、エンジンや駆動輪から伝達されるトルクを発電によってエネルギー回収する発電機としての機能を兼ね備える。
モータジェネレータ８０のステータには、Ｕ相巻線８１、Ｖ相巻線８２、Ｗ相巻線８３が巻回されている。例えばＶ相巻線８２及びＷ相巻線８３に設けられた電流センサ８６、８７は、相電流Ｉｖ、Ｉｗを検出する。また、回転角センサ８５は、ロータの電気角θを検出する。
電力変換制御装置７０１は、制御ＥＣＵ４０、コンバータ駆動回路５０及びインバータ駆動回路６０を含む。制御ＥＣＵ４０は低電圧で動作する領域に設けられる。一方、コンバータ駆動回路５０及びインバータ駆動回路６０は、高電圧が印加されるパワー部２００に設けられる。
制御ＥＣＵ４０は、マイコン等により構成され、内部にはいずれも図示しないＣＰＵ、ＲＯＭ、Ｉ／Ｏ、及び、これらの構成を接続するバスライン等を備えている。制御ＥＣＵ４０は、予め記憶されたプログラムをＣＰＵで実行することによるソフトウェア処理や、専用の電子回路によるハードウェア処理による制御を実行する。
制御ＥＣＵ４０には、図示しない車両制御回路からのトルク指令ｔｒｑ*、電流センサ８６、８７が検出した相電流Ｉｖ、Ｉｗ、回転角センサ８５が検出した回転角θが入力される。また、制御ＥＣＵ４０には、バッテリ電圧センサ７１が検出したバッテリ電圧Ｖｂａｔｔ、及び、入力電圧センサ７２が検出した入力電圧Ｖｓｙｓの情報が入力される。制御ＥＣＵ４０は、これらの情報に基づいて、コンバータ２０及びインバータ３０を駆動するための各種制御演算を行い、コンバータ駆動回路５０及びインバータ駆動回路６０に出力する。
制御ＥＣＵ４０からコンバータ駆動回路５０に対しては、入力電圧Ｖｓｙｓについての入力電圧指令Ｖｓｙｓ*が出力される。典型的には、入力電圧指令Ｖｓｙｓ*は、上下アームのコンバータＳＷ素子２３、２４に対する目標ｄｕｔｙとして出力される。
入力電圧指令Ｖｓｙｓ*は、時々刻々変化する要求トルク等のパラメータに応じて、インバータ３０の駆動に必要な電力を確保するように随時更新される。本実施形態では、ある瞬間の静的な入力電圧指令Ｖｓｙｓ*そのものよりも、入力電圧指令Ｖｓｙｓ*を変更する指令に注目する。そして、制御ＥＣＵ４０からコンバータ駆動回路５０に対し、入力電圧指令Ｖｓｙｓ*を変更する「入力電圧変更指令」が出力されると考える。入力電圧変更指令の概念には、変更前と変更後との入力電圧指令Ｖｓｙｓ*が含まれる。
コンバータ駆動回路５０は、常時、制御ＥＣＵ４０からの入力電圧指令Ｖｓｙｓ*に基づき、上アームのコンバータＳＷ素子２３を操作する駆動信号ＣＵ、及び、下アームのコンバータＳＷ素子２４を操作する駆動信号ＣＬを生成する。そして、駆動信号ＣＵ、ＣＬをコンバータＳＷ素子２３、２４のゲートに出力し、コンバータ２０を駆動する。
また、コンバータ駆動回路５０は、入力電圧変更指令を受信したとき、すなわち、入力電圧指令Ｖｓｙｓ*が変更されたとき、それに応じて駆動信号ＣＵ、ＣＬを変更する。
制御ＥＣＵ４０からインバータ駆動回路６０に対しては、基本的にインバータＳＷ素子３１〜３６を動作させるための駆動指令が出力される。典型的には、電圧指令をキャリアと比較して得られたＰＷＭパルス信号が駆動指令として出力される。
また、後述の通り、インバータ駆動回路６０は、各インバータＳＷ素子３１〜３６のＳＷスピードを変更可能な構成を備えている。このことを前提として、制御ＥＣＵ４０は、インバータ駆動回路６０に対しＳＷスピード変更指令を出力する。
インバータ駆動回路６０は、常時、制御ＥＣＵ４０からの駆動指令に基づき、駆動信号ＵＵ、ＶＵ、ＷＵ、ＵＬ、ＶＬ、ＷＬを生成し、各インバータＳＷ素子３１〜３６のゲートに出力することにより、インバータ３０を駆動する。
また、インバータ駆動回路６０は、制御ＥＣＵ４０からのＳＷスピード変更指令を受信した時、各インバータＳＷ素子３１〜３６のＳＷスピードを変更する。さらに、本実施形態では、インバータ駆動回路６０は、ＳＷスピードの変更が完了したことを示すＳＷスピード変更完了通知を制御ＥＣＵ４０に出力する。
次に、図２を参照し、インバータ駆動回路６０の詳細構成について説明する。
