(57)【要約】【課題】インバータが備える全てのスイッチ素子に亘って温度を取得せずとも全てのスイッチ素子を適時に過熱保護することのできる、インバータシステムを提供する。【解決手段】インバータシステムは、インバータと、１つのスイッチ素子の温度を検出する第１センサ部と、第１の温度を超えている他のスイッチが存在する状態にあるか否かを検出する第２センサ部と、前記状態になければ、第１の温度以下の検出温度で負荷率上限を１００％とし、第１の温度を超える検出温度からは負荷率上限を１００％から温度上昇に応じて減少させる制御マップを用い、前記状態にあれば、第１の温度より低い第２の温度以下の検出温度で負荷率の上限を１００％とし、第２の温度を超える検出温度からは負荷率上限を１００％から温度上昇に応じて減少させる制御マップを用いる制御部と、を備えている。【選択図】図１
2016093074.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
スイッチ素子を駆動して負荷電力を供給するインバータと、
前記インバータが備えるスイッチ素子のうちの所定の１つのスイッチ素子の温度を検出する第１センサ部と、
前記インバータが備えるスイッチ素子のうちに、前記所定の１つのスイッチ素子以外の第１の温度を超えているスイッチ素子が存在する状態である閾値超え状態にあるか否かを検出する第２センサ部と、
前記第１センサ部による検出温度を制御用温度として用いて、前記インバータが備えるスイッチ素子の駆動制御を行う制御部と、を備え、
前記制御部は、
前記第２センサ部による検出結果が前記閾値超え状態にないことを示す場合には、前記第１の温度以下の前記制御用温度では負荷率の上限を１００％とするとともに、前記第１の温度を超える前記制御用温度からは負荷率の上限を１００％から温度上昇に応じて減少させる、第１制御マップを用いて前記駆動制御を行い、
前記第２センサ部による検出結果が前記閾値超え状態にあることを示す場合には、前記第１の温度よりも低く設定された第２の温度以下の前記制御用温度では負荷率の上限を１００％とするとともに、前記第２の温度を超える前記制御用温度からは負荷率の上限を１００％から温度上昇に応じて減少させる、第２制御マップを用いて前記駆動制御を行う、ことを特徴とするインバータシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、変換電力を負荷に供給するインバータを備えたシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
インバータを始めとする電力変換装置においては、高電圧下および高電流下での素子の動作に起因する損失が大きな発熱となる。したがって、素子の温度を監視して熱破壊から保護することが行われる。
【０００３】
特許文献１には、複数の電源回路のそれぞれに設けられた温度センサからの検出信号を取得して、温度異常が検知された電源回路の動作を停止する制御を行う温度検出回路が記載されている。
【０００４】
特許文献２には、インバータを構成する複数のパワーデバイスのそれぞれについて温度を検出し、当該温度の中の最高温度が限界温度に達したか否かに基づいてインバータの出力電流を制限することにより過熱保護を行う制御装置が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００８−０１４７９８号公報
【特許文献２】特開２００１−１６９４０１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
インバータにおいては、単相あるいは多相の各相出力を分担するスイッチ素子が複数設けられる。いずれかのスイッチ素子が高温になると、インバータの機能単位を構成する全てのスイッチ素子が一斉に過熱保護制御を受けるようになっている。しかしながら、全てのスイッチ素子に亘って温度を取得して過熱保護の制御を行うには、多くの高価な部品が必要となってしまう。例えば、電力変換装置においては弱電力系回路もしくは微弱電力系回路を高電圧系回路から絶縁する絶縁構造が導入される。例えば、スイッチ素子に配した温度センサの出力を、フォトカプラ絶縁や高耐圧構造を用いて伝送することが行われる。この場合に、計測出力を保護制御のフィードバックに十分な精度（例えば温度の測定誤差が１℃以内程度に抑えられる精度）で制御系回路に伝送するためには、伝送遅延歪を抑制することのできる高価な部品をスイッチ素子ごとに要することとなる。
【０００７】
本発明は、上記課題に鑑み、インバータが備える全てのスイッチ素子に亘って温度を取得せずとも全てのスイッチ素子を適時に過熱保護することのできる、インバータシステムを提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
