JP7172913B2 - スイッチの駆動回路 - Google Patents

Description

本発明は、スイッチの駆動回路に関する。

この種の駆動回路としては、特許文献１に記載されているように、スイッチの主電極間に印加される電圧を検出する主電圧検出部と、主電圧検出部により検出された電圧に基づいてスイッチのゲートに電流を注入する制御電流源と、スイッチの主電極間に流れる電流に基づいて制御電流源の電流を調整する調整部とを備えるものが知られている。これにより、スイッチのオフ状態への切り替えに伴って発生するサージ電圧の抑制を図っている。

特開２００７－２２１８６３号公報

サージ電圧は高電圧であるため、サージ電圧を検出する構成には高い耐圧性能が要求される。この要求を満たす構成として、複数のコンデンサの直列接続体を有するサージ検出部を備える駆動回路がある。詳しくは、この直列接続体は、スイッチに並列接続されており、２つに分割した直列接続体のうち、低電位側の部分が低圧コンデンサ部とされている。サージ検出部は、低圧コンデンサ部の端子電圧に基づいて、スイッチのスイッチング状態の切り替えに伴って発生するサージ電圧を検出する。そして、駆動回路は、検出されたサージ電圧に基づいて、スイッチのスイッチング状態を切り替える場合におけるスイッチのスイッチング速度を設定する。

ここで、複数のコンデンサの一部に故障が発生し得る。この場合、サージ検出部により検出されたサージ電圧が、実際のサージ電圧から大きくずれてしまう。その結果、スイッチング速度を適正に設定することができず、スイッチの故障を招く懸念がある。

本発明は、複数のコンデンサの一部に故障が発生した場合であっても、スイッチの故障の発生を抑制できるスイッチの駆動回路を提供することを主たる目的とする。

本発明は、スイッチを駆動するスイッチの駆動回路において、
前記スイッチに並列接続された複数のコンデンサの直列接続体を有し、２つに分割した該直列接続体のうち、低電位側の部分である低圧コンデンサ部の端子電圧に基づいて、前記スイッチのスイッチング状態の切り替えに伴って発生するサージ電圧を検出するサージ検出部と、
前記サージ検出部により検出されたサージ電圧に基づいて、前記スイッチのスイッチング状態を切り替える場合における前記スイッチのスイッチング速度を設定する速度設定部と、
複数の前記コンデンサの一部に故障が発生したか否かを判定する故障判定部と、を備え、
前記速度設定部は、複数の前記コンデンサの一部に故障が発生したと判定された場合、複数の前記コンデンサのいずれにも故障が発生していないと判定された場合よりも前記スイッチング速度を低く設定する。

本発明では、複数のコンデンサの一部に故障が発生したと判定された場合、複数のコンデンサのいずれにも故障が発生していないと判定された場合よりもスイッチング速度が低く設定される。このため、サージ検出部により検出されたサージ電圧が、実際のサージ電圧から大きくずれてしまう状況下において、スイッチング速度を安全側に設定することができる。その結果、スイッチの故障の発生を抑制することができる。

一実施形態に係る回転電機の制御システムの全体構成図。 駆動回路の構成を示す図。 駆動回路の処理手順を示すフローチャート。 コンデンサに故障が発生していない場合におけるスイッチのドレイン及びソース間電圧等の推移を示すタイムチャート。 図４のα部分を拡大したタイムチャート。 低圧コンデンサのショート故障又は高圧コンデンサ部のオープン故障が発生した場合におけるドレイン及びソース間電圧等の推移を示すタイムチャート。 低圧コンデンサのオープン故障又は高圧コンデンサ部のショート故障が発生した場合におけるドレイン及びソース間電圧等の推移を示すタイムチャート。

以下、本発明に係る駆動回路を具体化した一実施形態について、図面を参照しつつ説明する。

図１に示すように、制御システムは、回転電機１０と、インバータ２０と、回転電機１０を制御対象とする制御部３０とを備えている。本実施形態において、回転電機１０は、星形結線された３相の巻線１１を備えている。回転電機１０は、例えば同期機である。

回転電機１０は、インバータ２０を介して、直流電源２１に接続されている。本実施形態において、直流電源２１は蓄電池（具体的には例えば、２次電池）である。なお、直流電源２１及びインバータ２０の間には、平滑コンデンサ２２が設けられている。

