(57)【要約】【課題】駆動モード時に低温時の耐電圧低下に制限されることなくインバータ回路を駆動することができる、信頼性の高い車両用電力変換装置の提供。【解決手段】車両用電力変換装置は、上アーム用半導体スイッチング素子および下アーム用半導体スイッチング素子を相毎に備えて回転電機を駆動するインバータ回路１４４と、上下アーム間に第１の電圧Ｖbを印加してトルク指令に基づくスイッチング動作を行わせる駆動モード、および、上下アーム間に第１の電圧Ｖbよりも低い第２の電圧Ｖcを印加してスイッチング動作を行わせる暖機モードの、いずれか一方を選択してインバータ回路１４４を制御する制御回路１７２を備える。そして、車両起動信号が入力されると、暖機モードでインバータ回路１４４を制御し、ＩＧＢＴ３２８，３３０を暖機する。その結果、駆動モード時における耐圧オーバーが防止され、信頼性の向上を図ることができる。【選択図】図２
2010178582.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
上アーム用半導体スイッチング素子および下アーム用半導体スイッチング素子を相毎に備えて回転電機を駆動するインバータ回路と、
上下アーム間に第１の電圧を印加して走行時スイッチング動作を行わせる駆動モード、および、上下アーム間に前記第１の電圧よりも低い第２の電圧を印加してスイッチング動作を行わせる暖機モードの、いずれか一方を選択して前記インバータ回路を制御する制御装置とを備え、
前記制御装置は、車両起動信号が入力されると、前記暖機モードで前記インバータ回路を制御することを特徴とする車両用電力変換装置。
【請求項２】
上アーム用半導体スイッチング素子および下アーム用半導体スイッチング素子を相毎に備えて回転電機を駆動するインバータ回路と、
走行時スイッチング動作を行わせる駆動モード、および、前記半導体スイッチング素子のターンオン期間およびターンオフ期間を前記駆動モード時よりも長く設定してスイッチング動作を行う暖機モードの、いずれか一方を選択して前記インバータ回路を制御する制御装置とを備え、
前記制御装置は、車両起動信号が入力されると、前記暖機モードで前記インバータ回路を制御することを特徴とする車両用電力変換装置。
【請求項３】
上アーム用半導体スイッチング素子および下アーム用半導体スイッチング素子を相毎に備えて回転電機を駆動するインバータ回路と、
走行時スイッチング動作を行わせる駆動モード、および、前記半導体スイッチング素子のターンオンから次のターンオンまでのスイッチング周期を前記駆動モード時よりも短く設定してスイッチング動作を行う暖機モードの、いずれか一方を選択して前記インバータ回路を制御する制御装置とを備え、
前記制御装置は、車両起動信号が入力されると、前記暖機モードで前記インバータ回路を制御することを特徴とする車両用電力変換装置。
【請求項４】
請求項２または３に記載の車両用電力変換装置において、
前記制御装置は、前記駆動モードでは上下アーム間に第１の電圧を印加し、前記暖機モードでは上下アーム間に前記第１の電圧よりも低い第２の電圧を印加することを特徴とする車両用電力変換装置。
【請求項５】
請求項１または４に記載の車両用電力変換装置において、
上下アーム間に前記インバータ回路と並列に接続された平滑コンデンサを備え、
前記暖機モードでは、前記平滑コンデンサの端子電圧が前記第２の電圧となるように充電し、その充電された平滑コンデンサの電荷をスイッチング動作により放電することを特徴とする車両用電力変換装置。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか一項に記載の車両用電力変換装置において、
前記制御装置は、前記暖機モードにおいて、前記回転電機に対するｑ軸電流がほぼゼロとなるように前記インバータ回路のスイッチング動作を制御することを特徴とする車両用電力変換装置。
【請求項７】
請求項１〜５のいずれか一項に記載の車両用電力変換装置において、
前記制御装置は、上下アームが短絡されるように前記インバータ回路のスイッチング動作を制御することを特徴とする車両用電力変換装置。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれか一項に記載の車両用電力変換装置において、
前記制御装置は、入力される温度情報に基づいて、車両起動信号が入力されたときの前記暖機モードを実行するか否かを決定することを特徴とする車両用電力変換装置。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれか一項に記載の車両用電力変換装置において、
前記半導体スイッチング素子の接合部温度に相関する温度を検出する温度検出器を備え、
前記制御装置は、前記温度検出器の検出温度が所定温度に達したならば前記暖機モードを終了することを特徴とする車両用電力変換装置。
【請求項１０】
請求項１〜９のいずれか一項に記載の車両用電力変換装置において、
前記制御装置は、前記暖機モード実行中のスイッチング動作時に、温度変化の勾配が所定値より小さくなったならば前記暖機モードを終了することを特徴とする車両用電力変換装置。
【請求項１１】
請求項１〜１０のいずれか一項に記載の車両用電力変換装置において、
前記制御装置は、車両側からトルク指令が入力されているときには前記暖機モードを実行しないことを特徴とする車両用電力変換装置。
【請求項１２】
請求項１〜１１のいずれか一項に記載の車両用電力変換装置と、
前記車両用電力変換装置により駆動制御される回転電機と、
前記制御装置からの情報に基づいて暖機モード実行中であることを乗員に報知する報知装置とを備えたことを特徴とする電動車両。
【請求項１３】
請求項１２に記載の電動車両において、
