JP6690567B2 - スイッチ制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、電源部とグランドとの間に直列に設けられた一対のスイッチをオンオフさせるスイッチ制御装置に関するものである。

従来、回転電機（交流モータ）について異常の有無を判定し、異常発生時にはその異常に応じた対応処置を実施する技術が知られている。例えば特許文献１には、電力変換装置の電流と電流変化量とに応じた判定用電圧値を検出し、判定用電圧値が第１判定閾値を上回った場合に、電力変換の運転停止を指示する一方、判定用電圧値が第１判定閾値よりも大きい第２判定閾値を上回った場合に、電力変換の運転停止後において電力変換の運転再開を制限する技術が開示されている。

特開２０１６−１７８８０２号公報

ところで、インバータ等の電力変換装置では一般に、電源部とグランドとの間に直列に電流制御用の一対の半導体スイッチを接続し、その一対の半導体スイッチを互い違いにオンオフさせる構成が用いられる。かかる構成では、一対の半導体スイッチのうち一方がオン故障することに伴い一対の半導体スイッチを通じて過大な電流（貫通電流）が流れることが考えられるため、過電流が流れたと判定されると、その判定に応じてスイッチを遮断させる処置が行われる。

ここで、過電流の判定にはある程度の時間を要する。そのため、過電流が流れ始めてから過電流判定が完了するまでの間に、半導体スイッチが通常操作として遮断されることがあり得る。かかる場合、そのスイッチ遮断に伴い、大電流遮断による半導体スイッチのサージ破壊が生じることが懸念される。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、その主たる目的は、一対のスイッチを含む経路での過電流発生時において適正にスイッチ遮断を実施することができるスイッチ制御装置を提供することにある。

以下、上記課題を解決するための手段、及びその作用効果について説明する。なお以下においては、理解の容易のため、発明の実施の形態において対応する構成の符号を括弧書き等で適宜示すが、この括弧書き等で示した具体的構成に限定されるものではない。

第１の手段では、
電源部とグランドとの間に直列に設けられた一対のスイッチ（Ｓｐ，Ｓｎ，５１，５２）を、両方が同時にオンしないようにしてデューティ信号により互い違いにオンオフさせるスイッチ制御装置（２４，７０）であって、
前記デューティ信号を生成する信号生成部（２４）と、
前記一対のスイッチのうち一方のスイッチのオン故障が生じた後に他方のスイッチがオンした状態で、前記一対のスイッチに通じる経路で過電流が流れたことを判定する判定部（７１）と、
前記判定部により前記過電流が流れたと判定された場合に、前記他方のスイッチを通常の遮断速度よりも遅い速度で遮断させる遮断操作部（７２）と、
少なくとも前記判定部による過電流判定と前記遮断操作部による遮断操作開始とに要する時間が確保されるように前記デューティ信号のオン時間を制限する制限部（２４）と、
を備える。

一対のスイッチのうち一方のスイッチのオン故障が生じた後に他方のスイッチがオンすると、一対のスイッチに過大な電流（貫通電流）が流れる。また、大電流が流れている状態でスイッチを遮断すると、サージ電圧によるスイッチ破壊が懸念される。そのため、大電流が流れている状態では、通常の遮断速度よりも遅い速度でスイッチ遮断（いわゆるソフト遮断）が行われるとよい。ただし、デューティ信号によりオンオフされる各スイッチにおいて、そのオン時間が短すぎると、過電流判定とそれに伴うスイッチ遮断操作とが適正に行われず、結果として大電流遮断が行われることが懸念される。

この点、上記構成では、少なくとも判定部による過電流判定と遮断操作部による遮断操作開始とに要する時間が確保されるようにデューティ信号のオン時間が制限されるようになっている。これにより、一方のスイッチがオン故障した場合において、過電流を適正に判定するとともに、その過電流が流れている状態でのスイッチ遮断（ソフト遮断）を適正に実施することができる。その結果、一対のスイッチを含む経路での過電流発生時において適正にスイッチ遮断を実施し、ひいてはスイッチの保護を図ることができる。

第２の手段では、巻線界磁型の回転電機（２１）の界磁巻線（２６）を通電させる界磁回路（２３）を有する回転電機ユニット（１６）に適用され、前記界磁回路は、前記一対のスイッチとして電源部側の第１界磁スイッチ（５１）とグランド側の第２界磁スイッチ（５２）とを有しており、前記判定部は、前記第１界磁スイッチ及び前記第２界磁スイッチを通じて前記過電流が流れたことを判定し、前記制限部は、前記第１界磁スイッチをオンオフする前記デューティ信号についてデューティ上限値による制限、及び当該デューティ信号についてデューティ下限値による制限の少なくともいずれかを実施する。

巻線界磁型回転電機の界磁回路では、界磁電流制御において第１界磁スイッチ及び第２界磁スイッチが互い違いにオンオフされる。この場合、第１界磁スイッチ用のデューティ信号についてデューティ上限値による制限を実施することにより、第１界磁スイッチのオン故障に起因して過電流が流れることを想定した上で、第２界磁スイッチのオン期間内において過電流判定とスイッチ遮断操作とを適正に実施できる。又は、第１界磁スイッチ用のデューティ信号についてデューティ下限値による制限を実施することにより、第２界磁スイッチのオン故障に起因して過電流が流れることを想定した上で、第１界磁スイッチのオン期間内において過電流判定とスイッチ遮断操作とを適正に実施できる。

なお、第１界磁スイッチ及び第２界磁スイッチが互い違いにオンオフされる構成からすると、第１界磁スイッチ用のデューティ信号についてデューティ上限値による制限を実施することは、第２界磁スイッチ用のデューティ信号についてデューティ下限値による制限を実施することと同意である。また同様に、第１界磁スイッチ用のデューティ信号についてデューティ下限値による制限を実施することは、第２界磁スイッチ用のデューティ信号についてデューティ上限値による制限を実施することと同意である。なお、デューティ上限値は、デューティ比１００％よりも小さい値、デューティ下限値はデューティ比０％よりも大きい値である。これらは後述の手段３についても同様である。

