(57)【要約】【課題】本明細書は、２種類の異なるスイッチング素子の並列接続を採用したインバータに関して、コストと性能を両立する技術を提供する。【解決手段】本明細書が開示するインバータは、炭化シリコンで作られている電力変換用の第１スイッチング素子と、シリコンで作られている電力変換用の第２スイッチング素子と、コントローラを備えている。第１スイッチング素子と第２スイッチング素子は並列に接続されている。コントローラは、モータがロックしているときは第２スイッチング素子を駆動し、モータがロックしていないときは第１スイッチング素子を駆動する。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流電力を走行用のモータを駆動するための交流電力に変換するインバータであり、
炭化シリコンで作られている電力変換用の第１スイッチング素子と、
前記第１スイッチング素子と並列に接続されており、シリコンで作られている電力変換用の第２スイッチング素子と、
前記モータがロックしているときは前記第２スイッチング素子を駆動し、前記モータがロックしていないときは前記第１スイッチング素子を駆動するコントローラと、
を備えている、インバータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書が開示する技術は、直流電力を走行用のモータを駆動するための交流電力に変換するインバータに関する。
【背景技術】
【０００２】
電気自動車や燃料電池車などは、電源の直流電力を走行用のモータを駆動するための交流電力に変換するインバータを備えている。インバータで電力変換を行う主たる部品はスイッチング素子である。特許文献１には、電力変換用の２種類のスイッチング素子を並列に接続したインバータが開示されている。２種類のスイッチング素子は、ユニポーラ型のスイッチング素子と、バイポーラ型のスイッチング素子である。特許文献１のインバータは、並列回路に流れる電流の大きさに応じて先にターンオンさせるスイッチング素子を切り換えることで、２個のスイッチング素子の並列回路全体におけるスイッチング速度を高める。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１７−２２８９１２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本明細書は、２種類の異なるスイッチング素子の並列接続を採用したインバータに関し、コストと性能を両立する技術を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本明細書が開示するインバータは、炭化シリコンで作られている電力変換用の第１スイッチング素子と、シリコンで作られている電力変換用の第２スイッチング素子と、コントローラを備えている。第１スイッチング素子と第２スイッチング素子は並列に接続されている。コントローラは、モータがロックしているときは第２スイッチング素子を駆動し、モータがロックしていないときは第１スイッチング素子を駆動する。
【０００６】
炭化シリコンで作られているスイッチング素子は、シリコンで作られているスイッチング素子よりもバンドギャップが広く、シリコン製のスイッチング素子よりも性能が高い。特に、炭化シリコン製のスイッチング素子は、シリコン製のスイッチング素子よりも損失が小さい。反面、炭化シリコン製のスイッチング素子は、シリコン製のスイッチング素子よりも高価である。特に、高い耐熱性（高い熱容量）を求めようとすると、スイッチング素子そのもののコストが高くなるだけでなく、サイズが大型化することによってもコストが嵩む。一方、シリコン製のスイッチング素子は、炭化シリコン製のスイッチング素子と比べてコストが低い。他方、モータがロックすると、インバータの三相出力のうち、特定の相だけが電流値の大きい状態が続いてしまい、その相のスイッチング素子に負荷が集中する。そこで、本明細書が開示するインバータでは、モータロック状態（高負荷状態）のときにはシリコン製のスイッチング素子（第２スイッチング素子）を使い、モータ非ロック状態（通常負荷状態）では炭化シリコン製のスイッチング素子（第１スイッチング素子）を使うようにする。炭化シリコン製のスイッチング素子を特殊な高負荷のときに使わないように使用条件を限定することで、炭化シリコン製のスイッチング素子に対する耐熱性の要求を下げることができる。その結果、コストを抑えつつ、通常走行時には高い性能が得られる。なお、本明細書が開示する技術は、シリコン製のスイッチング素子（第２スイッチング素子）を用いる条件をさらに広げることを排除するものではない。
【０００７】
本明細書が開示する技術の詳細とさらなる改良は以下の「発明を実施するための形態」にて説明する。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】実施例のインバータを含む電気自動車の電力系のブロック図である。
【図２】コントローラのブロック図である。
【図３】モータロック時の出力電流の一例の波形グラフである。
【図４】コントローラのスイッチング素子選択処理のフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
