JP6782179B2 - 車両搭載のインバータの制御方法および制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、車両搭載のインバータの制御方法および制御装置に関する。

昨今、車両搭載の電源が、車両の電装品の電源としてだけではなく、一般的な家庭電化製品の電源としても使用されるようになって来ている。例えば、キャンピングカーにおける家庭電化製品の使用や、災害時に一般家庭において家庭電化製品の電源として使用することも想定される。その場合、車両のバッテリー電源などは、ＨＥＶやＥＶなどの電動車両ではＤＣ２００Ｖ以上であり、コンベンショナル車両ではＤＣ１２Ｖが一般的であるが、家庭電化製品の電源は一般的にＡＣ１００Ｖなので、ＤＣ２００Ｖ以上又はＤＣ１２ＶをＡＣ１００Ｖに変換する必要があり、インバータが使用される。更に、問題となるのが、家庭電化製品にはモータ、電源コンデンサ、ランプなどが使用されるものが多くあり、その場合、定格時の電流に比べ始動時にはモータ、コンデンサなどへの突入電流、または、ランプを予熱するための電流などのため、より大きな電流をこれらの電化製品に供給する必要がある。これらの電化製品の始動時に要求される大きな電流を供給できない場合、それらの電化製品の正しい動作が行われないなどの不具合が発生する。

一方、インバータには、インバータが過電流または過負荷破壊されることを防止するための電流リミッタが設置されており、そのリミッタ値は一般的に定格電流値に設定されていることが多い。このため、このリミッタ値が前述した突入電流などで要求される電流を抑制してしまい、電化製品が正常動作できなくなる恐れがある。そこで、特許文献１では、始動時にインバータの出力電流がリミッタ値を越えた事を断続的に検出し、その断続する期間に相応する長い期間のパルス、即ち定常状態でのインバータの出力許可を規定する基本パルスより長い期間のパルスを強制的に出力する。インバータは、その長いパルス期間の間、継続的に出力することによって始動時の電化製品の大きな電流要求に応える制御をしている。しかし、特許文献１の方法では、出力電流を検出するフィードバック制御を採用しているために、電化製品の始動時の大きな電流の要求に対する応答に大きな時間遅れが発生するという不具合を有している。

特許第３２９６２５６号公報

本発明は、車載搭載のインバータが、自身の定常時の過電流または過負荷破壊を防止できるとともに、その出力に電化製品が接続されて始動する際に、時間遅れを生じることなく迅速に、その電化製品が要求する始動時の大きな電流を供給することができる制御方法および制御装置を提供することを目的とする。

本発明の車両搭載のインバータの制御方法であって、前記インバータは、半導体スイッチング素子によって構成されており、かつ、前記半導体スイッチング素子を過電流から保護するための電流リミッタを有している、制御方法において、前記インバータのＡＣ出力に負荷が接続された時点から所定期間のみ、前記電流リミッタのリミッタ値を第１のリミッタ値から前記第１のリミッタ値より大きい第２のリミッタ値へ広げる方法によって解決される。

また、本発明の車両搭載のインバータの制御装置であって、前記インバータは、半導体スイッチング素子によって構成されており、かつ、前記半導体スイッチング素子を過電流から保護するための電流リミッタを有している、制御装置において、前記インバータのＡＣ出力に負荷が接続された時点から所定期間のみ、前記電流リミッタのリミッタ値を第１のリミッタ値から前記第１のリミッタ値より大きい第２のリミッタ値へ広げる制御装置によって解決される。

本発明によって、車載搭載のインバータが、自身の定常時の過電流または過負荷破壊を防止できるとともに、その出力に電化製品が接続されて始動する際に、時間遅れを生じることなく迅速に、その電化製品が要求する始動時の大きな電流を供給することができる制御方法および制御装置を提供できる。

車載搭載のＤＣ／ＡＣ変換器の回路図 本発明の第１の実施例を示す図 第１の実施例による効果を示す図 本発明の第２に実施例を示す図 第２の実施例による効果を示す図

図１は、車両に搭載される、一例としてＤＣ１２ＶをＡＣ１００Ｖに変換するＤＣ／ＡＣ変換器の簡易的な回路図を示す。その動作の概略は、ＤＣ１２Ｖのバッテリー電源１の直流電圧をインバータ主回路２で一度交流に変換し、変圧器３を用いて交流の状態で電圧を昇圧し、整流器４は昇圧された交流電圧を直流電圧に変換する。ここまでの回路動作の目的は、ＡＣ１００Ｖを出力できる程度の高い電圧値を有する直流電圧を形成するためであり、昇圧動作を直流で行うよりも変圧器を使用する交流で行った方が容易であるため、一度交流に変換している。したがって、バッテリー電源１の電圧が、この直流電圧と同じ電圧値を有する場合はこれらの回路は不要であり、これらの回路は本発明の主要部ではない。

