(57)【要約】      （修正有）【課題】ＲＣ−ＩＧＢＴを備える電圧コンバータにおいて、発熱を抑える技術を提供する。【解決手段】電圧コンバータ１２は、互いに直列に接続されている２個のＲＣ−ＩＧＢＴと、２個のＲＣ−ＩＧＢＴの直列接続の中点に一端が接続されており、他端がバッテリ８１側の高電位端に接続されているリアクトル７と、２個のＲＣ−ＩＧＢＴのそれぞれのＩＧＢＴの導通と非導通とを切り替えるコントローラ１０と、を備える。コントローラは、降圧動作において、インバータから送られる回生電力の制限値が第１制限値に設定されている場合に、ＩＧＢＴの導通と非導通とを第１周波数で切り替え、降圧動作において、インバータから送られる回生電力の制限値の絶対値が第１制限値の絶対値よりも大きい第２制限値に設定されている場合に、ＩＧＢＴの導通と非導通とを前記第１周波数よりも小さい第２周波数で切り替える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
バッテリの電圧を昇圧してインバータに供給する昇圧動作と走行用モータが発電して前記インバータから送られる回生電力を降圧して前記バッテリに供給する降圧動作を行う電圧コンバータであって、
互いに直列に接続されている２個のＲＣ−ＩＧＢＴと、
前記２個のＲＣ−ＩＧＢＴの直列接続の中点に一端が接続されており、他端がバッテリ側の高電位端に接続されているリアクトルと、
前記２個のＲＣ−ＩＧＢＴのそれぞれのＩＧＢＴの導通と非導通とを切り替えるコントローラと、を備え、
コントローラは、
前記降圧動作において、前記インバータから送られる前記回生電力の制限値が第１制限値に設定されている場合に、前記ＩＧＢＴの導通と非導通とを第１周波数で切り替え、
前記降圧動作において、前記インバータから送られる前記回生電力の制限値の絶対値が前記第１制限値よりも絶対値が大きい第２制限値に設定されている場合に、前記ＩＧＢＴの導通と非導通とを前記第１周波数よりも小さい第２周波数で切り替える、電圧コンバータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、自動車に搭載される電圧コンバータに関する。特に、バッテリの電圧を昇圧してインバータに供給する昇圧動作と走行用モータが発電してインバータから送られる回生電力を降圧してバッテリに供給する降圧動作を行う電圧コンバータに関する。本明細書における「自動車」には、走行用にモータを備えるがエンジンは備えない電気自動車、モータとエンジンの双方を備えるハイブリッド車や、燃料電池車を含む。
【背景技術】
【０００２】
自動車はバッテリの直流電圧を交流電力に変換して走行用モータに供給するインバータを備える。自動車の中には、バッテリとインバータとを接続する電圧コンバータを備えるタイプがある。即ち、バッテリとモータの間に電圧コンバータとインバータが直列に接続されている自動車が知られている。電圧コンバータは、バッテリの電圧を昇圧してインバータに供給する昇圧動作と、走行用モータが発電してインバータから送られる回生電力を降圧してバッテリに供給する降圧動作を行う。
【０００３】
電圧コンバータ（昇降圧コンバータとも言う）は、２個のスイッチング素子と、２個のダイオードと、リアクトルとを備える。２個のスイッチング素子は、直列に接続されている。２個のスイッチング素子のうち一方のスイッチング素子は、２個のダイオードのうち一方のスイッチング素子と逆並列に接続されている。同様に、他方のスイッチング素子は、他方のスイッチング素子と逆並列に接続されている。リアクトルの一端は２個のスイッチング素子の直列接続の中点に接続されており、リアクトルの他端はバッテリ側の高電位端に接続されている。この構成では、昇圧動作では、一方のスイッチング素子と他方のダイオードに電流が流れる。従って、昇圧動作では、一方のスイッチング素子と他方のダイオードが発熱する。降圧動作では、他方のスイッチング素子と一方のダイオードに電流が流れる。従って、降圧動作では、一方のスイッチング素子と他方のダイオードが発熱する。
