JP7218629B2

JP7218629B2 - スイッチング装置

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Publication number: JP7218629B2
Application number: JP2019047925A
Authority: JP
Inventors: 真吾上田
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2019-03-15
Filing date: 2019-03-15
Publication date: 2023-02-07
Anticipated expiration: 2039-03-15
Also published as: JP2020150741A

Description

本発明は、スイッチング装置に関し、詳しくは、互いに並列に接続された第１，第２スイッチング素子を備えるスイッチング装置に関する。

従来、この種のスイッチング装置としては、互いに並列に接続された第１，第２ＩＧＢＴをオンオフする際に、小電流の制御時には、第１，第２ＩＧＢＴのうちの何れか一方を他方に先立ってオフするものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。このスイッチング装置では、こうした制御を行なうことにより、小電流の制御時には、ターンオフ損失を低減している。

特開２０１６－１４６７１７号公報

上述のスイッチング装置では、第１，第２ＩＧＢＴのうちの何れか一方を他方に先立ってオフすることにより、スイッチング装置のターンオフ損失（テール損失）を低減することができるものの、第１，第２ＩＧＢＴのうちの他方だけをオンする期間が生じることにより、スイッチング装置のオン損失が増加する。このため、スイッチング装置のトータル損失が増加することがある。

本発明のスイッチング装置は、スイッチング装置のトータル損失を低減することを主目的とする。

本発明のスイッチング装置は、上述の主目的を達成するために以下の手段を採った。

本発明のスイッチング装置は、
互いに並列に接続された第１，第２スイッチング素子と、
前記第１，第２スイッチング素子のターンオフを同時に行なう第１制御と、前記第１，第２スイッチング素子のターンオフを１つずつ行なう第２制御と、を選択して前記第１，第２スイッチング素子のスイッチングを行なう制御装置と、
を備えるスイッチング装置であって、
前記制御装置は、
前記第２制御を実行すると前記第１制御を実行するときに比してオン損失増加量がテール損失低減量以上になると予測したときには、前記第１制御を実行し、
前記第２制御を実行すると前記第１制御を実行するときに比して前記オン損失増加量が前記テール損失低減量未満になると予測したときには、前記第２制御を実行する、
ことを要旨とする。

この本発明のスイッチング装置では、互いに並列に接続された第１，第２スイッチング素子のターンオフを同時に行なう第１制御と、第１，第２スイッチング素子のターンオフを１つずつ行なう第２制御と、を選択して第１，第２スイッチング素子のスイッチングを行なう。そして、第２制御を実行すると第１制御を実行するときに比してオン損失増加量がテール損失低減量以上になると予測したときには、第１制御を実行し、第２制御を実行すると第１制御を実行するときに比してオン損失増加量がテール損失低減量未満になると予測したときには、第２制御を実行する。これにより、スイッチング装置のトータル損失を低減することができる。

本発明の一実施例としてのスイッチング装置２０の構成の概略を示す構成図である。第１制御におけるゲート信号Ｖｇｅ１，Ｖｇｅ２の波形の一例を説明するための説明図である。第２制御におけるゲート信号Ｖｇｅ１，Ｖｇｅ２の波形の一例を説明するための説明図である。スイッチング装置２０の動作ルーチンの一例を示すフローチャートである。第１制御を実行している際のＩＧＢＴ２２，２４のコレクタ電流の時間変化の一例を示す説明図である。第２制御を実行している際のＩＧＢＴ２２のコレクタ電流の時間変化の一例を示す説明図である。図４のステップＳ１７０の詳細を説明するためのフローチャートである。図４のステップＳ１８０の詳細を説明するためのフローチャートである。

次に、本発明を実施するための形態を実施例を用いて説明する。

図１は、本発明の一実施例としてのスイッチング装置２０の構成の概略を示す構成図である。スイッチング装置２０は、ＩＧＢＴ２２，２４と、マイクロコンピュータ（以下、「マイコン」という）４０と、を備える。スイッチング装置２０は、例えば、バッテリの電力を昇圧してモータを駆動するインバータへ供給する昇圧コンバータなどに搭載される。

