(57)【要約】【課題】昇降圧コンバータ及びインバータを構成する各スイッチング素子を小型とすることによって電力変換装置全体を小型化すること。【解決手段】電力変換装置４０の昇降圧コンバータ１２における各スイッチング素子２１，２２と、インバータ１３における各スイッチング素子３４〜３９とに、スイッチング素子３５に代表して示すように感温ダイオード４１を内蔵したタイプのものを用いる。感温ダイオード４１で検出された各スイッチング素子２１〜２２，３４〜３９の温度が予め定められた閾値を超えた場合に、駆動制御部４３で、昇降圧コンバータ１２の出力電圧（以降、昇圧電圧と称す）Ｖｃｃを、各スイッチング素子２１〜２２，３４〜３９の最高使用温度時の遮断耐量を確保できる電圧値（所定値）まで下げる。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
バッテリーの直流電力を昇圧する複数のスイッチング素子を有する昇降圧コンバータと、この昇降圧コンバータでの昇圧電圧を交流電圧に変換する複数のスイッチング素子を有するインバータとを備え、インバータで変換された交流電圧で負荷装置を駆動する電力変換装置において、
前記昇降圧コンバータ及び前記インバータのスイッチング素子の温度を検出し、この検出された温度に基づいて、前記昇圧電圧を下げる制御を行う制御手段を備えることを特徴とする電力変換装置。
【請求項２】
前記制御手段は、前記昇圧電圧を下げる制御を行う際に、前記検出された温度が予め定められた閾値を超えた場合に、前記昇圧電圧を、当該スイッチング素子の最高使用温度時の遮断耐量を確保できる所定値まで下げる制御を行うことを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
【請求項３】
前記制御手段は、前記昇圧電圧を下げる制御を行う際に、前記スイッチング素子の上昇する温度を検知しながら当該スイッチング素子の遮断耐量が確保できるように前記昇圧電圧を徐々に下げる制御を行うことを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
【請求項４】
前記スイッチング素子の温度を検出する手段として、当該スイッチング素子内に温度を検出し、この検出した温度に応じた電流を前記制御手段へ流す感温ダイオードを備えたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の電力変換装置。
【請求項５】
前記スイッチング素子の温度を検出する手段として、前記昇降圧コンバータ及び前記インバータの当該スイッチング素子を含む電気部品が実装される基板に配設され、当該電気部品を冷却水で冷却する冷却器に、前記冷却水の温度を検出し、この検出した温度に応じた電流を前記制御手段へ流す水温センサを備えたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の電力変換装置。
【請求項６】
前記スイッチング素子の温度を検出する手段として、前記昇降圧コンバータ及び前記インバータを収納する筺体内に、当該筺体内の雰囲気温度を検出し、この検出した温度に応じた電流を前記制御手段へ流す温度センサを備えたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の電力変換装置。
【請求項７】
前記制御手段は、前記スイッチング素子の過電流を検出した際に該当スイッチング素子をオフとする制御を行うことを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の電力変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ  Ｇａｔｅ  Ｂｉｐｏｌａｒ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）などの電力変換用のスイッチング素子を用いて交流モータやモータジェネレータを駆動する電力変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、電力変換装置として例えば特許文献１に記載のものが有る。この電力変換装置は、図１に符号１０で示す回路構成から成り、バッテリー１１と、昇降圧コンバータ１２と、モータジェネレータ（負荷装置）ＭＧを駆動制御するインバータ１３と、蓄電の役割も有するサージ電圧吸収用のコンデンサ１５とを備えて構成されている。なお、電力変換装置１０は１つの筺体に収容されて構成されている。