暖機モード実行中は、回転電機から車軸への動力を遮断することを特徴とする電動車両。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、車両用電力変換装置、および、その車両用電力変換装置を備えた電動車両に関する。
【背景技術】
【０００２】
スイッチング素子の電源を供給する電源装置において、スイッチング素子の温度が低温時に供給される電源電圧を低下させ、低温時のサージ発生による耐圧超えを防止するものが知られている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−１４３２９３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、このように電圧を低く設定した場合、車両運転中に出力が制限されるような事態が生じるという問題があった。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
請求項１の発明による車両用電力変換装置は、上アーム用半導体スイッチング素子および下アーム用半導体スイッチング素子を相毎に備えて回転電機を駆動するインバータ回路と、上下アーム間に第１の電圧を印加して走行時スイッチング動作を行わせる駆動モード、および、上下アーム間に第１の電圧よりも低い第２の電圧を印加してスイッチング動作を行わせる暖機モードの、いずれか一方を選択してインバータ回路を制御する制御装置とを備え、制御装置は、車両起動信号が入力されると、暖機モードでインバータ回路を制御することを特徴とする。
請求項２の発明による車両用電力変換装置は、上アーム用半導体スイッチング素子および下アーム用半導体スイッチング素子を相毎に備えて回転電機を駆動するインバータ回路と、走行時スイッチング動作を行わせる駆動モード、および、半導体スイッチング素子のターンオン期間およびターンオフ期間を駆動モード時よりも長く設定してスイッチング動作を行う暖機モードの、いずれか一方を選択してインバータ回路を制御する制御装置とを備え、制御装置は、車両起動信号が入力されると、暖機モードでインバータ回路を制御することを特徴とする。
請求項３の発明による車両用電力変換装置は、上アーム用半導体スイッチング素子および下アーム用半導体スイッチング素子を相毎に備えて回転電機を駆動するインバータ回路と、走行時スイッチング動作を行わせる駆動モード、および、半導体スイッチング素子のターンオンから次のターンオンまでのスイッチング周期を駆動モード時よりも短く設定してスイッチング動作を行う暖機モードの、いずれか一方を選択してインバータ回路を制御する制御装置とを備え、制御装置は、車両起動信号が入力されると、暖機モードでインバータ回路を制御することを特徴とする。
請求項１２の発明による電動車両は、請求項１〜１１のいずれか一項に記載の車両用電力変換装置と、車両用電力変換装置により駆動制御される回転電機と、制御装置からの情報に基づいて暖機モード実行中であることを乗員に報知する報知装置とを備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によれば、起動信号入力時に、予め暖機モードにより半導体スイッチング素子の温度を上昇させるので、駆動モード時には低温時の耐電圧低下に制限されることなくインバータ回路を駆動することが可能となり、信頼性の向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】ハイブリッド自動車の制御ブロックを示す図である。
【図２】インバータ装置の電気回路構成を説明する図である。
【図３】スイッチング時のコレクタ電流ｉcとコレクタ−エミッタ間電圧Ｖceの波形を示す図である。
【図４】ＩＧＢＴにおける耐電圧と温度との関係を示す図である。
【図５】制御回路１７２の制御動作を説明するフローチャートである。
【図６】暖機モードにおける各回路の動作を示すタイムチャートである。
【図７】暖機モード動作の第１の変形例を示すフローチャートである。
【図８】暖機モード動作の第２の変形例を示すフローチャートである。
【図９】暖機モード動作の第３の変形例を示すフローチャートである。
【図１０】スイッチング期間を長くして損失を増加させ、発熱増大による暖機時間の短縮を説明する図である。
【図１１】スイッチング周期の短縮による暖機時間の短縮を説明する図である。
【図１２】バッテリとは別の低圧電源を用いて暖機を行う場合の構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
以下、図を参照して本発明を実施するため形態について説明する。本発明の実施形態に係る車両用電力変換装置は、ハイブリッド自動車や純粋な電気自動車などの電動車両に適用可能である。ここでは、代表例として、本発明の実施形態に係る車両用電力変換装置をハイブリッド自動車に適用した場合の、制御構成と電力変換装置の回路構成について、図１と図２を用いて説明する。
【０００９】
本発明の実施形態に係る車両用電力変換装置では、搭載環境や動作的環境などが大変厳しい車両駆動用インバータ装置を例に挙げて説明する。車両駆動用インバータ装置は、車両駆動用電動機の駆動を制御する制御装置として車両駆動用電機システムに備えられ、車載電源を構成する車載バッテリ或いは車載発電装置から供給された直流電力を所定の交流電力に変換し、得られた交流電力を車両駆動用電動機に供給して車両駆動用電動機の駆動を制御する。また、車両駆動用電動機は発電機としての機能も有しているので、車両駆動用インバータ装置は、運転モードに応じて車両駆動用電動機の発生する交流電力を直流電力に変換する機能も有している。変換された直流電力は車載バッテリに供給される。
【００１０】