第３の手段では、３相の電機子巻線群を有する回転電機（２１）と、前記回転電機の各相の電機子巻線（２５）を相ごとに通電させるインバータ回路（２２）を有する回転電機ユニット（１６）に適用され、前記インバータ回路は、前記一対のスイッチとして相ごとに上アームスイッチ（Ｓｐ）と下アームスイッチ（Ｓｎ）とを有しており、前記判定部は、前記上アームスイッチ及び前記下アームスイッチを通じて前記過電流が流れたことを判定し、前記制限部は、前記上アームスイッチをオンオフする前記デューティ信号についてデューティ上限値による制限、及び当該デューティ信号についてデューティ下限値による制限の少なくともいずれかを実施する。

回転電機のインバータ回路では、各相の通電電流制御において上アームスイッチ及び下アームスイッチが互い違いにオンオフされる。この場合、上アームスイッチ用のデューティ信号についてデューティ上限値による制限を実施することにより、上アームスイッチのオン故障に起因して過電流が流れることを想定した上で、下アームスイッチのオン期間内において過電流判定とスイッチ遮断操作とを適正に実施できる。又は、上アームスイッチ用のデューティ信号についてデューティ下限値による制限を実施することにより、下アームスイッチのオン故障に起因して過電流が流れることを想定した上で、上アームスイッチのオン期間内において過電流判定とスイッチ遮断操作とを適正に実施できる。

第４の手段では、回転電機（２１）の電機子巻線（２５）及び界磁巻線（２６）の少なくともいずれかに繋がる通電経路に前記一対のスイッチが設けられ、その一対のスイッチのオンオフを制御するスイッチ制御装置であって、前記デューティ信号は、前記電機子巻線及び前記界磁巻線の少なくともいずれかへの通電電流の要求値に応じて算出される指令信号と、所定周波数のキャリア信号との比較に基づいて生成され、前記制限部は、前記キャリア信号の周波数に応じて定められるデューティ制限値により、前記デューティ信号のデューティ比を制限する。

回転電機では、例えば、電機子制御用のデューティ信号を生成する際に用いるキャリア信号の周波数と、界磁制御用のデューティ信号を生成する際に用いるキャリア信号の周波数とが互いに異なることが考えられる。また、電機子制御用のデューティ信号を生成する際に用いるキャリア信号の周波数を可変にすること、又は、界磁制御用のデューティ信号を生成する際に用いるキャリア信号の周波数を可変にすることが考えられる。この点を考慮し、キャリア信号の周波数に応じて定められるデューティ制限値により、デューティ信号のデューティ比を制限するとよい。これにより、過電流判定とスイッチ遮断操作との所要時間を確保しつつ、適度なオン時間の制限を実現できる。例えば、キャリア信号の周波数が大きいほどデューティ上限値を小さくする。また、キャリア信号の周波数が大きいほどデューティ下限値を大きくする。

第４の手段では、電機子巻線に繋がる通電経路、及び界磁巻線に繋がる通電経路にそれぞれ一対のスイッチが設けられ、それら各一対のスイッチのオンオフを制御するスイッチ制御装置において、電機子制御用のデューティ信号を生成する際に用いるキャリア信号の周波数と、界磁制御用のデューティ信号を生成する際に用いるキャリア信号の周波数とが相違していることが考えられる。かかる場合において、第５の手段にように、前記デューティ制限値が、前記電機子制御用のデューティ信号と、前記界磁制御用のデューティ信号とで各々異なる値として定められているとよい。

車両システムを示す電気回路図。 回転電機ユニットの電気的構成を示す回路図。 界磁回路における通電経路を示す回路図。 ドライバの構成を簡略に示す回路図。 操作信号生成の処理手順を示すフローチャート。 界磁回路における第１スイッチ及び第２スイッチのスイッチング動作を示すタイムチャート。 ２相変調手法を説明するための図。 ２相変調手法を説明するための図。 デューティ制限値を説明するための図。 ハーフブリッジ構成の界磁回路を示す回路図。

以下、実施形態を図面に基づいて説明する。本実施形態では、エンジン（内燃機関）を駆動源として走行する車両の各種機器に電力を供給する車両システムにおいて、当該システムの制御を実施する制御装置を具体化するものとしている。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一又は均等である部分には、図中、同一符号を付しており、同一符号の部分についてはその説明を援用する。

図１に示すように、車両システムは、電源部として鉛蓄電池１１とリチウムイオン蓄電池１２とを有する２電源システムである。各蓄電池１１，１２からは、スタータ１３や、各種の電気負荷１４，１５、回転電機ユニット１６への給電が可能となっている。また、各蓄電池１１，１２に対しては、回転電機ユニット１６による充電が可能となっている。本システムでは、回転電機ユニット１６及び電気負荷１４，１５のそれぞれに対して、鉛蓄電池１１及びリチウムイオン蓄電池１２が並列に接続されている。

鉛蓄電池１１は周知の汎用蓄電池である。リチウムイオン蓄電池１２は、鉛蓄電池１１に比べて、充放電における電力損失が少なく、出力密度、及びエネルギ密度の高い高密度蓄電池である。リチウムイオン蓄電池１２は、鉛蓄電池１１に比べて充放電時のエネルギ効率が高い蓄電池であることが望ましい。このリチウムイオン蓄電池１２は、それぞれ複数の単電池を有してなる組電池として構成されている。これら各蓄電池１１，１２の定格電圧はいずれも同じであり、例えば１２Ｖである。

リチウムイオン蓄電池１２は、収容ケースに収容されて基板一体の電池ユニットＵとして構成されている。電池ユニットＵは、出力端子Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３を有しており、このうち出力端子Ｐ１，Ｐ３に鉛蓄電池１１とスタータ１３と電気負荷１４とが接続され、出力端子Ｐ２に電気負荷１５と回転電機ユニット１６とが接続されている。