ＩＧＢＴ２２，２４は、互いに並列に接続されている。即ち、ＩＧＢＴ２２，２４は、コレクタ同士およびエミッタ同士が接続されている。ＩＧＢＴ２２，２４のコレクタは、第１電圧ＶＨ（例えば、電源電圧など）が印加される正極ラインＰＬに接続されている。ＩＧＢＴ２２，２４のエミッタは、第１電圧ＶＨより低い第２電圧ＶＬ（例えば、接地電位（０Ｖ）など）が印加される負極ラインＮＬに接続されている。

マイコン４０は、図示しないＣＰＵを中心とするマイクロプロセッサとして構成されており、ＣＰＵの他に、処理プログラムを記憶するＲＯＭや、データを一時的に記憶するＲＡＭ、入出力ポート、通信ポートを備える。

マイコン４０には、各種センサからの信号が入力ポートを介して入力されている。マイコン４０に入力される信号としては、例えば、ＩＧＢＴ２２のコレクタ－エミッタ間電圧（ＩＧＢＴ２４のコレクタ－エミッタ間電圧と同一）を検出する電圧センサ３０からの電圧Ｖｃｅ１や正極ラインＰＬからＩＧＢＴ２２，２４に流れる電流を検出する電流センサ３２からの電流Ｉを挙げることができる。

マイコン４０からは、ＩＧＢＴ２２，２４をスイッチング制御するためのゲート信号Ｖｇｅ１，Ｖｇｅ２などが出力ポートを介して出力されている。ゲート信号Ｖｇｅ１，Ｖｇｅ２は、第１電圧ＶＨと第２電圧ＶＬとの間で遷移するパルス信号である。

こうして構成されたスイッチング装置２０では、ゲート信号Ｖｇｅ１，Ｖｇｅ２を用いてＩＧＢＴ２２，２４をオンオフする。スイッチング装置２０では、ＩＧＢＴ２２，２４をターンオフ（オンからオフ）するときには、ＩＧＢＴ２２，２４のターンオフを同時に行なう第１制御と、ＩＧＢＴ２２，２４のターンオフを１つずつタイミングをずらして行なう第２制御と、を選択して実行する。

図２は、第１制御におけるゲート信号Ｖｇｅ１，Ｖｇｅ２の波形の一例を説明するための説明図である。図３は、第２制御におけるゲート信号Ｖｇｅ１，Ｖｇｅ２の波形の一例を説明するための説明図である。図示するように、第１制御では、ゲート信号Ｖｇｅ１，Ｖｇｅ２が同時に第１電圧ＶＨとなってＩＧＢＴ２２，２４をターンオンし、ゲート信号Ｖｇｅ１，Ｖｇｅ２が同時に第２電圧ＶＬとなってＩＧＢＴ２２，２４がターンオフする。したがって、ＩＧＢＴ２２，２４のオン時間ｔｏｎ１、ｔｏｎ２は、同一の時間となる。第２制御では、ゲート信号Ｖｇｅ１，Ｖｇｅ２が同時に第１電圧ＶＨとなってＩＧＢＴ２２，２４をターンオンし、ゲート信号Ｖｇｅ１より先にゲート信号Ｖｇｅ２が第２電圧ＶＬとなってＩＧＢＴ２４がターンオフし、その後、ゲート信号Ｖｇｅ１が第２電圧ＶＬとなってＩＧＢＴ２２がターンオフする。したがって、ＩＧＢＴ２４のオン時間ｔｏｎ２' は、ＩＧＢＴ２２のオン時間ｔｏｎ１より短くなる。なお、第１，第２制御の選択については後述する。

次に、こうして構成されたスイッチング装置２０においてＩＧＢＴ２２，２４をスイッチング制御する際の動作について説明する。図４は、スイッチング装置２０の動作ルーチンの一例を示すフローチャートである。このルーチンは、繰り返し実行される。

本ルーチンが実行されると、マイコン４０は、ＰＷＭ指令を生成する処理を実行する（ステップＳ１００）。ＰＷＭ指令は、ＩＧＢＴ２２，２４をＰＷＭ制御するための指令である。ＰＷＭ指令には、ＩＧＢＴ２２，２４をオンするためのオン指令やＩＧＢＴ２２，２４をオフするためのオフ指令、ＩＧＢＴ２２，２４をオンしてからオフするまでの時間であるオン時間ｔｏｎなどが含まれる。