図１はハイブリッド自動車の制御ブロックを示す図である。図１において、ハイブリッド電気自動車（以下、「ＨＥＶ」と記述する）１１０は電動車両の一種であり、２つの車両駆動用システムを備えている。その１つは、内燃機関であるエンジン１２０を動力源としたエンジンシステムである。エンジンシステムは、主としてＨＥＶ１１０の駆動源として用いられる。もう１つは、モータジェネレータ１９２，１９４を動力源とした車載電機システムである。車載電機システムは、主としてＨＥＶ１１０の駆動源およびＨＥＶ１１０の電力発生源として用いられる。モータジェネレータ１９２，１９４は例えば同期機あるいは誘導機であり、運転方法によりモータとしても発電機としても動作するので、ここではモータジェネレータと記すこととする。
【００１１】
モータジェネレータ１９２，１９４は、回転子に永久磁石を備えた同期機である。固定子の電機子巻線に供給される交流電力がインバータ装置１４０，１４２によって制御されることにより、モータジェネレータ１９２，１９４の駆動が制御される。インバータ装置１４０，１４２にはバッテリ１３６が接続されており、バッテリ１３６とインバータ装置１４０，１４２との間において電力の授受が可能である。なお、ここでは、バッテリ１３６から直接直流電力をインバータ装置１４０，１４２に入力したがリレーユニットやコンバータを介して直流電源を供給する構成でも同様に適用できる。
【００１２】
本実施形態では、ＨＥＶ１１０は、モータジェネレータ１９２およびインバータ装置１４０からなる第１電動発電ユニットと、モータジェネレータ１９４およびインバータ装置１４２からなる第２電動発電ユニットとの２つを備え、運転状態に応じてそれらを使い分けている。すなわち、エンジン１２０からの動力によって車両を駆動している状況において、車両の駆動トルクをアシストする場合には、第２電動発電ユニットを発電ユニットとしてエンジン１２０の動力によって作動させて発電させ、その発電によって得られた電力によって第１電動発電ユニットを電動ユニットとして作動させる。また、同様の状況において車両の車速をアシストする場合には、第１電動発電ユニットを発電ユニットとしてエンジン１２０の動力によって作動させて発電させ、その発電によって得られた電力によって第２電動発電ユニットを電動ユニットとして作動させる。
【００１３】
また、本実施形態では、バッテリ１３６の電力によって第１電動発電ユニットを電動ユニットとして作動させることにより、モータジェネレータ１９２の動力のみによって車両の駆動ができる。さらに、本実施形態では、第１電動発電ユニットまたは第２電動発電ユニットを、発電ユニットとしてエンジン１２０の動力あるいは車輪からの動力によって作動させて発電させることにより、バッテリ１３６の充電ができる。
【００１４】
バッテリ１３６は、さらに補機用のモータ１９５を駆動するための電源としても使用される。補機としては、例えばエアコンディショナーのコンプレッサを駆動するモータ、あるいは制御用の油圧ポンプを駆動するモータ、電力変換装置の冷却系の冷媒循環用ポンプを駆動するモータなどがある。本実施形態では、モータ１９５は冷媒循環用ポンプ１９６を駆動する。バッテリ１３６からインバータ装置４３に供給された直流電力はインバータ装置４３で交流の電力に変換され、モータ１９５に供給される。
【００１５】
インバータ装置４３はインバータ装置１４０，１４２と同様の機能を持ち、モータ１９５に供給する交流の位相や周波数、電力を制御する。たとえば、モータ１９５の回転子の回転に対し進み位相の交流電力を供給することにより、モータ１９５はトルクを発生する。一方、遅れ位相の交流電力を発生することで、モータ１９５は発電機として作用し、モータ１９５は回生制動状態の運転となる。このようなインバータ装置４３の制御機能は、インバータ装置１４０，１４２の制御機能と同様である。モータ１９５の容量がモータジェネレータ１９２，１９４の容量より小さいので、インバータ装置４３の最大変換電力はインバータ装置１４０，１４２より小さいが、インバータ装置４３の回路構成は基本的にインバータ装置１４０，１４２の回路構成と同じである。
【００１６】
次に、図２を用いてインバータ装置１４０や１４２あるいはインバータ装置４３の電気回路構成を説明する。なお、図１〜図２に示す実施形態では、インバータ装置１４０や１４２あるいはインバータ装置４３を、それぞれ個別に構成する場合を例に挙げて説明する。インバータ装置１４０，１４２および４３は同様の構成、作用および機能を有しており、ここでは、代表例としてインバータ装置１４０の説明を行う。
【００１７】
図２に示すように、電力変換装置２００にはインバータ装置１４０とコンデンサモジュール５００とが備えられている。インバータ装置１４０は、インバータ回路１４４と、インバータ回路１４４を駆動制御するドライバ回路１７４と、信号線１７６を介してドライバ回路１７４へ制御信号を供給する制御回路１７２とを有している。制御回路１７２には、車両側に設けられた上位コントローラ（例えば、車両コントローラ）２から車両情報が入力される。車両情報としては、イグニッションスイッチのオンオフ状態を示すＩＮＧ信号、ジェネレータモータ１９２を駆動制御するためのトルク指令τ、外気温情報などがある。
【００１８】
インバータ回路１４４は３相ブリッジ回路により構成されており、Ｕ相、Ｖ相およびＷ相に対応して、上アーム側半導体スイッチユニットＵｐ，Ｖｐ，Ｗｐおよび下アーム側半導体スイッチユニットＵｎ，Ｖｎ，Ｗｎを備えている。各上アーム側半導体スイッチユニットＵｐ〜ＷｐにはＩＧＢＴ３２８（絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）およびダイオード１５６がそれぞれ設けられ、下アーム側半導体スイッチユニットＵｎ〜ＷｎにはＩＧＢＴ３３０およびダイオード１６６がそれぞれ設けられている。各上下アーム間の中点部分には、モータジェネレータ１９２への交流電力線（交流バスバー）１８６が接続されている。交流電力線１８６は、交流コネクタ１８８を介してモータジェネレータ１９２の電機子巻線の対応する相巻線に電気的に接続されている。
【００１９】