【０００３】
バッテリー１１は、昇降圧コンバータ１２に接続されており、昇降圧コンバータ１２に直流電力を供給し、また昇降圧コンバータ１２から回生される直流電力を蓄電する。
【０００４】
昇降圧コンバータ１２は、バッテリー１１から供給された直流電力を昇圧してインバータ１３へ出力し、またインバータ１３から出力された直流電力を降圧してバッテリー１１へ出力する。また、昇降圧コンバータ１２は、コンデンサ２３と、リアクトル２４と、高圧側の半導体素子である上アーム用のスイッチング素子（電力変換用スイッチング素子）２１と、高圧ＧＮＤ（グランド）側の半導体素子である下アーム用のスイッチング素子（電力変換用スイッチング素子）２２と、ダイオードＤ１，Ｄ２を含んで構成されている。
【０００５】
これら構成要素は、バッテリー１１の正極側にコンデンサ２３及びリアクトル２４の一端が接続され、負極側にコンデンサ２３の他端とスイッチング素子２２のエミッタ端子が接続されている。スイッチング素子２１とスイッチング素子２２とは直列に接続されており、リアクトル２４の他端は、その間、つまりスイッチング素子２１のエミッタ端子及びスイッチング素子２２のコレクタ端子に接続されている。
【０００６】
上アーム用のスイッチング素子２１のコレクタ端子は、後述するインバータ１３の一端側に接続されている。下アーム用のスイッチング素子２２のエミッタ端子は、インバータ１３の他端側に接続されている。スイッチング素子２１のコレクタ−エミッタ間には、エミッタ側からコレクタ側に電流を流すダイオードＤ１が接続され、同様にスイッチング素子２２のコレクタ−エミッタ間にもダイオードＤ２が接続されている。
【０００７】
モータジェネレータＭＧは、インバータ１３に接続されており、バッテリー１１から供給される電力により駆動する。発電機として働く場合は、交流電力をインバータ１３に出力する。
【０００８】
インバータ１３は、互いに並列に接続されており、昇降圧コンバータ１２によって昇圧された直流電力を三相交流に変換して、モータジェネレータＭＧに出力する。また、モータジェネレータＭＧが発電機として働く場合は、モータジェネレータＭＧから出力される交流電力を直流に変換して昇降圧コンバータ１２に出力する。
【０００９】
また、インバータ１３は、Ｕ相３１、Ｖ相３２及びＷ相３３からなり、Ｕ相３１、Ｖ相３２及びＷ相３３は、昇降圧コンバータ１２に並列に接続されている。Ｕ相３１は、高圧側の半導体素子の上アーム用のスイッチング素子３４と高圧ＧＮＤ側の半導体素子の下アーム用のスイッチング素子３５とが直列に接続されてなる。同様に、Ｖ相は上アーム用のスイッチング素子３６と下アーム用のスイッチング素子３７、Ｗ相は上アーム用のスイッチング素子３８と下アーム用のスイッチング素子３９が直列に接続されてなる。
【００１０】
各スイッチング素子３４〜３９のコレクタ−エミッタ間には、エミッタ側からコレクタ側へ電流を流すダイオードＤ３〜Ｄ８がそれぞれ接続されている。ＵＶＷ各相の中間点は、モータジェネレータＭＧの各相コイル（図示略）の各相端に接続されている。ここで、昇降圧コンバータ１２及びインバータ１３にそれぞれ含まれるスイッチング素子は、ＩＧＢＴ等のパワーデバイスが用いられているとする。
【００１１】
このような電力変換装置１０においては、バッテリー１１の直流電力が昇降圧コンバータ１２で昇圧されてインバータ１３で三相交流に変換され、この三相交流でモータジェネレータＭＧが駆動される。一方、モータジェネレータＭＧが発電機として働く場合は、モータジェネレータＭＧから出力される交流電力がインバータ１３で直流電力に変換され、更に昇降圧コンバータ１２で降圧されてバッテリー１１に回生される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】特開２００５−２０４３６３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
