JP6933028B2 - 突入電流防止装置 - Google Patents

Description

本発明は、ハイブリッド自動車や電気自動車等に用いられる突入電流防止装置に関する。

ハイブリッド自動車や電気自動車では、バッテリとして、例えば３００Ｖ程度の高電圧のものが用いられるため、イグニッションスイッチがオンされた直後に、負荷に突入電流と呼ばれる過電流が流れる。このような突入電流が負荷に流れると、負荷が損傷するおそれがある。

そこで、ハイブリッド自動車や電気自動車においては、プレチャージを行うことで突入電流による負荷の損傷を未然に防ぐようになっている（例えば特許文献１参照）。この種の電源システムでは、イグニッションスイッチがオンされたときにオンされるメインリレーがバッテリと負荷との間に接続されており、さらに、このメインリレーと並列に突入電流防止装置が設けられている。

突入電流防止装置は、チャージリレーと電流制限抵抗とが直列に接続されて構成されている。プレチャージは、イグニッションスイッチがオンされメインリレーがオンされる直前に、チャージリレーがオンされることにより行われる。チャージリレーがオンされると、電流制限抵抗によって制限された電流によって、負荷のコンデンサーがチャージされる。コンデンサーが充電され、バッテリとコンデンサー電圧の電圧差が同等になるとプレチャージが完了し、次に、メインリレーがオンされてバッテリと負荷が接続される。

特開２０１２−２２３０６１号公報

ここで、従来はチャージリレーとして、機械式のスイッチ（リレー）が用いられているので、作動可能回数が少ない、換言すれば寿命が短いといった欠点がある。

そこで、チャージリレーに代えて半導体スイッチング素子を用いることが考えられる。このようにすれば、機械式のリレーを用いる場合と比較して、作動可能回数を例えば１００倍以上に延ばすことができると考えられる。

ところで、ハイブリッド自動車や電気自動車等の車両では３００Ｖ程度の大容量のバッテリを用いるので、チャージリレーに代えて半導体スイッチング素子を用いる場合、当該半導体スイッチング素子の入出力間の電位差は３００Ｖ程度の高電位となる。このように入出力間の電位差が３００Ｖ程度である半導体スイッチング素子のオンオフを制御するためには、適切な値の制御電圧を半導体スイッチング素子の制御端子に印加する必要がある。通常、入出力間の電位差が３００Ｖ程度の場合、制御端子に５Ｖ程度の電圧を印加しても、半導体スイッチング素子をオンオフ制御できない。

従って、このような半導体スイッチング素子の制御電圧は、外部電源等の別の電源系統の電圧を用いる場合が多い。しかしながら、このようにすると、外部電源を用意する必要があり、さらに電源系統の配線が複雑になるので、構成が複雑化及び大型化する欠点がある。

本発明は、以上の点を考慮してなされたものであり、チャージリレーに代えて半導体スイッチング素子を用いた場合に、半導体スイッチング素子を負荷のプレチャージを行うことができるように適切にオン制御し得る簡易な構成の突入電流防止装置を提供する。

本発明の突入電流防止装置の一つの態様は、
バッテリと負荷との間の電源ライン上に設けられた電源供給リレーに並列に設けられ、前記電源供給リレーがオン状態とされる前にオン状態となることで、前記負荷をプレチャージして、前記バッテリから前記負荷に過電流が流れることを防止する突入電流防止装置であって、
前記電源供給リレーに並列に接続されているとともに、電流制限抵抗、ダイオード及び半導体スイッチング素子が直列接続されている電流制限部と、
前記半導体スイッチング素子の入力側及び出力側に接続され、前記半導体スイッチング素子の入出力間電圧を用いて、前記半導体スイッチング素子の制御電圧を形成する制御電源回路と、
外部コントローラからのコントロール信号の電圧を変換する電圧変換回路と、
入力端子に前記制御電源回路によって形成された前記制御電圧が入力され、制御端子に前記電圧変換回路によって変換された前記コントロール信号の電圧に基づく電圧が入力され、前記制御電源回路によって形成された前記制御電圧を、前記コントロール信号に基づいて、前記半導体スイッチング素子のゲートに選択的に印加することにより、前記半導体スイッチング素子をオンオフ制御するゲートドライバー回路と、
を具備する。

