(57)【要約】【課題】インバータのパワー半導体素子のスイッチング速度を上げてもスイッチング速度の影響による過大なインバータ入力電圧を抑制する回転機の電圧保護制御装置を提供する。【解決手段】電圧保護制御装置１は、回転機１３の目標トルクを設定する目標トルク設定手段２と、設定された目標トルクに応じたインバータ入力電圧を設定するインバータ入力電圧設定手段３と、スイッチングによるサージ電圧がピークとなるトルク近傍において、システム電圧を低下させることでインバータ入力電圧を抑制するインバータ入力電圧抑制手段４とを備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
バッテリのバッテリ電圧を昇圧してシステム電圧とするコンバータと、そのシステム電圧をインバータ入力電圧として受けて駆動し、回転機を駆動制御するインバータと、に対して制御を行う回転機の電圧保護制御装置において、
回転機の目標トルクを設定する目標トルク設定手段と、
設定された目標トルクに応じたインバータ入力電圧を設定するインバータ入力電圧設定手段と、
スイッチングによるサージ電圧がピークとなるトルク近傍において、システム電圧を低下させることでインバータ入力電圧を抑制するインバータ入力電圧抑制手段と、
を備えることを特徴とする回転機の電圧保護制御装置。
【請求項２】
請求項１に記載の回転機の電圧保護制御装置において、インバータ入力電圧抑制手段は、サージ電圧が予め設定された電圧の閾値を超える場合に、低電流領域においてシステム電圧を一定の電圧まで低下させてインバータ入力電圧を抑制することを特徴とする回転機の電圧保護制御装置。
【請求項３】
請求項１に記載の回転機の電圧保護制御装置において、インバータ入力電圧抑制手段は、サージ電圧が予め設定された電圧の閾値を超える場合に、低電流領域においてシステム電圧を連続的に低下させてインバータ入力電圧を抑制することを特徴とする回転機の電圧保護制御装置。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか１に記載の回転機の電圧保護制御装置において、コンバータは、一端が直流電源に接続されるリアクトルと、このリアクトルの他端をインバータの電源側に接続する上側スイッチング素子及びインバータのアース側に接続する下側スイッチング素子の少なくとも２つのスイッチング素子とを含むことを特徴とする回転機の電圧保護制御装置。
【請求項５】
請求項４に記載の回転機の電圧保護制御装置において、インバータ入力電圧抑制手段は、コンバータに設けられた複数のスイッチング素子のスイッチングによりシステム電圧を低下させることを特徴とする回転機の電圧保護制御装置。
【請求項６】
請求項４又は５に記載の回転機の電圧保護制御装置において、インバータ入力電圧抑制手段は、コンバータに設けられた複数のスイッチング素子のスイッチングの際にＰＷＭ制御によりシステム電圧を低下させることを特徴とする回転機の電圧保護制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回転機の電圧保護制御装置に係り、特に、バッテリのバッテリ電圧を昇圧してシステム電圧とするコンバータと、そのシステム電圧をインバータ入力電圧として受けて駆動し、回転機を駆動制御するインバータと、に対して制御を行う回転機の電圧保護制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ハイブリッド車（Ｈｙｂｒｉｄ  Ｖｅｈｉｃｌｅ）は、エンジンを駆動させて動力源とするとともに、直流電源からの直流電圧をインバータにより交流電圧に変換し、回転機（モータ）を回転させて動力源とする。また、電気自動車（Ｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｖｅｈｉｃｌｅ）は、直流電源からの直流電圧をインバータにより交流電圧に変換し、回転機（モータ）を回転させて動力源とする。これらのハイブリッド車や電気自動車では、直流電源からのバッテリ電圧をコンバータにより昇圧してシステム電圧とするのが一般的である。そして、このシステム電圧はインバータ入力電圧としてインバータに供給される。従って、このコンバータを組み込むことでインバータ入力電圧をバッテリ電圧よりも上げることができる。
【０００３】
特許文献１には、モータの駆動状況に応じてインバータ入力電圧の最適化を図るモータ駆動制御装置が開示されている。ここでは、制御部がモータの回転数および目標出力トルクに応じて、モータの効率運転に適切なインバータ入力電圧目標値を算出し、その入力電圧目標値となるようにコンバータのスイッチング素子をＰＷＭ制御することが示されている。
【０００４】
つまり、モータの最適動作電圧Ｖｍは、誘導起電圧定数Ｋ（Ｔ）とモータ回転数Ｎの積と、直流電圧と交流電圧との変換係数α（通常０．６１〜０．７８）から、Ｖｍ＝Ｋ（Ｔ）×Ｎ／αにより算出される。従って、モータトルクにより対応する誘導起電圧定数Ｋ（Ｔ）が決定され、そのときのモータの回転数Ｎからモータへの印加電圧Ｖｍが決まり、これを直流電圧と交流電圧との変換係数αで除算することでインバータ入力電圧の目標値が算出される。