第１の発明は、スイッチ素子を駆動して負荷電力を供給するインバータと、前記インバータが備えるスイッチ素子のうちの所定の１つのスイッチ素子の温度を検出する第１センサ部と、前記インバータが備えるスイッチ素子のうちに、前記所定の１つの前記スイッチ素子以外の第１の温度を超えているスイッチ素子が存在する状態である閾値超え状態にあるか否かを検出する第２センサ部と、前記第１センサ部による検出温度を制御用温度として用いて、前記インバータが備えるスイッチ素子の駆動制御を行う制御部と、を備え、前記制御部は、前記第２センサ部による検出結果が前記閾値超え状態にないことを示す場合には、前記第１の温度以下の前記制御用温度では負荷率の上限を１００％とするとともに、前記第１の温度を超える前記制御用温度からは負荷率の上限を１００％から温度上昇に応じて減少させる、第１制御マップを用いて前記駆動制御を行い、前記第２センサ部による検出結果に前記閾値超え状態にあることを示す場合には、前記第１の温度よりも低く設定された第２の温度以下の前記制御用温度では負荷率の上限を１００％とするとともに、前記第２の温度を超える前記制御用温度からは負荷率の上限を１００％から温度上昇に応じて減少させる、第２制御マップを用いて前記駆動制御を行う、ことを特徴とする。
【０００９】
第１の発明によれば、インバータが備えるスイッチ素子のうち所定の１つのスイッチ素子のみの温度を第１センサ部で検出し、検出温度を制御部が制御用温度として取得する。そして、他のスイッチ素子については、第２センサ部により第１の温度を超えたスイッチ素子が存在するか否か検出し、当該検出結果を制御部が取得する。制御部は、これら取得内容に基づき、所定の１つのスイッチ素子以外のいずれのスイッチ素子も第１の温度以下である場合には、第１制御マップを用いて、第１の温度以下の制御用温度では負荷率の上限を１００％とするとともに、前記第１の温度を超える前記制御用温度からは負荷率の上限を１００％から温度上昇に応じて減少させるように、各スイッチ素子の駆動制御を行う。また、制御部は、これら取得内容に基づき、第２センサ部による検出結果が所定の１つのスイッチ素子以外に第１の温度を超えているスイッチ素子が存在する状態にあることを示す場合には、第２制御マップを用いて、第１の温度よりも低く設定された第２の温度以下の前記制御用温度では負荷率の上限を１００％とするとともに、前記第２の温度を超える前記制御用温度からは負荷率の上限を１００％から温度上昇に応じて減少させるように、各スイッチ素子の駆動制御を行う。このようなインバータシステムによれば、制御部が温度を取得する対象ではない、所定の１つのスイッチ素子以外のスイッチ素子が、第１の温度を超えた過熱保護を要する状態になったとしても、制御用温度に従って、第１の温度よりも低い第２の温度から負荷率制限制御を行うこととなる。これにより、インバータが備える全てのスイッチ素子に亘って温度を取得せずとも、全てのスイッチ素子を適時に過熱保護することができる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、インバータが備える全てのスイッチ素子に亘って温度を取得せずとも全てのスイッチ素子を適時に過熱保護することができる、インバータシステムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の実施形態に係るインバータシステムの構成を示す回路ブロック図
【図２】本発明の実施形態に係るインバータシステムの一部の構成を示す回路ブロック図
【図３】本発明の実施形態に係る負荷率制御の原理を説明するグラフ
【図４】本発明の実施形態に係る負荷率制御を説明するグラフ
【図５】本発明の実施形態に係る負荷率制御の変形例を説明するグラフ
【図６】本発明の実施形態に係る負荷率制御の他の変形例を説明するグラフ
【図７】本発明の実施形態に係るインバータシステムの制御部による動作を説明するフローチャート
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、図１〜図７を参照しながら、実施の形態について詳細に説明する。
【００１３】
[インバータシステムの構成]
【００１４】
図１に、本実施形態に係るインバータシステム１０の構成を示す。インバータシステム１０は、例えば自動車などの車両に備えられ、インバータ１、昇降圧コンバータ２、温度情報伝送部３、制御部４を備えて、モータＭ１などの負荷に電力を供給する。温度情報伝送部３は、インバータ１における１つのスイッチ素子のみについて取得した検出温度を伝送する。また、温度情報伝送部３は、インバータ１におけるその他のスイッチ素子について温度が閾値温度を超えたスイッチ素子が存在するか否かを検出し、検出結果を伝送する。制御部４は温度情報伝送部３から取得したこれらの情報に基づいて、全スイッチ素子が過熱保護されるように負荷率を制御する。
【００１５】
インバータ１は、モータＭ１に負荷電力を供給する三相インバータである。インバータ１は、電力変換部１ａと駆動部１ｂとを備えている。
【００１６】