インバータ２０は、Ｕ，Ｖ，Ｗ相それぞれについて、上，下アームスイッチＳＷの直列接続体を備えている。本実施形態では、各スイッチＳＷとして、ユニポーラ素子であってかつＳｉＣのＮチャネルＭＯＳＦＥＴが用いられている。各スイッチＳＷには、ボディダイオードＤｉが内蔵されている。

各相において、上，下アームスイッチＳＷの接続点には、回転電機１０の巻線１１の第１端が接続されている。各相の巻線１１の第２端は、中性点で接続されている。

制御システムは、電源電圧検出部２３を備えている。電源電圧検出部２３は、平滑コンデンサ２２の端子電圧を電源電圧ＶＨｒとして検出する。電源電圧検出部２３の検出値は、制御部３０に入力される。

制御部３０は、回転電機１０の制御量をその指令値に制御すべく、インバータ２０を制御する。制御量は、例えばトルクである。制御部３０は、デッドタイムを挟みつつ上，下アームスイッチＳＷを交互にオン状態とすべく、上，下アームスイッチＳＷに対応する駆動信号ＳＧを、上，下アームスイッチＳＷに対して個別に設けられた駆動回路Ｄｒに出力する。駆動信号ＳＧは、スイッチのオン状態への切り替えを指示するオン指令と、オフ状態への切り替えを指示するオフ指令とのいずれかをとる。なお、駆動回路Ｄｒが提供する機能は、例えば、実体的なメモリ装置に記録されたソフトウェア及びそれを実行するコンピュータ、ハードウェア、又はそれらの組み合わせによって提供することができる。

続いて、図２を用いて、駆動回路Ｄｒについて説明する。

駆動回路Ｄｒは、バッファ回路４０及びゲート抵抗体４１を備えている。ゲート抵抗体４１は、抵抗値が可変とされている。バッファ回路４０は、制御部３０から駆動信号ＳＧを取得し、取得した駆動信号ＳＧがオン指令である場合、ゲート抵抗体４１を介してスイッチＳＷのゲートに充電電流を供給する。これにより、スイッチＳＷのゲート電圧（すなわち、ソースに対するドレインの電位差）が閾値電圧Ｖｔｈ以上となり、スイッチＳＷがオン状態とされる。一方、バッファ回路４０は、取得した駆動信号ＳＧがオフ指令である場合、スイッチＳＷのゲートからゲート抵抗体４１を介して放電電流を放出させる。これにより、スイッチＳＷのゲート電圧が閾値電圧Ｖｔｈ未満となり、スイッチＳＷがオフ状態とされる。

駆動回路Ｄｒは、設定部４２、オフ電圧検出部４３、サージ指令算出部４４、偏差算出部４５及びサージ検出部５０を備えている。サージ検出部５０は、複数のコンデンサの直列接続体を備えている。この直列接続体は、スイッチＳＷに並列接続されている。この直列接続体は２つに分割され、そのうちの低電位側の部分が低圧コンデンサ部５１Ｌとされ、残りの部分が高圧コンデンサ部５１Ｈとされている。図２には、低圧コンデンサ部５１Ｌが１つのコンデンサにより構成され、高圧コンデンサ部５１Ｈが３つのコンデンサにより構成されている例を示す。スイッチＳＷのドレイン及びソース間電圧が複数のコンデンサにより分圧されることにより、各コンデンサの印加電圧をその許容上限値以下としつつ、高電圧となるサージ電圧を検出できる。なお、本実施形態において、各コンデンサの静電容量は互いに同じである。

サージ検出部５０は、サージ電圧検出部５２を備えている。サージ電圧検出部５２は、ピークホールド回路を備え、スイッチＳＷのオフ状態への切り替えに伴って発生する低圧コンデンサ部５１Ｌの端子電圧のピーク値を、オフ状態への切り替えに伴って発生するサージ電圧（ドレイン及びソース間電圧のピーク値）として検出する。なお、検出されたサージ電圧Ｖｐｈは、駆動信号ＳＧとして次回のオフ指令が駆動回路Ｄｒに入力されるまでにリセットされる。

オフ電圧検出部４３は、スイッチＳＷがオフ状態とされている場合の低圧コンデンサ部５１Ｌの端子電圧であるオフ時電圧を検出する。

サージ指令算出部４４は、検出されたオフ時電圧に基づいて、サージ指令値Ｖｓ＊を算出する。サージ指令値Ｖｓ＊は、電源電圧ＶＨｒよりも高くて、かつ、スイッチＳＷのドレイン及びソース間電圧の許容上限値以下の値に設定される。