本発明によれば、チャージリレーに代えて半導体スイッチング素子を用いた場合に、半導体スイッチング素子を負荷のプレチャージを行うことができるように適切にオン制御し得る簡易な構成の突入電流防止装置を実現できる。

実施の形態の突入電流防止装置の基本構成を示す接続図 実施の形態による突入電流防止装置の具体的な回路構成を示す接続図 図３Ａ及び図３Ｂは突入電流防止装置動作を説明に供する図

先ず、実施の形態を説明する前に、本発明に至った経緯について説明する。

ハイブリッド自動車や電気自動車等の車両において、チャージリレーに代えて半導体スイッチング素子を用いる場合には、半導体スイッチング素子として、いわゆる接点用半導体ではなくパワー半導体を用いる必要がある。本発明の発明者らはパワー半導体を用いる場合において、制御電圧をどのように形成するかについて検討した。

通常、インバーター等にパワー半導体を用いる場合には、パワー半導体を連続してオンオフ動作させる必要があるので、外部電源等の別電源から制御電圧を形成している。

これに対して、本発明の発明者らは、負荷のプレチャージでは、半導体スイッチング素子をオン動作させるのは、一瞬だけでよいことに着目した。実際上、プレチャージによって負荷のコンデンサーの両端電圧をバッテリと同等の電圧にするために必要な時間は、数秒程度である。よって、半導体スイッチング素子を数秒間オン動作させることができればよい。本発明は、このような発想に基づいてなされたものである。

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。

図１は、本実施の形態の突入電流防止装置１００の基本構成を示す接続図である。突入電流防止装置１００が搭載されるのは、ハイブリッド自動車や電気自動車等の車両である。この種の車両には、例えば２８８Ｖのバッテリ１０が搭載されており、当該バッテリ１０からの電源がメインリレー１１、１２を介して負荷２０に供給される。負荷２０は、例えばインバーター等である。メインリレー１１、１２は、いわゆる機械式のリレーであり、イグニッションスイッチがオンされるとオン状態となり、この結果、バッテリ電源が負荷２０に供給される。

突入電流防止装置１００は、メインリレー１１、１２に並列に接続されて設けられている。

突入電流防止装置１００は、電流制限部１１０と、制御電源回路１２０と、ゲートドライバー回路１３０と、電圧変換回路１４０と、を有する。

電流制限部１１０は、メインリレー１１に並列に接続されている。電流制限部１１０は、電流制限抵抗１１１、ダイオード１１２及び半導体スイッチング素子１１３が直列接続されて構成されている。本実施の形態の場合、半導体スイッチング素子１１３として、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（IGBT：Insulated Gate Bipolar Transistor）が用いられている。

制御電源回路１２０は、半導体スイッチング素子１１３の入出力間の電圧から、半導体スイッチング素子１１３の制御電圧を形成する。制御電源回路１２０によって形成された制御電圧は、ゲートドライバー回路１３０を介して半導体スイッチング素子１１３のゲートに印加される。

電圧変換回路１４０は、外部コントローラ２００からのコントロール信号の電圧を、ゲートドライバー回路１３０をオン制御できる電圧に変換する。具体的には、電圧変換回路１４０は、制御電源回路１２０によって形成された制御電圧と外部コントローラ２００からのコントロール信号とを入力し、外部コントローラ２００から半導体スイッチング素子１１３をオン動作させるためのコントロール信号（制御電圧）が入力されたときに、ゲートドライバー回路１３０をオン動作させる。なお、外部コントローラ２００は、具体的にはバッテリマネージメントコントローラやハイブリッドコントローラ等である。