図面を参照して実施例のインバータを説明する。実施例のインバータは、電気自動車に搭載されている。図１に、インバータ１０を含む電気自動車１００の電力系のブロック図を示す。電気自動車１００は、バッテリ１０１の電力で走行用のモータ１０２を駆動して走行する。モータ１０２の出力軸１０３は、デファレンシャルギアを介して駆動輪１０４に連結されている。バッテリ１０１の出力電圧は１００ボルトを超える。
【００１０】
実施例のインバータ１０は、バッテリ１０１の直流電力を、モータ１０２を駆動するための交流電力に変換する。インバータ１０は、６個のスイッチング回路７ａ−７ｆと、コントローラ６で構成されている。スイッチング回路７ａは、第１スイッチング素子２と第２スイッチング素子３とダイオード４で構成されている。第１スイッチング素子２と第２スイッチング素子３は並列に接続されている。ダイオード４は、スイッチング素子２、３に対して逆並列に接続されている。スイッチング回路７ｂ−７ｆは、スイッチング回路７ａと同じ構成を有している。スイッチング回路７ａと７ｂは直列に接続されている。スイッチング回路７ｃと７ｄも直列に接続されている。スイッチング回路７ｅと７ｆも直列に接続されている。３組の直列接続は並列に接続されている。スイッチング回路７ａ−７ｆのスイッチング素子２、３は、コントローラ６によって駆動される。コントローラ６がスイッチング回路７ａ−７ｆのスイッチング素子２あるいはスイッチング素子３を適宜にオンオフすると、スイッチング回路の直列接続の中点から交流が出力される。スイッチング素子２、３は電力変換用のスイッチング素子である。
【００１１】
出力される三相交流のそれぞれは電流センサ５で計測される。計測された電流値はコントローラ６へフィードバックされる。また、車軸には回転数センサ１０５が取り付けられており、車軸の回転数（モータの回転数）もコントローラ６へフィードバックされる。コントローラ６は、不図示の上位コントローラからモータ１０２の目標出力指令（モータ出力指令値）を受けとり、目標出力が実現されるように、電流センサ５と回転数センサ１０５の計測値を使ってスイッチング素子を制御する。
【００１２】
図２に、コントローラ６の内部構造と、スイッチング素子２、３との関係を示す。コントローラ６は、プログラムを記憶しているメモリ１１と、コントローラの本体であるプロセッサ１２と、プロセッサ１２が出力するＴＴＬレベルの信号をスイッチング素子２、３のゲート駆動用の信号に変換するゲート駆動回路１３（ゲートドライバ）で構成されている。なお、図２では、１個のゲート駆動回路１３とスイッチング素子２、３しか描かれていないが、コントローラ６には６個のゲート駆動回路１３が含まれており、夫々がスイッチング回路７ａ−７ｆの夫々のスイッチング素子２、３に接続されている。先に述べたように、コントローラ６は、不図示の上位コントローラからモータ出力指令値を受けとる。一方、コントローラ６は、電流センサ５と回転数センサ１０５から三相交流電流と車軸回転数の計測値を受けとる。コントローラ６は、モータ出力指令値と計測電流値／回転数に基づいて、スイッチング素子２あるいはスイッチング素子３の駆動信号を生成する。コントローラ６から出力される駆動信号は、スイッチング素子２あるいはスイッチング素子３を適宜の周期でオンオフさせるＰＷＭ信号（Pulse Width Modulation信号）である。次に説明するように、コントローラ６は、所定の条件に基づいて第１スイッチング素子２と第２スイッチング素子３を切り換え、いずれか一方を駆動する。具体的には、コントローラ６のプロセッサ１２がいずれのスイッチング素子を使うか判定し、駆動対象のスイッチング素子を示す素子選択信号をゲート駆動回路１３に伝える。ゲート駆動回路１３は、プロセッサ１２から受け取ったＰＷＭ信号をゲート駆動に適した電圧に変換し、指令されたスイッチング素子へ供給する。
【００１３】
第１スイッチング素子２は、炭化シリコン（ＳｉＣ）で作られているＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）である。第２スイッチング素子３は、シリコン（Ｓｉ）で作られているＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）である。炭化シリコンはシリコンよりも広いバンドギャップを有しており、ワイドバンドギャップ半導体と呼ばれる。炭化シリコンでつくられたスイッチング素子は、シリコンで作られたスイッチング素子よりも損失が小さいという利点がある。一方、炭化シリコンで作られたスイッチング素子はシリコン製のスイッチング素子よりもコストが高い。先に述べたように、インバータ１０が扱う電圧は１００ボルト以上であり、モータ１０２の出力が大きい場合はスイッチング素子の負荷も大きくなる。炭化シリコン製のスイッチング素子の耐熱性を高めようとすると、素子そのもののコストが嵩むだけでなくサイズが大きくなることによってもコストが増大する。シリコン製のスイッチング素子のコストは炭化シリコン製のスイッチング素子ほど高くはなく、耐熱性を高めることによるコスト増は、炭化シリコン製のスイッチング素子の場合よりも低く抑えられる。そこで、コントローラ６は、インバータ１０の負荷が高い場合にはシリコン製のスイッチング素子（即ち第２スイッチング素子３）を使ってモータ１０２を駆動し、負荷が高くない場合には炭化シリコン製のスイッチング素子（即ち第１スイッチング素子２）を使う。２個の異なるスイッチング素子を上記の通りに使い分けることで、コストを抑えつつ、通常走行時には高い性能（低い損失）が得られる。