各電気負荷１４，１５は、各蓄電池１１，１２からの供給電力の電圧に対する要求が相違するものである。このうち電気負荷１４には、供給電力の電圧が一定又は少なくとも所定範囲内で変動するよう安定であることが要求される定電圧要求負荷が含まれる。これに対し、電気負荷１５は、定電圧要求負荷以外の一般的な電気負荷である。

定電圧要求負荷である電気負荷１４の具体例としては、ナビゲーション装置やオーディオ装置、メータ装置、エンジンＥＣＵ等の各種ＥＣＵが挙げられる。この場合、供給電力の電圧変動が抑えられることで、上記各装置において不要なリセット等が生じることが抑制され、安定動作が確保される。電気負荷１４として、電動ステアリング装置やブレーキ装置等の走行系アクチュエータが含まれていてもよい。電気負荷１５の具体例としては、シートヒータやリヤウインドウのデフロスタ用ヒータ、ヘッドライト、フロントウインドウのワイパ、空調装置の送風ファン等が挙げられる。

回転電機ユニット１６は、回転電機２１と、インバータ２２と、界磁回路２３と、回転電機２１の作動を制御する回転電機ＥＣＵ２４とを備えている。回転電機ユニット１６は、モータ機能付き発電機であり、機電一体型のＩＳＧ（Integrated Starter Generator）として構成されている。回転電機ユニット１６の詳細については後述する。

電池ユニットＵには、ユニット内電気経路として、各出力端子Ｐ１，Ｐ２を繋ぐ電気経路Ｌ１と、電気経路Ｌ１上の点Ｎ１とリチウムイオン蓄電池１２とを繋ぐ電気経路Ｌ２とが設けられている。このうち電気経路Ｌ１にスイッチ３１が設けられ、電気経路Ｌ２にスイッチ３２が設けられている。

また、電池ユニットＵには、スイッチ３１を迂回するバイパス経路Ｌ３が設けられている。バイパス経路Ｌ３は、出力端子Ｐ３と電気経路Ｌ１上の点Ｎ１とを接続するようにして設けられている。出力端子Ｐ３は、ヒューズ３５を介して鉛蓄電池１１に接続されている。このバイパス経路Ｌ３によって、スイッチ３１を介さずに、鉛蓄電池１１と電気負荷１５及び回転電機ユニット１６との接続が可能となっている。バイパス経路Ｌ３には、例えば常閉式の機械式リレーからなるバイパススイッチ３６が設けられている。バイパススイッチ３６をオン（閉鎖）することで、スイッチ３１がオフ（開放）されていても鉛蓄電池１１と電気負荷１５及び回転電機ユニット１６とが電気的に接続される。

電池ユニットＵは、各スイッチ３１，３２のオンオフ（開閉）を制御する電池ＥＣＵ３７を備えている。電池ＥＣＵ３７は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、入出力インターフェース等を含むマイコンにより構成されている。電池ＥＣＵ３７は、各蓄電池１１，１２の蓄電状態や、上位制御装置であるエンジンＥＣＵ４０からの指令値に基づいて、各スイッチ３１，３２のオンオフを制御する。これにより、鉛蓄電池１１とリチウムイオン蓄電池１２とを選択的に用いて充放電が実施される。例えば、電池ＥＣＵ３７は、リチウムイオン蓄電池１２のＳＯＣ（State Of Charge）を算出し、ＳＯＣが所定の使用範囲内に保持されるようにリチウムイオン蓄電池１２への充電量及び放電量を制御する。

回転電機ユニット１６の回転電機ＥＣＵ２４や、電池ユニットＵの電池ＥＣＵ３７には、各ＥＣＵ２４，３７を統括的に管理する上位制御装置としてのエンジンＥＣＵ４０が接続されている。エンジンＥＣＵ４０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、入出力インターフェース等を含むマイコンにより構成されており、都度のエンジン運転状態や車両走行状態に基づいてエンジン４２の運転を制御する。各ＥＣＵ２４，３７，４０や、その他図示しない各種の車載ＥＣＵは、ＣＡＮ等の通信ネットワークを構築する通信線４１により接続されて相互に通信可能となっており、所定周期で双方向の通信が実施される。これにより、各ＥＣＵ２４，３７，４０に記憶される各種データを互いに共有できるものとなっている。

次に、回転電機ユニット１６の電気的構成について図２を用いて説明する。回転電機２１は３相交流モータ（同期機）であり、３相電機子巻線２５としてＵ相、Ｖ相、Ｗ相の相巻線２５Ｕ，２５Ｖ，２５Ｗと、界磁巻線２６とを備えている。各相巻線２５Ｕ，２５Ｖ，２５Ｗが電機子巻線群に相当する。各相巻線２５Ｕ，２５Ｖ，２５Ｗは星形結線され、中性点にて互いに接続されている。回転電機２１の回転軸は、図示しないエンジン出力軸に対してベルトにより駆動連結されており、エンジン出力軸の回転によって回転電機２１の回転軸が回転する一方、回転電機２１の回転軸の回転によってエンジン出力軸が回転する。つまり、回転電機２１は、エンジン出力軸や車軸の回転により発電（回生発電）を行う発電機能と、エンジン出力軸に回転力を付与する力行機能とを備えている。例えば、アイドリングストップ制御でのエンジン再始動時や車両加速のための動力アシスト時に、回転電機２１が力行駆動される。

インバータ２２は、各相巻線２５Ｕ，２５Ｖ，２５Ｗから出力される交流電圧を直流電圧に変換して電池ユニットＵに対して出力する。また、インバータ２２は、電池ユニットＵから入力される直流電圧を交流電圧に変換して各相巻線２５Ｕ，２５Ｖ，２５Ｗへ出力する。インバータ２２は、相巻線の相数と同数の上下アームを有するブリッジ回路であり、３相全波整流回路を構成している。インバータ２２は、回転電機２１に供給される電力を調節することで回転電機２１を駆動する駆動回路を構成している。