【０００５】
一方、このインバータには、例えば、パワーＭＯＳＦＥ、ＩＧＢＴなどの電圧駆動型素子であるパワー半導体素子が用いられ、スイッチング損失の低減が課題となっている。このスイッチング損失を低減するためには、例えば、インバータでのスイッチング速度を上げなければならない。このスイッチング速度を上げることは電流を高速で遮断することであり、遮断電流変化率（ｄｉ／ｄｔ）を上昇させることになる。そして、この遮断電流変化率（ｄｉ／ｄｔ）を大きくするとサージ電圧として過大な電圧が発生することが知られている。
【０００６】
このスイッチングＯＮ／ＯＦＦ時に発生するサージ電圧Ｖｓｕｒｇｅは、Ｖｓｕｒｇｅ＝Ｖｓｙｓｔｅｍ＋Ｌ×ｄｉ／ｄｔで決定され、システム電圧Ｖｓｙｓｔｅｍに対して、スイッチングＯＮ／ＯＦＦ時の遮断電流変化率（ｄｉ／ｄｔ）とインバータ主回路のインダクタンスＬとを乗じた付加電圧が加算されて増大する。ここで、システム電圧Ｖｓｙｓｔｅｍとは、バッテリ電圧に対してコンバータにより昇圧（或いは降圧）された電圧をいう。
【０００７】
特許文献２には、回生時のＩＧＢＴのターンオフ時のサージ電圧を抑制し過電圧からインバータ装置を保護する、インバータを用いる電動機制御装置が開示されている。ここでは、サージ電圧を検出して所定値を超えた場合には異常判定部でその異常を判定する。その異常判定を受けた制御部はトルク指令により電動機のトルクを制限してスイッチング素子に通流する電流を制限し、サージ電圧を抑制することが示されている。
【０００８】
【特許文献１】特許第３７９７３６１号
【特許文献２】特開２００４−２３６３７１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
上述したように、パワー半導体素子のスイッチング損失の低減が要請され、インバータでのスイッチング速度が増大する傾向にあるが、このパワー半導体素子のスイッチングＯＮ／ＯＦＦ時での過大なサージ電圧の発生により、回転機の巻線の絶縁に影響を与える場合がある。また、このスイッチングＯＮ／ＯＦＦ時での過大なサージ電圧は、パワー半導体素子の絶対最大定格電圧を越えてしまう場合もあり得る。
【００１０】
この過大なサージ電圧に対し、バッテリ電圧自体を一定値まで下げることが考えられるが、システム全体の容量の低下を招いてしまう。
【００１１】
本願の目的は、かかる課題を解決し、インバータのパワー半導体素子のスイッチング速度を上げてもスイッチング速度の影響による過大なインバータ入力電圧を抑制する回転機の電圧保護制御装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記目的を達成するため、本発明に係る回転機の電圧保護制御装置は、バッテリのバッテリ電圧を昇圧してシステム電圧とするコンバータと、そのシステム電圧をインバータ入力電圧として受けて駆動し、回転機を駆動制御するインバータと、に対して制御を行う回転機の電圧保護制御装置において、回転機の目標トルクを設定する目標トルク設定手段と、設定された目標トルクに応じたインバータ入力電圧を設定するインバータ入力電圧設定手段と、スイッチングによるサージ電圧がピークとなるトルク近傍において、システム電圧を低下させることでインバータ入力電圧を抑制するインバータ入力電圧抑制手段と、
を備える。
【００１３】
また、回転機の電圧保護制御装置は、インバータ入力電圧抑制手段が、サージ電圧が予め設定された電圧の閾値を超える場合に、低電流領域においてシステム電圧を一定の電圧まで低下させてインバータ入力電圧を抑制することが好ましい。
【００１４】
また、回転機の電圧保護制御装置は、インバータ入力電圧抑制手段が、サージ電圧が予め設定された電圧の閾値を超える場合に、低電流領域においてシステム電圧を連続的に低下させてインバータ入力電圧を抑制することが好ましい。
【００１５】
また、回転機の電圧保護制御装置は、コンバータが、一端が直流電源に接続されるリアクトルと、このリアクトルの他端をインバータの電源側に接続する上側スイッチング素子及びインバータのアース側に接続する下側スイッチング素子の少なくとも２つのスイッチング素子とを含むことが好ましい。
【００１６】
また、回転機の電圧保護制御装置は、インバータ入力電圧抑制手段が、コンバータに設けられた複数のスイッチング素子のスイッチングによりシステム電圧を低下させることが好ましい。
【００１７】
さらに、回転機の電圧保護制御装置は、インバータ入力電圧抑制手段が、コンバータに設けられた複数のスイッチング素子のスイッチングの際にＰＷＭ制御によりシステム電圧を低下させることが好ましい。
【発明の効果】
【００１８】
