(57)【要約】【課題】インバータ装置において、高精度にサージ電圧を抑制して低損失化を図る。【解決手段】インバータ装置１のスイッチングトランジスタ１２〜２２をオンオフ駆動するドライブ回路２４と、ドライブ回路２４を制御するコントローラ２８を設ける、ドライブ回路２４から供給されるゲート電圧を、スイッチング素子のターンオン時に一定時間だけ相対的に低い制御電圧とし、一定時間を経過した後に相対的に高い制御電圧に切り替えるようにし、かつ、一定時間と、相対的に低い制御電圧と、相対的に高い電圧の少なくともいずれかを所定の初期値から順次調整することで最適化する。【選択図】図１
2010011609.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流電源に直列接続された複数組のスイッチング素子と、
前記スイッチング素子の各出力端に逆並列接続された帰還ダイオードと、
前記複数組のスイッチング素子をオンオフ制御すべく前記スイッチング素子に制御電圧を印加する制御回路と、
を有し、前記制御回路は、前記スイッチング素子のターンオン時に一定時間だけ相対的に低い制御電圧とし、前記一定時間を経過した後に相対的に高い制御電圧に切り替え、かつ、前記一定時間と、前記相対的に低い制御電圧と、前記相対的に高い電圧の少なくともいずれかを所定の初期値から順次調整することを特徴とするインバータ装置。
【請求項２】
請求項１記載の装置において、
前記所定の初期値は、所定の入力値と前記一定時間、前記相対的に低い制御電圧、前記相対的に高い電圧の少なくともいずれかとの関係を規定するマップに応じて設定されることを特徴とするインバータ装置。
【請求項３】
請求項２記載の装置において、
前記所定の入力値は、電源電圧、電流指令値、温度、気圧の少なくともいずれかであることを特徴とするインバータ装置。
【請求項４】
請求項１記載の装置において、
前記制御回路は、前記所定の初期値を用いて前記制御電圧を設定して前記スイッチング素子をターンオンしたときに検出されたサージ完了タイミングに応じて前記所定の初期値を調整することを特徴とするインバータ装置。
【請求項５】
請求項１記載の装置において、
前記制御回路は、前記所定の初期値を用いて前記制御電圧を設定して前記スイッチング素子をターンオンしたときに検出されたサージ電圧の最大値に応じて前記所定の初期値を調整することを特徴とするインバータ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はインバータの駆動装置、特にサージ電圧の抑制に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、インバータ装置の逆並列ダイオードのリカバリ時のサージ電圧を抑制する技術が提案されている。
【０００３】
下記の特許文献１には、それぞれ高速ダイオードを逆並列接続した複数の電圧駆動形素子をブリッジ接続したブリッジ回路の各電圧駆動形素子のゲートを駆動する電圧駆動形素子の駆動回路において、各素子のゲート駆動信号の入力に応じて所定のパターンで順次電圧が増大するゲート駆動電圧を発生するゲート電圧発生回路を備えることが記載されている。
【０００４】
また、下記の特許文献２には、直流電源に対して直列接続した複数組の電圧駆動形の半導体スイッチング素子と、この半導体スイッチング素子の各出力端に逆並列接続した帰還ダイオードと、各半導体スイッチング素子をオンオフ制御する制御回路を有し、半導体スイッチング素子の各直列接続点において結線される負荷を通電制御するインバータ装置において、直列接続した一方の半導体スイッチング素子がターンオンに移行する際に、直列した他方の半導体スイッチング素子に逆並列接続した帰還ダイオードに流れるリカバリ電流を検出するリカバリ電流検出手段と、リカバリ電流が略最大となる時点までは遅いターンオン速度とし、到達した後は速いターンオン速度にするターンオン速度変更手段を設けることが記載されている。
【０００５】
【特許文献１】特開平３−９３４５７号公報
【特許文献２】特開平８−１７２７６９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ゲート電圧を順次増大するように制御することでリカバリ電流によるサージ電圧を抑制して低損失を図ることは可能であるが、所定のパターンでゲート電圧を切り替えるのでは製品毎のバラツキに対応することができず、最適のタイミングでゲート電圧が切り替わらないことも想定され、場合によっては耐圧破壊に至るおそれもある。また、リカバリ電流のピークを検出してゲート電圧を切り替える構成としても、実際にはリカバリ電流のピークとサージ電圧の発生タイミングにはオフセットがあり、しかもこのオフセットは素子や回路駆動条件により変動し得るものであるため、同様に最適のタイミングでゲート電圧が切り替わらないおそれがある。