電力変換部１ａは、ＵＶＷ相の相出力を行うスイッチ素子Ｓ１〜Ｓ６を備えている。例えば、スイッチ素子Ｓ１はＵ相上アーム素子、スイッチ素子Ｓ２はＶ相上アーム素子、スイッチ素子Ｓ３はＷ相上アーム素子、スイッチ素子Ｓ４はＵ相下アーム素子、スイッチ素子Ｓ５はＶ相下アーム素子、スイッチ素子Ｓ６はＷ相下アーム素子である。スイッチ素子Ｓ１とスイッチ素子Ｓ２とスイッチ素子Ｓ３とは高電位側電源ラインＬ１に接続されている。スイッチ素子Ｓ４とスイッチ素子Ｓ５とスイッチ素子Ｓ６とは低電位側電源ラインＬ２に接続されている。高電位側電源ラインＬ１は直流電圧ＶＨを出力し、低電位側電源ラインＬ２は直流電圧ＶＬを出力する。例えばＶＨ＝３００Ｖ、ＶＬ＝−３００Ｖである。スイッチ素子Ｓ１〜Ｓ６は、それぞれ、例えば図２に代表してスイッチ素子Ｓ１で示したように、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）１０１と還流ダイオード１０２との逆並列回路からなる。スイッチ素子としては、ＩＧＢＴを用いるものの他、任意のスイッチング素子を用いるものが使用可能である。
【００１７】
駆動部１ｂは、制御部４から入力される制御信号に従って、電力変換部１ａのスイッチ素子Ｓ１〜Ｓ６を駆動する。駆動部１ｂは、例えばパルス幅変調（ＰＷＭ：Pulse Width Modulation）制御によりスイッチ素子Ｓ１〜Ｓ６の駆動を行い、ＵＶＷ相から、直流電圧ＶＨと直流電圧ＶＬとを用いた波形で三相交流電力を出力させる。図２に示したスイッチ素子の構成で説明すれば、駆動部１ｂからＩＧＢＴ１０１のゲートに駆動信号が入力されることでスイッチ素子が駆動される。
【００１８】
インバータシステム１０は、このようなインバータを任意数だけ含んでいてよいものである。例えば、モータＭ１がコンプレッサのモータであって、その他にポンプのモータであるモータＭ２が備えられているような場合に、インバータシステム１０は各モータに対応したインバータを備え得る。また、例えば、昇降圧コンバータ２に接続された、走行用モータのインバータも含み得る。
【００１９】
昇降圧コンバータ２は、高電位側電源ラインＬ１と低電位側電源ラインＬ２との間にブリッジ接続されたスイッチ素子Ｓ１１とスイッチ素子Ｓ１２とを備えている。別途接続されたコイルと高圧バッテリと組み合わされ、スイッチ素子Ｓ１１およびスイッチ素子Ｓ１２のスイッチング動作により、高圧バッテリから昇圧した直流電圧（ＶＨ−ＶＬ）を生成する。生成された電圧は走行用モータの駆動などに供給される。または、直流電圧（ＶＨ−ＶＬ）から高圧バッテリ電圧を生成し、電流をバッテリに回生する。
【００２０】
温度情報伝送部３は、温度検出部Ａ４と、温度範囲検出部Ａ１、Ａ２、Ａ３、Ａ５、Ａ６と、温度検出部Ｂ１、Ｂ２と、判定部３１とを備えている。以下では、温度検出部Ａ４を第１センサ部、温度範囲検出部Ａ１、Ａ２、Ａ３、Ａ５、Ａ６と判定部３１との組合せからなる構成を第２センサ部として記載することがある。本実施形態に係るインバータシステム１０においては、インバータについて個々のスイッチ素子の温度を検出して過熱保護を行う構成とは異なり、インバータ１において検出温度の値そのものの情報を伝送する対象は第１センサ部により温度が検出されるスイッチ素子Ｓ４の１つのみとし、その他のスイッチ素子Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ５、Ｓ６については、第２センサ部の対応する温度範囲検出部によりそれぞれが過熱保護の必要な温度範囲にあるか否かの検出結果を判定部３１に伝送する対象とする。また、第２センサ部の判定部３１は、伝送された各温度範囲検出部による検出結果から、スイッチ素子Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ５、Ｓ６の中に、過熱保護の必要な温度範囲にあるものが存在するか否かを検出する。
【００２１】
温度検出部Ａ４は、インバータ１の６つのスイッチ素子のうちの１つのみに対応して設けられたものであり、組み合わされたスイッチ素子Ｓ４の温度を検出して、検出温度の値の情報を制御部４に伝送する。温度検出部Ａ４は、例えば、温度センサによるスイッチ素子Ｓ４の検出温度の値の情報を変調器で変調した信号としてフォトカプラにより後段へ絶縁伝送する構成とすることができる。温度センサは、例えばスイッチ素子Ｓ４と同じ半導体チップ上に形成されたサーマルダイオードで構成され、約３ｍＶ／℃といった温度係数に従い温度に応じて変化する順方向電圧を温度検出結果として出力する。フォトカプラは、受光素子にＰＩＮフォトダイオードなどを用いた高速応答特性を有する構成であり、高速で信号レベルが切り替わる変調信号により駆動される。変調方式としては、ＰＷＭ、デジタル変調などの任意の方式が用いられる。高速応答特性により伝送遅延歪が抑制されて信号波形が正確に伝達されることから、温度の測定精度が高い。なお、温度検出部Ａ４は、インバータ１の６つのスイッチ素子のうちのいずれの１つと組み合わされてもよいが、ここでは下アームのスイッチ素子Ｓ４と組み合わせた。このような下アームのスイッチ素子と組み合わせた温度検出部Ａ４によれば、温度検出結果にノイズが混入しにくいため、温度検出を正確に行うことが容易である。また、上述の高速の絶縁伝送を、フォトカプラに代えてスイッチングトランスを用いて行うようにしてもよい。
【００２２】