続いて、ＩＧＢＴ２２，２４のオン指令、即ち、第１電圧ＶＨのゲート信号Ｖｇｅ１，Ｖｇｅ２をＩＧＢＴ２２，２４に出力する（ステップＳ１１０）。ゲート信号Ｖｇｅ１によりＩＧＢＴ２２がオン（Ｖｇｅ１オン）となる（ステップＳ１２０）。ゲート信号Ｖｇｅ２によりＩＧＢＴ２４がオン（Ｖｇｅ２オン）となる（ステップＳ１３０）。

また、ステップＳ１００でＰＷＭ指令を生成すると、オン損失増加量ΔＥ_onを演算する（ステップＳ１４０）。オン損失増加量ΔＥ_onは、第２制御時のＩＧＢＴ２２，２４のオン損失量Ｅ_onBから第１制御でのＩＧＢＴ２２，２４のオン損失量Ｅ_onAを減じた値である。オン損失とは、ＩＧＢＴがオンとなっている期間での損失である。

第１制御でのオン損失量Ｅ_onAは、次式（１）により算出される。式（１）中、「Ｅ_on1」は、ＩＧＢＴ２２のオン損失であり、「Ｅ_on2」は、ＩＧＢＴ２４のオン損失である。Ｅ_on1，Ｅ_on2は、次式（２），（３）により算出できる。式（２）中、「Ｖ_ce(sat)1（ｔ）」は、第１制御でＩＧＢＴ２２がオンしているときのコレクタ－エミッタ間電圧である。「Ｉ_on1（ｔ）」は、第１制御でＩＧＢＴ２２がオンしているときのＩＧＢＴ２２のコレクタ電流である。式（３）中、「Ｖ_ce(sat)2（ｔ）」は、第１制御でＩＧＢＴ２４がオンしているときのＩＧＢＴ２４のコレクタ－エミッタ間電圧である。「Ｉ_on2（ｔ）」は、第１制御でＩＧＢＴ２４がオンしているときのＩＧＢＴ２４のコレクタ電流である。

E_onA=E_on1+E_on2 ・・・(1)

実施例では、ＩＧＢＴ２２，２４は、コレクタ同士，エミッタ同士が接続されているから、次式（４）の関係が成立する。第１制御では、オン時間ｔ_on1とオン時間ｔ_on2とは等しいことから、次式（５）が成立する。ＩＧＢＴ２２のコレクタ電流とＩＧＢＴ２４のコレクタ電流との和が正極ラインＰＬに流れる電流Ｉ_on（ｔ）であることから、次式（６）の関係が成立する。式（２）～（６）を式（１）に適用することにより、次式（７）が導出される。式（７）中、「Ｖ_ce(sat)1（ｔ）」は、ゲート信号Ｖｇｅ１を第１電圧ＶＨにしてから時間ｔ_on1が経過するまでのＩＧＢＴ２２のコレクタ－エミッタ間電圧を示しており、ＩＧＢＴ２２のコレクタ－エミッタ間電圧とコレクタ電流とＩＧＢＴ２２の温度との関係を示す特性図に基づいて定められる。なお、「Ｖ_ce(sat)1（ｔ）」は、ＩＧＢＴ２２をターンオンしたときに電圧センサ３０により検出された電圧Ｖｃｅ１としてもよい。

V_ce(sat)1=V_ce(sat)2 ・・・(4)
t_on1= t_on2 ・・・(5)
I_on(t)=I_on1(t)+I_on2(t) ・・・(6)