インバータ２２は、相ごとに上アームスイッチＳｐ及び下アームスイッチＳｎを備えており、各相のスイッチＳｐ，Ｓｎが互い違いにオンオフされることにより、相ごとに時系列の通電が行われる。本実施形態では、各スイッチＳｐ，Ｓｎとして、電圧制御形の半導体スイッチング素子を用いており、具体的には、ＮチャネルＭＯＳＦＥＴを用いている。上アームスイッチＳｐには、上アームダイオードＤｐが逆並列に接続され、下アームスイッチＳｎには、下アームダイオードＤｎが逆並列に接続されている。すなわち、各ダイオードＤｐ，Ｄｎは、カソードを電源側、アノードをグランド側とする向きでそれぞれ設けられている。本実施形態では、各ダイオードＤｐ，Ｄｎとして、各スイッチＳｐ，Ｓｎの寄生ダイオードを用いている。なお、各ダイオードＤｐ，Ｄｎとしては、寄生ダイオードに限らず、例えば各スイッチＳｐ，Ｓｎとは別部品のダイオードであってもよい。各相におけるスイッチＳｐ，Ｓｎの直列接続体の中間点は、各相巻線２５Ｕ，２５Ｖ，２５Ｗの一端にそれぞれ接続されている。

インバータ２２には、相ごとの電流経路に、各相電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗを検出する電流検出部２９が設けられている。電流検出部２９は、例えばシャント抵抗やカレントトランスを備える構成を有する。

界磁回路２３は、複数のスイッチング素子のオンオフに応じて界磁巻線２６を通電させるものである。界磁回路２３は、１つの遮断スイッチ５０と、４つの界磁スイッチ５１，５２，５３，５４とを有してなり、界磁スイッチ５１〜５４によりＨブリッジ整流回路が構成されている。各スイッチ５０〜５４の基本構成はインバータ２２の各スイッチと同じであり、各々において半導体スイッチング素子にはダイオードＤｉが逆並列に接続されている。

界磁回路２３では、界磁スイッチ５１，５２が電源部（図２では電池ユニットＵ）とグランドとの間に直列接続されるとともに、界磁スイッチ５３，５４が、電源部とグランドとの間に直列接続されている。そして、界磁スイッチ５１，５３のハイサイドどうし、界磁スイッチ５１，５２及び界磁スイッチ５３，５４の中間点どうし、界磁スイッチ５２，５４のローサイドどうしがそれぞれ電気的に接続されることで、各界磁スイッチ５１〜５４がＨブリッジ状に接続されている。この場合、界磁スイッチ５３は界磁スイッチ５１に並列に設けられ、界磁スイッチ５４は界磁スイッチ５２に並列に設けられている。なお以下においては、説明の便宜上、界磁スイッチ５１〜５４を、それぞれ第１スイッチ５１、第２スイッチ５２、第３スイッチ５３、第４スイッチ５４とも称する。

界磁巻線２６は、界磁スイッチ５１，５２の中間点と界磁スイッチ５３，５４の中間点とを繋ぐ経路部分に設けられている。第２スイッチ５２を基準にして言えば、界磁巻線２６は、第２スイッチ５２の両端に接続され第２スイッチ５２と並列となる並列経路部に設けられている。界磁巻線２６の両端のうち一方は界磁スイッチ５１，５２の中間点であるＦ＋端子に接続され、他方は界磁スイッチ５３，５４の中間点であるＦ−端子に接続されている。Ｆ＋端子が電源側端子（ハイサイド端子）であり、Ｆ−端子がグランド側端子（ローサイド端子）である。なお、界磁巻線２６は、図示しないブラシを介してＦ＋端子、Ｆ−端子にそれぞれ接続されている。

遮断スイッチ５０は、電源部と第１スイッチ５１との間、より詳しくは、電池ユニットＵに繋がる母線と第１スイッチ５１及び第３スイッチ５３の分岐点との間に設けられている。遮断スイッチ５０のオンオフにより、界磁回路２３に対する電力供給と電力遮断とが切り替えられる。

界磁回路２３により界磁巻線２６の通電を行う際には、以下のように各スイッチ５０〜５４がオンオフされる。図３には界磁回路２３における通電経路を示す。回転電機２１の作動に伴う界磁巻線２６の通電時には、遮断スイッチ５０が常時オン（オン固定）されるとともに、第３スイッチ５３が常時オフ（オフ固定）、第４スイッチ５４が常時オン（オン固定）とされる。そして、その状態下で第１スイッチ５１及び第２スイッチ５２が相反する期間でオンオフされる。この場合、第１スイッチ５１がオン、第２スイッチ５２がオフとなる状態では、図３に破線で示すように、遮断スイッチ５０→第１スイッチ５１→界磁巻線２６→第４スイッチ５４→グランドの順となる経路Ｙ１で電流が流れる。また、その後、第１スイッチ５１がオフ、第２スイッチ５２がオンとなる状態では、図３に二点鎖線で示すように、界磁巻線２６→第４スイッチ５４→第２スイッチ５２→界磁巻線２６の順となる還流経路Ｙ２で電流（還流電流）が流れる。

ここで、第４スイッチ５４の両端の電気経路のうちグランド側には、界磁巻線２６を流れる界磁電流Ｉｆを検出する界磁電流検出部５５が設けられている。また、第２スイッチ５２の両端の電気経路のうちグランド側には、第１スイッチ５１がオフ、第２スイッチ５２がオンとなる状態で流れる還流電流Ｉｒを検出する還流電流検出部５６が設けられている。なお、電源側からグランドに流れる向きを正とすると、界磁電流Ｉｆは正の電流として検出され、還流電流Ｉｒは負の電流として検出される。電流検出部５５，５６は、例えばシャント抵抗やカレントトランスを備える構成を有する。

図２に戻り、インバータ２２の高圧側経路には、インバータ２２の入出力の電圧（すなわち電源電圧）を検出する電圧センサ４５が設けられている。この電圧センサ４５を含め各センサの検出信号は回転電機ＥＣＵ２４に適宜入力される。