制御ＥＣＵ４０からの駆動指令、及びＳＷスピード変更指令は、フォトカプラ４１を経由して、パワー部２００に設けられたインバータ駆動回路６０のゲート制御回路６２に入力される。フォトカプラ４１のスイッチには、内部電源６１から電圧が供給されている。
ゲート制御回路６２は、インバータＳＷ素子３１〜３６の各ゲートに対し、動作電圧を出力する。図２では、代表として１つのインバータＳＷ素子３１を図示する。実際には、６個のインバータＳＷ素子３１〜３６に対し、同様の回路が設けられている。
インバータＳＷ素子３１〜３６のＳＷスピードを変更するＳＷスピード変更回路としては、複数のゲート抵抗又はゲート電圧を切り替える方式や定電流駆動方式等の構成を用いることができる。図２では、定電圧駆動でゲート抵抗を二段階に切り替える方式のＳＷスピード変更回路６５０を例示する。ただし、ＳＷスピードは、二段階に限らず三段階以上の多段階、又は、ステップ状でなく連続的に変化させてもよい。
ここで、対をなす上アームのインバータＳＷ素子と下アームのインバータＳＷ素子とは相補的にＯＮ／ＯＦＦする必要がある。したがって、上アームのＯＮスピードと下アームのＯＦＦスピード、上アームのＯＦＦスピードと下アームのＯＮスピードとは、基本的に同調して変更される。ただし、影響の無い範囲であれば、厳密に同じ速度に設定されなくてもよい。
ＳＷスピード変更回路６５０は、絶縁電源４９から基準電圧Ｖｏｍが印加される。
ＳＷスピード変更回路６５０のＯＮ駆動用回路は、抵抗値の異なる複数のＯＮ駆動用抵抗６７１、６７２に接続された複数のＯＮ駆動用（Ｐチャネル）ＦＥＴ６５１、６５２を有する。ゲート制御回路６２がいずれかのＯＮ駆動用ＦＥＴ６５１、６５２にゲート信号を指令することにより、インバータＳＷ素子３１〜３６のＯＮスピードが変更される。
ＳＷスピード変更回路６５０のＯＦＦ駆動用回路は、抵抗値の異なる複数のＯＦＦ駆動用抵抗６８１、６８２に接続された複数のＯＦＦ駆動用（Ｎチャネル）ＦＥＴ６６１、６６２を有する。ゲート制御回路６２がいずれかのＯＦＦ駆動用ＦＥＴ６６１、６６２にゲート信号を指令することにより、インバータＳＷ素子３１〜３６のＯＦＦスピードが変更される。
ゲート電圧監視部６３は、ＳＷスピード変更回路６５０の動作により、ゲート電圧が確かに切り替わったことを監視する。ゲート電圧が指令通りに切り替わらない場合、ゲート電圧監視部６３はフェール制御部６４にゲート電圧異常を通知する。
その他、フェール制御部６４には、インバータＳＷ素子３１〜３６に設けられた図示しないセンスセルにより検出された上下アームの短絡異常等が通知される。異常の発生時、フェール制御部６４は、ＯＦＦ保持制御、ソフト遮断制御等の異常時処理を指令する。
ゲート制御回路６２は、ＳＷスピードが正常に切り替わった場合、フォトカプラ４２を経由して、制御ＥＣＵ４０にＳＷスピード変更完了通知を出力する。一方、フェール制御部６４に異常が通知された場合、ゲート制御回路６２は、フォトカプラ４２を経由して、制御ＥＣＵ４０にフェール信号を出力する。
続いて、本実施形態の課題について説明する。
従来、状況に応じて、インバータＳＷ素子のＳＷスピードを変更する技術が知られている。一般にＳＷ素子のＯＮ／ＯＦＦ切替時には、急激な電流変化により、電流の微分値に比例するサージ電圧が発生する。このサージ電圧がＳＷ素子の耐圧を超え、ＳＷ素子が破壊することを防止するため、ＳＷスピードを遅くしてサージ電圧を抑制することが有効である。しかし、その反面、ＳＷスピードを遅くすると損失が増大する。
そこで、ＳＷ素子の耐圧破壊を防止する必要性の高い状況では、ＳＷスピードを遅くしてサージ電圧を抑制し、ＳＷ素子の耐圧破壊の可能性が低い状況では、ＳＷスピードを速くして損失を向上することが有効であると考えられる。特にハイブリッド自動車に適用される電力変換システムでは、損失の低減は、燃費の向上につながる。
本実施形態が適用される電力変換システム９０のように、コンバータ２０で昇圧された入力電圧Ｖｓｙｓがインバータ３０に入力されるシステムでは、入力電圧Ｖｓｙｓに応じて、ＳＷ素子の耐圧マージンを推定することができる。
図３に示すように、素子耐圧が例えば１２００Ｖとすると、素子耐圧マージンは、入力電圧Ｖｓｙｓが３００Ｖのとき、（１２００−３００＝）９００Ｖであり、入力電圧Ｖｓｙｓが６００Ｖのとき、（１２００−６００＝）６００Ｖである。