上下アームに設けられたＩＧＢＴ３２８，３３０はスイッチング用パワー半導体素子であり、ドライバ回路１７４から出力された駆動信号を受けて動作し、バッテリ１３６から供給された直流電力を三相交流電力に変換する。この変換された電力はモータジェネレータ１９２の電機子巻線に供給され、発生する回転磁界を制御することによりモータジェネレータ１９２の回転が制御される。上述のとおり、インバータ装置１４０はモータジェネレータ１９２が発生する三相交流電力を直流電力に変換することもできる。
【００２０】
スイッチング用パワー半導体素子としてバイポーラ型、電界効果型のいずれを適用しても良いが、本実施形態ではＩＧＢＴを例に説明する。ＩＧＢＴ３２８，３３０のコレクタ電極とエミッタ電極との間にはダイオード１５６，１６６が図示するように電気的に接続されている。ダイオード１５６，１６６は、カソード電極及びアノード電極の２つの電極を備えており、ＩＧＢＴ３２８，３３０のエミッタ電極からコレクタ電極に向かう方向が順方向となるように、カソード電極がＩＧＢＴ３２８，３３０のコレクタ電極に、アノード電極がＩＧＢＴ３２８，３３０のエミッタ電極にそれぞれ電気的に接続されている。
【００２１】
なお、スイッチング用パワー半導体素子としてＭＯＳＦＥＴ（金属酸化物半導体型電界効果トランジスタ）を用いた場合、ＭＯＳＦＥＴは、ソース電極とドレイン電極との間に、ドレイン電極からソース電極に向かう方向が順方向となる寄生ダイオードを備えているので、ＩＧＢＴのように、別途、ダイオード（ダイオード１５６やダイオード１６６）を設ける必要がない。
【００２２】
各相の上下アームの半導体スイッチユニットＵｐ〜Ｗｐ，Ｕｎ〜Ｗｎは相毎に直列接続され、各相の上下アーム直列回路同士は、バッテリ１３６のＰ（Positive）ラインとＮ（Negative）ラインとの間において並列接続されている。上アーム側半導体スイッチユニットＵｐ〜ＷｐのＩＧＢＴ３２８のコレクタ電極は、Ｐラインを介してそれぞれコンデンサモジュール５００の正極側電極に接続されている。一方、下アーム側半導体スイッチユニットＵｎ〜ＷｎのＩＧＢＴ３３０のエミッタ電極は、Ｎラインを介してコンデンサモジュール５００の負極側電極にそれぞれ接続されている。コンデンサモジュール５００は、ＩＧＢＴ３２８，３３０のスイッチング動作によって生じる直流電圧の変動を抑制する平滑回路を構成している。
【００２３】
コンデンサモジュール５００とバッテリ１３６との間のＰラインには、メインリレー６１と、サブリレー６３および充電抵抗６４を直列接続したものとが並列に設けられ、コンデンサモジュール５００とバッテリ１３６との間のＮラインには、メインリレー６２が設けられている。これらのリレー６１〜６３は、制御回路１７２からの制御信号に基づいてオンオフする。メインリレー６１，６２は、インバータ回路１４４およびコンデンサモジュール５００とバッテリ１３６との間を接続および遮断する安全器として機能する。車両走行時には、メインリレー６１，６２がオンに制御される。また、サブリレー６３と充電抵抗６４はコンデンサモジュール５００の予備充電動作を行わせるために設けたものであり、バッテリ１３６とコンデンサモジュール５００とを接続した際の突入電流を予備充電動作（プリチャージ）により緩和するようにしている。予備充電動作については後述する。
【００２４】
制御回路１７２は、上位コントローラ２からのトルク指令τや、電流センサ１８０で検出されたモータ電流値や、インバータ回路１４４に設けられた温度センサ６０からの検出温度等の入力情報に基づいて、ＩＧＢＴ３２８，３３０のスイッチングタイミングを制御するためのタイミング信号を生成する。ドライバ回路１７４は、制御回路１７２から出力されたタイミング信号に基づいて、ＩＧＢＴ３２８，３３０をスイッチング動作させるためのドライブ信号を生成する。
【００２５】
制御回路１７２はＩＧＢＴ３２８，３３０のスイッチングタイミングを演算処理するためのマイクロコンピュータ（以下、「マイコン」と記述する）を備えている。マイコンには入力情報として、モータジェネレータ１９２に対して要求される目標トルク値、上下アーム直列回路１５０からモータジェネレータ１９２の電機子巻線に供給される電流値、およびモータジェネレータ１９２の回転子の磁極位置が入力される。目標トルク値は、上位コントローラ２から出力されたトルク指令τ基づくものである。電流値は、電流センサ１８０から出力された検出信号に基づいて検出されたものである。磁極位置θは、モータジェネレータ１９２に設けられた回転磁極センサ６５により検出される。本実施形態では３相の電流値を検出する場合を例に挙げて説明するが、２相分の電流値を検出するようにしても構わない。
【００２６】
制御回路１７２内のマイコンは、目標トルク値に基づいてモータジェネレータ１９２のｄ，ｑ軸の電流指令値を演算し、この演算されたｄ，ｑ軸の電流指令値と、検出されたｄ，ｑ軸の電流値との差分に基づいてｄ，ｑ軸の電圧指令値を演算し、この演算されたｄ，ｑ軸の電圧指令値を、検出された磁極位置に基づいてＵ相、Ｖ相、Ｗ相の電圧指令値に変換する。そして、マイコンは、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の電圧指令値に基づく基本波（正弦波）と搬送波（三角波）との比較に基づいてパルス状の変調波を生成し、この生成された変調波をＰＷＭ（パルス幅変調）信号としてドライバ回路１７４に出力する。
【００２７】
ドライバ回路１７４は、下アームを駆動する場合、ＰＷＭ信号を増幅し、これをドライブ信号として下アームのＩＧＢＴ３３０のゲート電極に出力する。一方、上アームを駆動する場合には、ＰＷＭ信号の基準電位のレベルを上アームの基準電位のレベルにシフトしてからＰＷＭ信号を増幅し、これをドライブ信号として上アームのＩＧＢＴ３２８のゲート電極に出力する。これにより、各ＩＧＢＴ３２８，３３０は、入力されたドライブ信号に基づいてスイッチング動作する。スイッチング動作によってインバータ回路１４４の上下アームのＩＧＢＴ３２８，３３０の導通および遮断動作が一定の順で切り替わり、この切り替わり時のモータジェネレータ１９２の固定子巻線の電流は、ダイオード１５６，１６６によって作られる回路を流れる。