温度範囲検出部Ａ１、Ａ２、Ａ３、Ａ５、Ａ６は、個々に組み合わされたスイッチ素子の温度が閾値を超えているか否かを検出して判定部３１に伝送する。ここでは、温度範囲検出部Ａ１、Ａ２、Ａ３、Ａ５、Ａ６がこの順に、スイッチ素子Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ５、Ｓ６と組み合わされている。
【００２３】
図２を用いて、温度範囲検出部Ａ１、Ａ２、Ａ３、Ａ５、Ａ６の基本構成を説明する。各温度範囲検出部は、代表して温度検出部Ａ１について示したように、例えば、スイッチ素子ＳＷの温度に応じた温度センサ２１の出力電圧Ｖｏが、閾値温度（後述の第１の温度（図３〜図６では１００℃に相当）に対応する出力）に対応した基準電圧Ｖｒｅｆを超えているか否かを比較器２２で判定し、判定結果を駆動部２３により駆動されるフォトカプラ２４により後段へ絶縁伝送する構成とすることができる。温度センサ２１は、例えば組み合わせられるスイッチ素子ＳＷと同じ半導体チップ上に形成されている。温度センサ２１の構成は温度検出部Ａ４について説明した温度センサと同様である。フォトカプラ２４は、入力側となる発光素子に発光ダイオード２４ａを備え、出力側となる受光素子にフォトトランジスタ２４ａを備えている。フォトカプラ２４は、受光素子にフォトトランジスタ２４ａを用いたことで、低速応答特性を有する構成となっており、汎用品が適用可能である。
【００２４】
フォトカプラ２４の出力は、入力に応じてオープンとなるかショートとなるかが切り替わる。フォトトランジスタ２４ｂのコレクタは抵抗器Ｒによってプルアップされており、フォトトランジスタ２４ｂのエミッタは接地されている。温度センサ２１の出力電圧Ｖｏが基準電圧Ｖｒｅｆ以下であれば比較器２２はロー信号を出力し、駆動部２３により発光ダイオード２４ａに電流が流されてフォトトランジスタ２４ｂの出力がショートとなることから、ローの信号ｔ１が判定部３１に入力される。温度センサ２１の出力電圧Ｖｏが基準電圧Ｖｒｅｆを超えていれば比較器２２はハイ信号を出力し、駆動部２３により発光ダイオード２４ａへは電流が流されず、フォトトランジスタ２４ｂの出力がオープンとなることから、抵抗器Ｒを介してハイの信号ｔ１が判定部３１に入力される。このようにして、温度範囲検出部Ａ１、Ａ２、Ａ３、Ａ５、Ａ６は、この順に、検出結果を示す信号ｔ１、ｔ２、ｔ３、ｔ５、ｔ６を判定部３１へと出力する。
【００２５】
温度検出部Ｂ１、Ｂ２は、個々に組み合わされたスイッチ素子の温度を検出して、検出温度の値の情報を制御部４に伝送する。ここでは、温度検出部Ｂ１、温度検出部Ｂ２は、この順に、昇降圧コンバータ２のスイッチ素子Ｓ１１、昇降圧コンバータ２のスイッチ素子Ｓ１２と組み合わされている。これら温度検出部Ｂ１、Ｂ２の構成は、温度検出部Ａ４と同様とすることができる。温度検出部Ｂ１はスイッチＳ１１の検出温度を示す信号ｔ１１を、温度検出部Ｂ２はスイッチ素子Ｓ１２の検出温度を示す信号ｔ１２を、それぞれ制御部４へと出力する。
【００２６】
判定部３１は、温度範囲検出部Ａ１、Ａ２、Ａ３、Ａ５、Ａ６から取得した検出結果から、閾値を超えている温度のスイッチ素子が存在するか否かを判定し、判定結果を制御部４へ伝送する。判定部３１は、図１に示すように例えばＯＲ回路で構成され、温度範囲検出部Ａ１、Ａ２、Ａ３、Ａ５、Ａ６から入力される検出結果に、スイッチ素子の温度が閾値を超えていることを示す検出結果が含まれているか否かを２値で区別して出力する。ここで、温度範囲検出部Ａ１、Ａ２、Ａ３、Ａ５、Ａ６から取得した検出結果が、閾値を超えている温度のスイッチ素子が存在することを示す状態を閾値超え状態と定義する。温度範囲検出部Ａ１、Ａ２、Ａ３、Ａ５、Ａ６から出力される信号をこの順にｔ１、ｔ２、ｔ３、ｔ５、ｔ６とすると、閾値超え状態にあることは、信号ｔ１、ｔ２、ｔ３、ｔ５、ｔ６のうちの少なくとも１つが、スイッチ素子の温度が閾値を超えていることを示していることに相当する。判定部３１は、信号ｔ１、ｔ２、ｔ３、ｔ５、ｔ６が閾値超え状態にあることを示すものである場合には、出力Ｕ１としてハイ信号かロー信号かいずれか定められた信号を出力する。
【００２７】
なお、温度範囲検出部Ａ１、Ａ２、Ａ３、Ａ５、Ａ６について、上述した各フォトカプラの出力を直列に接続することにより、温度範囲検出部Ａ１、Ａ２、Ａ３、Ａ５、Ａ６と判定部３１とを同時に構成する、すなわち第２センサ部を一度に構成することができる。図２に示すように、温度範囲検出部Ａ１のフォトトランジスタ２４ｂのエミッタを接地する代わりに、温度範囲検出部Ａ２のフォトトランジスタ２４ｂのコレクタと接続する。同様にして温度範囲検出部Ａ１、Ａ２、Ａ３、Ａ５、Ａ６の各フォトトランジスタ２４ｂを順に直列に接続する。但し、図２では温度範囲検出部Ａ２、Ａ３、Ａ５、Ａ６の各構成は、プルアップ抵抗Ｒを備えていないこと以外は温度範囲検出部Ａ１と同じであるので図示を簡略化してあり、温度範囲検出部Ａ１のものと同じ図記号には同じ符号が適用されるとする。末端に接続された温度範囲検出部Ａ６のフォトトランジスタ２４ｂのエミッタを接地すると、先頭にある温度範囲検出部Ａ１のコレクタは、直列接続全体から構成されるワイヤードＯＲの出力端子となる。当該ワイヤードＯＲの出力は、図１の判定部３１への入力となるのではなく、判定部３１の出力Ｕ１を導出する。すなわち、当該ワイヤードＯＲの構成は判定部３１の構成を包含している。温度範囲検出部Ａ１、Ａ２、Ａ３、Ａ５、Ａ６のうちいずれか１つでも出力がオープンになれば、直列接続全体として出力がオープンとなる。当該構成を用いれば、前記閾値超え状態にあることを、当該ワイヤードＯＲの出力Ｕ１により制御部４へ伝送することができる。なお、上記直列接続における各温度範囲検出部の接続順序は任意でよい。