入力電圧Ｖｓｙｓが３００Ｖのときは素子耐圧マージンが比較的大きいため、ＳＷスピードを速くし、損失を低減することが可能である。一方、入力電圧Ｖｓｙｓが６００Ｖのときは素子耐圧マージンが比較的小さいため、ＳＷスピードを遅くし、サージ電圧を抑制する必要がある。
なお、上記の数値例は、あくまで相対的なものであり、絶対的な意味はない。
従来技術として、特許文献１（特許第３０５２７９号公報）に開示されたインバータ装置は、ゲート駆動回路に印加される直流電源の電圧がある閾値に達したときにＳＷスピードを変更する構成を備えている。しかし、この装置は、コントローラ（制御ＥＣＵ）からゲート駆動回路に対しＳＷスピード変更を指令しているわけではない。つまり、印加される直流電源の電圧によってゲート駆動回路が「成り行き」でＳＷスピードを変更しているにすぎず、コントローラは、ＳＷスピードの情報を知ることができない。
また、特許第４２２３３７９号公報に開示された装置は、直流電源がある閾値に達したときにＳＷスピードを変更する構成を備え、且つ、スナバ回路の故障予備信号を上位ＥＣＵに通知する機能を備えている（図１０、段落［０１０１］等）。しかし、特許文献１の装置と同様に、コントローラ側からＳＷスピード変更を指令しているわけではないため、コントローラは、駆動側のＳＷスピードの変化を検知することができない。また、故障信号を出力してからコントローラが制御を抑制しても手遅れの可能性がある。
また、特許第４１２０３２９号公報に開示された装置は、コレクタ−エミッタ間電圧に基づきＳＷスピードを変更する構成を備える。しかし、この構成では、ＳＷスピードを変更したことを上位ＥＣＵに通知することができない。そのため、仮にＳＷスピード変更機構が故障した場合、常にＳＷスピードが速い状態で駆動することとなり、素子が破壊するおそれがある。
上記の従来技術に対し、本実施形態の電力変換制御装置７０１は、制御ＥＣＵ４０がＳＷスピード変更指令を出力する。詳しくは、コンバータ駆動回路５０に入力電圧変更指令を出力する制御ＥＣＵ４０が、さらに、インバータ駆動回路６０にＳＷスピード変更指令を出力することを特徴とする。これにより、制御ＥＣＵ４０は、入力電圧変更指令とＳＷスピード変更指令との両方を適切に調整しつつ出力することができる。
なお、別の従来技術である特許文献２に開示された電力変換装置は、ゲート制御回路のＥＣＵで、入力電圧に基づいてＳＷスピードを変更するものである（図１４、段落［００８０］〜［００８４］等）。しかし、同じＥＣＵがコンバータに対し入力電圧指令を出力することは明示されていない。
また、特許文献２の装置は、あくまで、入力電圧の結果に基づきＳＷスピードを変更する構成にすぎない。すなわち、第１実施形態の動作として後述するように、「入力電圧変更指令に対してＳＷスピードをどのようなタイミングで変更するか」という点については言及されていない。
タイミングを考慮せずにＳＷスピードを変更すると、スピード変更回路の動作遅れ等により、「入力電圧が高く、且つ、ＳＷスピードが速い状態」が発生する可能性がある。すると、ＳＷ素子の破壊につながる可能性がある。
以下、本実施形態の電力変換制御装置７０１により、「入力電圧変更指令とＳＷスピード変更指令との両方を適切に調整する」具体的な動作を、実施形態毎に説明する。
（第１実施形態）
第１実施形態の動作について、図４のタイムチャート、及び、図５のフローチャートを参照して説明する。
まず、図４以下の各実施形態のタイムチャートに共通の記載形式について説明する。各タイムチャートには、上から順に、制御ＥＣＵ４０からコンバータ駆動回路５０への入力電圧変更指令、入力電圧Ｖｓｙｓの実値の変化、制御ＥＣＵ４０からインバータ駆動回路６０へのＳＷスピード変更指令、ＳＷスピードの実値の変化の例が記載されている。
入力電圧変更指令は、単純な例として、入力電圧指令Ｖｓｙｓ*を低圧側の３００Ｖと高圧側の６００Ｖとの二段階で変更する例を示す。実際の入力電圧指令Ｖｓｙｓ*は、もちろん、３００Ｖと６００Ｖに限定されず、また、多段階に自由に変更可能である。