インバータ２２及び界磁回路２３を構成する各スイッチは、ドライバ２７を介してそれぞれ独立にオン／オフ駆動が切り替えられる。

回転電機ＥＣＵ２４は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、入出力インターフェース等を含むマイコンにより構成されている。回転電機ＥＣＵ２４は、その内部の図示しないＩＣレギュレータにより、界磁巻線２６に流す励磁電流を調整する。これにより、回転電機ユニット１６の発電電圧（電池ユニットＵに対する出力電圧）が制御される。また、回転電機ＥＣＵ２４は、通電位相に応じて各相のスイッチＳｐ，Ｓｎのオンオフを制御するとともに、各相の通電時にオンオフ比率（例えばデューティ比）を調整することで通電電流を制御する。ここで、回転電機ＥＣＵ２４は、車両の走行開始後にインバータ２２を制御して回転電機２１を駆動させて、エンジンの駆動力をアシストする。回転電機２１は、エンジン始動時にクランク軸に初期回転を付与することが可能であり、エンジン始動装置としての機能も有している。

回転電機ＥＣＵ２４によるインバータ２２の通電電流制御について補足する。回転電機ＥＣＵ２４は、上位制御装置であるエンジンＥＣＵ４０からの力行トルク指令値や発電電圧指令値に基づいて通電電流指令値を算出するとともに、その通電電流指令値と実際の通電電流（電流検出部２９の電流検出値）との偏差に基づいて、相ごとに通電電流制御のためのデューティ信号として操作信号を生成する。具体的には、通電電流指令値と電流検出値との偏差に基づいて相ごとに指令電圧を算出するとともに、その指令電圧とキャリア信号（例えば三角波信号）との大小比較に基づくＰＷＭ処理によって操作信号（ＰＷＭ信号）を生成する。本実施形態では、３相変調により操作信号を生成するが、３次高調波重畳パターンを用いたパルス幅変調を実施することも可能である。そして、回転電機ＥＣＵ２４は、各相の操作信号により、相ごとに上アームスイッチＳｐ及び下アームスイッチＳｎを各々オンオフさせる。これにより、回転電機２１の各相電流がフィードバック制御される。

なお、回転電機２１の力行時及び発電時においては、所定回転速度以下となる回転域で上記のＰＷＭ制御が実施されるとよい。この場合、所定回転速度を超える回転域では、例えば矩形波制御（目標電圧のゼロクロス点でオンオフ操作される制御）が実施されるとよい。

回転電機ＥＣＵ２４による界磁電流制御について補足する。回転電機ＥＣＵ２４は、エンジンＥＣＵ４０からの力行トルク指令値や発電電圧指令値に基づいて、界磁電流指令値を算出するとともに、その界磁電流指令値と実際の界磁電流（界磁電流検出部５５の電流検出値）との偏差に基づいて、界磁電流制御のためのデューティ信号として操作信号を生成する。具体的には、界磁電流指令値と電流検出値との偏差に基づいて指令電圧を算出するとともに、その指令電圧とキャリア信号との大小比較に基づくＰＷＭ処理によって操作信号（ＰＷＭ信号）を生成する。そして、回転電機ＥＣＵ２４は、操作信号により、第１スイッチ５１及び第２スイッチ５２を各々オンオフさせる。これにより、界磁電流がフィードバック制御される。

ここで、ドライバ２７の構成を図４を用いて説明する。ドライバ２７は、インバータ２２の各スイッチＳｐ，Ｓｎや界磁回路２３の各スイッチ５１〜５４を構成するスイッチング素子のゲート端子（導通制御端子）に対して充電及び放電を行い、そのスイッチング素子をオン状態及びオフ状態で切り替える駆動装置である。なおここでは、スイッチＳｐを例にドライバ２７の構成を説明する。

ドライバ２７は、充電用回路として、電源６１に接続された抵抗６２及び充電用スイッチ６３を有しており、充電用スイッチ６３がオンすることで、スイッチＳｐのゲートに一定の電流が流れ、スイッチＳｐのゲート充電が行われる。これにより、スイッチＳｐがオン状態となる。

また、ドライバ２７は、放電用回路として２系統の放電部を有しており、一方は、操作信号による通常遮断用の第１放電部６４、他方は、ソフト遮断用の第２放電部６５となっている。第１放電部６４は、第１放電用抵抗６６及び第１放電用スイッチ６７を有し、第２放電部６５は、第２放電用抵抗６８及び第２放電用スイッチ６９を有している。第１放電用抵抗６６と第２放電用抵抗６８とは抵抗値が相違しており、第１放電用抵抗６６の抵抗値Ｒ１と第２放電用抵抗６８の抵抗値Ｒ２とはＲ１＜Ｒ２の関係となっている。これら放電用抵抗６６，６８は放電速度（遮断速度）を調整する抵抗であり、Ｒ１＜Ｒ２の関係からして、第１放電用スイッチ６７を介してゲート放電を行う場合よりも、第２放電用スイッチ６９を介してゲート放電を行う場合の方が放電速度が遅くなるものとなっている。

つまり、スイッチＳｐをオフ（遮断）する際には、第１放電用スイッチ６７と第２放電用スイッチ６９とが択一的にオンされるようになっており、第１放電用スイッチ６７がオンされることで通常遮断が行われ、第２放電用スイッチ６９がオンされることで、通常遮断よりも遮断速度を遅くしたソフト遮断が行われる。なお、充電用スイッチ６３及び第１放電用スイッチ６７のオンオフは、回転電機ＥＣＵ２４からの操作信号に基づいて行われる。

ところで、インバータ２２では、相ごとに、直列接続体である一対のスイッチとして上アームスイッチＳｐ及び下アームスイッチＳｎが設けられており、界磁回路２３では、直列接続体である一対のスイッチとして第１スイッチ５１及び第２スイッチ５２が設けられている。そして、これら各一対のスイッチは、操作信号により互い違いにオンオフされる。かかる場合において、一対のスイッチのうち一方のスイッチのオン故障が生じた後に他方のスイッチがオンすると、一対のスイッチに過大な電流（貫通電流）が流れる。また、過電流対策としてスイッチ遮断が行われるが、大電流が流れている状態でスイッチを遮断すると、サージ電圧によるスイッチ破壊が懸念される。そのため、大電流が流れている状態では、ソフト遮断によりスイッチがオフ操作される。ただし、操作信号のオン時間が短すぎると、過電流判定とそれに伴うスイッチ遮断操作とが適正に行われず、結果として大電流遮断が行われることが懸念される。