【０００４】
特許文献１には、スイッチング素子及びダイオードとして、ＲＣ−ＩＧＢＴ（逆導通ダイオードＩＧＢＴ、Reverse Conduction diode IGBTの略）なお、ＩＧＢＴは、Insulated Gate Bipolar Transistorの略である。を備える電圧コンバータが開示されている。ＲＣ−ＩＧＢＴは、スイッチング素子であるＩＧＢＴとダイオードとが一つの基板上に実装されているとともにそれらが逆並列に接続されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１５−１７７６３５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
自動車の走行用モータは大出力であるため、電圧コンバータは発熱量が大きい。特に、ＲＣ−ＩＧＢＴを備える電圧コンバータでは、昇圧動作においてＲＣ−ＩＧＢＴのＩＧＢＴとダイオードの一方が発熱し、降圧動作においてＲＣ−ＩＧＢＴのＩＧＢＴとダイオードの他方が発熱する。即ち、ＲＣ−ＩＧＢＴは、昇圧動作でも降圧動作でも発熱するため、ＩＧＢＴとダイオードが別体で配置されている場合と比較して、発熱と放熱のサイクルが増加する。この結果、ＲＣ−ＩＧＢＴに用いられる半田や放熱用のグリスが劣化しやすくなる。
【０００７】
特に、例えばバッテリの残量が低下している等、積極的に回生電力をバッテリに供給すべき状況において、一時的に回生電力の制限値を通常の制限値から拡大する自動車では、制限値拡大中にＲＣ−ＩＧＢＴに流れる電流が大きくなる。これにより、ＲＣ−ＩＧＢＴの発熱が増大する。
【０００８】
本明細書は、ＲＣ−ＩＧＢＴを備える電圧コンバータにおいて、発熱を抑える技術を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本明細書では、電圧コンバータを開示する。電圧コンバータは、バッテリの電圧を昇圧してインバータに供給する昇圧動作と走行用モータが発電してインバータから送られる回生電力を降圧してバッテリに供給する降圧動作を行う。電圧コンバータは、互いに直列に接続されている２個のＲＣ−ＩＧＢＴと、２個のＲＣ−ＩＧＢＴの直列接続の中点に一端が接続されており、他端がバッテリ側の高電位端に接続されているリアクトルと、２個のＲＣ−ＩＧＢＴのそれぞれのＩＧＢＴの導通と非導通とを切り替えるコントローラと、を備える。コントローラは、降圧動作において、インバータから送られる回生電力の制限値が第１制限値に設定されている場合に、ＩＧＢＴの導通と非導通とを第１周波数で切り替え、降圧動作において、インバータから送られる回生電力の制限値の絶対値が第１制限値の絶対値よりも大きい第２制限値に設定されている場合に、ＩＧＢＴの導通と非導通とを前記第１周波数よりも小さい第２周波数で切り替える。
【００１０】
この構成では、降圧動作中に電力の制限値が拡大される場合において、ＩＧＢＴのスイッチング周波数を、制限値が拡大されていない場合のスイッチング周波数よりも小さくされている。この構成によれば、電力の制限値が拡大されている間のＲＣ−ＩＧＢＴの発熱量を抑制することができる。
【００１１】
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】
【００１２】
【図１】実施例の電力変換装置を含む自動車の電力系のブロック図である。
【図２】回生電力制限の通常時と拡大時のＲＣ−ＩＧＢＴ素子のスイッチング周波数と温度との関係を示すタイムチャートである。
【００１３】
図１に自動車１００の電力系のブロック図を示す。自動車１００は、２個のモータ８３ａ、８３ｂと、電力変換装置２を備える。なお、２個のモータ８３ａ、８３ｂの出力は、動力分配機構８５で合成／分配されて車軸８６（即ち駆動輪）へと伝達される。即ち、自動車１００は、２個のモータ８３ａ、８３ｂによって駆動される。なお、自動車１００は、モータ以外に駆動用のエンジンを有していてもよい。