以下、入力電圧指令Ｖｓｙｓ*を低圧側から高圧側（例えば３００Ｖから６００Ｖ）に変更する入力電圧変更指令を「昇圧指令」といい、入力電圧指令Ｖｓｙｓ*を高圧側から低圧側（例えば６００Ｖから３００Ｖ）に変更する入力電圧変更指令を「降圧指令」という。各タイムチャートの左側には昇圧指令を出力する場合の動作を示し、右側には降圧指令を出力する場合の動作を示す。
入力電圧変更指令の出力後、入力電圧Ｖｓｙｓの実値は、ある時間にわたって徐々に変化する。以下、入力電圧Ｖｓｙｓが昇圧するときの変化速度を「昇圧速度」といい、入力電圧Ｖｓｙｓが降圧するときの変化速度を「降圧速度」という。各タイムチャートでは、昇圧速度及び降圧速度を単純に直線で、すなわち微分値を一定として示している。実際の動作では、昇圧又は降圧の途中に微分値が変化するようにしてもよい。
また、ＳＷスピードについては、単純に低速と高速との二段階で切り替わる例を示す。
時間軸のタイミングの記号は、第１字を「ｔ」とする３文字のアルファベットで示す。第２字は、入力電圧Ｖｓｙｓの昇圧、降圧に関するタイミングをそれぞれ「ｕ」、「ｄ」で表し、ＳＷスピードの減速、増速に関するタイミングをそれぞれ「ｒ」、「ａ」で表す。
第３字は、指令を出力するタイミングを「ｃ」で表し、入力電圧Ｖｓｙｓの実値が昇圧又は降圧を完了するタイミングを「ｅ」で表す。また、ＳＷスピード変更指令を受信したインバータ駆動回路６０のＳＷスピード変更回路６５０（図２参照）が動作し、ＳＷスピードが切り替わるタイミングを「ｍ」で表す。指令タイミングｔｒｃ、ｔａｃから実際の動作タイミングｔｒｍ、ｔａｍまでの時間を「動作遅れＤＬ」と表す。
第１実施形態では、制御ＥＣＵ４０は、入力電圧変更指令とＳＷスピード変更指令との出力順序、及び出力タイミングの時間差を調整する。
入力電圧指令Ｖｓｙｓ*を昇圧させるように変更するとき、すなわち、昇圧指令を出力する場合、制御ＥＣＵ４０は、「ＳＷスピードを遅くするＳＷスピード変更指令」を出力した後、所定の昇圧待機時間Ｔα後に昇圧指令を出力する。
入力電圧指令Ｖｓｙｓ*を降圧させるように変更するとき、すなわち、降圧指令を出力する場合、制御ＥＣＵ４０は、降圧指令を出力した後、所定の増速待機時間Ｔβ後に「ＳＷスピードを速くするＳＷスピード変更指令」を出力する。
以下、図４を参照しつつ動作を詳しく説明する。初期状態では入力電圧Ｖｓｙｓは低圧（例えば３００Ｖ）であり、ＳＷスピードは高速である。また、図４の例では、ＳＷ素子の耐圧破壊の防止を優先し、「ＳＷスピードが高速の状態で、入力電圧Ｖｓｙｓが３００Ｖを少しでも超えないようにする」ことを目標としている。
昇圧指令を出力する場合、「ＳＷスピードを遅くするＳＷスピード変更指令」の出力タイミングｔｒｃから動作遅れＤＬ後のタイミングｔｒｍに、ＳＷスピードが高速から低速に切り替わる。ここで、昇圧待機時間Ｔαは、動作遅れＤＬのばらつき範囲の最大値と同等か、それよりわずかに長く設定されている。したがって、タイミングｔｒｍと同時、又は、タイミングｔｒｍの直後にタイミングｔｕｃが生じ、昇圧指令が出力される。
これにより、ＳＷスピードが確実に低速に切り替わってから入力電圧Ｖｓｙｓが昇圧を開始するため、ＳＷ素子の耐圧破壊を防止することができる。
降圧指令を出力する場合、降圧指令の出力タイミングｔｄｃから、入力電圧Ｖｓｙｓは降圧を開始する。そして、タイミングｔｄｃから増速待機時間Ｔβ後のタイミングｔａｃに、「ＳＷスピードを遅くするＳＷスピード変更指令」が出力される。タイミングｔａｃから動作遅れＤＬ後のタイミングｔａｍに、ＳＷスピードが低速から高速に切り替わる。
ここで、増速待機時間Ｔβは、ばらつき範囲における最も早いタイミングｔａｍが入力電圧Ｖｓｙｓの降圧完了タイミングｔｄｅと同時、又は、降圧完了タイミングｔｄｅよりもわずかに遅くなるように設定されている。
これにより、入力電圧Ｖｓｙｓが確実に降圧してからＳＷスピードが高速に切り替わるため、ＳＷ素子の耐圧破壊を防止することができる。
また、昇圧待機時間Ｔα及び増速待機時間Ｔβを、上述の条件を満たす最短時間に設定することにより、可及的に損失を低減することができる。ハイブリッド自動車に適用される場合、燃費が低減する。