偏差算出部４５は、今回のスイッチング周期において検出されたサージ電圧Ｖｐｈをサージ指令値Ｖｓ＊から差し引くことにより、電圧偏差ΔＶｓを算出する。設定部４２は、算出された電圧偏差ΔＶｓに基づいて、次回のスイッチング周期においてスイッチＳＷをオフ状態に切り替える場合におけるゲート抵抗体４１の抵抗値を設定する。具体的には、設定部４２は、電圧偏差ΔＶｓを０にフィードバック制御するための操作量として、ゲート抵抗体４１の抵抗値を設定する。このフィードバック制御は、例えば比例積分制御とすればよい。

設定部４２は、例えば、電圧偏差ΔＶｓが０よりも小さい場合において、電圧偏差ΔＶｓの絶対値が大きいときの抵抗値を電圧偏差ΔＶｓの絶対値が小さいときの抵抗値よりも大きく設定する。これにより、電圧偏差ΔＶｓの絶対値が大きいときにゲートから放出される放電電流が、電圧偏差ΔＶｓの絶対値が小さいときにゲートから放出される放電電流よりも小さくなる。すなわち、電圧偏差ΔＶｓの絶対値が大きいときのスイッチング速度が、電圧偏差ΔＶｓの絶対値が小さいときのスイッチング速度よりも低くなる。

なお、本実施形態において、設定部４２、オフ電圧検出部４３、サージ指令算出部４４及び偏差算出部４５が速度設定部に相当する。

設定部４２は、図３に示すコンデンサ故障判定処理を実行する。この処理は、サージ検出部５０を構成する複数のコンデンサの一部に故障が発生し得ることに鑑みたものである。

つまり、高圧コンデンサ部５１Ｈのオープン故障又は低圧コンデンサ部５１Ｌのショート故障が発生し得る。この場合、サージ検出部５０により検出されたサージ電圧Ｖｐｈが、実際のサージ電圧よりも低くなってしまう（図６参照）。その結果、設定部４２により設定されるゲート抵抗体４１の抵抗値が、サージ電圧Ｖｐｈをサージ指令値Ｖｓ＊にフィードバック制御する上で適切な抵抗値よりも低くなり、実際のスイッチング速度が適切なスイッチング速度よりも高くなる。これにより、スイッチＳＷのオフ状態への切り替えに伴って発生するサージ電圧がその許容上限値を超えてしまい、スイッチＳＷが故障する懸念がある。そこで、本実施形態では、図３に示すコンデンサ故障判定処理が実行される。この処理は、例えば、所定の制御周期毎に繰り返し実行される。

ステップＳ１０では、複数のコンデンサの一部に故障が発生しているか否かを判定する。詳しくは、第１条件と第２条件とのうち、少なくとも一方が成立していると判定した場合、複数のコンデンサの一部に故障が発生していると判定する。

まず、第１条件について説明すると、この条件は、今回のスイッチング周期において検出されたサージ電圧Ｖｐｈ（ｔ）と、前回のスイッチングにおいて検出されたサージ電圧Ｖｐｈ（ｔ－１）との差の絶対値が所定量ΔＶｔを超えたとの条件である。第１条件は、コンデンサの故障が発生した場合と発生していない場合とで、サージ電圧Ｖｐｈが大きく変化することに鑑みたものである。

図４に、各コンデンサに故障が発生していない場合におけるスイッチＳＷのドレイン及びソース間電圧Ｖｄｓ、低圧コンデンサ部５１Ｌの端子電圧Ｖｄｅｔ、検出されたサージ電圧Ｖｐｈ、及びスイッチＳＷのゲートの放電電流Ｉｇの推移を示す。また、図５は、図４の期間αについて、時間軸を拡大したタイムチャートである。なお、図４（ａ）には、サージ指令値Ｖｓ＊が、スイッチＳＷのドレイン及びソース間電圧の許容上限値に設定される例を示す。

図６は、サージ電圧Ｖｐｈ及び低圧コンデンサ部５１Ｌの端子電圧Ｖｄｅｔの推移を示す。図６では、時刻ｔ１において、高圧コンデンサ部５１Ｈのオープン故障又は低圧コンデンサ部５１Ｌのショート故障が発生する。この場合、時刻ｔ２において検出されるサージ電圧Ｖｐｈが大きく低下する。この点に着目し、第１条件が定められている。