そこで本実施形態では、少なくとも過電流判定と遮断操作開始とに要する時間が確保されるように操作信号のオン時間が制限されるようになっている。これにより、一方のスイッチがオン故障した場合において、過電流が適正に判定されるとともに、その過電流が流れている状態でのスイッチ遮断（ソフト遮断）が適正に実施される。

図２の構成においては、回転電機ユニット１６に、一対のスイッチに通じる経路で過電流が流れたことを判定する判定部７１と、判定部７１により過電流が流れたと判定された場合に、他方のスイッチについてソフト遮断を行わせる遮断操作部７２とが設けられている。判定部７１は例えば比較器を用いて構成される。判定部７１及び遮断操作部７２は、例えば専用ＩＣ回路であるＡＳＩＣ７０により実現される。本実施形態では、回転電機ＥＣＵ２４とＡＳＩＣ７０とにより「スイッチ制御装置」が構成されている。

インバータ２２の上アームスイッチＳｐ及び下アームスイッチＳｎについて言えば、判定部７１は、電流検出部２９により検出した電流検出値を入力し、その電流検出値が所定の閾値を上回ることに基づいて、過電流が流れたと判定する。遮断操作部７２は、判定部７１の判定結果に基づいて、ドライバ２７におけるソフト遮断用の第２放電部６５に対して第２放電用スイッチ６９をオンする旨の指令信号を出力する。これにより、上アームスイッチＳｐ及び下アームスイッチＳｎのうちオン故障が生じていない側のスイッチについてソフト遮断が実施される。

また、界磁回路２３の第１スイッチ５１及び第２スイッチ５２について言えば、判定部７１は、還流電流検出部５６により検出した電流検出値を入力し、その電流検出値が所定の閾値を上回ることに基づいて、過電流が流れたと判定する。遮断操作部７２は、判定部７１の判定結果に基づいて、ドライバ２７におけるソフト遮断用の第２放電部６５に対して第２放電用スイッチ６９をオンする旨の指令信号を出力する。これにより、第１スイッチ５１及び第２スイッチ５２のうちオン故障が生じていない側のスイッチについてソフト遮断が実施される。

ここで、例えば界磁回路２３において、第１スイッチ５１及び第２スイッチ５２のうち第１スイッチ５１で生じるオン故障を想定すると、過電流判定及びソフト遮断を適正に行うには、第２スイッチ５２におけるオン時間として必要最小限の時間を確保する必要がある。そのため、第１スイッチ５１の操作信号に対してデューティ比の上限ガードを実施する。この上限ガードは、デューティ比が１００％よりも小さいデューティ上限値により行われる。この上限ガードにより、第２スイッチ５２の操作信号が０％よりも大きいデューティ比の信号となる。また、第２スイッチ５２で生じるオン故障を想定すると、過電流判定及びソフト遮断を適正に行うには、第１スイッチ５１におけるオン時間として必要最小限の時間を確保する必要がある。そのため、第１スイッチ５１の操作信号に対してデューティ比の下限ガードを実施する。この下限ガードは、デューティ比が０％よりも大きいデューティ下限値により行われる。この下限ガードにより、第２スイッチ５２の操作信号が１００％よりも小さいデューティ比の信号となる。

図５は、回転電機ＥＣＵ２４により実施される操作信号生成の処理手順を示すフローチャートであり、本処理は所定周期で繰り返し実施される。ここでは、界磁電流制御のための操作信号を例にして説明する。

図５において、ステップＳ１１では、力行トルク指令値や発電電圧指令値に基づいて、ＰＷＭ処理によりＰＷＭ信号を生成する。続くステップＳ１２では、第１スイッチ５１及び第２スイッチ５２のうち第１スイッチ５１のＰＷＭデューティ比が所定の上限値を超えているか否かを判定する。上限値は例えば９５％である。そして、ステップＳ１２が肯定されると、ステップＳ１３に進み、第１スイッチ５１のＰＷＭデューティ比を所定の上限値で制限する（デューティ比＝上限値とする）。

また、ステップＳ１４では、第１スイッチ５１及び第２スイッチ５２のうち第１スイッチ５１のＰＷＭデューティ比が所定の下限値未満であるか否かを判定する。下限値は例えば５％である。そして、ステップＳ１４が肯定されると、ステップＳ１５に進み、第１スイッチ５１のＰＷＭデューティ比を所定の下限値で制限する（デューティ比＝下限値とする）。その後、ステップＳ１６では、上記のごとく制限が実施されたＰＷＭデューティ比、又は制限が実施されていないＰＷＭデューティ比に基づいて操作信号を生成し、出力する。

なお、第１スイッチ５１及び第２スイッチ５２が互い違いにオンオフされる構成からすると、第１スイッチ用の操作信号についてデューティ上限値による制限を実施することは、第２スイッチ用の操作信号についてデューティ下限値による制限を実施することと同意である。また同様に、第１スイッチ用の操作信号についてデューティ下限値による制限を実施することは、第２スイッチ用の操作信号についてデューティ上限値による制限を実施することと同意である。

上記図５の処理では、第１スイッチ５１のオン故障を想定してデューティ比の上限ガードを実施するとともに、第２スイッチ５２のオン故障を想定してデューティ比の下限ガードを実施する構成としたが、これらのいずれか一方のみを想定した構成であってもよい。図５の処理を用い、インバータ２２の各スイッチＳｐ，Ｓｎについて適用することも可能である。この場合、上アームスイッチＳｐのＰＷＭデューティ比が所定の上限値を超えていれば、そのデューティ比を所定の上限値で制限する。また、上アームスイッチＳｐのＰＷＭデューティ比が所定の下限値未満であれば、そのデューティ比を所定の下限値で制限する。