或いは、ＳＷスピードが高速の状態で入力電圧Ｖｓｙｓが３００Ｖを超えても、所定の上限電圧（例えば３５０Ｖ）までの領域では、ＳＷ素子の耐圧に余裕がある場合がある。この場合、入力電圧Ｖｓｙｓが上限電圧に達するタイミングを基準として、昇圧待機時間Ｔα及び増速待機時間Ｔβを設定することにより、サージ電圧を抑制しつつ、損失低減を最大限に達成することができる。
続いて、第１実施形態により昇圧指令を出力する場合、及び、降圧指令を出力する場合のフローチャートを図５（ａ）、（ｂ）に示す。フローチャートの説明で記号「Ｓ」はステップを意味する。
図５（ａ）にて、システムとして昇圧指令の実施が必要と判断されると（Ｓ１１：ＹＥＳ）、制御ＥＣＵ４０は、まず、「ＳＷスピードを遅くするＳＷスピード変更指令」を出力する（Ｓ１２）。そして、ＳＷスピード変更指令を出力したタイミングｔｒｃから昇圧待機時間Ｔαをカウントし（Ｓ１３）、カウントアップのタイミングｔｕｃで昇圧指令を出力する（Ｓ１５）。
図５（ｂ）にて、システムとして降圧指令の実施が必要と判断されると（Ｓ２１：ＹＥＳ）、制御ＥＣＵ４０は、まず、降圧指令を出力する（Ｓ２５）。そして、降圧指令を出力したタイミングｔｄｃから増速待機時間Ｔβをカウントし（Ｓ２６）、カウントアップのタイミングｔａｃで、「ＳＷスピードを速くするＳＷスピード変更指令」を出力する（Ｓ２８）。
以上のように、第１実施形態の電力変換制御装置７０１は、入力電圧変更指令とＳＷスピード変更指令との出力順序、及び出力タイミングの時間差を調整する。これにより、特に「入力電圧が高く、且つ、ＳＷスピードが速い状態」の発生を確実に回避し、ＳＷ素子の耐圧破壊を防止することができる。また、昇圧待機時間Ｔα及び増速待機時間Ｔβを最短に設定することにより、サージ電圧を抑制しつつ、損失低減を最大限に達成することができる。
さらに電力変換制御装置７０１のインバータ駆動回路６０は、ＳＷスピードの変更が完了したことを制御ＥＣＵ４０に通知する。制御ＥＣＵ４０がＳＷスピード変更の結果を知ることにより、入力電圧変更指令のタイミングを制御しやすくなる。また、インバータ駆動回路６０のＳＷスピード変更回路６５０の故障有無を制御ＥＣＵ４０が把握することができるため、システム全体の信頼性を向上させることが可能となる。
（第２、第３実施形態）
第２、第３実施形態の動作について、図６〜図９を参照して説明する。第２、第３実施形態は、いずれも、入力電圧Ｖｓｙｓが上昇又は下降し所定の閾値に達した時、制御ＥＣＵ４０がＳＷスピード変更指令を出力する構成を前提とする。そして、制御ＥＣＵ４０は、サージ電圧の抑制や損失低減の要求に応じて、所定の閾値、又は、入力電圧Ｖｓｙｓの昇降圧速度を可変に設定する。
制御ＥＣＵ４０が所定の閾値を可変に設定する例を第２実施形態とし、制御ＥＣＵ４０が入力電圧Ｖｓｙｓの昇降圧速度を可変に設定する例を第３実施形態として説明する。
ここで、第２、第３実施形態による入力電圧変更指令／ＳＷスピード変更指令のタイムチャートを示す前に、従来技術に基づく比較例について、図１２を参照して説明する。
図１２に示す比較例は、特許文献１（特許第３０５２７９２号公報）の従来技術に対応するものであり、入力電圧Ｖｓｙｓに対して所定の閾値Ｖｔｈが設定されている。このタイムチャートで、入力電圧Ｖｓｙｓが昇圧時及び降圧時に閾値Ｖｔｈに到達するタイミングを、それぞれｔｕｘ、ｔｄｘと記す。なお、特許文献１に開示されたゲート駆動回路の構成では、「所定の電圧」は、昇圧側、降圧側とも同じ値になると考えられる。
また、ＳＷスピードが高速の状態においてＳＷ素子の耐圧マージンを確保可能な入力電圧Ｖｓｙｓの上限電圧をＶｌｉｍと表す。ＳＷ素子の耐圧破壊を防止するためには、少なくとも、入力電圧Ｖｓｙｓが上限電圧Ｖｌｉｍを上回る領域で、ＳＷスピードを低速にしてサージ電圧を抑制する必要がある。
入力電圧Ｖｓｙｓが昇圧時に閾値Ｖｔｈに達するタイミングｔｕｘは、同時に「ＳＷスピードを遅くするＳＷスピード変更指令」の出力タイミングｔｒｃとなる。そして、タイミングｔｒｃから動作遅れＤＬ後のタイミングｔｒｍに、ＳＷスピードが高速から低速に切り替わる。この時点では、入力電圧Ｖｓｙｓは既に上限電圧Ｖｌｉｍを上回っている。