【００１４】
電力変換装置２は、システムメインリレー８２を介してバッテリ８１と接続されている。電力変換装置２は、電圧コンバータ１２と、２セットのインバータ１３ａ、１３ｂを含む。
【００１５】
電圧コンバータ１２は、バッテリ８１の電圧を昇圧してインバータ１３ａ，１３ｂに供給する昇圧動作と、８３ａ，８３ｂが発電して１３ａ，１３ｂから送られる回生電力を降圧してバッテリ８１に供給する降圧動作を行う昇降圧電圧コンバータである。電圧コンバータ１２の回路は、２個のスイッチング素子８ａ、９ａ、２個のダイオード８ｂ、９ｂ、リアクトル７、コンデンサ５で構成される。２個のスイッチング素子８ａ、９ａは直列に接続されている。各スイッチング素子にダイオード８ｂ、９ｂが夫々逆並列に接続されている。リアクトル７は、その一端が２個のスイッチング素子８ａ、９ａの直列接続の中点に接続されており、他端がバッテリ側の高電位端に接続されている。コンデンサ５は、バッテリ側の入力端に並列に接続されている。
【００１６】
スイッチング素子８ａ、９ａとダイオード８ｂ、９ｂのハードウエア構成について説明する。スイッチング素子８ａ、９ａは、ＩＧＢＴである。逆並列に接続されているスイッチング素子８ａとダイオード８ｂは、一枚の基板上に実装され、ワンチップ化されており、ＲＣ−ＩＧＢＴ８を構成する。同様に、逆並列に接続されているスイッチング素子９ａとダイオード９ｂは、一枚の基板上に実装され、ワンチップ化されて、ＲＣ−ＩＧＢＴ９を構成する。ＲＣ−ＩＧＢＴ８、９では、各素子の取り付けに半田が用いられている。また、ＲＣ−ＩＧＢＴ８、９は、放熱グリスを介して冷却装置に配置されている。なお、それぞれのチップの基板には温度センサも実装されている。それらの温度センサは、チップの温度（基板の温度）を計測する。ＲＣ−ＩＧＢＴ８、９の直列回路は、高電位側Ｐの電極と接続されている端子と、低電位側Ｎの電極と接続されている端子を有する。
【００１７】
インバータ１３ａは、２個のスイッチング素子の直列回路が３セット並列に接続された構成を有している（Ｔ１とＴ４、Ｔ２とＴ５、Ｔ３とＴ６）。各スイッチング素子にはダイオードが逆並列に接続されている。図１では、２個のスイッチング素子と各スイッチング素子のダイオードのセットごとに破線で囲っている。３セットの直列回路の高電位側は電圧コンバータ１２の高電位側Ｐの出力端に接続されており、３セットの直列回路の低電位側Ｎは電圧コンバータ１２の低電位側の出力端に接続されている。３セットの直列回路の中点から３相交流（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）が出力される。
【００１８】
インバータ１３ｂの構成はインバータ１３ａと同じであるため、図１では具体的な回路の図示を省略し、インバータ１３ａと同様に２個のスイッチング素子の直列回路と各スイッチング素子のダイオードのセットを破線で示す。インバータ１３ｂもインバータ１３ａと同様に、２個のスイッチング素子の直列回路が３セット並列に接続された構成を有している。
【００１９】
インバータ１３ａ、１３ｂの入力端に平滑化コンデンサ６が並列に接続されている。平滑化コンデンサ６は、別言すれば、電圧コンバータ１２の出力端に並列に接続されている。平滑化コンデンサ６は、電圧コンバータ１２の出力電流に重畳しているノイズ（スイッチング動作に伴う電流の脈動）を除去する。
【００２０】
スイッチング素子Ｔ１−Ｔ６は、トランジスタであり、典型的にはＩＧＢＴであるが、例えば、ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）等の他のトランジスタであってもよい。なお、インバータ１３ａ、１３ｂでも、１個のスイッチング素子とそれに逆並列に接続されるダイオードとがＲＣ−ＩＧＢＴであってもよい。
【００２１】