本発明に関係するインバータの主回路はインバータ主回路５であり、インバータ主回路５がＡＣ１００Ｖを出力する。なお、コンデンサ６は、一例としてインバータ主回路５が電圧型インバータである場合の電源コンデンサであるが、本発明のインバータは電圧型インバータに限定されるものではない。ここでインバータ主回路５を、一例として単相Ｈ型インバータとする。インバータ主回路５は、半導体スイッチング素子５−１，５−２，５−３，５−４から構成されており、これらの半導体スイッチング素子としては、ＩＧＢＴ，ＦＥＴ，Ｇ−Ｔｒ，ＳｉＣ，ＧａＮなどがある。

それらの半導体スイッチング素子は、スイッチング損失や導通損失によって発熱し最終的には過熱破壊に至るので、それらの半導体スイッチング素子が過熱破壊されないように一般的にインバータには電流リミッタが設置されている。そして、この電流リミッタ値はインバータの定常動作におけるスイッチング損失や導通損失を考慮して設定されており、したがって、この電流リミッタ値は、モータ負荷、コンデンサ負荷、ランプ負荷の起動時に負荷が要求する大きな電流供給には対応しておらず、先述した不具合を引き起こす。

図２は、本発明の第１の実施例を示す回路図である。図２の回路は、主にインバータ主回路５とその制御回路２０から構成されている。インバータ主回路５の回路図には、インバータ主回路５の交流出力電圧、交流出力電流、直流入力電流、スイッチング素子電流を検出する、交流電圧検出器（ＰＴ）１０、交流電流検出器（ＡＣ−ＣＴ）１１、直流電流検出器（ＤＣ−ＣＴ）１２、スイッチング素子電流検出器１３−１，１３−２が追記してある。

次に、制御回路２０について説明する。図２においては、制御の一例として、出力電圧をＡＣ１００Ｖに維持するために、交流出力電圧のフィードバックを用いた制御について説明する。インバータは、ＰＴ１０によって出力電圧Ｖを検出し、制御回路２０に入力する。検出電圧Ｖは、基準電圧Ｖｒｅｆ１０２、例えば、ＡＣ１００Ｖとの誤差ΔＶを減算器１０１で算出する。算出した誤差電圧ΔＶは、例えば、積分器１０３に入力され、積分器１０３は出力電圧ＶをＡＣ１００Ｖに維持するための出力電流Ｉを算出する。算出された出力電流Ｉは、過熱破壊防止のための電流リミッタ値Ｉlimitを定義した電流リミッタ１０４に入力され、電流リミッタ１０４は電流リミッタ値で制限された出力電流Ｉを出力し、その出力電流をインバータが出力するように、インバータ主回路５を構成する半導体スイッチング素子５−１，５−２，５−３，５−４のゲートタイミングを示すＰＷＭ信号Ｇ１，Ｇ２，Ｇ３，Ｇ４をＰＷＭ信号発生器１０５から出力する。

ここで重要な事は、従来は電流リミッタ１０４が定常動作の電流リミット値（第１のリミッタ値）を、例えば３０Ａに固定的に制限しており、そのため、負荷が接続され起動時に一時的に必要な電流、例えば、４０Ａを供給できないという不具合や、特許文献１に開示されている制御方法のように、電流リミット値を４０Ａに広げるまでの時間遅れが大きいという不具合があった。

そこで、本発明では、インバータの出力に負荷が接続されたことを検出したら、直ちに前もって電流リミッタ値を所定期間のみ広げる方法を採用している。これによって、電流リミッタ値を広げる際の従来技術のような大きな時間遅れも解消できる。以下具体的に、本発明における電流リミッタの動作を説明する。