しかし、上述した従来の電力変換装置１０においては、図２に×印で示すように、例えばインバータ１３の１つのスイッチング素子３４が短絡故障している状態で、そのスイッチング素子３４に直列接続されたスイッチング素子３５がオンすると、矢印Ｙ１で示すように、バッテリー１１の電圧を昇降圧コンバータ１２で昇圧した電圧Ｖｃｃと各スイッチング素子３４，３５の回路インピーダンスに応じた過電流が流れる。そこで、正常なスイッチング素子３５を保護するためその過電流を検出し、スイッチング素子３５の遮断耐量を超えない内にスイッチング素子３５をオフしていた。
【００１４】
遮断耐量とは、スイッチング素子が破壊するまでの耐量であり、図３に線分Ｌ１で示すように、スイッチング素子の温度が上昇すると遮断耐量が下がる特性がある。また、図４に線分Ｌ２で示すように、遮断耐量は、スイッチング素子の面積が増加する程に大きくなる特性がある。
【００１５】
このことから、スイッチング素子３５の温度が急上昇した場合、遮断耐量が下がってスイッチング素子３５が破損に至る場合があるので、過電流を検出してから遮断耐量を超えない内にスイッチング素子３５をオフするといったことが出来なくなるケースが生じる。そこで、電力変換装置１０の各スイッチング素子を大きくして面積を増加させ、遮断耐量を大きくする必要がある。しかし、この場合、各スイッチング素子が大きくなるので、小型化が求められる電力変換装置１０が大きくなるという問題がある。
【００１６】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、昇降圧コンバータ及びインバータを構成する各スイッチング素子を小型とすることによって電力変換装置全体を小型化することができる電力変換装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
上記目的を達成するためになされた請求項１に記載の発明は、バッテリーの直流電力を昇圧する複数のスイッチング素子を有する昇降圧コンバータと、この昇降圧コンバータでの昇圧電圧を交流電圧に変換する複数のスイッチング素子を有するインバータとを備え、インバータで変換された交流電圧で負荷装置を駆動する電力変換装置において、前記昇降圧コンバータ及び前記インバータのスイッチング素子の温度を検出し、この検出された温度に基づいて、前記昇圧電圧を下げる制御を行う制御手段を備えることを特徴とする。
【００１８】
この構成によれば、検出されたスイッチング素子の温度に基づいて昇圧電圧を下げれば、その昇圧電圧がコレクタ−エミッタ間に印加されるスイッチング素子のコレクタ−エミッタ間電圧も下がるので、スイッチング素子の温度上昇によって素子が遮断（破壊）状態となるまでに費やす遮断エネルギーが下がる。この遮断エネルギーが、スイッチング素子の最高使用温度時の遮断耐量を確保できる状態まで下がれば、従来のようにスイッチング素子のサイズを大きくしなくても、温度上昇時に素子破壊を招かない遮断耐量を確保することができるので、素子サイズを小型化することができ、これによって電力変換装置全体を小型化することができる。
【００１９】
請求項２に記載の発明は、前記制御手段は、前記昇圧電圧を下げる制御を行う際に、前記検出された温度が予め定められた閾値を超えた場合に、前記昇圧電圧を、当該スイッチング素子の最高使用温度時の遮断耐量を確保できる所定値まで下げる制御を行うことを特徴とする。
【００２０】
この構成によれば、昇圧電圧を所定値まで下げれば、その昇圧電圧がコレクタ−エミッタ間に印加されるスイッチング素子のコレクタ−エミッタ間電圧も下がるので、スイッチング素子の温度上昇によって素子が遮断（破壊）状態となるまでに費やす遮断エネルギーが最高使用温度時の遮断耐量を確保できる状態まで下がる。従って、従来のようにスイッチング素子のサイズを大きくしなくても、温度上昇時に素子破壊を招かない遮断耐量を確保することができるので、素子サイズを小型化することができ、これによって電力変換装置全体を小型化することができる。
【００２１】