第２制御でのオン損失量Ｅ_onBは、次式（８）により算出される。式（８）中、「Ｅ'_on」は、第２制御でＩＧＢＴ２２，２４をターンオンしてから図３に示す時間ｔ_on2'が経過するまでの時間でのＩＧＢＴ２２，２４のオン損失であり、式（７）で時間ｔ_on1を時間ｔ_on2'とした次式（９）により導出される。式（８）中、「Ｅ''_on」は、第２制御でＩＧＢＴ２２，２４をターンオンして時間ｔ_on2'が経過してから時間ｔ_on1が経過するまでのＩＧＢＴ２２のオン損失であり、次式（１０）により導出される。式（１０）中、「Ｖ_ce(sat)1'（ｔ）」は、ゲート信号Ｖｇｅ１を第２電圧ＶＬにしてから時間ｔ_on1が経過するまでのＩＧＢＴ２２のコレクタ－エミッタ間電圧を示しており、ＩＧＢＴ２２のコレクタ－エミッタ間電圧とコレクタ電流とＩＧＢＴ２２の温度との関係を示す特性図に基づいて定められる。なお、「Ｖ_ce(sat)1'（ｔ）」は、ＩＧＢＴ２２をターンオンしたときに電圧センサ３０により検出された電圧Ｖｃｅ１としてもよい。

E_onB=E'_on+E''_on ・・・(8)

式（９），（１０）を式（８）に適用することにより、次式（１１）が導出される。

そして、式（７），（１１）よりオン損失増加量ΔＥ_onを演算する次式（１２）の関係を導出する。式（１２）中、Ｉ_on（ｔ）は、次式（１３）により導出される。ステップＳ１４０では、式（１２）を用いてオン損失増加量ΔＥ_onを演算している。なお、「Ｉ_on（ｔ）」は、ＩＧＢＴ２２をターンオンしたときに電流センサ３２により検出された電流Ｉとしてもよい。

オン損失増加量ΔＥ_onを演算したら、次に、テール損失低減量ΔＥ_tailを演算する（ステップＳ１５０）。テール損失低減量ΔＥ_tailは、第１制御時のテール損失量Ｅ_tailAから第２制御のテール損失量Ｅ_tailBを減じた値である。ＩＧＢＴ２２，２４は、ターンオフされても、しばらくの期間はコレクタ電流が流れる。テール損失とは、このようなＩＧＢＴがターンオフされてからＩＧＢＴのコレクタ電流が値０になるまでの期間（以下、「テール期間」と称することがある）での損失である。図５は、第１制御を実行している際のＩＧＢＴ２２，２４のコレクタ電流の時間変化の一例を示す説明図である。図６は、第２制御を実行している際のＩＧＢＴ２２のコレクタ電流の時間変化の一例を示す説明図である。図５、図６において、時間ｔ０は、ＩＧＢＴ２２，２４がターンオフされたタイミングである。図中、ハッチングを施した領域がテール期間でのコレクタ電流である。第２制御では、ＩＧＢＴ２２，２４は、並列接続されている。そのため、ＩＧＢＴ２４をＩＧＢＴ２２に先立ってターンオフすると、ＩＧＢＴ２４のコレクタ－エミッタ間電圧が値０となることから、ＩＧＢＴ２４についてはテール時間の間コレクタ電流が流れてもテール損失は値０となる。したがって、図６では、ＩＧＢＴ２４については図示していない。テール時間は、ＩＧＢＴ自体の特性で定まる。したがって、同一のＩＧＢＴについては、第１、第２制御に拘わらず、同一のテール時間となる。