まず、図２において、ＰＴ１０によってインバータの出力電圧Ｖを検出しているのであるが、その出力に負荷が接続されると、一般的にその電圧は低下し、その後インバータ制御のフィードバック制御が効果を現して再び定格電圧、例えばＡＣ１００Ｖを回復するまでには幾分時間を要する。したがって、出力電圧Ｖの急激な一時的電圧低下を検出すれば、インバータの出力に負荷が接続されたことを検出できる。具体的には、ＰＴ１１によって検出された電圧値Ｖは、制御回路２０に入力され、減算器１０１の他に、負荷接続検出回路１０６にも入力され、負荷接続検出回路１０６は電圧値Ｖの一時的低下を検出して、インバータ出力に負荷が接続されたことを検出する。

負荷接続検出回路１０６は負荷接続を検出すると、タイマー１０７が、例えば１秒間のパルスを発生する。この１秒間とは、負荷が起動時に一時的に要求する電流４０Ａ（第２のリミッタ値）を連続して通電させると半導体スイッチング素子５−１，５−２，５−３，５−４が熱破壊を起こすが、１秒間程度の短期間の通電であれば熱破壊を起こさないという論理に基づいて決定される期間である。タイマー１０７から発生された１秒間のパルスが電流リミッタ１０４に入力されると、電流リミッタ１０４は、負荷接続を示す負荷接続検出回路１０６から出力されたパルスの立ち上がりから、タイマー１０７が規定する１秒間だけ電流リミット値を３０Ａ（第１のリミッタ値）から４０Ａ（第２のリミッタ値）へ広げる。したがって、負荷接続されて起動する１秒間だけは定常電流３０Ａより多い４０Ａを供給できることによって、従来よりも、負荷がコンデンサであれば急速充電が可能となり、モータ負荷であれば逆起電力が発生するまでの突入電流を供給でき、ランプ負荷であれば急速な予熱が可能となる。

図３は、第１の実施例による効果を示す図である。図３から明らかなように、インバータの出力電流、言い換えると、負荷電流は、始動時から１秒間は、拡大された始動時の電流リミッタ値（４０Ａ）による大きな始動電流を供給し、１秒経過すると定常時の電流リミッタ値（３０Ａ）以下に戻されていることは明らかである。

図４は第２の実施例を示す図であり、第２の実施例では、所定期間の終了時間をタイマーではなく、半導体スイッチング素子５−１，５−２，５−３，５−４の温度によって決定している。図２に示すように、半導体スイッチング素子を構成するインテリジェントパワーモジュール（ＩＰＭ）には、その素子を通電する電流を検出するスイッチング素子電流検出器１３−１，１３−２や、素子の温度Ｔを検出できる素子温度検出回路１４が内蔵されて設置されている。素子温度検出回路１４で検出された半導体スイッチング素子の素子温度Ｔは制御回路２０に入力され、更に、半導体スイッチング素子が熱破壊を起こす恐れがある素子閾値温度（Ｔｒｅｆ）１１０と比較器１１１で比較され、素子温度Ｔが素子閾値温度Ｔｒｅｆを越えると、電流リミッタ１０４でのパルス形成を終了させる。すなわち、電流リミッタ値が４０Ａである期間は、負荷接続検出回路１０６が負荷接続を検出した時から、素子温度Ｔが素子閾値温度Ｔｒｅｆを越えるまでの間の期間である。なお、熱破壊を起こす恐れがある素子閾値温度Ｔｒｅｆとは、パルスを終了させた時に、素子が熱破壊を起こす温度に達しない程度に余裕をもった温度に設定されていることは言うまでもない。

図５は第２の実施例の効果を示す図である。図５の上の図から明らかなように、インバータの出力電流、言い換えると、負荷電流は、負荷接続が検出されると、拡大された始動時の電流リミッタ値（４０Ａ）による大きな始動電流を供給し始める。そして、図５の下の図から明らかなように、半導体スイッチング素子の温度が閾値温度Ｔｒｅｆに達すると、電流リミッタ値は始動時のリミッタ値（４０Ａ）から定常時のリミッタ値（３０Ａ）へ戻されるので、負荷電流は徐々に低下して３０Ａ以下に抑えられる。

なお、第１の実施例でも第２の実施例でも、負荷接続検出回路１０６において、負荷接続を検出するための入力要素として、ＰＴ１０で検出した出力電圧Ｖを用いて負荷接続を検出していたが、図２における交流電流検出器１１、直流電流検出器１２、又は、スイッチング素子電流検出器１３−１，１３−２で検出した、交流電流、直流電流、又は、素子電流が増加したことを検出することによっても負荷接続を検出することは可能である。また、負荷接続とは、インバータ出力に負荷が接続されていない場合に負荷が接続されて起動した場合だけでなく、他の負荷が既に接続されている場合であって、更に追加の負荷が接続されて起動した場合も、交流出力電圧の低下や、交流出力電流、直流入力電流、または、素子電流の増加は発生するので、追加された負荷の接続の検出は可能である。