【００２８】
ところで、スイッチング回路においては、配線インダクタンスに起因するサージ電圧がスイッチング時に発生する。図３は、一般的な半導体素子のスイッチング時の波形（コレクタ電流ｉcとコレクタ−エミッタ間電圧Ｖce）を示したものである。半導体素子がオンに移行する期間をｔon、オフに移行する期間をｔoffとし、繰り返し周期をＳＴとしている。サージ電圧による電圧Ｖceの跳ね上がりは主にオフ移行期間ｔoff時に発生し、コレクタ−エミッタ間電圧Ｖceの最大電圧はＶcepとなる。スイッチング素子を使用する場合には、この最大電圧Ｖcepを素子の耐圧より小さく抑える必要がある。
【００２９】
一方、スイッチング素子（ＩＧＢＴ）の耐圧は素子温度に依存し、図４に示すように、素子温度が低くなるにつれて小さくなる。例えば、温度２５℃における耐圧を１とすると、−４０℃では、耐圧は０．９に低下してしまう。そのため、耐圧が低い低温状態で走行駆動した場合に、スイッチングオフ時の最大電圧が、サージ電圧の発生によって耐圧を超えてしまうというおそれがあった。そこで、本実施の形態では、以下に説明するように、予め暖機モードを行うことにより素子温度を上昇させて素子の耐圧を増加させておき、それからモータ駆動モードに入るようにした。
【００３０】
図５は、本実施の形態におけるインバータ装置１４０，１４２，４３の制御動作を説明するフローチャートであり、図６は暖機モードにおける各回路の動作を示すタイムチャートである。図５のフローチャートで示すプログラムは、制御回路１７２のマイコンにて実行される。車両のイグニッションスイッチがオンされてＩＧＮオン信号が上位コントローラ２から制御回路１７２に入力されると、図５に示す処理がスタートする。
【００３１】
（ステップＳ９０）
図５のステップＳ９０では、接合温度Ｔjが閾値Ｔthより大きいか否かを判断する。実際には、接合温度を直接測定することはできないので、ＩＧＢＴの近傍に設けられた温度センサ６０の検出温度Ｔが、接合部における温度Ｔthに相当する温度Ｔ(Tth)より大きくなったか否かを判定する。ステップＳ９０でＴj≦Ｔthであると判定されると、ステップＳ１００でプリチャージ処理を行い、続くステップＳ１１０で暖機駆動を行う。すなわち、ステップＳ９０でＴj＞Ｔthと判定されるまで暖機運転モードを継続する。ステップＳ９０でＴj＞Ｔthであると判定されると、暖機運転モードを終了してステップＳ１５０へ進む。
【００３２】
（ステップＳ１００）
図５のステップＳ１００では、メインリレー６２およびサブリレー６３をオンすることにより、コンデンサモジュール５００を電圧Ｖcまで充電するプリチャージ処理が行われる。この電圧Ｖcは、スイッチング時のサージ電圧による電圧跳ね上がりが素子の耐圧を超えないように、電源電圧Ｖbよりも低く設定される。例えば、Ｖb＝４００Ｖである場合には、Ｖcを２００Ｖ程度に設定する。このとき、コンデンサモジュール５００は充電抵抗６４を介して充電されるため、大きな突入電流が流れるのを防止することができる。電圧センサ６６で検出されるコンデンサモジュール５００の電圧がＶcとなったならば、メインリレー６２およびサブリレー６３をオフしてプリチャージ処理が終了する。図６に示す時間ｔcは、プリチャージ動作時間を示す。
【００３３】
（ステップＳ１１０）
図５のステップＳ１１０では、ＩＧＢＴ３２８，３３０の温度を上昇させるために、インバータ回路１４４を暖機駆動させる。暖機駆動においては、スイッチング動作によりコンデンサモジュール５００に蓄えられた電荷を放電し、その時の発熱により半導体素子を暖機する。そのため、ＰＮライン間の電圧はコンデンサモジュール５００の端子間電圧と等しくＶc以下となり、素子温度が低くて耐圧が低下している状態であっても、サージ電圧による電圧の跳ね上がりが耐圧を超えるのを防止することができる。スイッチング動作時には、損失（定常損失＋ターンオン損失＋ターンオフ損失）による発熱が生じるので、その結果、ＩＧＢＴ３２８，３３０の温度が上昇する。このように、暖機駆動を行うことにより素子温度を上昇させる。なお、暖機駆動においては、モータジェネレータ１９２が回転しないように、すなわちトルクが発生しないようにトルク分電流であるｑ軸電流をゼロとし、ｄ軸電流（励磁分電流）のみを流すようにインバータ回路１４４のスイッチング動作を制御する。
【００３４】
通常、モータジェネレータ１９２を駆動する場合、制御回路１７２は、回転磁極センサ６５により検出された磁極位置θ、電流センサ１８０で検出されたモータ電流値、上位コントローラ２からのトルク指令τに基づいて、インバータ回路１４４を周知のベクトル制御にて制御している。ベクトル制御とは、一次電流を、磁束を生成するための励磁分電流（ｄ軸電流）とモータトルクを発生させるためのトルク分電流（ｑ軸電流）とに分解して、個々に制御するものである。
【００３５】
モータジェネレータ１９２に励磁分電流（ｄ軸電流）を流した上でトルク分電流（ｑ軸電流）を流すと、モータジェネレータ１９２がトルクを発生して回転する。よって、トルク分電流（ｑ軸電流）をゼロにして励磁分電流（ｄ軸電流）だけを流すように制御すれば、モータジェネレータ１９２にトルクは発生しない。制御回路１７２は、電流指令値（ｄ軸電流、ｑ軸電流＝０）から電流指令値（Ｕ相電流、Ｖ相電流、Ｗ相電流）への２相３相変換を行い、ドライバ回路１７４は、電流指令値（Ｕ相電流、Ｖ相電流、Ｗ相電流）に基づいてインバータ回路１４４のスイッチング動作を行う。ｑ軸電流はゼロなので、モータジェネレータ１９２に供給される電流ｉu，ｉv，ｉwはｄ軸電流に相当する。