自動車１００は、バッテリ８１の電力をモータ８３ａ、８３ｂに供給して、モータ８３ａ、８３ｂによって車軸８６を回転させる力行状態とモータ８３ａ、８３ｂによって発電された電力をバッテリ８１に供給する回生状態とに移行可能である。力行状態では、電圧コンバータ１２は、バッテリ８１の電圧を昇圧してインバータ１３ａ、１３ｂに供給する。インバータ１３ａ、１３ｂは、昇圧された直流電力を交流電力に変換し、走行用のモータ８３ａ、８３ｂに供給する。これにより、バッテリ８１の電力によってモータ８３ａ、８３ｂが駆動して、車軸８６を回転させる。一方、回生状態では、自動車１００は、運動エネルギを利用してモータ８３ａ、８３ｂを回転させる。モータ８３ａ、８３ｂが回転すると、モータ８３ａ、８３ｂが発電し、その交流電力はインバータ１３ａ、１３ｂによって直流電力に変換される。変換後の直流電力は電圧コンバータ１２によって降圧され、バッテリ８１に供給される。
【００２２】
電圧コンバータ１２とインバータ１３ａ、１３ｂとは、コントローラ１０によって制御される。コントローラ１０は、ＣＰＵ及びＲＯＭ，ＲＡＭ等のメモリを含む。コントローラ１０は、車速、アクセル開度、バッテリの残量などからモータ８３ａ、８３ｂの目標出力を決定する上位コントローラから指令を受けて、インバータ１３ａ、１３ｂの目標出力を決定する。コントローラ１０は、その目標出力が実現されるように、インバータ１３ａ、１３ｂの各スイッチング素子に与えるＰＷＭ信号と、電圧コンバータ１２の各スイッチング素子８ａ、９ａに与えるＰＷＭ信号を生成して供給する。
【００２３】
コントローラ１０には、回生状態におけるバッテリ８１に供給される回生電力の制限値として、第１制限値と第２制限値の２種類の制限値が予め格納されている。なお、本実施例では、回線電力は、負の値として表されている。第２制限値の絶対値は、第１制限値の絶対値よりも大きい。後述するが、コントローラ１０は、バッテリ８１の残量に応じて、第１制限値と第２制限値のいずれかの制限値を設定する。コントローラ１０は、回生状態において設定済みの制限値を超えないように、インバータ１３ａ、１３ｂの目標出力を決定し、インバータ１３ａ、１３ｂ及び電圧コンバータ１２のスイッチング素子を制御する。
【００２４】
初期状態では、比較的に絶対値が小さい第１制限値に設定されている。コントローラ１０は、バッテリ８１の残量が予め決められた閾値未満である場合に、回生電力の制限値を、通常時の第１制限値から第２制限値に変更し、回線電力の制限値を一時的に拡大する。これにより、バッテリ８１の残量が少ない場合に、早期にバッテリ８１に充電することができる。図２は、（ａ）回生電力制限値の変化と、（ｂ）実回生電力の変化と、（ｃ）電圧コンバータ１２のスイッチング素子８ａ、９ａのスイッチング周波数の変化と、（ｄ）電圧コンバータ１２のＲＣ−ＩＧＢＴ８、９の温度の変化を示すタイムチャートを示す。
【００２５】
コントローラ１０は、バッテリ８１の残量が閾値未満になると、拡大フラグをセットする。そして、コントローラ１０は、拡大フラグがセットされると、例えばアクセルペダルが操作されているか否かによって、自動車１００が回生状態に移行されるか否かを判断する。拡大フラグがセットされ、例えばアクセルペダルが操作されておらず自動車１００が回生状態に移行されると判断されると（図２の時刻Ｔ１）、コントローラ１０は、回生電力の制限値を、第１制限値から第２制限値に変更し、通常時から拡大する。実際には、コントローラ１０は、インバータ１３ａ、１３ｂの各スイッチング素子の周波数を増加する。また、時刻Ｔ１では、コントローラ１０は、電圧コンバータ１２が降圧動作を実行する場合に、電圧コンバータ１２のスイッチング素子８ａ、９ａのスイッチング周波数を第１周波数から第２周波数に減少させる。なお、図２（ａ）、（ｂ）では、回生電力が負の値で表されているため、下に向かうほど回生電力の絶対値が大きいことを表す。
【００２６】