なお、高圧コンデンサ部５１Ｈのショート故障又は低圧コンデンサ部５１Ｌのオープン故障が発生する場合にも、検出されるサージ電圧は大きく変化する。図７では、時刻ｔ１において、高圧コンデンサ部５１Ｈのショート故障又は低圧コンデンサ部５１Ｌのオープン故障が発生する。この場合、時刻ｔ２において検出されるサージ電圧Ｖｐｈが大きく上昇する。この場合における故障も、第１条件により検出することができる。ちなみに、コンデンサの直接接続数がＮ個の場合、高圧コンデンサ部５１Ｈを構成するコンデンサが１つショート故障すると、その故障後に検出されるサージ電圧は、故障前に検出されるサージ電圧のＮ／（Ｎ－１）倍になる。

続いて、第２条件について説明すると、この条件は、前回のスイッチング周期において検出されたサージ電圧Ｖｐｈ（ｔ－１）と今回のスイッチング周期において検出されたサージ電圧Ｖｐｈ（ｔ）とが同等であるとの条件である。高圧コンデンサ部５１Ｈのオープン故障又は低圧コンデンサ部５１Ｌのショート故障が発生した場合、図６に示すように、発生後のサージ電圧Ｖｐｈが変化しなくなる。この点に鑑み、第２条件が定められている。

なお、高圧コンデンサ部５１Ｈのショート故障又は低圧コンデンサ部５１Ｌのオープン故障が発生する場合にも、図７に示すように、発生後のサージ電圧Ｖｐｈが変化しなくなる。この場合における故障も、第２条件により検出することができる。ちなみに、本実施形態において、設定部４２が故障判定部を含む。

ステップＳ１０において第１条件及び第２条件のいずれも成立しないと判定した場合には、各コンデンサに故障が発生していないと判定し、ステップＳ１１に進む。ステップＳ１１では、設定部４２、オフ電圧検出部４３、サージ指令算出部４４及び偏差算出部４５によるサージ電圧のフィードバック制御を行う。

一方、ステップＳ１０において第１条件及び第２条件の少なくとも一方が成立したと判定した場合には、各コンデンサの一部に故障が発生したと判定し、ステップＳ１２に進む。ステップＳ１２では、ゲート抵抗体４１の抵抗値を、その取り得る範囲の上限値に設定する。ここで、ステップＳ１２で設定する抵抗値は、スイッチＳＷの状態量に依存しない固定である。状態量には、スイッチＳＷに流れるドレイン電流の検出値、電源電圧ＶＨｒ及びスイッチＳＷの温度検出値が含まれる。ステップＳ１３では、サージ電圧のフィードバック制御を中止する。

以上詳述した本実施形態では、サージ検出部５０を構成する各コンデンサの一部に故障が発生したと判定された場合、各コンデンサに故障が発生していないと判定された場合よりもスイッチＳＷのスイッチング速度が低く設定される。このため、サージ検出部５０により検出されたサージ電圧が、実際のサージ電圧から大きくずれてしまう状況下において、スイッチング速度を安全側に設定することができる。その結果、スイッチＳＷの故障の発生を抑制することができる。

＜その他の実施形態＞
なお、上記実施形態は、以下のように変更して実施してもよい。

・設定部４２は、スイッチＳＷの前回のスイッチング周期においてサージ検出部５０により検出されたサージ電圧Ｖｐｈ（ｔ－１）に対して、今回のスイッチング周期においてサージ検出部５０により検出されたサージ電圧Ｖｐｈ（ｔ）が所定量ΔＶｔを超えて低くなったと判定した場合、低圧コンデンサ部５１Ｌのショート故障、又は高圧コンデンサ部５１Ｈのオープン故障が発生したと判定してもよい。

また、設定部４２は、前回のスイッチング周期においてサージ検出部５０により検出されたサージ電圧Ｖｐｈ（ｔ－１）に対して、今回のスイッチング周期においてサージ検出部５０により検出されたサージ電圧Ｖｐｈが所定量ΔＶｔを超えて高くなったと判定した場合、低圧コンデンサ部５１Ｌのオープン故障、又は高圧コンデンサ部５１Ｈのショート故障が発生したと判定してもよい。この場合、設定部４２は、サージ電圧のフィードバック制御を継続してもよい。

・図３のステップＳ１０において、第１条件又は第２条件のいずれかが削除されてもよい。

・図３のステップＳ１０の第２条件を、連続する３以上のスイッチング周期でサージ電圧が同等であるとの条件としてもよい。

・図３のステップＳ１０において、電源電圧ＶＨｒに基づいて、複数のコンデンサの一部に故障が発生しているか否かを判定してもよい。この判定手法は、複数のコンデンサの一部に故障が発生した場合、スイッチＳＷがオフ状態にされている場合のスイッチＳＷのソース及びドレイン間電圧が、複数のコンデンサのいずれにも故障が発生していない場合のソース及びドレイン間電圧からずれることに鑑みたものである。