【００３６】
このように、制御回路１７２は、暖機モード時においては走行を禁止するようにインバータ回路１４４を制御する。逆に、走行中は、すなわち上位コントローラ２からτ≠０のトルク信号が入力されている場合には、暖機モードの実行を禁止する。
【００３７】
図６に示すように、この暖機駆動によりコンデンサモジュール５００の電荷が放電され、暖機駆動時間ｔnだけ経過するとコンデンサモジュール５００の電圧はゼロとなり、暖機駆動を一旦停止する。暖機駆動の停止タイミングとしては、予め時間ｔnを定めておいて、暖機駆動開始から時間ｔnが経過したら停止するようにしても良いし、電圧センサ６６で検出される電圧がほぼゼロとなった時点で停止するようにしても良い。また、暖機駆動中はスイッチング動作に伴う発熱により、半導体素子（ＩＧＢＴ３２８，３３０）の接合温度Ｔが低温状態Ｔj0から温度Ｔj1へと上昇する。そして、時間ｔnが経過して暖機駆動を一旦停止すると、半導体素子から金属ベース３０４や冷却水へと熱が逃げるため、接合温度Ｔjは下がり始める。
【００３８】
本実施形態では、このような放熱による温度低下も考慮して、暖機駆動停止後、休止時間ｔaが経過した時点での接合温度Ｔjが閾値Ｔth以上となったならば、暖機モードを終了する。ＩＧＢＴの耐圧は図８に示したような温度依存性があるので、図６に示すような暖機駆動による温度上昇によって耐圧も上昇する。閾値Ｔthは、電源電圧Ｖdでスイッチング動作した時の電圧跳ね上がりが耐圧を超えなくなるような温度に設定される。
【００３９】
前述したように、パワーモジュール３００は、スイッチング動作時の熱が効率良く放熱されるように、金属ベース３０４を冷却水で直に冷却するような構成が採られている。そのため、上述した休止時間ｔaを設けることで放熱による温度低下を考慮する必要がある。ただし、本実施の形態のように冷却水で直に冷却する構造の場合、暖機モード時には冷媒循環用ポンプ１９６（図１参照）は停止状態とされ冷却水は流れていないので、従来のように金属ベース３０４を金属製冷却ジャケットの表面に固定する場合に比べて、放熱が小さくなる。そのため、従来構造に比べて休止時間ｔaを短くすることができ、暖機時間は短くて済む。
【００４０】
（ステップＳ１５０）
ステップＳ１５０では、通常のモータ駆動モードへ移行する。すなわち、メインリレー６２およびサブリレー６３をオンしてコンデンサモジュール５００を電圧Ｖbまでプリチャージし、その後、サブリレー６３をオフした後にメインリレー６１をオンしてバッテリ１３６とインバータ回路１４４を接続して、トルク指令等の車両情報に基づくインバータ回路１４４のスイッチング動作を開始する。
【００４１】
図７に示すフローチャートは、図５に示した暖機モード動作の第１の変形例を示したものである。第１の変形例では、暖機モードの終了判定を接合温度Ｔjと閾値温度Ｔthとの比較で判定する代わりに、制御回路１７２に暖機駆動の回数をカウントするカウンタを設け、暖機駆動の回数Ｎが予め設定した回数Ｎ0に達したならば暖機モードを終了させる（ステップＳ２００）。所定回数Ｎ0については、例えば、想定使用環境が−４０℃〜１２５℃であるならば、接合温度Ｔjが−４０℃からＴthまで上昇させるのに必要な回数に設定する。
【００４２】
図８は第２の変形例を示す図である。
（ステップＳ３００）
ステップ３００では、入力される温度情報に基づいて、暖機モードが必要か否かを判定する。ステップＳ３００において、暖機が必要（ｙｅｓ）と判定されるとステップＳ１００へ進み、暖機が不要と判定されるとステップＳ１３０へ進む。ここでの温度情報としては、温度センサ６０の検出情報でも良いが、モータジェネレータ１９２に設けられている温度センサからのモータ温度情報や、車両側からの外気温情報などでも良い。
【００４３】
車両が長時間停止している状態においては、車両全体が外気温度とほぼ同じになっていると考えられるので、モータ温度や外気温度を接合温度Ｔjの代わりに用いることができる。また、車両停止直後のイグニッションオン時には、モータ温度は常温よりも高くなっており、パワーモジュール３００の温度も走行状態からそれほど低下していない。そのため、モータ温度によって、暖機モードが必要か否かを判断することができる。
【００４４】
ステップＳ３００で暖機が不要と判定される状況としては、例えば、車両走行後に一旦イグニッションをオフし、その後、短時間の間にイグニッションがオンされた場合がある。その場合には、接合温度Ｔjの温度低下が少なくて閾値Ｔthより大きいことが考えられる。変形例２では、そのような場合には暖機モードが省略されるので、速やかに車両をスタートさせることができるという利点がある。
【００４５】
図９は第３の変形例を示す図であり、この場合も温度情報に基づいて、暖機モードが必要か否かをステップＳ４００にて判定する。そして、暖機モードに入った場合には、ステップＳ４１０で暖機駆動の回数Ｎが所定回数Ｎ0に達したか否かを判定し、所定回数Ｎ0に達した場合には暖機モードを終了する。すなわち、暖機駆動を所定回数Ｎ0だけ行って暖機モードを終了する。
【００４６】
なお、図５のステップＳ９０では、暖機駆動停止から休止時間ｔaが経過した後の接合温度Ｔjが閾値Ｔtより大きいか否かによって、暖機モードを終了するか否かを判定したが、例えば、暖機駆動時の温度変化（温度勾配）の大小によって暖機モードの終了を判定するようにしても良い。すなわち、温度勾配が所定値より大きい場合には暖機モードを継続し、温度勾配が所定値以下となったならば、暖機モードを終了してモータ駆動モードに移行する。
【００４７】