請求項３に記載の発明は、前記制御手段は、前記昇圧電圧を下げる制御を行う際に、前記スイッチング素子の上昇する温度を検知しながら当該スイッチング素子の遮断耐量が確保できるように前記昇圧電圧を徐々に下げる制御を行うことを特徴とする。
【００２２】
この構成においても、制御手段がスイッチング素子の温度上昇時に遮断エネルギーを下げて遮断耐量が確保できるように制御するので、スイッチング素子が小型であっても温度上昇時に破壊しないようにすることが出来る。従って、素子サイズを小型化することができ、これによって電力変換装置全体を小型化することができる。
【００２３】
請求項４に記載の発明は、前記スイッチング素子の温度を検出する手段として、当該スイッチング素子内に温度を検出し、この検出した温度に応じた電流を前記制御手段へ流す感温ダイオードを備えたことを特徴とする。
【００２４】
この構成によれば、昇降圧コンバータ及びインバータの複数のスイッチング素子の温度を正確に検出することができる。
【００２５】
請求項５に記載の発明は、前記スイッチング素子の温度を検出する手段として、前記昇降圧コンバータ及び前記インバータの当該スイッチング素子を含む電気部品が実装される基板に配設され、当該電気部品を冷却水で冷却する冷却器に、前記冷却水の温度を検出し、この検出した温度に応じた電流を前記制御手段へ流す水温センサを備えたことを特徴とする。
【００２６】
この構成によれば、昇降圧コンバータ及びインバータの複数のスイッチング素子の温度を正確に検出することができる。
【００２７】
請求項６に記載の発明は、前記スイッチング素子の温度を検出する手段として、前記昇降圧コンバータ及び前記インバータを収納する筺体内に、当該筺体内の雰囲気温度を検出し、この検出した温度に応じた電流を前記制御手段へ流す温度センサを備えたことを特徴とする。
【００２８】
この構成によれば、昇降圧コンバータ及びインバータの複数のスイッチング素子の温度を正確に検出することができる。
【００２９】
請求項７に記載の発明は、前記制御手段は、前記スイッチング素子の過電流を検出した際に該当スイッチング素子をオフとする制御を行うことを特徴とする。
【００３０】
この構成によれば、昇降圧コンバータ及びインバータにおける各スイッチング素子に過電流が流れた際に、制御手段でその過電流を検出し、該当スイッチング素子をオフするようにしたので、電力変換装置の各スイッチング素子を過電流時に保護することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】従来の電力変換装置の構成を示す回路図である。
【図２】従来の電力変換装置においてスイッチング素子が破損した様子を示す回路図である。
【図３】スイッチング素子の遮断耐量と温度の特性を示す図である。
【図４】スイッチング素子の遮断耐量とスイッチング素子面積との関係を示す図である。
【図５】本発明の実施形態に係る電力変換装置の構成を示す回路図である。
【図６】本実施形態の電力変換装置におけるスイッチング素子の温度上昇時の特徴制御動作を説明するためのフローチャートである。
【図７】本実施形態の電力変換装置おける特徴制御動作時の遮断エネルギーの低減を説明するための図である。
【図８】本実施形態の電力変換装置おけるスイッチング素子の温度と昇圧電圧との関係を表すマップの一例を示す図である。
【図９】本実施形態の電力変換装置おける昇降圧コンバータ及びインバータの基板に設けられた冷却器に配設の水温センサを示す図である。
【図１０】本実施形態の電力変換装置おける昇降圧コンバータ及びインバータの筺体内に配設された温度センサを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３２】
以下、本発明の実施形態を、図面を参照して説明する。但し、本明細書中の全図において相互に対応する部分には同一符号を付し、重複部分においては後述での説明を適時省略する。
【００３３】