【０００７】
図５に、上記の特許文献２に記載されたゲート電位、リカバリ電流、サージ電圧の波形を示す。リカバリ電流のピーク時点とサージ電圧最大の時点にはオフセットＡが存在し、しかもこのオフセットＡは固定値ではなく回路条件に応じて変動する。したがって、単にリカバリ電流のピークを検出してゲート電圧を切り替えるのみではサージ電圧を確実に抑制することは困難である。
【０００８】
本発明の目的は、高精度にサージ電圧を抑制して低損失化を図ることができるインバータ装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、直流電源に直列接続された複数組のスイッチング素子と、前記スイッチング素子の各出力端に逆並列接続された帰還ダイオードと、前記複数組のスイッチング素子をオンオフ制御すべく前記スイッチング素子に制御電圧を印加する制御回路とを有し、前記制御回路は、前記スイッチング素子のターンオン時に一定時間だけ相対的に低い制御電圧とし、前記一定時間を経過した後に相対的に高い制御電圧に切り替え、かつ、前記一定時間と、前記相対的に低い制御電圧と、前記相対的に高い電圧の少なくともいずれかを所定の初期値から順次調整することを特徴とする。
【００１０】
本発明の１つの実施形態では、前記所定の初期値は、所定の入力値と前記一定時間、前記相対的に低い制御電圧、前記相対的に高い電圧の少なくともいずれかとの関係を規定するマップに応じて設定される。
【００１１】
また、本発明の他の実施形態では、前記制御回路は、前記所定の初期値を用いて前記制御電圧を設定して前記スイッチング素子をターンオンしたときに検出されたサージ完了タイミングに応じて前記所定の初期値を調整する。
【００１２】
また、本発明の他の実施形態では、前記制御回路は、前記所定の初期値を用いて前記制御電圧を設定して前記スイッチング素子をターンオンしたときに検出されたサージ電圧の最大値に応じて前記所定の初期値を調整する。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、高精度にサージ電圧を抑制して低損失化を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、図面に基づき本発明の実施形態について説明する。
【００１５】
図１に、本実施形態におけるインバータ装置の回路構成を示す。インバータ装置１は、バッテリ１０に接続されるスイッチングトランジスタ１２、１４、１６、１８、２０、２２と、逆並列接続された帰還ダイオード１３、１５、１７、１９、２１、２３と、各スイッチングトランジスタのオンオフを制御するドライブ回路２４を含んで構成される。なお、図ではスイッチングトランジスタ２４のオンオフを制御するドライブ回路２４のみが示されているが、図中破線で示すように、他のスイッチングトランジスタにも同様のドライブ回路２４が設けられる。インバータ装置１の接続点ｕ、ｖ、ｗには三相モータ２６が結線され、所定のトルクを出すようにドライブ回路２４がオン、オフを制御する。インバータ装置１は、例えばハイブリッド車両に組み込まれる。スイッチングトランジスタ１２は例えばＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）であり、帰還ダイオード１３はカソードがスイッチングトランジスタ１２のコレクタに接続され、アノードがスイッチングトランジスタ１２のエミッタに接続される。他の帰還ダイオードについても同様である。各ドライブ回路２４はコントローラ２８からの指令によりゲート電圧を各スイッチングトランジスタに供給する。コントローラ２８は、後述するように、システム電圧等に応じて各ドライブ回路２４のゲート電圧を制御する。
【００１６】
このような構成において、スイッチングトランジスタをターンオンした場合、ダイオード１３にキャリアを放出して逆回復するまで瞬時短絡状態となり、その後、ダイオード１３に逆方向に逆回復電流が流れて逆方向特性を回復するが、逆回復電流の減衰が急になると回路のインダクタンスによる過大サージ電圧がダイオード１３等に印加され、場合によっては素子破壊が生じるおそれもある。
【００１７】
サージ電圧はリカバリ電流の変化率とインダクタンスで決まり、浮遊インダクタンスを減少させることは配線上から限界があるので、一般にリカバリ電流の変化率（ｄｉ／ｄｔ）を減少させる方法が採用される。具体的には、特許文献１にあるように、ゲート電圧の立ち上がり時にゲート電圧の大きさを時間的に切り替える。但し、本実施形態では、そのタイミングをより高精度に調整することでサージ電圧の抑制と低損失を図る。すなわち、リカバリ電流の減衰が急となる時点においてサージ電圧が最大となるから、このサージ電圧が完了するまで（スイッチングトランジスタ１８がオンしてから電流が流れ、サージが完了するまでの時間）をターンオン時間とし、この時間においてはゲート電圧を相対的に小さく設定し、ターンオン時間後にゲート電圧を相対的大きくしてサージ電圧を抑制する。そして、ゲート電圧を切り替えるタイミングを、システム電圧や電流指令、インバータ温度、気圧等により調整することで最適化する。