ゲートドライバー回路１３０は、入力端子に制御電源回路１２０によって形成された制御電圧が入力され、制御端子に電圧変換回路１４０によって変換されたコントロール信号の電圧に基づく電圧が入力され、制御電源回路１２０によって形成された制御電圧を、コントロール信号に基づいて、半導体スイッチング素子１１３のゲートに選択的に印加することにより、半導体スイッチング素子１１３をオンオフ制御する。

図２は、本実施の形態による突入電流防止装置１００の具体的な回路構成を示す接続図である。図２において、図１との対応部分については図１と同様の符号が付されている。

制御電源回路１２０は、コンデンサー１２１、ＰＷＭ ＩＣ１２２、スイッチング素子１２３、ダイオード１２４、リアクタンス１２５、コンデンサー１２６を有する降圧チョッパー回路によって構成されている。制御電源回路１２０は、半導体スイッチング素子１１３の入出力間の電圧を用いて、半導体スイッチング素子（ＩＧＢＴ）１１３をオン動作させるために必要な制御電圧を形成する。本実施の形態の場合には、制御電圧として、１５Ｖの電圧を形成する。具体的には、制御電源回路１２０においては、コンデンサー１２６の両端電圧が１５Ｖとなるように、ＰＷＭ ＩＣ１２２がスイッチング素子１２３のオンオフを制御する。制御電源回路１２０によって形成された制御電圧、つまりコンデンサー１２６の両端電圧Ｖｃはゲートドライバー回路１３０に供給される。

ゲートドライバー回路１３０は、ゲートドライバーＩＣ１３１及び抵抗１３２を有し、ゲートドライバーＩＣ１３１の入力端子には制御電源回路１２０によって形成された１５Ｖの制御電圧Ｖｃが入力される。

電圧変換回路１４０は、外部コントローラ２００からのコントロール信号をゲートドライバー回路１３０をオン動作可能な電圧に変換する回路である。本実施の形態の場合、電圧変換回路１４０は、フォトカプラー１４１からなる絶縁回路と、抵抗１４２とを有する構成となっており、外部コントローラ２００からフォトカプラー１４１に制御電圧Ｖｉが入力される。フォトトランジスタの入出力端子には制御電源回路１２０のコンデンサー１２６の両端に接続されており、フォトトランジスタの出力端子はゲートドライバーＩＣ１３１の制御端子に接続されている。これにより、外部コントローラ２００からフォトカプラー１４１にオン動作を指示する制御電圧Ｖｉが入力されると、フォトトランジスタの出力側の電圧は１５Ｖとなり、この電圧によってゲートドライバーＩＣ１３１がオン動作される。この結果、外部コントローラ２００からオン動作信号が入力されると、ゲートドライバーＩＣ１３１がオン動作することにより、ゲートドライバーＩＣ１３１から１５Ｖの制御電圧Ｖｃが出力される。

本実施の形態の場合、電圧変換回路１４０は、外部コントローラ２００からオン動作することを指示する電圧Ｖｉが入力されると、ゲートドライバーＩＣ１３１の基準電圧（すなわちゲートドライバーＩＣ１３１をＩＧＢＴで構成した場合には、そのエミッタ電圧）に対して１５Ｖ高いオン制御電圧を形成して、ゲートドライバーＩＣ１３１の制御端子に出力する。

ゲートドライバーＩＣ１３１は、制御端子に０Ｖが入力されるとオフ動作し、１５Ｖが入力されるとオン動作する。つまり、ゲートドライバーＩＣ１３１は、外部コントローラ２００からオン動作することを指示する制御電圧Ｖｉ（例えば５Ｖ、１２Ｖ、２４Ｖ等）が電圧変換回路１４０に入力され、電圧変換回路１４０から１５Ｖの制御電圧が制御端子に入力されると、制御電源回路１２０によって形成された１５Ｖの電圧を制御電圧Ｖｇとして半導体スイッチング素子１１３の制御端子に印加する。