【００２８】
このように、フォトカプラ出力という温度範囲検出部Ａ１、Ａ２、Ａ３、Ａ５、Ａ６の一部を直列に接続することにより、判定部３１をも同時に構成することができる。この場合に、判定部３１としてＯＲ回路を別途用意する必要がなく、回路簡素化および低コスト化が可能である。
【００２９】
図１で説明したように、モータＭ２などの他の機器に対応したインバータが設けられる場合にも、当該インバータに対応させて、上述したのと同様の第１センサ部および第２センサ部を設けることができる。
【００３０】
以上に説明した、温度範囲検出部Ａ１、Ａ２、Ａ３、Ａ５、Ａ６の電源は、フォトカプラを備えたことにより、フォトカプラの入力側（発光部側）と出力側（受光部側）とで電気的に絶縁されている。当該フォトカプラの出力側の電源は弱電力電圧系であり、例えば、制御部４と共通の電源か、制御部４の電源とは別個に用意した電源を用いる。当該フォトカプラの入力側の電源は高電圧系であり、例えば、高電位側電源ラインＬ１および低電位側電源ラインＬ２から得たレギュレータ電圧か、上記弱電力電圧系の電源からスイッチングトランスによって絶縁して得た電源を用いる。また、接地についても当該フォトカプラの入力側と出力側とで電気的に絶縁されている。例えば、フォトカプラの入力側の接地には制御部４と同様のシグナル接地を用い、フォトカプラの出力側の接地にはインバータ１と同様に筐体への接地を用いる。
【００３１】
次に、制御部４について説明する。制御部４は、マイクロコンピュータまたはＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）で構成され、温度情報伝送部３からの入力に基づいて、インバータ１などの機器の動作を制御する。制御部４は、インバータ１の動作を制御する場合に、駆動部１ｂが生成する駆動信号の波形情報を生成して駆動部１ｂに指示する。波形情報は、判定部３１から入力される前記閾値超え状態にあるか否かを示す情報と、温度検出部Ａ４から入力されるスイッチ素子Ｓ４の温度を示す情報とが加味されて、例えばパルス幅変調により生成される。なお、駆動部１ｂの内部においても、制御部４に接続される側と、駆動電圧を生成する高圧側との間で電気的な絶縁が行われる。当該絶縁には、例えばフォトカプラやスイッチングトランスが使用される。また、モータＭ１が車室空調機のコンプレッサに備えられる場合に、ユーザによる温度や風量の設定に応じた指示が制御部４の外部から与えられるといったように、制御部４の外部からの制御信号による情報も、上記波形情報に含められる。また、制御部４は、温度情報伝送部３の温度検出部Ｂ１、Ｂ２からの入力に基づいて、昇降圧コンバータ２の動作を制御する。以下では、インバータ１の動作を制御する内容について説明を行う。
【００３２】
ここで、図３を参照して、制御部４がインバータ１の制御を行う際に適用する基本的な制御原理について説明する。制御部４が備える記憶媒体には、スイッチ素子の温度に応じて全てのスイッチ素子をどのような負荷率の上限まで許容して駆動するかを決める負荷率制御曲線を記述した制御マップが格納されている。負荷率は、負荷電力の最大定格に占める許容負荷電力の割合で表される。図３は、負荷率制御曲線の概念を示すものであり、例えば１００℃以下のスイッチ素子の温度では負荷率の上限が１００％に設定され、１００℃を超えるスイッチ素子の温度では負荷率の上限を温度上昇に応じて１００％から減少するように制限し、Ｔ０℃で０％とする。Ｔ０は、スイッチ素子の定格温度以下の温度に設定される。この負荷率の上限が制限される温度領域で、制御部４によるスイッチ素子の過熱保護が行われる。
【００３３】
インバータ１にはスイッチ素子Ｓ１〜Ｓ６のように複数のスイッチ素子がある。仮にスイッチ素子Ｓ１〜Ｓ６の温度を個別に検出して負荷率の上限を制御するとすれば、いずれかのスイッチ素子が１００℃を超えた時点で全スイッチ素子Ｓ１〜Ｓ６に対して図３の負荷率制御曲線に従って負荷率の上限を制限する制御を開始すればよいし、さらに高温になった場合には最高温度にあるスイッチ素子の温度を基準にして同制御を行えばよい。これにより、全スイッチ素子Ｓ１〜Ｓ６が定格温度以下に保たれることになる。しかしながら、スイッチ素子ごとに温度を検出して全スイッチ素子の過熱保護を行うのでは、検出温度の値の情報を絶縁伝送する高価な部品がそれぞれのスイッチ素子からのフィードバック系に必要となってしまう。
【００３４】