したがって、破線ハッチングで示した領域で、「ＳＷスピードが高速、且つ、入力電圧Ｖｓｙｓが上限電圧Ｖｌｉｍを超えた状態」が生じ、ＳＷ素子が破壊するおそれがある。
入力電圧Ｖｓｙｓが降圧時に閾値Ｖｔｈに達するタイミングｔｄｘは、同時に「ＳＷスピードを速くするＳＷスピード変更指令」の出力タイミングｔａｃとなる。そして、タイミングｔａｃから動作遅れＤＬ後のタイミングｔａｍに、ＳＷスピードが低速から高速に切り替わる。この時点では、入力電圧Ｖｓｙｓが上限電圧Ｖｌｉｍを下回り、ＳＷ素子が破壊するおそれが無くなってから既に十分長い時間が経過している。
したがって、もっと早い段階でＳＷスピードを速くすれば損失をより低減可能であったにもかかわらず、その機会が失われている。ハイブリッド自動車に適用される場合、燃費が低下することとなる。
次に、第２実施形態の動作について、図６のタイムチャートを参照して説明する。第２実施形態では、制御ＥＣＵ４０は、昇圧閾値Ｖｔｈ＿ｕｐと降圧閾値Ｖｔｈ＿ｄｎとをそれぞれ可変に設定可能である。好ましくは、制御ＥＣＵ４０は、動作遅れＤＬ等の情報に基づき、比較例による同一の閾値Ｖｔｈに対し昇圧閾値Ｖｔｈ＿ｕｐを低く設定し、降圧閾値Ｖｔｈ＿ｄｎを高く設定する。
すると、入力電圧Ｖｓｙｓの昇圧時、昇圧閾値Ｖｔｈ＿ｕｐに達し、「ＳＷスピードを遅くするＳＷスピード変更指令」が出力されるタイミングｔｕｘ（＝ｔｒｃ）は、比較例に比べて早い側にシフトする。その結果、動作遅れＤＬ後にＳＷスピードが高速から低速に切り替わるタイミングｔｒｍにおける入力電圧Ｖｓｙｓは、上限電圧Ｖｌｉｍよりも低くなる。よって、ＳＷ素子の耐圧破壊を防止することができる。
また、入力電圧Ｖｓｙｓの降圧時、降圧閾値Ｖｔｈ＿ｄｎに達し、「ＳＷスピードを速くするＳＷスピード変更指令」が出力されるタイミングｔｄｘ（＝ｔａｃ）も、比較例に比べて早いタイミングにシフトする。その結果、動作遅れＤＬ後にＳＷスピードが低速から高速に切り替わるタイミングｔａｍは、入力電圧Ｖｓｙｓが上限電圧Ｖｌｉｍを下回ってから間もないタイミングとなる。よって、損失を効率良く低減することができ、ハイブリッド自動車では燃費が向上する。
次に、第３実施形態の動作について、図７のタイムチャートを参照して説明する。第３実施形態では、制御ＥＣＵ４０は、入力電圧Ｖｓｙｓの上昇勾配である昇圧速度Ｒｕｐ、及び、入力電圧Ｖｓｙｓの下降勾配である降圧速度Ｒｄｎをそれぞれ可変に設定可能である。好ましくは、制御ＥＣＵ４０は、動作遅れＤＬ等の情報に基づき、昇圧速度Ｒｕｐを相対的に遅く設定し、降圧速度Ｒｄｎを相対的に速く設定する。なお、閾値Ｖｔｈは、昇圧側、降圧側とも同一の値を用いることとする。
すると、入力電圧Ｖｓｙｓの昇圧時、閾値Ｖｔｈに達し、「ＳＷスピードを遅くするＳＷスピード変更指令」が出力されるタイミングｔｕｘ（＝ｔｒｃ）から、入力電圧Ｖｓｙｓが上限電圧Ｖｌｉｍに達するまでの時間が長くなる。その結果、動作遅れＤＬ後にＳＷスピードが高速から低速に切り替わるタイミングｔｒｍにおける入力電圧Ｖｓｙｓは、上限電圧Ｖｌｉｍよりも低くなる。よって、ＳＷ素子の耐圧破壊を防止することができる。
また、入力電圧Ｖｓｙｓの降圧時、降圧指令の出力タイミングｔｄｃから、入力電圧Ｖｓｙｓが閾値Ｖｔｈに達し、「ＳＷスピードを速くするＳＷスピード変更指令」が出力されるタイミングｔｄｘ（＝ｔａｃ）までの時間が短くなる。その結果、動作遅れＤＬ後にＳＷスピードが低速から高速に切り替わるタイミングｔａｍが早くなる。よって、損失を効率良く低減することができ、ハイブリッド自動車では燃費が向上する。
続いて、第２、第３実施形態により昇圧指令を出力する場合、及び、降圧指令を出力する場合のフローチャートを図８、図９に示す。
図８にて、システムとして昇圧指令の実施が必要と判断されると（Ｓ１１：ＹＥＳ）、制御ＥＣＵ４０は、昇圧閾値Ｖｔｈ＿ｕｐ（第２実施形態）又は昇圧速度Ｒｕｐ（第３実施形態）を設定し（Ｓ１４）、タイミングｔｕｃに昇圧指令を出力する（Ｓ１５）。入力電圧Ｖｓｙｓが上昇し、タイミングｔｕｘに昇圧閾値Ｖｔｈ＿ｕｐに到達すると（Ｓ１７：ＹＥＳ）、制御ＥＣＵ４０は、「ＳＷスピードを遅くするＳＷスピード変更指令」を出力する（Ｓ１８）。そして、ＳＷスピード変更指令の出力タイミングｔｒｃから動作遅れＤＬ後のタイミングｔｒｍに、ＳＷスピードは高速から低速に切り替わる。