図６は、界磁回路２３における第１スイッチ５１及び第２スイッチ５２のスイッチング動作を示すタイムチャートである。第１スイッチ用の第１操作信号と、第２スイッチ用の第２操作信号とは、互い違いにオンオフされ、かつ所定のデッドタイムを有するものとなっている。なお、キャリア信号は例えば１ｋＨｚであり、キャリア信号により決定されるＰＷＭ周期は１ｍｓｅｃである。

図６において、第１操作信号のオン期間Ｔ１では第１スイッチ５１がオンされ、第２操作信号のオン期間Ｔ２では第２スイッチ５２がオンされる。なお、図６には、還流電流検出部５６により検出される電流の推移を示しており、当該電流は、第１スイッチ５１がオフされる期間において負の電流として検出される。そして、例えばタイミングｔａで第１スイッチ５１のオン故障が生じると、その後に第２スイッチ５２がオンすることに伴い、両スイッチ５１，５２を通じて過大な電流（貫通電流）が流れ始める。このとき、判定部７１において過電流判定が実施される。なお、過電流が流れたと判定されるには例えば１０μｓｅｃ程度の時間を要する。

判定部７１において過電流が流れたと判定されると、その判定結果に基づいて、遮断操作部７２において第１スイッチ５１及び第２スイッチ５２のいずれかについてソフト遮断が行われる。このとき、第１スイッチ５１のオン故障を想定して第１操作信号のデューティ比の上限ガードが実施されている、逆に言えば、第２操作信号のデューティ比の下限ガードが実施されていることで、第２スイッチ５２のオン期間において過電流判定とスイッチ遮断操作とが適正に行われる。このとき、第２スイッチ５２のオン時間として、例えば少なくとも２０μｓｅｃの時間が確保されているとよい。

インバータ２２において、２相変調を用いた通電電流制御を実施してもよい。具体的には、回転電機ＥＣＵ２４は、各相の上アームスイッチＳｐ及び下アームスイッチＳｎの操作状態を１相ずつ所定周期ごとに順次固定するとともに、その固定された相以外の２相を構成する上アームスイッチＳｐ及び下アームスイッチＳｎをＰＷＭ処理によりオンオフ操作する。

より具体的には、図７に示すように、回転電機２１の電気角１２０°ごとに、１相ずつ上アームスイッチＳｐのオフ操作固定及び下アームスイッチＳｎのオン操作固定が順次行われるように各相の指令信号（各相の通電電流指令値と回転電機２１の電気角速度に応じて算出されるフィードフォワード操作量）が設定される。そして、この指令信号に基づいて、相ごとに操作信号が生成される。なお、相間電圧が正弦波となるように操作状態を固定する２相の指令信号が設定されるとよい。この場合、キャリア信号の最大値が「１」、最小値が「０」になることを前提として、オフ操作固定される上アームスイッチＳｐの指令信号が下限値に固定され、オン操作固定される下アームスイッチＳｎの指令信号が上限値に固定される。

又は、図８に示すように、回転電機２１の電気角１２０°ごとに、１相ずつ上アームスイッチＳｐのオン操作固定及び下アームスイッチＳｎのオフ操作固定が順次行われるように各相の指令信号が設定される。そして、この指令信号に基づいて、相ごとに操作信号が生成される。この場合、オン操作固定される上アームスイッチＳｐの指令信号が上限値に固定され、オン操作固定される下アームスイッチＳｎの指令信号が上限値に固定される。

上記のような２相変調が行われる構成においても、上述のとおりデューティ比の制限を行うことで、上アームスイッチＳｐがオン故障した場合、又は下アームスイッチＳｎがオン故障した場合において、過電流判定とスイッチ遮断とが好適に実施される。

以上詳述した本実施形態によれば、以下の優れた効果が得られる。

回転電機２１における一対のスイッチをオンオフさせる操作信号のオン時間を、少なくとも判定部７１による過電流判定と遮断操作部７２による遮断操作開始とに要する時間が確保されるように制限する構成とした。これにより、一対のスイッチのうち一方のスイッチがオン故障した場合において、過電流を適正に判定するとともに、その過電流が流れている状態でのスイッチ遮断（ソフト遮断）を適正に実施することができる。その結果、一対のスイッチを含む経路での過電流発生時において適正にスイッチ遮断を実施し、ひいてはスイッチの保護を図ることができる。

界磁回路２３でのスイッチ制御で言えば、第１スイッチ５１用の操作信号についてデューティ上限値による制限を実施することにより、第１スイッチ５１のオン故障に起因して過電流が流れることを想定した上で、第２スイッチ５２のオン期間内において過電流判定とスイッチ遮断操作とを適正に実施できる。又は、第１スイッチ５１用の操作信号についてデューティ下限値による制限を実施することにより、第２スイッチ５２のオン故障に起因して過電流が流れることを想定した上で、第１スイッチ５１のオン期間内において過電流判定とスイッチ遮断操作とを適正に実施できる。

また、インバータ２２でのスイッチ制御で言えば、上アームスイッチＳｐ用の操作信号についてデューティ上限値による制限を実施することにより、上アームスイッチＳｐのオン故障に起因して過電流が流れることを想定した上で、下アームスイッチＳｎのオン期間内において過電流判定とスイッチ遮断操作とを適正に実施できる。又は、上アームスイッチＳｐ用の操作信号についてデューティ下限値による制限を実施することにより、下アームスイッチＳｎのオン故障に起因して過電流が流れることを想定した上で、上アームスイッチＳｐのオン期間内において過電流判定とスイッチ遮断操作とを適正に実施できる。