ここでは、制御部４は、スイッチ素子Ｓ４のみから温度を認識し、当該認識温度に基づいて全てのスイッチ素子を同じ負荷率制御曲線に従って制御する。実際にスイッチ素子Ｓ１〜Ｓ６を駆動させるときには、スイッチ素子ごとの温度特性のばらつきやスイッチ素子の置かれた放熱環境の違いなどによって、スイッチ素子ごとに温度が異なり得る。スイッチ素子Ｓ４以外のスイッチ素子が如何なる温度にあるかは正確に特定できないことから、上記Ｔ０℃は、スイッチ素子Ｓ４よりも高温のスイッチ素子が存在する場合を考慮して、全スイッチ素子が安全に過熱保護されるよう、定格温度との間に温度マージンとしての差ΔＴｍが設定される。例えば定格温度が１５０℃である場合に、Ｔ０[℃]＝１３０[℃]に設定され、２０℃の差ΔＴｍが確保される。
【００３５】
なお、以下では、負荷率制御曲線がカバーしている全温度範囲について、各温度に対応する負荷率の上限以下の範囲で負荷率を設定してスイッチ素子の駆動制御を行うことを負荷率制御と呼ぶ。また、負荷率制御曲線がカバーしている全温度範囲のうち、負荷率の上限を１００％よりも減少させる温度範囲において、負荷率の上限以下の範囲で負荷率を設定してスイッチ素子の駆動制御を行うことを負荷率制限制御と呼ぶ。
【００３６】
次に、図４を参照し、本実施形態において制御部４が図３の基本的な原理を応用して行う具体的な負荷率制御について説明する。
【００３７】
スイッチ素子Ｓ１〜Ｓ６を駆動させるときには、スイッチ素子Ｓ１〜Ｓ６のうちのある素子が他の素子よりも早く過熱状態になることが起こり得る。このことを考慮した図３の差ΔＴｍ℃は、全スイッチ素子の中で最も高温のスイッチ素子以外のスイッチ素子からみて安全な過熱保護が可能となるように見込んだ温度マージンである。スイッチ素子Ｓ４についての検出温度が１００℃であるときに、それよりも高温のスイッチ素子は既に１００℃を超えながら負荷率が制限されずに温度上昇を続けてきた状態にある。したがって、既に過熱状態にあるスイッチ素子に対する負荷率制限制御が遅れてしまう虞、および、高温素子の温度抑制が意図した負荷率制限通りには効かない虞がある。この場合、差ΔＴｍ℃は実質的に、より大きな値に設定する必要がある。このように、確実な過熱保護を行うための温度マージンの設定は容易でない。
【００３８】
そこで、前述したように、スイッチ素子Ｓ４以外のスイッチ素子Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ５、Ｓ６については、過熱保護を要するスイッチ素子が存在する閾値超え状態にあるか否かについての第２センサ部による検出結果を、制御部４が負荷率制限制御と関連付けるようにする。ここでは、過熱保護を要するスイッチ素子の温度範囲を、１００℃（第１の温度）を超える範囲とする。そして、制御部４は、前記制御マップとして、第２センサ部から取得した情報（出力Ｕ１）に応じて、以下で説明する２種類の制御マップを切り替えて使用する。制御部４は、第１センサ部から取得したスイッチ素子Ｓ４の検出温度を制御用温度として、負荷率の上限を設定する際にこれらの制御マップの温度座標に適用する。
【００３９】
図４に示すように、制御部４は、出力Ｕ１からスイッチ素子Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ５、Ｓ６の全てが１００℃以下であることを認識した場合に、負荷率制御曲線ｆ１に対応する制御マップである第１制御マップを使用する。負荷率制御曲線ｆ１は、図３の例に示した負荷率制御曲線と同じであり、１００℃（第１の温度）以下で負荷率の上限を１００％とし、１００℃を超え１３０℃以下の温度範囲で負荷率の上限が温度上昇に応じて１００％から０％まで減少するような負荷率制限勾配を有するように定められている。１００％から０％まで、負荷率の上限を段階的に減少させてもよい。当該１３０℃という温度は、１００℃という第１の温度よりも高く１５０℃というスイッチ素子の定格温度以下となる温度範囲から選定して設定した温度である。当該１３０℃において負荷率の上限が０％となるようにする。スイッチ素子Ｓ４が全スイッチ素子の中で最初に１００℃を超えても、スイッチ素子Ｓ４以外のスイッチ素子が１００℃を超えない限り、制御部４は第１制御マップを使用する。
【００４０】
また、制御部４は、出力Ｕ１からスイッチ素子Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ５、Ｓ６のいずれかが１００℃を超えていることを認識した場合に、負荷率制御曲線ｆ２に対応する制御マップである第２制御マップを使用する。負荷率制御曲線ｆ２は、８５℃（第２の温度）以下で負荷率の上限を１００％とし、８５℃を超え１１５℃（第３の温度）以下の温度範囲で負荷率の上限が温度上昇に応じて１００％から０％まで減少するような負荷率制限勾配を有するように定められている。１００％から０％まで、負荷率の上限を段階的に減少させてもよい。当該８５℃という第２の温度は１００℃という第１の温度よりも低く設定された温度である。当該１１５℃という第３の温度は、１００℃という第１の温度よりも高く１５０℃というスイッチ素子の定格温度以下に設定された温度である。当該１１５℃において負荷率の上限が０％となるようにする。ここでは、８５℃と１１５℃との差分３０℃および負荷率制限勾配が、負荷率制御曲線ｆ１における１００℃と１３０℃との差分および負荷率制限勾配と等しくなるように設定されている。