コントローラ１０は、バッテリ８１の残量が閾値以上になるか、例えばアクセルペダルが操作され、自動車１００が力行状態に移行される場合に（図２の時刻Ｔ２）、コントローラ１０は、回生電力の制限値を、第２制限値から第１制限値に戻す。実際には、コントローラ１０は、インバータ１３ａ、１３ｂの各スイッチング素子の周波数を増加する前の値に戻す。また、時刻Ｔ２では、コントローラ１０は、電圧コンバータ１２のスイッチング素子８ａ、９ａのスイッチング周波数を第２周波数から第１周波数に増加させる。なお、変形例では、回生電力の制限値を変更するタイミング及びスイッチング素子８ａ、９ａのスイッチング周波数を変更するタイミングは同一のタイミングでなくてもよく、例えば、回生電力の制限値が変更された後所定のタイミングで、スイッチング周波数が変更されてもよい。また、変形例では、回生電力の制限値及びスイッチング素子８ａ、９ａのスイッチング周波数は、例えば、バッテリ８１の残量に応じて切り替えてもよく、アクセルペダルによる判断はなくてもよい。
【００２７】
コントローラ１０は、時刻Ｔ３に示すように、バッテリ８１の残量が閾値以上である場合、自動車１００が回生状態に移行されても、コントローラ１０は、回生電力の制限値を第１制限値に維持して、電圧コンバータ１２のスイッチング素子８ａ、９ａのスイッチング周波数を第１周波数から変化させない。そして、コントローラ１０は、時刻Ｔ４に示すように、自動車１００が回生状態から力行状態に移行されても、回生電力の制限値及び電圧コンバータ１２のスイッチング素子８ａ、９ａのスイッチング周波数を第１周波数から変化させない。
【００２８】
コントローラ１０は、バッテリ８１の残量が閾値未満であり、回生状態である時刻Ｔ５〜Ｔ６の期間も、バッテリ８１の残量が閾値未満であり、回生状態に移行されるために、回生電力の制限値を拡大し、電圧コンバータ１２のスイッチング素子８ａ、９ａのスイッチング周波数を減少させる。
【００２９】
自動車１００のモータ８３ａ、８３ｂは大出力であるため、電圧コンバータ１２に流れる電流は大きく、ＲＣ−ＩＧＢＴ８、９の発熱量が大きい。ＲＣ−ＩＧＢＴ８では、昇圧動作においてダイオード８ｂに電流が流れて発熱し、降圧動作においてＩＧＢＴ８ａに電流が流れて発熱する。なお、昇圧動作においてＩＧＢＴ８ａをスイッチングすることによってＩＧＢＴ８ａに電流を流す場合、昇圧動作においてＩＧＢＴ８ａも発熱する。ＲＣ−ＩＧＢＴ９では、逆に昇圧動作においてＩＧＢＴ９ａに電流が流れて発熱し、降圧動作においてダイオード９ｂに電流が流れて発熱する。即ち、ＲＣ−ＩＧＢＴ８、９は、昇圧動作においても降圧動作においても発熱する。
【００３０】
電圧コンバータ１２では、回生電力の制限値を通常の制限値から拡大する回生状態では、ＲＣ−ＩＧＢＴ８、９に流れる電流が大きくなる。このとき、ＩＧＢＴ８ａ、９ａのスイッチング周波数を、制限値が拡大されていない場合のスイッチング周波数よりも小さくする。この構成によれば、図２（ｄ）の温度変化線Ｌ１に示すように、スイッチング周波数を小さくしない場合（図２（ｄ）の温度変化線Ｌ２に示される場合）と比較して、ＲＣ−ＩＧＢＴ８、９の発熱量を抑制することができる。これにより、熱サイクルによって、ＲＣ−ＩＧＢＴに利用される半田や放熱グリスの劣化を抑制することができる。
【００３１】
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】
【００３２】
２          ：電力変換装置
８          ：ＲＣ−ＩＧＢＴ
８ａ        ：スイッチング素子
８ｂ        ：ダイオード
９          ：ＲＣ−ＩＧＢＴ
９ａ        ：スイッチング素子
９ｂ        ：ダイオード
１０        ：コントローラ
１２        ：電圧コンバータ
１３ａ      ：インバータ
１３ｂ      ：インバータ
８１        ：バッテリ
８３ａ      ：モータ
８３ｂ      ：モータ
【図１】
2017123723.tif 000003
【図２】
2017123723.tif 000004