・スイッチング速度を変更する手法としては、ゲート抵抗体の抵抗値を変更する手法に限らず、例えば、スイッチＳＷのゲート電荷の放電先の電位（例えば負電圧源の電位）を可変とする手法であってもよい。この場合、放電先の電位がゲート電位に対して低いほど、スイッチング速度が高く設定される。

・サージ電圧のフィードバック制御としては、スイッチＳＷのオフ状態への切り替えに伴って発生するサージ電圧に代えて、スイッチＳＷのオン状態への切り替えに伴って発生するサージ電圧のフィードバック制御であってもよい。

・スイッチとしては、ＮチャネルＭＯＳＦＥＴに限らず、例えばＩＧＢＴであってもよい。また、スイッチを備える電力変換器としては、インバータに限らず、例えばフルブリッジ回路であってもよい。

４１…ゲート抵抗体、４２…設定部、５０…サージ検出部、５１Ｈ…高圧コンデンサ部、５１Ｌ…低圧コンデンサ部、Ｄｒ…駆動回路、ＳＷ…スイッチ。

Claims (5)

1. スイッチ（ＳＷ）を駆動するスイッチの駆動回路（Ｄｒ）において、
   前記スイッチに並列接続された複数のコンデンサの直列接続体を有し、２つに分割した該直列接続体のうち、低電位側の部分である低圧コンデンサ部（５１Ｌ）の端子電圧に基づいて、前記スイッチのスイッチング状態の切り替えに伴って発生するサージ電圧を検出するサージ検出部（５０）と、
   前記サージ検出部により検出されたサージ電圧に基づいて、前記スイッチのスイッチング状態を切り替える場合における前記スイッチのスイッチング速度を設定する速度設定部と、
   複数の前記コンデンサの一部に故障が発生したか否かを判定する故障判定部と、を備え、
   前記速度設定部は、複数の前記コンデンサの一部に故障が発生したと判定された場合、複数の前記コンデンサのいずれにも故障が発生していないと判定された場合よりも前記スイッチング速度を低く設定するスイッチの駆動回路。
2. 前記速度設定部は、複数の前記コンデンサのいずれにも故障が発生していないと判定された場合、検出されたサージ電圧をその指令値にフィードバック制御すべく前記スイッチング速度を設定し、複数の前記コンデンサの一部に故障が発生したと判定された場合、前記フィードバック制御の実行を中止するとともに、前記スイッチング速度を、複数の前記コンデンサのいずれにも故障が発生していないと判定された場合に設定される前記スイッチング速度よりも低いスイッチング速度であって、前記スイッチの状態量に依存しない固定されたスイッチング速度を設定する請求項１に記載のスイッチの駆動回路。
3. 前記故障判定部は、前記スイッチの前回のスイッチング周期において前記サージ検出部により検出されたサージ電圧に対して、前記スイッチの今回のスイッチング周期において前記サージ検出部により検出されたサージ電圧が所定量を超えてずれたと判定した場合、複数の前記コンデンサの一部に故障が発生したと判定する請求項１又は２に記載のスイッチの駆動回路。
4. 前記故障判定部は、前記スイッチの前回のスイッチング周期において前記サージ検出部により検出されたサージ電圧に対して、前記スイッチの今回のスイッチング周期において前記サージ検出部により検出されたサージ電圧が前記所定量を超えて低下したと判定した場合、前記低圧コンデンサ部のショート故障、又は複数の前記コンデンサのうち前記低圧コンデンサ部以外のコンデンサである高圧コンデンサ部（５１Ｈ）のオープン故障が発生したと判定し、
   前記速度設定部は、前記低圧コンデンサ部のショート故障又は前記高圧コンデンサ部のオープン故障が発生したと判定された場合、複数の前記コンデンサのいずれにも故障が発生していないと判定された場合よりも前記スイッチング速度を低く設定する請求項３に記載のスイッチの駆動回路。
5. 前記故障判定部は、前記スイッチの複数のスイッチング周期それぞれにおいて前記サージ検出部により検出されたサージ電圧が同等であると判定した場合、複数の前記コンデンサの一部に故障が発生したと判定する請求項１～４のいずれか１項に記載のスイッチの駆動回路。

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