【００４１】
制御部４は、スイッチ素子Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ５、Ｓ６の全てが１００℃以下である状態から、スイッチ素子Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ５、Ｓ６のいずれかが１００℃を超えている状態（閾値超え状態）へ移行したことを認識したときに、使用する制御マップを第１制御マップから第２制御マップへと切り替える。また、制御部４は、スイッチ素子Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ５、Ｓ６のいずれかが１００℃を超えている状態（閾値超え状態）から、スイッチ素子Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ５、Ｓ６の全てが１００℃以下である状態へ移行したことを認識したときに、使用する制御マップを第２制御マップから第１制御マップへと切り替える。
【００４２】
上述したように、負荷率を制御するときは、制御部４が認識しているスイッチ素子Ｓ４の温度により、負荷率制御曲線上の動作領域が読み取られる。したがって、例えば、第２制御マップを使用開始したときにスイッチ素子Ｓ４の温度が９０℃であれば、負荷率制御曲線ｆ２の９０℃における負荷率の上限が全スイッチ素子の駆動に適用される。スイッチ素子Ｓ４以外のスイッチ素子が１００℃という第１の温度を超えているときにスイッチ素子Ｓ４の温度が常に負荷率制御曲線ｆ２に定められた８５℃という第２の温度を超えているように当該第２の温度を定めれば、全スイッチ素子について過熱保護が全く遅れることなく開始される状態を確保することができる。負荷率制御曲線ｆ２におけるこのような負荷率制限制御を開始する第２の温度は、例えば、第１の温度と第２の温度との差が、スイッチ素子の温度特性や放熱環境のばらつきにより引き起こされるスイッチ素子間の最大温度差を包含するように決定すればよい。
【００４３】
[変形例]
図５に、第２制御マップに記述される他の負荷率制御曲線ｆ２の例を示す。当該負荷率制御曲線ｆ２は、負荷率制御曲線ｆ１の負荷率制限勾配を適用するものではなく、８５℃（第２の温度）での１００％から負荷率制御曲線ｆ１よりも小さい負荷率制限勾配により、１３０℃（第３の温度）での０％まで、負荷率の上限を減少させるものである。
【００４４】
図６に、第２制御マップに記述されるさらに他の負荷率制御曲線ｆ２の例を示す。当該負荷率制御曲線ｆ２は、負荷率制御曲線ｆ１の負荷率制限勾配を適用するものではなく、８５℃（第２の温度）での１００％から負荷率制御曲線ｆ１よりも小さい負荷率制限勾配により、定格温度１５０℃（第３の温度）での０％まで、負荷率の上限を減少させるものである。
【００４５】
[制御部の動作について]
次に、図７に、制御部４により実行される負荷率の制御手順を説明するフローチャートを示す。当該制御手順は、制御部４に備えられたコンピュータが記憶媒体に記憶されたプログラムを読み出して実行する、あるいは、制御部４に作り込まれたハードウェアが必要に応じて記憶媒体とのデータ入出力を伴いながら各種入力信号に従った動作をすることにより実行するものである。
【００４６】
まず、ステップＳ１０１において、車両の電源がオン状態となるなどしてインバータ１が動作開始可能な状態となると、制御部４は、負荷率制御曲線ｆ１に対応した第１制御マップおよび負荷率制御曲線ｆ２に対応した第２制御マップを予め記憶媒体より読み出す。続くステップＳ１０２では、まず第１制御マップに第１センサ部から取得したスイッチＳ４の検出温度を適用した負荷率制御を開始する。次いでステップＳ１０３では、制御部４は、第２センサ部からの入力はスイッチ素子Ｓ４以外のスイッチ素子Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ５、Ｓ６についての検出結果が、閾値超え状態にあることを示すか否かを判定する。ステップＳ１０３で閾値超え状態にあればステップＳ１０４へ進み、ステップＳ１０３で閾値超え状態になければステップＳ１０３へ戻る。
【００４７】
ステップＳ１０４では、制御部４は、第２制御マップに第１センサ部から取得したスイッチＳ４の検出温度を適用した負荷率制御を開始する。すなわち、制御部４は、使用する制御マップを第１制御マップから第２制御マップへと切り替える。続くステップＳ１０５では、制御部４は、第２センサ部からの入力はスイッチ素子Ｓ４以外のスイッチ素子Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ５、Ｓ６についての検出結果が、閾値超え状態にあることを示すか否かを判定する。ステップＳ１０５で閾値超え状態にあればステップＳ１０５に戻り、ステップＳ１０５で閾値超え状態になければステップＳ１０２へ戻る。ステップＳ１０５からステップＳ１０２へ戻った場合には、制御部４は、使用する制御マップを第２制御マップから第１制御マップへと切り替える。