【００１８】
図２に、本実施形態におけるドライブ回路２４から出力される、スイッチングトランジスタ１８のゲートに印加されるゲート電圧（制御電圧）のタイミングチャートを示す。図２（ａ）は、スイッチングトランジスタ１８の電圧波形１００、電流波形１０２、スイッチングトランジスタ１８の対アームの電圧波形１０４である。図２（ｂ）は、ゲート電圧のタイミングチャートであり、ゲート電圧を切り替えない場合のゲート電圧波形１０６と本実施形態におけるゲート電圧波形１０８を示す。
【００１９】
ゲート電圧をＶｇ’に設定すると、所定の遅延時間（これをゲート遅延時間という）後に電流が流れ、リカバリ電流によりサージ電圧も上昇する。そして、リカバリ電流の減衰が急となる時点においてサージ電圧が最大点Ｐとなる。スイッチングトランジスタが通電開始後、ターンオン動作を終了するまでの時間がターンオン時間である。一般的には、電流指令の１０％から９０％立ち上がりの時間で定義されるが、本実施形態では、通電開始後、サージが完了するまでの時間と定義する。サージ完了タイミングは、ターンオン電流を検出することで取得することができる。製品毎のバラツキを考慮してマージンを確保すると、ゲート電圧を切り替えるタイミングｔｄは、
ｔｄ＝ゲート遅延時間＋ターンオン時間＋マージン    ・・・・（１）
である。そして、スイッチングトランジスタ１８のオンタイミングから時間ｔｄが経過するまではゲート電圧をＶｇ’より相対的に小さいＶｇに設定してサージ電圧を抑制し、時間ｔｄを経過した後にゲート電圧を相対的に大きいＶｇ’に切り替えてオン抵抗を抑制し、定常損を抑制する。
【００２０】
ドライバ回路２４は、このように時間ｔｄが経過するまではＶｇを出力し、時間ｔｄが経過した後はＶｇ’を出力するが、この時間ｔｄ及びＶｇは予めメモリに記憶されたマップに基づいて決定される。
【００２１】
図３に、時間ｔｄ及び電圧Ｖｇを決定するマップの一例を示す。入力値として、システム電圧（電源電圧）、電流指令値、インバータ温度、気圧等があり、これらに基づいて時間ｔｄと電圧Ｖｇを決定する。システム電圧が大きくなればサージ電圧ピークもその分だけ上がるので、システム電圧に応じて時間ｔｄあるいは電圧Ｖｇを決定する必要がある。具体的には、システム電圧が大きいほどサージ電圧のピークがその分だけ増大するので電圧Ｖｇを小さくする。時間ｔｄを大きくしてもよい。インバータ温度が高くなれば素子耐圧が増大するのでその分だけ耐圧が余裕が生じるため、電圧Ｖｇを大きくすることができる。時間ｔｄを小さくしてもよい。また、気圧が下がると機械部分の絶縁性能が低下するので電圧Ｖｇを小さくする。一例として、システム電圧が１００Ｖ、電流指令値が１００Ａ、インバータ温度が１００℃、気圧が１０００ｈＰａの場合に時間ｔｄを２μｓ、電圧Ｖｇを１４Ｖとする等である。図３のマップは、ドライブ回路２４を制御するコントローラ２８のメモリに予め記憶しておく。複数の入力値に対して出力値を定めておき、マップにない入力値及び出力値は、その前後の値から線形補間して算出する。なお、時間ｔｄに関しては、定性的には、電流が大きくなるほどこれに応じて増大させ、温度が高くなるほどこれに応じて小さくするのが望ましい。
【００２２】
一方、このように予めマップを作成してコントローラ２８のメモリに記憶しておき、システム電圧（電源電圧）等に応じて時間ｔｄと電圧Ｖｇを設定したとしても、初期状態では（１）式に示すようにマージンを確保せざるを得ず、必ずしも最適とはならない。そこで、実際にインバータ装置１を駆動した際の入力に対するサージタイミングやピーク電圧を検出し、検出値に応じてマップを動的に変化させることでマップを学習することが好適である。具体的には、図３のマップを初期状態のマップとし、システム電圧が１００Ｖ、電流指令値が１００Ａ、インバータ温度が１００℃、気圧が１０００ｈＰａの場合に時間ｔｄを２μｓ、電圧Ｖｇを１４Ｖに設定したとする。そして、この条件でインバータ装置１を駆動し、そのときのサージタイミング及びピーク電圧を検出する。そして、実際のサージタイミングが想定値より遅い場合にはｔｄを大きくして３μｓとし、実際のピーク電圧が想定値より大きい場合には電圧Ｖｇを小さくして１３Ｖとしてマップを更新する。
【００２３】
図４に、実際に検出されたサージタイミングとピーク電圧を用いて学習したマップを用いて調整されたゲート電圧波形を示す。ゲート電圧波形１０８は学習前のゲート電圧波形であり、ゲート電圧波形１１０は学習後のゲート電圧波形である。マージン分がなくなり、正確に時間ｔｄ’として設定されている点に留意されたい。マップの学習は、マージン分を除去するために行うということもできる。