第１制御でのテール損失量Ｅ_tailAは、次式（１４）により算出される。式（１４）中、「Ｅ_tail1」は、ＩＧＢＴ２２のテール損失量であり、「Ｅ_tail2」は、ＩＧＢＴ２４のテール損失量である。Ｅ_tail1，Ｅ_tail2は、ＩＧＢＴ２２，２４をターンオフするタイミングを値０として次式（１５），（１６）により算出できる。式（１５）中、「Ｖ_ce1（ｔ）」は、ゲート信号Ｖｇｅ１を第２電圧ＶＬにしてからテール時間ｔ_tail1が経過するまでのＩＧＢＴ２２のコレクタ－エミッタ間電圧を示しており、ＩＧＢＴ２２のコレクタ－エミッタ間電圧とコレクタ電流とＩＧＢＴ２２の温度との関係を示す特性図に基づいて定められる。なお、「Ｖ_ce1（ｔ）」は、ＩＧＢＴ２２をターンオフしたときに電圧センサ３０により検出された電圧Ｖｃｅ１としてもよい。「Ｉ_tali1（ｔ）」は、第１制御でＩＧＢＴ２２がオフした後のＩＧＢＴ２２のコレクタ電流である。式（１６）中、「Ｖ_ce2（ｔ）」は、ゲート信号Ｖｇｅ１を第２電圧ＶＬにしてからテール時間ｔ_tail2が経過するまでのＩＧＢＴ２４のコレクタ－エミッタ間電圧を示しており、ＩＧＢＴ２４のコレクタ－エミッタ間電圧とコレクタ電流とＩＧＢＴ２４の温度との関係を示す特性図に基づいて定められる。なお、「Ｖ_ce2（ｔ）」は、ＩＧＢＴ２４をターンオフしたときに電圧センサ３０により検出された電圧Ｖｃｅ１としてもよい。「Ｉ_tali2（ｔ）」は、第１制御でＩＧＢＴ２４がオフした後のＩＧＢＴ２４のコレクタ電流である。

E_tailA=E_tail1+E_tail2 ・・・(14)

式（１５），（１６）を式（１４）に適用することにより、次式（１７）が導出される。

第２制御でのテール損失量Ｅ_tailBは、次式（１８）の関係を用いて算出される。式（１８）中、「Ｅ_tail1」は、第２制御でのＩＧＢＴ２２のテール損失量である。「Ｅ_tail1」は、ＩＧＢＴ２２をターンオフするタイミングを値０として算出している。

そして、式（１７），（１８）よりテール損失低減量ΔＥ_tailを演算する次式（１９）の関係が導出される。ステップＳ１５０では、式（１９）を用いてテール損失低減量ΔＥ_tailを演算している。なお、「Ｉ_tali2（ｔ）」は、ＩＧＢＴ２４がターンオフしたときの電流の関数であり、ＩＧＢＴ２４の特性によって予め定めたものを用いている。

こうしてテール損失低減量ΔＥ_tailを演算すると、マイコン４０は、オン損失増加量ΔＥ_onがテール損失低減量ΔＥ_tail以上となるか否かを予測する（ステップＳ１６０）。オン損失増加量ΔＥ_onがテール損失低減量ΔＥ_tail以上と予測したときには、第２制御を実行するとトータルの損失が増加すると判断して、第１制御を実行して（ステップＳ１７０）、本ルーチンを終了する。

図７は、図４のステップＳ１７０の詳細を説明するためのフローチャートである。ステップＳ１７０では、ステップＳ１１０が実行されてからステップＳ１００で生成されたオン時間ｔｏｎを経過したときにステップＳ１００で生成されたＰＷＭ指令に含まれるオフ指令、即ち、第２電圧ＶＬのゲート信号Ｖｇｅ１，Ｖｇｅ２をＩＧＢＴ２２，２４に出力する（ステップＳ２００）。ゲート信号Ｖｇｅ１によりＩＧＢＴ２２がオフ（Ｖｇｅ１オフ）となる（ステップＳ２１０）。ゲート信号Ｖｇｅ２によりＩＧＢＴ２４がオフ（Ｖｇｅ２オフ）となる（ステップＳ２２０）。このように、第２制御を実行するとトータルの損失の増加が予測されるときには、第１制御を実行することにより、トータルの損失の増加を抑制できる。

ステップＳ１６０でオン損失増加量ΔＥ_onがテール損失低減量ΔＥ_tail未満であると予測したときには、第２制御を実行することでオン損失増加量ΔＥ_onがテール損失低減量ΔＥ_tailを下回り、トータルの損失の増加が抑制されると予測して、第２制御を実行して（ステップＳ１８０）、本ルーチンを終了する。

図８は、図４のステップＳ１８０の詳細を説明するためのフローチャートである。ステップＳ１８０では、ステップＳ１１０が実行されてから、ステップＳ１００で生成されたオン時間ｔｏｎからテール時間ｔ_tail2を減じた時間が経過したタイミングでＩＧＢＴ２４にオフ指令、即ち、第２電圧ＶＬのゲート信号Ｖｇｅ２をＩＧＢＴ２４に出力する（ステップＳ３００）。ゲート信号Ｖｇｅ２によりＩＧＢＴ２４がオフ（Ｖｇｅ２オフ）となる（ステップＳ３１０）。