ゲートドライバー回路１３０は、半導体スイッチング素子１１３のゲート−エミッタ間を接続する抵抗１３３及びコンデンサー１３４を有する。この抵抗１３３及びコンデンサー１３４は、いわゆる誤動作防止回路を構成し、半導体スイッチング素子１１３のゲートラインにノイズが重畳された場合でも、ノイズによって半導体スイッチング素子１１３がオン動作しないようになっている。具体的には、コンデンサー１３４によってノイズを吸収し、抵抗１３３を介してノイズをエミッタ側に逃がす。

次に、図３を用いて、突入電流防止装置１００の動作を説明する。

図３Ａにおいて、細線で示すＶBATはバッテリ１０の電圧を示し（本実施の形態の場合２８８Ｖ）、太線で示すＶPREは半導体スイッチング素子１１３のエミッタ−コレクタ間の電圧を示し、点線で示すＶINVは負荷２０のコンデンサー２１の両端電圧を示す。また、図３Ｂにおいて、細線で示すＶｃは制御電源回路１２０によって形成される制御電圧（換言すればコンデンサー１２６の両端電圧）を示し、太線で示すＶｇは半導体スイッチング素子１１３の制御端子に印加されるゲート電圧を示し、点線で示すＶｉは外部コントローラ２００からの制御電圧Ｖｉを示す。

先ず、時点ｔ０から時点ｔ１の期間、制御電源回路１２０のコンデンサー１２６に電荷が蓄積され、時点ｔ１で制御電源回路１２０において目的とする１５Ｖの制御電圧Ｖｃが形成される。やがて、時点ｔ２で外部コントローラ２００からの制御電圧Ｖｉが立ち上がると、ゲートドライバーＩＣ１３１がオン動作することにより、半導体スイッチング素子１１３の制御端子に印加されるゲート電圧Ｖｇが制御電圧Ｖｃと等しくなる。つまり、時点ｔ２において、ゲート電圧Ｖｇが１５Ｖとなる。

すると、半導体スイッチング素子１１３がオン動作することにより、図３Ａに示すように、時点ｔ２以降は半導体スイッチング素子１１３のエミッタ−コレクタ間の電圧ＶPREは０Ｖとなる。また、時点ｔ２以降は負荷２０のコンデンサー２１に電荷が蓄積していくことによりプレチャージが行われ、時点ｔ３でコンデンサー２１の両端電圧が２８８Ｖとなったときにプレチャージが完了する。

ここで、時点ｔ２以降は半導体スイッチング素子１１３のエミッタ−コレクタ間の電圧は０Ｖとなるので、コンデンサー１２６に電荷を蓄積することができなくなり、制御電圧Ｖｃ及びゲート電圧Ｖｇは徐々に減少していく。しかしながら、時点ｔ３でプレチャージは完了するので、時点ｔ２から時点ｔ３までの期間、半導体スイッチング素子１１３をオン動作させることができるゲート電圧Ｖｇ、つまり制御電圧Ｖｃを形成できるようにすればよい。具体的には、（制御電源回路１２０のコンデンサー１２６が充電される期間）＞（負荷２０側のコンデンサー２１が充電される期間）となるように、制御電源回路１２０（降圧チョッパー回路）を構成すればよい。つまり、コンデンサー２１の容量を考慮して、制御電源回路１２０のコンデンサー１２６の容量を十分に大きく構成すればよい。