【００２４】
本実施形態では、マップにおける時間ｔｄと電圧Ｖｇを共に学習により調整するものとしているが、時間ｔｄのみ、あるいは電圧Ｖｇのみを学習により調整してもよい。この場合、インバータ装置１を実際に駆動したときに検出すべき物理量も、サージタイミングのみ、あるいはピーク電圧のみとしてもよい。
【００２５】
他のマップを具体的に例示すると以下のとおりである。
【００２６】
入力値としてシステム電圧、電流指令、インバータ温度、気圧とし、出力値として時間ｔｄのみを規定する。Ｖｇは固定値とする。初期状態では時間ｔｄの初期値としてマップに規定された初期値を設定してインバータ装置１を駆動する。そして、インバータ装置１を駆動したときのサージ完了タイミングを検出してマップの時間ｔｄを調整する。
【００２７】
また、入力値としてシステム電圧、電流指令、インバータ温度、気圧とし、出力値として電圧Ｖｇのみを規定する。時間ｔｄは固定値とする。初期状態では電圧Ｖｇの初期値としてマップに規定された初期値を設定してインバータ装置１を駆動する。そして、インバータ装置１を駆動したときのサージ電圧のピークを検出してマップの電圧Ｖｇを調整する。
【００２８】
また、入力値としてシステム電圧、インバータ温度とし、出力値として時間ｔｄ及び電圧Ｖｇとする。初期状態では時間ｔｄ及び電圧Ｖｇの初期値としてマップに規定された初期値を設定してインバータ装置１を駆動する。そして、インバータ装置１を駆動したときのサージ完了タイミングを検出してマップの時間ｔｄを調整するとともに、インバータ装置１を駆動したときのサージ電圧のピークを検出してマップの電圧Ｖｇを調整する。
【００２９】
また、入力値としてシステム電圧、インバータ温度とし、出力値として時間ｔｄ及び電圧Ｖｇ’とする。Ｖｇは固定値とする。初期状態では時間ｔｄ及び電圧Ｖｇ’の初期値としてマップに規定された初期値を設定してインバータ装置１を駆動する。そして、インバータ装置１を駆動したときのサージ完了タイミングを検出してマップの時間ｔｄを調整するとともに、インバータ装置１を駆動したときのサージ電圧のピークを検出してマップの電圧Ｖｇ’を調整する。
【００３０】
また、入力値としてシステム電圧、インバータ温度とし、出力値として時間ｔｄ、電圧Ｖｇ、Ｖｇ’とする。初期状態では時間ｔｄ及び電圧Ｖｇ、Ｖｇ’の初期値としてマップに規定された初期値を設定してインバータ装置１を駆動する。そして、インバータ装置１を駆動したときのサージ完了タイミングを検出してマップの時間ｔｄを調整するとともに、インバータ装置１を駆動したときのサージ電圧のピークを検出してマップの電圧Ｖｇ、Ｖｇ’を調整する。
【００３１】
本実施形態において、マップを学習（あるいは調整）するタイミングは任意である。インバータ装置１を駆動する毎に実施してもよく、所定周期で実施してもよい。入力値が大きく変動するタイミングで実施してもよい。調整するときに、設定値としてマップに規定されていない補間値を用いてインバータ装置１を駆動した場合、補間の元となった前後の値を調整することはいうまでもない。
【００３２】
また、マップの出力値として時間ｔｄと電圧Ｖｇを規定し、これらをともに調整する場合においても、時間ｔｄと電圧Ｖｇを同じタイミングで調整する必要はなく、あるタイミングで時間ｔｄのみを調整し、別のタイミングで電圧Ｖｇのみを調整してもよい。例えば、インバータ装置１を駆動し、サージ完了タイミングを検出してまず時間ｔｄを調整する。その後、再びインバータ装置１を駆動し、サージ電圧のピークを検出して電圧Ｖｇを調整してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】実施形態のインバータ装置の回路構成図である。
【図２】実施形態の電流、電圧、サージ電圧波形とゲート電圧波形を示すタイミングチャートである。
【図３】実施形態のマップ説明図である。
【図４】ゲート電圧波形の調整説明図である。
【図５】ゲート電位とリカバリ電流とサージ電圧の波形説明図である。
【符号の説明】
【００３４】
１  インバータ装置、１０  バッテリ、１２，１４，１６，１８，２０，２２  スイッチングトランジスタ、１３，１５，１７，１９，２１，２３  帰還ダイオード、２４  ドライブ回路、２６  三相モータ、２８  コントローラ。
【図１】
2010011609.tif 000003
【図２】
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【図３】
2010011609.tif 000005
【図４】
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【図５】
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