また、上述した実施形態では、イグニッションオン動作が行われた直後のみに暖機モードを実行したが、モータ駆動モードに入った後にも、車両停車中であって接合温度ＴjがＴthよりも低下した場合には、暖機モードを実行するようにしても良い。例えば、低温環境において、短時間だけ走行した後に停車（ＩＧＮはオン状態）してモータ停止状態を計測した場合には、次に走行しようとした場合に接合温度ＴjがＴthを下回っている場合も生じる。そのような場合には、温度センサ６０の検出温度Ｔに基づいて暖機モードを実行する。
【００４８】
上述した実施形態では、暖機モード時にトルク分電流（ｑ軸電流）をゼロとするようにスイッチングを制御して、車両走行禁止状態となるようにしていたが、ｑ軸電流をゼロとする方法以外の方法を用いても良い。例えば、暖機駆動時の電流をモータジェネレータ１９２へ流すのではなく、図２の電流ｉcup、ｉcunで示すように、上アーム側半導体スイッチユニットＵｐおよび上アーム側半導体スイッチユニットＵｎの上下間の半導体素子に電流を流すようにしても良い。この場合、Ｕ，Ｖ，Ｗの順に（ｉcup、ｉcun）、（ｉcvp、ｉcvn）、（ｉcwp、ｉcwn）を流して、全ての半導体スイッチユニットＵｐ〜Ｗｐ，Ｕｎ〜Ｗｎの暖機を行うようにする。
【００４９】
また、車両が動き出さない程度のトルクで電流を流すようにしても良い。例えば、相が移動するかしないかの程度で、正転・逆転を繰り返し行う。
【００５０】
図１の変速機１１８とモータジェネレータ１９２との間にクラッチが設けられるような車両の場合には、暖機モード時に、このクラッチにより変速機１１８の入力軸とモータジェネレータ１９２の出力軸とを切り離して、車両走行禁止状態とする。その場合、イグニッションオン時に暖機モードに入ると、制御回路１７２から車両側の上位コントローラ２へと走行禁止信号が入力され、上位コントローラ２は、変速機１１８の入力軸とモータジェネレータ１９２の出力軸とが切り離された状態となるようにクラッチを制御する。暖機モードが終了すると、走行禁止信号は解除される。
【００５１】
このように、暖機モード時にはモータ駆動による走行が禁止されるので、暖機モードに要する時間は短い方が良い。図１０は、スイッチング期間ｔon, ｔoffを長くすることにより損失を増加して、発熱増大による暖機時間の短縮を図った場合の電圧・電流波形を示す図である。図１０に示すスイッチング動作では、スイッチングの繰り返し周期ＳＴは図３に示す通常のスイッチング動作（例えば、モータ駆動モード時）の場合と同一であるが、オンに移行する期間ｔonwおよびオフに移行する期間ｔoffwの長さを図３の場合のｔon、ｔoffよりも長く設定した。その結果、発熱増加により暖機駆動の回数を減らすことができ、より早くモータ駆動モードに入ることが可能となる。
【００５２】
このように、移行期間ｔon，ｔoffのスイッチング動作をなだらかにすることにより、この期間で発生する電流と電圧との積である損失を増加させることができる。その結果、損失増大により素子温度上昇の効果をより大きくすることができ、暖機モードに要する時間の短縮を図ることができる。
【００５３】
また、スイッチング動作をなだらかにすることでサージ電圧が小さくなり、半導体素子（ＩＧＢＴ３２８，３３０）に印加される跳ね上りの最大電圧Ｖcepwは、図３に示すＶcepよりも小さくなる。跳ね上がり電圧が小さくなった分だけ暖機モード時のコンデンサ充電電圧Ｖcをより大きく設定しても、半導体素子の耐圧を超えることがない。そして、電圧Ｖcを大きく設定することは、発熱の増大に寄与する。この場合、スイッチング動作をなだらかにすることで、Ｖc→Ｖbとした場合でもスイッチング時の跳ね上がりの最大電圧Ｖcepwを耐圧以下に抑えられれば、電圧Ｖbで暖機駆動を行っても良い。
【００５４】
図１１は、暖機モードの時間短縮に関する他の例を示す図である。図１１に示す例では、オン移行期間ｔonとオフ移行期間ｔoffは図７に示す場合と同一長さで、繰り返し周期ＳＴsを図３の周期ＳＴよりも短くした。この場合は、一周期当たりの発熱（損失）は定常損失の部分がやや小さくなるだけなのでほぼ同じとなる。しかし、ＳＴ＞ＳＴsであるので、暖機駆動一回当たりの時間が短くなり、暖機モードの時間短縮を図ることができる。
【００５５】
図２に示した構成では、暖機モード時もバッテリ１３６からの電力を用いて暖機駆動を行った。そのため、暖機駆動時に、ＩＧＢＴのコレクタ−エミッタ間電圧Ｖceがサージ電圧の発生より耐圧を超えないように、プリチャージではコンデンサモジュール５００の端子間電圧Ｖcをバッテリ電圧Ｖbより低くなるようにした。
【００５６】
そこで、図１２に示す例では、バッテリ１３６とは別の低圧電源７０を設け、暖機モードの際には低圧電源７０の電力により暖機駆動を行うような構成とした。バッテリ７１は補機用バッテリであり、例えば、端子電圧は１４Ｖである。暖機駆動に用いる場合にはＤＣ／ＤＣコンバータ７２を用いて所定の暖機駆動電圧Ｖcまで昇圧する。暖機モード時には、リレー６１〜６３をオフし、リレー７３をオンする。暖機モードが終了したならばリレー７３をオフし、モータ駆動モードに移行する。
【００５７】
図２に示す構成では、コンデンサモジュール５００に蓄えられた電荷をスイッチング動作により放電して暖機駆動を行っているので、コンデンサモジュール５００をチャージする動作が必要となり、図６のように短期間の暖機駆動を繰り返し行った。一方、図１２の構成では、低圧電源７０の電圧はＶcと低いので連続的に暖機駆動を行うことができ、暖機時間の短縮が図れる。温度センサ６０の温度により暖機モード終了を判定する場合には、例えば、温度Ｔから推定される接合温度Ｔjが閾値Ｔthを超えたならば暖機駆動を停止し、プリチャージ後の暖機駆動時の温度変化が所定値より小さくなったならば暖機モードを終了する。
【００５８】
なお、図１２においては、Ｖcを低く抑えることで、コンデンサモジュール５００を充電する際の充電抵抗を省略したが、充電抵抗を設けても構わない。７４は車両側に設けられた報知装置であり、この報知装置７４により暖機中であることを報知する。例えば、インスツルメントパネルに液晶表示パネルを設けて報知装置７４としても良く、運転者は液晶表示装置の表示（例えば、暖機中を示すマーク）により、暖機中であること容易に知ることができる。ここでは、報知装置７４を液晶表示装置としてが、音声で暖機中であることを報知しても良い。