以上説明したように、本実施の形態によれば、バッテリ１０と負荷２０との間の電源ライン上に設けられた電源供給リレー（メインリレー１１、１２）に並列に設けられ、電源供給リレーがオン状態とされる前にオン状態となることで、負荷２０をプレチャージして、バッテリ１０から負荷２０に過電流が流れることを防止する突入電流防止装置１００において、電源供給リレーに並列に接続されているとともに、電流制限抵抗１１１、ダイオード１１２及び半導体スイッチング素子１１３が直列接続されている電流制限部１１０と、半導体スイッチング素子１１０の入力側及び出力側に接続され、半導体スイッチング素子１１０の入出力間電圧を用いて、半導体スイッチング素子１１０の制御電圧Ｖｃを形成する制御電源回路１２０と、外部コントローラ２００からのコントロール信号の電圧Ｖｉを変換する電圧変換回路１４０と、入力端子に制御電源回路１２０によって形成された制御電圧Ｖｃが入力され、制御端子に電圧変換回路１４０によって変換されたコントロール信号の電圧Ｖｉに基づく電圧が入力され、コントロール信号に基づいて、制御電源回路１２０によって形成された制御電圧Ｖｃを、半導体スイッチング素子１１３のゲートに選択的に印加することにより、半導体スイッチング素子１１３をオンオフ制御するゲートドライバー回路１３０と、を設けたことにより、チャージリレーに代えて半導体スイッチング素子１１３を用いた場合に、半導体スイッチング素子１１３を負荷２０のプレチャージを行うことができるように適切にオン制御し得る簡易な構成の突入電流防止装置１００を実現できる。

なお上述の実施の形態では、電圧変換回路１４０をフォトカプラー１４１からなる絶縁回路によって構成した場合について述べたが、電圧変換回路１４０はこれに限らず、例えばレベルシフト回路によって構成してもよく、要は、外部コントローラ２００からのコントロール信号の電圧をゲートドライバー回路１３０をオン動作可能な電圧に変換できる回路であればよい。

また上述の実施の形態では、制御電源回路１２０を降圧チョッパー回路によって構成した場合について述べたが、制御電源回路１２０はこれに限らず、例えばフライバック回路やフライフォワード回路によって構成することもできる。要は、半導体スイッチング素子１１３の入力側及び出力側に接続され、半導体スイッチング素子１１３の入出力間電圧を用いて、半導体スイッチング素子１１３の制御電圧を形成できる回路であればよい。

本発明は、ハイブリッド自動車や電気自動車等に用いられる突入電流防止装置として広く適用可能である。

１０ バッテリ
１１、１２ メインリレー
２０ 負荷
２１、１２１、１２６、１３４ コンデンサー
１００ 突入電流防止装置
１１０ 電流制限部
１１１ 電流制限抵抗
１１２ ダイオード
１１３、１２３ 半導体スイッチング素子
１２０ 制御電源回路
１３０ ゲートドライバー回路
１４０ 電圧変換回路
２００ 外部コントローラ

Claims (3)

1. バッテリと負荷との間の電源ライン上に設けられた電源供給リレーに並列に設けられ、前記電源供給リレーがオン状態とされる前にオン状態となることで、前記負荷をプレチャージして、前記バッテリから前記負荷に過電流が流れることを防止する突入電流防止装置であって、
   前記電源供給リレーに並列に接続されているとともに、電流制限抵抗、ダイオード及び半導体スイッチング素子が直列接続されている電流制限部と、
   前記半導体スイッチング素子の入力側及び出力側に接続され、前記半導体スイッチング素子の入出力間電圧を用いて、前記半導体スイッチング素子の制御電圧を形成する制御電源回路と、
   外部コントローラからのコントロール信号の電圧を変換する電圧変換回路と、
   入力端子に前記制御電源回路によって形成された前記制御電圧が入力され、制御端子に前記電圧変換回路によって変換された前記コントロール信号の電圧に基づく電圧が入力され、前記制御電源回路によって形成された前記制御電圧を、前記コントロール信号に基づいて、前記半導体スイッチング素子のゲートに選択的に印加することにより、前記半導体スイッチング素子をオンオフ制御するゲートドライバー回路と、
   を具備する突入電流防止装置。
2. 前記電圧変換回路は、フォトカプラーからなる絶縁回路、又はレベルシフト回路によって構成されており、前記コントロール信号を前記ゲートドライバー回路をオン動作可能な電圧に変換する、
   請求項１に記載の突入電流防止装置。
3. 前記制御電源回路は、降圧チョッパー回路、フライバック回路、又はフライフォワード回路によって構成されている、
   請求項１又は請求項２に記載の突入電流防止装置。

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