図５は、本発明の実施形態に係る電力変換装置の構成を示す回路図である。図５に示す電力変換装置４０が、図１に示した従来の電力変換装置１０と異なる点は、昇降圧コンバータ１２における各スイッチング素子２１，２２と、インバータ１３における各スイッチング素子３４〜３９とに、スイッチング素子３５に代表して示すように感温ダイオード４１を内蔵したタイプのものを用い、感温ダイオード４１で検出された各スイッチング素子２１〜２２，３４〜３９の温度が予め定められた閾値を超えた場合に、駆動制御部（制御手段）４３で、昇降圧コンバータ１２の出力電圧（以降、昇圧電圧と称す）Ｖｃｃを所定値まで下げるようにしたことにある。所定値とは、各スイッチング素子２１〜２２，３４〜３９の最高使用温度時の遮断耐量を確保できる電圧値である。
【００３４】
つまり、駆動制御部４３によって、図６に示すステップＳ１において、感温ダイオード４１で検出された各スイッチング素子２１〜２２，３４〜３９の温度を検知し、ステップＳ２において、その検知された温度が閾値を超えた場合に、ステップＳ３において、昇降圧コンバータ１２のスイッチング素子２１，２２のゲート電圧を制御することにより昇圧電圧Ｖｃｃを所定値まで下げる。なお、各スイッチング素子２１〜２２，３４〜３９の温度は、モータジェネレータＭＧの負荷の増加に応じて高くなる。
【００３５】
このように昇圧電圧Ｖｃｃを所定値まで下げることによって、スイッチング素子の温度の上昇によって素子が遮断（破壊）状態となるまでに費やす遮断エネルギーを下げることができる。ここで、スイッチング素子の遮断エネルギーＥｓｃは、次式（１）で表される。
【００３６】
Ｅｓｃ＝∫（ｉｃ×Ｖｃｅ）ｄｔ  …（１）
【００３７】
但し、ｉｃはスイッチング素子のコレクタ電流、Ｖｃｅはスイッチング素子のコレクタ−エミッタ間の電圧、ｔはスイッチング素子が遮断するまでの時間である。
【００３８】
スイッチング素子のコレクタ電流ｉｃとコレクタ−エミッタ間電圧Ｖｃｅは、スイッチング素子のコレクタ側に印加される昇圧電圧Ｖｃｃに応じて増減するので、上記のように昇圧電圧Ｖｃｃを所定値まで下げれば、コレクタ電流ｉｃとコレクタ−エミッタ間電圧Ｖｃｅも下がる。この結果、遮断エネルギーＥｓｃが、図７にＥｓｃ１で示す位置から、Ｅｓｃ２で示すスイッチング素子の最高使用温度時の遮断耐量を確保できる位置まで下がる。Ｅｓｃ１で示す遮断エネルギーでは、線分Ｌ３で示す遮断耐量−温度特性を有するサイズのスイッチング素子における最高使用温度時の遮断耐量を超えているので、所定時間が経過すればスイッチング素子は破壊する。しかし、遮断エネルギーをＥｓｃ２の位置まで下げれば、スイッチング素子の最高使用温度時の遮断耐量を確保できるので、スイッチング素子の破壊は免れる。
【００３９】
ここで、スイッチング素子が線分Ｌ４で示す遮断耐量−温度特性を有するサイズであれば、遮断エネルギーがＥｓｃ１の位置でも最高使用温度時の遮断耐量を確保できるので、スイッチング素子の破壊は免れるが、線分Ｌ３のスイッチング素子よりもサイズが大きくなってしまう欠点がある。
【００４０】
また、電力変換装置４０においては、昇降圧コンバータ１２及びインバータ１３における各スイッチング素子２１〜２２，３４〜３９の過電流を、スイッチング素子３５に代表して示すように駆動制御部４３で検出し、過電流検出時に該当スイッチング素子３５をオフする制御を行うになっている。
【００４１】
このように本実施形態の電力変換装置４０によれば、昇降圧コンバータ１２及びインバータ１３における各スイッチング素子２１〜２２，３４〜３９に感温ダイオード４１を内蔵して素子温度を検出し、この検出温度が閾値を超えた場合に駆動制御部４３によって昇圧電圧Ｖｃｃを、各スイッチング素子２１〜２２，３４〜３９の最高使用温度時の遮断耐量を確保できる所定値まで下げるようにした。
【００４２】
このように昇圧電圧Ｖｃｃを所定値まで下げれば、スイッチング素子のコレクタ電流ｉｃとコレクタ−エミッタ間電圧Ｖｃｅも下がるので、スイッチング素子の遮断エネルギーＥｓｃが最高使用温度時の遮断耐量を確保できる状態まで下がる。これによって、スイッチング素子の最高使用温度時の遮断耐量を確保できるので、スイッチング素子が破壊することは無くなる。
【００４３】