（他の実施形態）
上記実施形態を例えば次のように変更してもよい。

・回転電機２１では、例えば、電機子巻線２５のオンオフ制御に用いる操作信号の生成に用いるキャリア信号の周波数ｆ１と、界磁巻線２６のオンオフ制御に用いる操作信号の生成に用いるキャリア信号の周波数ｆ２とが互いに異なることが考えられる。例えば、ｆ１＞ｆ２になること、又はｆ１＜ｆ２になることが考えられる。また、電機子制御用の操作信号の生成に用いるキャリア信号の周波数ｆ１を可変にすること、又は、界磁制御用の操作信号の生成に用いるキャリア信号の周波数ｆ２を可変にすることが考えられる。この点を考慮し、キャリア信号の周波数に応じてデューティ制限値を定め、そのデューティ制限値により操作信号のデューティ比を制限するとよい。例えば、キャリア信号の周波数が大きいほどデューティ上限値を小さくする。また、キャリア信号の周波数が大きいほどデューティ下限値を大きくする。

図９には、電機子制御用（インバータ制御用）の操作信号の生成に用いるキャリア信号の周波数ｆ１と、界磁制御用の操作信号の生成に用いるキャリア信号の周波数ｆ２とがｆ１＞ｆ２の関係である場合においてデューティ制限値の違いを示す。この場合、電機子制御と界磁制御とで比べて、デューティ制限値が相違している。詳しくは、高周波数側の電機子制御では、低周波数側の界磁制御に比べて、デューティ上限値が小さく、デューティ下限値が大きいものとなっている。

上記構成によれば、過電流判定とスイッチ遮断操作との所要時間を確保しつつ、適度なオン時間の制限を実現できる。

・上記実施形態では、界磁回路２３をＨブリッジ回路にて構成したが、これに代えて、界磁回路２３をハーフブリッジ回路にて構成してもよい。図１０に、ハーフブリッジ回路構成の界磁回路２３を示す。図１０の界磁回路２３では、電源部とグランドとの間に第１スイッチ５１と第２スイッチ５２とが直列接続され、第２スイッチ５２と並列となる並列経路部に界磁巻線２６が設けられている。本構成においても、上記のとおり操作信号（デューティ信号）のデューティ比が制限されるとよい。

・上記実施形態では、回転電機２１として３相交流モータへの適用例を説明したが、これを変更してもよい。例えば３相の電機子巻線群を２組有する６相交流モータへの適用も可能である。要は、３相の電機子巻線群をｎ組（ｎは１以上）有する交流モータへの適用が可能である。

・上記実施形態では、発電動作と力行動作とを行う回転電機について説明したが、発電動作及び力行動作のいずれかのみを行う回転電機にも適用することができる。

・本発明が適用される電源システムを、車両以外の用途、例えば船舶、航空機、ロボット等の用途に用いることも可能である。

・上記の各構成要素は概念的なものであり、上記実施形態に限定されない。例えば、一つの構成要素が有する機能を複数の構成要素に分散して実現したり、複数の構成要素が有する機能を一つの構成要素で実現したりしてもよい。

２４…回転電機ＥＣＵ、５１…第１スイッチ、５２…第２スイッチ、７１…判定部、７２…遮断操作部。

Claims (3)

1. 回転電機（２１）の電機子巻線（２５）に繋がる通電経路、及び界磁巻線（２６）に繋がる通電経路において、それぞれ電源部とグランドとの間に一対のスイッチ（Ｓｐ，Ｓｎ，５１，５２）が直列に設けられ、それら各一対のスイッチを、両方が同時にオンしないようにしてデューティ信号により互い違いにオンオフさせるスイッチ制御装置（２４，７０）であって、
   前記デューティ信号として、前記電機子巻線及び前記界磁巻線への各通電電流の要求値に応じて算出される指令信号と所定周波数のキャリア信号との比較に基づいて、電機子制御用のデューティ信号と界磁制御用のデューティ信号とを生成する信号生成部（２４）と、
   前記一対のスイッチのうち一方のスイッチのオン故障が生じた後に他方のスイッチがオンした状態で、前記一対のスイッチに通じる経路で過電流が流れたことを判定する判定部（７１）と、
   前記判定部により前記過電流が流れたと判定された場合に、前記他方のスイッチを通常の遮断速度よりも遅い速度で遮断させる遮断操作部（７２）と、
   少なくとも前記判定部による過電流判定と前記遮断操作部による遮断操作開始とに要する時間が確保されるように前記デューティ信号のオン時間を制限する制限部（２４）と、を備え、
   前記制限部は、前記キャリア信号の周波数に応じて定められるデューティ制限値により、前記デューティ信号のデューティ比を制限するものであり、
   電機子制御用のデューティ信号を生成する際に用いる前記キャリア信号の周波数と、界磁制御用のデューティ信号を生成する際に用いる前記キャリア信号の周波数とが相違しており、前記デューティ制限値が、前記電機子制御用のデューティ信号と、前記界磁制御用のデューティ信号とで各々異なる値として定められているスイッチ制御装置。
2. 前記界磁巻線を通電させる界磁回路（２３）を有する回転電機ユニット（１６）に適用され、前記界磁回路は、前記一対のスイッチとして電源部側の第１界磁スイッチ（５１）とグランド側の第２界磁スイッチ（５２）とを有しており、
   前記判定部は、前記第１界磁スイッチ及び前記第２界磁スイッチを通じて前記過電流が流れたことを判定し、
   前記制限部は、前記デューティ制限値によるデューティ比の制限として、前記第１界磁スイッチをオンオフする前記デューティ信号についてデューティ上限値による制限、及び当該デューティ信号についてデューティ下限値による制限の少なくともいずれかを実施する請求項１に記載のスイッチ制御装置。
3. 前記電機子巻線を相ごとに通電させるインバータ回路（２２）を有する回転電機ユニット（１６）に適用され、前記インバータ回路は、前記一対のスイッチとして相ごとに上アームスイッチ（Ｓｐ）と下アームスイッチ（Ｓｎ）とを有しており、
   前記判定部は、前記上アームスイッチ及び前記下アームスイッチを通じて前記過電流が流れたことを判定し、
   前記制限部は、前記デューティ制限値によるデューティ比の制限として、前記上アームスイッチをオンオフする前記デューティ信号についてデューティ上限値による制限、及び当該デューティ信号についてデューティ下限値による制限の少なくともいずれかを実施する請求項１又は２に記載のスイッチ制御装置。

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