【００１４】
負荷が高い場合の典型は、モータ１０２がロックした場合である。モータ１０２がロックするとは、モータ１０２に電力を供給しているにもかかわらずモータ１０２が回転しない状態を意味する。典型的なモータロック状態は、駆動輪が車輪止めに当接した状態でアクセルを踏んだ場合に起こり得る。図３に、モータ１０２がロックしたときのインバータ１０の出力電流の波形グラフを示す。図３の横軸は時間であり、縦軸は電流値である。時刻Ｔ１にモータロックが生じている。時刻Ｔ１までは三相交流のそれぞれは正弦波を示しているが、時刻Ｔ１以降では、スイッチング素子を駆動しても、モータ１０２のロータが回転しないため、インバータ１０の出力電流は一定となる。図３に例示されているように、時刻Ｔ１以降、三相各相の出力電流は、時刻Ｔ１のときの電流値に維持される。図３の例では、Ｕ相（実線）の電流値が最も大きい。Ｕ相を出力しているスイッチング素子の負荷は、通常時よりも大きくなる。なお、モータ１０２がロックしているか否かは、電流センサ５の計測値あるいは、回転数センサ１０５の計測値から判定できる。
【００１５】
コントローラ６は、モータ１０２がロックしているときには第１スイッチング素子２を停止し、第２スイッチング素子３を駆動する。コントローラ６は、モータ１０２がロックしていないときには第１スイッチング素子２を駆動し、第２スイッチング素子３は停止する。また、コントローラ６は、モータの出力指令値が所定の出力閾値を超えている場合も、第１スイッチング素子２を停止し、第２スイッチング素子を用いる。コントローラ６が実行するスイッチング素子選択処理のフローチャートを図４に示す。図４の処理は、所定時間間隔で繰り返し実行される。コントローラ６は、上位コントローラから与えられる出力指令値が所定の出力閾値よりも大きい場合、駆動するスイッチング素子として第２スイッチング素子３を選択する（ステップＳ２：ＮＯ、Ｓ５）。一方、コントローラは、上位コントローラから与えられる出力指令値が出力閾値よりも低い場合、モータの回転数を回転数下限値と比較する（ステップＳ２：ＹＥＳ、Ｓ３）。回転数下限値には、ゼロに近い値が設定されている。コントローラ６は、モータ１０２の回転数が回転数下限値を下回っている場合、モータがロック状態であると判断する。コントローラ６は、モータ１０２の回転数が回転数下限値を下回っている場合、駆動するスイッチング素子として第２スイッチング素子を選択する（ステップＳ３：ＮＯ、Ｓ５）。一方、コントローラ６は、モータ１０２の回転数が回転数下限値を上回っている場合、駆動するスイッチング素子として第１スイッチング素子を選択する（ステップＳ３：ＹＥＳ、Ｓ４）。
【００１６】
実施例のインバータ１０では、コストが高い炭化シリコン製の第１スイッチング素子２は高負荷時に使わないことで、第１スイッチング素子２に求められる耐熱性の性能の要求を低くすることができる。耐熱性の要求が低いほど、素子サイズを小さくすることができる。一方、通常走行時には第１スイッチング素子を用いることで、損失を抑えることができる。実施例のインバータ１０は、コストを抑えつつ、通常走行時には高い性能（低い損失）が得られる。
【００１７】
実施例で説明した技術に関する留意点を述べる。図４のフローチャートにおいて、ステップＳ３の処理に先立って、モータ１０２への出力指令値が所定の出力下限値よりも低い場合はステップＳ３をスキップしてステップＳ４へ移行するようにしてもよい。モータ１０２への出力指令値が小さい場合は、モータがロックしたとしてもスイッチング素子の負荷は小さいので、第１スイッチング素子２の温度がそれほど大きくならない。そのような場合には第１スイッチング素子２を駆動してもよい。その場合、さらには、モータ１０２への出力指令値が小さい場合であっても、モータロック状態が所定の期間を超えて継続した場合には、駆動するスイッチング素子を第１スイッチング素子２から第２スイッチング素子３へ切り換えることも好適である。
【００１８】
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
【符号の説明】
【００１９】
２：第１スイッチング素子
３：第２スイッチング素子
４：ダイオード
５：電流センサ
６：コントローラ
７ａ−７ｆ：スイッチング回路
１０：インバータ
１１：メモリ
１２：プロセッサ
１３：ゲート駆動回路
１００：電気自動車
１０１：バッテリ
１０２：モータ
１０３：出力軸
１０４：駆動輪
１０５：回転数センサ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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