そして、ステップＳ１１０が実行されてからステップＳ１００で生成されたオン時間ｔｏｎを経過したタイミングでＩＧＢＴ２２にオフ指令、即ち、第２電圧ＶＬのゲート信号Ｖｇｅ１をＩＧＢＴ２２に出力する（ステップＳ３２０）。ゲート信号Ｖｇｅ１によりＩＧＢＴ２２がオフ（Ｖｇｅ１オフ）となる（ステップＳ３３０）。このように、第２制御を実行するとトータルの損失の増加が抑制される予測されるときには、第２制御を実行することにより、トータルの損失の増加を抑制できる。

以上説明した実施例のスイッチング装置２０によれば、第２制御を実行すると第１制御を実行するときに比してオン損失増加量ΔＥ_onがテール損失低減量ΔＥ_tail以上になると予測したときには、第１制御を実行し、第２制御を実行すると第１制御を実行するときに比してオン損失増加量ΔＥ_onがテール損失低減量ΔＥ_tail未満になると予測したときには、第２制御を実行することにより、トータルの損失の増加を抑制できる。

実施例のスイッチング装置２０では、第２制御で、ＩＧＢＴ２２をオフした後にＩＧＢＴ２４をオフしているが、ＩＧＢＴ２４をオフした後にＩＧＢＴ２２をオフしてもよい。

実施例のスイッチング装置２０は、スイッチング素子としてＩＧＢＴ２２，２４を備えている。しかしながら、スイッチング素子であれば如何なるもよく、例えば、ＩＧＢＴ２２，２４に代えて、パワーＭＯＳＦＥＴなど他のトランジスタを備えていてもよい。

実施例の主要な要素と課題を解決するための手段の欄に記載した発明の主要な要素との対応関係について説明する。実施例では、第１，第２スイッチング素子が「ＩＧＢＴ２２」，「ＩＧＢＴ２４」に相当し、マイコン４０が「制御装置」に相当する。

なお、実施例の主要な要素と課題を解決するための手段の欄に記載した発明の主要な要素との対応関係は、実施例が課題を解決するための手段の欄に記載した発明を実施するための形態を具体的に説明するための一例であることから、課題を解決するための手段の欄に記載した発明の要素を限定するものではない。即ち、課題を解決するための手段の欄に記載した発明についての解釈はその欄の記載に基づいて行なわれるべきものであり、実施例は課題を解決するための手段の欄に記載した発明の具体的な一例に過ぎないものである。

以上、本発明を実施するための形態について実施例を用いて説明したが、本発明はこうした実施例に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々なる形態で実施し得ることは勿論である。

本発明は、スイッチング装置の製造産業などに利用可能である。

２０スイッチング装置、２２，２４ＩＧＢＴ、３０電圧センサ、３２電流センサ、４０マイクロコンピュータ（マイコン）、ＰＬ正極ライン、ＮＬ負極ライン。

Claims

互いに並列に接続された第１，第２スイッチング素子と、
前記第１，第２スイッチング素子をターンオンするときには前記第１，第２スイッチング素子のターンオンを同時に行ない前記第１，第２スイッチング素子をターンオフするときには前記第１，第２スイッチング素子のターンオフを同時に行なう第１制御と、前記第１，第２スイッチング素子をターンオンするときには前記第１，第２スイッチング素子のターンオンを同時に行ない前記第１，第２スイッチング素子をターンオフするときには前記第１，第２スイッチング素子のターンオフを１つずつ行なう第２制御と、を選択して前記第１，第２スイッチング素子のスイッチングを行なう制御装置と、
を備えるスイッチング装置であって、
前記制御装置は、
前記第２制御を実行すると前記第１制御を実行するときに比してオン損失増加量がテール損失低減量以上になると予測したときには、前記第１制御を実行し、
前記第２制御を実行すると前記第１制御を実行するときに比して前記オン損失増加量が前記テール損失低減量未満になると予測したときには、前記第２制御を実行する、
スイッチング装置。