なお、図８の「Ｓ１８」は図５（ａ）の「Ｓ１２」に相当するものであるが、ステップ番号が逆転することを避け、図８では別のステップ番号を付す。
図９にて、システムとして降圧指令の実施が必要と判断されると（Ｓ２１：ＹＥＳ）、制御ＥＣＵ４０は、降圧閾値Ｖｔｈ＿ｄｎ（第２実施形態）又は降圧速度Ｒｄｎ（第３実施形態）を設定し（Ｓ２４）、タイミングｔｄｃに降圧指令を出力する（Ｓ２５）。入力電圧Ｖｓｙｓが下降し、タイミングｔｄｘに降圧閾値Ｖｔｈ＿ｄｎに到達すると（Ｓ２７：ＹＥＳ）、制御ＥＣＵ４０は、「ＳＷスピードを速くするＳＷスピード変更指令」を出力する（Ｓ２８）。そして、ＳＷスピード変更指令の出力タイミングｔａｃから動作遅れＤＬ後のタイミングｔａｍに、ＳＷスピードは低速から高速に切り替わる。
以上のように第２、第３実施形態では、制御ＥＣＵ４０は、サージ電圧の抑制や損失低減の要求に応じて、昇圧閾値Ｖｔｈ＿ｕｐもしくは降圧閾値Ｖｔｈ＿ｄｎ、又は、入力電圧Ｖｓｙｓの昇圧速度Ｒｕｐもしくは降圧速度Ｒｄｎを可変に設定する。これにより、第１実施形態と同様の効果が得られる。
また、第２実施形態と第３実施形態とを組合せ、閾値及び昇降圧速度の両方を可変に設定してもよい。或いは、状況に応じて、閾値の可変設定と昇降圧速度の可変設定とを切り替えるようにしてもよい。
（第４実施形態）
第４実施形態について、図１０を参照して説明する。第４実施形態は、第１実施形態と同様に、制御ＥＣＵ４０が入力電圧変更指令とＳＷスピード変更指令との出力順序、及び、出力タイミングの時間差を調整する。ただし、指令の出力順序について、第１実施形態と逆の順序を採用する。
制御ＥＣＵ４０は、入力電圧指令Ｖｓｙｓ*を昇圧させる入力電圧変更指令を出力したタイミングｔｕｃの後、所定時間Ｔγ経過後のタイミングｔｒｃに、「ＳＷスピードを遅くするＳＷスピード変更指令」を出力する。この出力順序は、第２、第３実施形態とも同様である（図６、図７参照）。
また、制御ＥＣＵ４０は、「ＳＷスピードを速くするＳＷスピード変更指令」を出力したタイミングｔａｃの後、所定時間Ｔδ経過後のタイミングｔｄｃに、入力電圧指令Ｖｓｙｓ*を降圧させる入力電圧変更指令を出力する。
ＳＷスピードが高速から低速に切り替わるタイミングｔｒｍ、及び、低速から高速に切り替わるタイミングｔａｍにおいて、入力電圧Ｖｓｙｓは、上限電圧Ｖｌｉｍよりも低くなるように設定されている。
この第４実施形態のように、制御ＥＣＵ４０は、第１実施形態とは逆の順序で入力電圧変更指令とＳＷスピード変更指令とを出力してもよい。第４実施形態は、第１実施形態に比べ、ＳＷスピードが高速である期間をできるだけ長く確保するものであり、損失低減を優先する場合に向いている。
（第５実施形態）
図１１に示す第５実施形態の電力変換制御装置７０５では、インバータ駆動回路６０に加え、コンバータ駆動回路５０もコンバータＳＷ素子２３、２４のＳＷスピードを変更可能に設けられている。そして、制御ＥＣＵ４０は、さらにコンバータＳＷ素子２３、２４のＳＷスピードを変更するように、ＳＷスピード変更指令をコンバータ駆動回路５０に出力する。
図３に示す入力電圧Ｖｓｙｓと素子耐圧マージンとの関係は、インバータＳＷ素子３１〜３６だけでなく、コンバータＳＷ素子２３、２４に対しても同様に適用される。したがって、制御ＥＣＵ４０がＳＷスピード変更指令をコンバータ駆動回路５０及びインバータ駆動回路６０の両方に出力することにより、コンバータＳＷ素子２３、２４についても、耐圧破壊の防止、及び、損失低減の効果が同様に得られる。特に損失低減の点では、電力変換システム９０全体の損失を低減することができる。
（その他の実施形態）
本発明の特徴部以外のコンバータやインバータの具体的な構成は、上記実施形態に例示した構成に限らない。例えば、コンバータは、他のＤＣＤＣコンバータの回路トポロジーを用いるものでもよい。インバータは、三相インバータに限らず、四相以上の多相インバータでもよい。
インバータから電力を供給される負荷は、ハイブリッド自動車や電気自動車の動力源として用いられるモータジェネレータに限らず、車両の補機用や、車両以外の電車、昇降機、一般機械等に用いられる回転機であってもよい。また、回転機以外の装置を負荷としてもよい。