【００４８】
なお、図示を省略したが、車両の電源がオフ状態になるなどしてインバータが動作しない状態となれば、当該フローは終了する。
【００４９】
［実施の形態の効果等］
本実施形態によれば、インバータ１が備えるスイッチ素子Ｓ１〜Ｓ６のうち所定の１つのスイッチ素子Ｓ４のみの温度を第１センサ部で検出し、検出温度を制御部４が制御用温度として取得する。そして、他のスイッチ素子Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ５、Ｓ６については、第２センサ部により第１の温度を超えたスイッチ素子が存在するか否か検出し、当該検出結果を制御部４が取得する。制御部４は、これら取得内容に基づき、スイッチ素子Ｓ４以外のいずれのスイッチ素子も第１の温度以下である場合には、第１制御マップを用いて、第１の温度以下の制御用温度では負荷率の上限を１００％とするとともに、第１の温度を超える制御用温度からは負荷率の上限を１００％から温度上昇に応じて減少させるように、各スイッチ素子の駆動制御を行う。また、制御部４は、これら取得内容に基づき、第２センサ部による検出結果がスイッチ素子Ｓ４以外に第１の温度を超えているスイッチ素子が存在する状態にあることを示す場合には、第２制御マップを用いて、第１の温度よりも低く設定された第２の温度以下の制御用温度では負荷率の上限を１００％とするとともに、第２の温度を超える制御用温度からは負荷率の上限を１００％から温度上昇に応じて減少させるように、各スイッチ素子の駆動制御を行う。このようなインバータシステムによれば、制御部４が温度を取得する対象ではない、スイッチ素子Ｓ４以外のスイッチ素子が、第１の温度を超えた過熱保護を要する状態になったとしても、制御用温度に従って、第１の温度よりも低い第２の温度から負荷率制限制御を行うこととなる。
【００５０】
以上により、インバータ１が備える全てのスイッチ素子Ｓ１〜Ｓ６に亘って温度を取得せずとも、全てのスイッチ素子Ｓ１〜Ｓ６を適時に過熱保護することができる。また、第１センサ部による検出温度の値の情報を絶縁伝送するには高速伝送が可能な構成が用いられる一方、第２センサ部においてスイッチ素子の温度が第１の温度という閾値を超えたか否かの情報を伝送できればよい安価な絶縁伝送の構成を用いることが可能である。すなわち、インバータ１が備える全てのスイッチ素子Ｓ１〜Ｓ６に対して過熱保護を行うのに、制御部４へフィードバックする情報については１つのスイッチ素子Ｓ４を除いて高速の伝送が不要な絶縁伝送を行えばよいので、絶縁伝送用の高価な部品の使用点数が抑えられた、安価な構成のインバータシステムとすることができる。
【００５１】
また、従来、前記高価な部品を、例えばハイブリッド自動車用のインバータの場合に、図１に示された全てのスイッチ素子に対応する１４系統分といった多数個用意する必要があった。また、従来、スイッチ素子ごとに検出温度の値の情報を伝送する構成を簡略化しようとする場合でも、マルチプレクサやラッチ回路といったマイクロコンピュータの外付け部品が多数用いられ、部品コストの他に、それらの実装面積が多大になるという問題があった。本実施形態によれば、これらの多数の部品が省略可能となるので、部品の実装面積が縮小される。
【産業上の利用可能性】
【００５２】
本発明は、車両システムを始めとしてインバータを備えたシステム等に適用可能である。
【符号の説明】
【００５３】
１            インバータ
１ａ          電力変換部
１ｂ          駆動部
２            昇降圧コンバータ
３            温度情報伝送部
４            制御部
１０          インバータシステム
２１          温度センサ
２２          比較器
２３          駆動部
２４          フォトカプラ
２４ａ        発光ダイオード
２４ｂ        フォトダイオード
３１          判定部
１０１        ＩＧＢＴ
１０２        還流ダイオード
Ａ４          温度検出部
Ａ１、Ａ２、Ａ３、Ａ５、Ａ６          温度範囲検出部
Ｂ１、Ｂ２    温度検出部
ｆ１、ｆ２    負荷率制御曲線
Ｍ１、Ｍ２    モータ
Ｒ            抵抗器
Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４、Ｓ５、Ｓ６、Ｓ１１、Ｓ１２          スイッチ素子
ｔ１、ｔ２、ｔ３、ｔ４、ｔ５、ｔ６、ｔ１１、ｔ１２          信号
ΔＴｍ        差
Ｔ０          温度
Ｖｒｅｆ      基準電圧
【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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