【００５９】
以上説明したように、本実施の形態の車両用電力変換装置においては、以下のような作用効果を奏する。
（１）制御回路１７２は、モータ駆動モードと暖機モードとのいずれか一方を選択してインバータ回路１４４を制御することができ、モータ駆動モードでは、インバータ回路１４４の上下アーム間に電圧Ｖbを印加して走行時スイッチング動作を行わせ、暖機モードでは、上下アーム間に電圧Ｖbよりも低い電圧Ｖcを印加してスイッチング動作を行わせる。そして、イグニッションオン信号（車両起動信号）が入力されると、まず、暖機モードでインバータ回路１４４を制御する。その結果、ＩＧＢＴ３２８，３３０の温度が暖機モードにより予め上昇するため、低温による耐圧の低下を防止でき、モータ駆動モード時の電圧が耐圧を超えるのを防止することができる。
（２）また、暖機モードにおけるＩＧＢＴ３２８，３３０のターンオン期間およびターンオフ期間を駆動モード時よりも長く設定したり、ターンオンから次のターンオンまでのスイッチング周期を駆動モード時よりも短く設定したりすることで、イグニッションオン信号（車両起動信号）入力時のＩＧＢＴ３２８，３３０の暖機に加えて、暖機モードに要する時間の短縮を図ることができる。さらに、暖機モードにおける上下アーム間の電圧を、モータ駆動モード時よりも低い電圧Ｖcとすることで、暖機モード時における耐圧オーバーを確実に防止することができる。
（３）インバータ装置に設けられた平滑用のコンデンサモジュール５００を端子電圧がＶcと成るように充電し、充電により蓄えられた電荷をスイッチング動作により放電することで、ＩＧＢＴ３２８，３３０を暖機するようにしても良い。このように従来から備えられている平滑用コンデンサを暖機駆動に利用することで、装置のコストアップを抑えつつ暖機を行うことができる。
（４）暖機モードにおいて、モータジェネレータ１９２に対するｑ軸電流がほぼゼロとなるようにインバータ回路１４４のスイッチング動作を制御することにより、モータジェネレータ１９２の回転により車両が動き出すのを確実に防止することができる。また、ｑ軸電流をほぼゼロとする代わりに、上下アームが短絡されるようにスイッチング動作させても良い。
（５）また、制御回路１７２に入力される温度情報、例えば、接合温度、モータ温度や外気温に基づいて、イグニッションオン信号が入力されたときの暖機モードを実行するか否かを決定するようにしても良い。そうすることで、ＩＧＢＴ３２８，３３０の接合温度Ｔjが閾値Ｔthを超えている場合には、不要な暖機モードが実行されることがない。
（６）暖機モードを行う場合、ＩＧＢＴ３２８，３３０の接合温度Ｔjに相関する温度として素子近傍温度Ｔを温度センサ６０で検出し、検出された温度Ｔが閾値Ｔthに対応する温度を越えた場合に暖機モードを終了する。そうすることで、暖機モードを必要かつ十分な時間だけ行うことができる。また、暖機モード実行中の温度変化の勾配が所定値より小さくなったならば暖機モードを終了するようにしても良い。
（７）車両側からトルク指令が入力されているときには暖機モードを実行しないように制御することで、走行中に暖機モードが開始されるのを防止することができる。
（８）上述したような、イグニッションスイッチオン時に暖機モードを実行する車両用電力変換装置を搭載する電動車両において、報知装置７４により暖機モード実行中であることを乗員に報知することで、乗員は自動的に暖機モードが実行されていることを認識することができ、車両状況の把握に役立つ。
（９）また、暖機モード実行中に車両側のクラッチを切断状態にすることにより、暖機モード時に仮にモータジェネレータ１９２が回転したとしても、車両が動き出すのを確実に防止することができる。
【００６０】
以上の説明はあくまで一例であり、本発明は上記実施形態の構成に何ら限定されるものではない。例えば、上述した実施形態では、インバータ回路１４４を３相出力型として説明したが、３相に限定されるものではなく、各相の上下アームは、２つのユニットを並列接続したものであってもよい。また、回転電機駆動用電力変換装置に限定するものではなく、インバータ、コンバータ等全ての電力変換装置に利用することも可能である。
【符号の説明】
【００６１】
２：上位コントローラ、２０：制御回路基板、２２：駆動回路基板、４３，１４０，１４２：インバータ装置、６０：温度センサ、６１，６２：メインリレー、６３：サブリレー、６４：充電抵抗、７０：低圧電源、７１，１３６：バッテリ、７２：ＤＣ／ＤＣコンバータ、７３：リレー、７４：報知装置、１４４：インバータ回路、１５６，１６６：ダイオード、１７２：制御回路、１７４：ドライバ回路、１９２，１９４：モータジェネレータ、１９６：冷媒循環用ポンプ、２００：車両用電力変換装置、３００：パワーモジュール、Ｕｐ〜Ｗｐ：上アーム側半導体スイッチユニット、Ｕｎ〜Ｗｐ：下アーム側半導体スイッチユニット
【図１】
2010178582.tif 000003
【図２】
2010178582.tif 000004
【図３】
2010178582.tif 000005
【図４】
2010178582.tif 000006
【図５】
2010178582.tif 000007
【図６】
2010178582.tif 000008
【図７】
2010178582.tif 000009
【図８】
2010178582.tif 000010
【図９】
2010178582.tif 000011
【図１０】
2010178582.tif 000012
【図１１】
2010178582.tif 000013
【図１２】
2010178582.tif 000014