以上、本発明は、上記実施形態になんら限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の形態で実施可能である。
２０・・・コンバータ、
２３、２４・・・コンバータスイッチング素子、
３０・・・インバータ、
３１〜３６・・・インバータスイッチング素子、
４０・・・制御ＥＣＵ、
５０・・・コンバータ駆動回路、
６０・・・インバータ駆動回路、
７０１、７０５・・・電力変換制御装置、
８０・・・モータジェネレータ。

Claims (8)

  1. コンバータ（２０）から出力された直流電圧をインバータ（３０）で交流電圧に変換する電力変換システムに用いられ、前記コンバータ及び前記インバータの駆動を制御する電力変換制御装置であって、
    前記コンバータを駆動するコンバータ駆動回路（５０）と、
    前記インバータを構成する複数のインバータスイッチング素子（３１−３６）を、スイッチングスピードを変更可能にスイッチング動作させるインバータ駆動回路（６０）と、
    前記コンバータが出力し前記インバータに入力される入力電圧（Ｖｓｙｓ）についての入力電圧指令（Ｖｓｙｓ*）を変更する入力電圧変更指令を前記コンバータ駆動回路に出力し、且つ、前記複数のインバータスイッチング素子に対する駆動指令、及び、前記複数のインバータスイッチング素子のスイッチングスピードを変更するスイッチングスピード変更指令を前記インバータ駆動回路に出力する制御ＥＣＵ（４０）と、
    を備え、
    前記インバータ駆動回路は、前記スイッチングスピードの変更が完了したことを前記制御ＥＣＵに通知することを特徴とする電力変換制御装置。
  2. 前記制御ＥＣＵは、前記入力電圧指令を昇圧させるように変更するとき、前記スイッチングスピードを遅くするスイッチングスピード変更指令を出力した後、前記入力電圧変更指令を出力することを特徴とする請求項１に記載の電力変換制御装置。
  3. 前記制御ＥＣＵは、前記入力電圧指令を降圧させるように変更するとき、前記入力電圧変更指令を出力した後、前記スイッチングスピードを速くするスイッチングスピード変更指令を出力することを特徴とする請求項１に記載の電力変換制御装置。
  4. 前記制御ＥＣＵは、前記スイッチングスピードを遅くするスイッチングスピード変更指令を出力した後、所定の昇圧待機時間（Ｔα）後に前記入力電圧変更指令を出力することを特徴とする請求項２に記載の電力変換制御装置。
  5. 前記制御ＥＣＵは、前記入力電圧変更指令を出力した後、所定の増速待機時間（Ｔβ）後に前記スイッチングスピードを速くするスイッチングスピード変更指令を出力することを特徴とする請求項３に記載の電力変換制御装置。
  6. 前記入力電圧が上昇し所定の昇圧閾値に達した時、前記制御ＥＣＵが前記スイッチングスピードを遅くするスイッチングスピード変更指令を出力する構成において、
    前記制御ＥＣＵは、前記昇圧閾値、又は前記入力電圧の昇圧速度を可変に設定することを特徴とする請求項１に記載の電力変換制御装置。
  7. 前記入力電圧が下降し所定の降圧閾値に達した時、前記制御ＥＣＵが前記スイッチングスピードを速くするスイッチングスピード変更指令を出力する構成において、
    前記制御ＥＣＵは、前記降圧閾値、又は前記入力電圧の降圧速度を可変に設定することを特徴とする請求項１または６に記載の電力変換制御装置。
  8. 前記コンバータ駆動回路は、前記コンバータを構成する複数のコンバータスイッチング素子（２３、２４）のスイッチングスピードを変更可能に設けられており、
    前記制御ＥＣＵは、さらに前記複数のコンバータスイッチング素子のスイッチングスピードを変更するように、前記スイッチングスピード変更指令を前記コンバータ駆動回路に出力することを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の電力変換制御装置。
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