従来であれば、スイッチング素子の温度が上昇すれば遮断耐量が低下し、この低下した遮断耐量を遮断エネルギーＥｓｃが上回ることになるので素子破壊を招く。このため、素子サイズを大きくして温度上昇時にも素子破壊を招かない遮断耐量を確保していた。しかし、本実施形態では上記のように素子サイズを大きくしなくても温度上昇時に素子破壊を招かない遮断耐量を確保できるように昇圧電圧Ｖｃｃを下げる制御を行うようにしたので、素子サイズを小型化することが出来る。従って、電力変換装置４０全体を小型化することができる。
【００４４】
また、昇降圧コンバータ１２及びインバータ１３における各スイッチング素子２１〜２２，３４〜３９の過電流を駆動制御部４３で検出して該当スイッチング素子３５をオフするようにしたので、電力変換装置４０の各スイッチング素子２１〜２２，３４〜３９を過電流時に保護することができる。
【００４５】
また、上記実施形態では、各スイッチング素子２１〜２２，３４〜３９の温度が閾値を超えた場合に、駆動制御部４３によって昇圧電圧Ｖｃｃを所定値まで下げるようにしたが、次のような制御を行っても良い。即ち、駆動制御部４３に、図８に線分Ｌ５で示すような、昇圧電圧Ｖｃｃとスイッチング素子の温度との関係を表すマップをＲＯＭ等の記憶手段にて予め保持しておく。そして、駆動制御部４３が、各スイッチング素子２１〜２２，３４〜３９の上昇する温度を検知しながら、この検知温度に応じた昇圧電圧Ｖｃｃをマップに基づいて決定することにより、遮断耐量が確保できるように昇圧電圧Ｖｃｃを徐々に下げる制御を行う。この制御によっても、スイッチング素子の温度上昇時に遮断エネルギーＥｓｃを下げて遮断耐量が確保できるようにするので、スイッチング素子が小型であっても温度上昇時に破壊しないようにすることが出来る。従って、素子サイズを小型化することができ、これによって電力変換装置４０全体を小型化することができる。
【００４６】
この他、上記実施形態では、各スイッチング素子２１〜２２，３４〜３９の温度を感温ダイオード４１で検出したが、次のように検出しても良い。即ち、電力変換装置４０の昇降圧コンバータ１２及びインバータ１３における各スイッチング素子２１〜２２，３４〜３９は、図９に示すように、プリント基板５１上に実装されている。このプリント基板５１の下面に冷却プレート５２を介して冷却器５３が固定されており、冷却器５３内を冷却水が循環して各スイッチング素子２１〜２２，３４〜３９を冷却するようになっている。そこで、冷却器５３に冷却水の温度を計測する水温センサ５５を設け、この水温センサ５５で検出された温度を駆動制御部４３に入力するように構成する。
【００４７】
この構成においては、各スイッチング素子２１〜２２，３４〜３９の温度が上昇すると冷却水の温度も上昇するので、この際の温度が水温センサ５５で検出されて駆動制御部４３に入力される。駆動制御部４３では、その入力された温度が閾値を超えた場合、昇圧電圧Ｖｃｃを上述したように所定値まで下げる制御を行う。
【００４８】
またこの他、冷却器５３の冷却水は図示せぬ自動車のラジエタから供給されるので、ラジエタに水温センサ５５を設けてラジエタの冷却水の温度を計測し、これを駆動制御部４３へ入力するようにしても良い。
【００４９】
更にこの他、図１０に示すプリント基板５１のスイッチング素子２１〜２２，３４〜３９の実装面にサーミスタ等の温度センサ５７を設けて電力変換装置４０の筺体内の雰囲気温度を検出するようにしてもよい。この場合も、温度センサ５７で検出された温度を、駆動制御部４３で検知し、この検知された温度が閾値を超えた場合、昇圧電圧Ｖｃｃを上述したように所定値まで下げる制御を行う。
【符号の説明】
【００５０】
１０，４０  電力変換装置
１１  バッテリー
１２  昇降圧コンバータ
１３  インバータ
１５  サージ電圧吸収用のコンデンサ
２１，２２，３４〜３９  スイッチング素子
２３  コンデンサ
２４  リアクトル
４１  感温ダイオード
４３  駆動制御部
５１  プリント基板
５２  冷却プレート
５３  冷却器
５５  水温センサ
５７  温度センサ
Ｄ１〜Ｄ８  ダイオード
ＭＧ  モータジェネレータ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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