また、本発明は、請求項に記載された範囲内であれば、実施例で説明した例に限定されることがないことは言うまでもない。

１・・・バッテリー電源
２・・・インバータ主回路
３・・・変圧器
４・・・整流器
５・・・インバータ主回路
５−１，５−２，５−３，５−４・・・半導体スイッチング素子
６・・・コンデンサ
１０・・・交流電圧検出器（ＰＴ）
１１・・・交流電流検出器（ＡＣ−ＣＴ）
１２・・・直流電流検出器（ＤＣ−ＣＴ）
１３−１，１３−２・・・素子電流検出器
１４・・・素子温度検出回路
２０・・・制御回路
１０１・・・減算器
１０２・・・基準電圧Ｖｒｅｆ
１０３・・・積分器
１０４・・・電流リミッタ
１０５・・・ＰＷＭ信号発生器
１０６・・・負荷接続検出回路
１０７・・・タイマー
１１０・・・素子閾値温度Ｔｒｅｆ
１１１・・・比較器

Claims (12)

1. 車両搭載のインバータの制御方法であって、
   前記インバータは、半導体スイッチング素子によって構成されており、かつ、前記半導体スイッチング素子を過電流から保護するための電流リミッタを有している、制御方法において、
   前記インバータのＡＣ出力に負荷が接続された時点から所定期間のみ、前記電流リミッタのリミッタ値を第１のリミッタ値から前記第１のリミッタ値より大きい第２のリミッタ値へ広げることを特徴とする、制御方法。
2. 前記所定期間が、前記負荷が接続された前記時点から、タイマーによって特定される期間である、請求項１記載の制御方法。
3. 前記所定期間が、前記負荷が接続された前記時点から、前記半導体スイッチング素子の温度によって特定される期間である、請求項１記載の制御方法。
4. 前記負荷が接続された時点を、前記インバータのＡＣ出力電圧値の変化に基づき検出する、請求項１〜３のいずれか１項記載の制御方法。
5. 前記負荷が接続された時点を、前記インバータの、ＤＣ入力電流値、および／又は、ＡＣ出力電流値の変化に基づき検出する、請求項１〜３のいずれか１項記載の制御方法。
6. 前記負荷が接続された時点を、前記半導体スイッチング素子の通電電流の変化に基づき検出する、請求項１〜３のいずれか１項記載の制御方法。
7. 車両搭載のインバータの制御装置であって、
   前記インバータは、半導体スイッチング素子によって構成されており、かつ、前記半導体スイッチング素子を過電流から保護するための電流リミッタを有している、制御方法において、
   前記インバータのＡＣ出力に負荷が接続された時点から所定期間のみ、前記電流リミッタのリミッタ値を第１のリミッタ値から前記第１のリミッタ値より大きい第２のリミッタ値へ広げることを特徴とする、制御装置。
8. タイマーを備え、
   前記所定期間が、前記負荷が接続された前記時点から、前記タイマーによって特定される期間である、請求項７記載の制御装置。
9. 前記半導体スイッチング素子は、自身のスイッチング領域の半導体部分の温度を検出する素子温度検出器を備え、
   前記所定期間が、前記負荷が接続された前記時点から、前記素子温度検出器が検出した前記半導体領域の温度によって特定される期間である、請求項７記載の制御装置。
10. 前記インバータのＡＣ出力電圧値を検出するＡＣ電圧検出器を備え、
    前記負荷が接続された時点を、前記ＡＣ電圧検出器が検出したＡＣ出力電圧値の変化に基づき検出する、請求項７〜９のいずれか１項記載の制御装置。
11. 前記インバータのＤＣ入力電流値を検出するＤＣ電流検出器、または、前記インバータのＡＣ出力電流値を検出するＡＣ電流検出器を備え、
    前記負荷が接続された時点を、前記インバータの、ＤＣ入力側電流値、および／又は、ＡＣ出力側電流値の変化に基づき検出する、請求項７〜９のいずれか１項記載の制御装置。
12. 前記半導体スイッチング素子は、素子電流検出器を備え、
    前記負荷が接続された時点を、前記素子電流検出器によって検出された前記半導体スイッチング素子の通電電流の変化に基づき検出する、請求項７〜９のいずれか１項記載の制御装置。

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