上記構成により、回転機の電圧保護制御装置は、回転機の目標トルクを設定する目標トルク設定手段により回転機の目標トルクが設定され、インバータ入力電圧設定手段により目標トルクに応じたインバータ入力電圧が設定されるが、インバータ入力電圧抑制手段により、サージ電圧がピークとなるトルク近傍では、遮断電流変化率による電圧の上昇に対し、システム電圧を低下させることでインバータ入力電圧を抑制することができる。
【００１９】
そして、インバータ入力電圧を抑制することで、インバータのパワー半導体素子のスイッチ速度を上げてもモータ絶縁の問題を回避することができる。また、インバータ入力電圧をパワー半導体素子の絶対最大定格電圧の範囲内とすることができる。
【００２０】
以上のように、本発明に係る回転機の電圧保護制御装置によれば、インバータのパワー半導体素子のスイッチング速度を上げてもスイッチング速度の影響による過大なインバータ入力電圧を抑制することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下に、図面を用いて本発明に係る回転機の電圧保護制御装置の実施の形態につき、詳細に説明する。
【００２２】
図１に、回転機の電圧保護制御装置についての１つの実施形態の概略構成を示す。直流電源であるバッテリ１０のバッテリ電圧は、コンバータ１１により昇圧（或いは降圧）されてシステム電圧となる。そしてこのシステム電圧は、インバータ１２に対するインバータ入力電圧となり、インバータ１２により直流電圧から交流電圧に変換されて回転機であるモータ１３を駆動させる。
【００２３】
バッテリ１０はニッケル水素、リチウムイオン等の二次電池である。その出力電圧であるバッテリ電圧は電圧センサ１６により検出されて制御装置１４に入力される。また、システムリレーＳＲ１，ＳＲ２は、制御装置１４からの信号によりオン／オフされる。さらに、コンデンサ２０は、バッテリ１０から供給されたバッテリ電圧を平滑化し、その平滑化した直流電圧をコンバータ１１に供給する。
【００２４】
コンバータ１１は、本実施形態では、トランジスタＱ１及びＱ２、各トランジスタに接続される２つのダイオードＤ１及びＤ２、及びリアクトル１９から構成される。リアクトル１９の一端はバッテリ１０の電源ラインに接続され、他端は直列接続されたトランジスタＱ１とトランジスタＱ２との中間点、すなわちトランジスタＱ１のエミッタとトランジスタＱ２のコレクタとの間に接続される。トランジスタＱ１及びトランジスタＱ２は、電源ラインとアースラインとの間に直列に接続される。そして、トランジスタＱ１のコレクタは電源ラインに接続され、トランジスタＱ２のエミッタはアースラインに接続される。また、各トランジスタＱ１，Ｑ２のコレクターエミッタ間には、エミッタ側からコレクタ側に電流を流すダイオードＤ１，Ｄ２がそれぞれ配置されている。コンバータ１１の出力である電源ラインとアースラインの間には，コンデンサ１５が設けられ，電源ラインのインバータ入力電圧を平滑化させる。インバータ入力電圧は電圧センサ１７により検出され制御装置１４に入力される。
【００２５】
インバータ１２は、６つのトランジスタＱ３〜Ｑ８及び各トランジスタＱに接続されるダイオードＤ３〜Ｄ８から構成される。電源ラインとアースラインとの間には、２つのトランジスタＱ３，Ｑ４の直列接続からなるＵ相アームと、２つのトランジスタＱ５，Ｑ６の直列接続からなるＶ相アームと、２つのトランジスタＱ７，Ｑ８の直列接続からなるＷ相アームとが配置される。また、各トランジスタＱ３〜Ｑ８のコレクターエミッタ間には、エミッタ側からコレクタ側に電流を流すダイオードＤ３〜Ｄ８が配置される。各相アームの中間点は、モータ１３の各相コイルの各相端に接続される。
【００２６】
モータ１３は、３相の永久磁石モータであり、Ｕ，Ｖ，Ｗ相の３つのコイルの一端が中点で共通に接続され、各相コイルの他端がトランジスタＱの各相アームの中間点に接続される。モータ１３の各相の電流値は電流センサ１８によって検出されて制御装置１４に入力される。
【００２７】
制御装置１４は、上記電圧及び電流の検出値と、モータ出力指令などに基づきインバータ１２の各トランジスタＱ３〜Ｑ８のスイッチングを制御してモータ１３の駆動制御を行なう。すなわち、モータトルク指令値と、電流センサ１８で検出した各相のモータ電流値と、電圧センサ１７で検出したインバータ入力電圧の入力からモータ１３の各相コイルの電圧を計算する。そして、インバータ１２の各トランジスタＱ３〜Ｑ８をオン／オフするＰＷＭ信号を生成し、このＰＷＭ信号をトランジスタＱ３〜Ｑ８のベースに供給することで、各トランジスタＱ３〜Ｑ８のスイッチングを制御してモータ１３の各相電流を制御する。
【００２８】
本発明に係る回転機の電圧保護制御装置１は、目標トルク設定手段２、インバータ入力電圧設定手段３、及びインバータ入力電圧抑制手段４から構成され、制御装置１４対してインバータ入力電圧を抑制する指令を発信する。
【００２９】
目標トルク設定手段２は、モータ１３の目標トルクを設定する。そして、インバータ入力電圧設定手段３は、目標トルク設定手段２が設定した目標トルクに応じたインバータ入力電圧を設定する。すなわち、インバータ入力電圧設定手段３には、モータ回転数が入力され、上述したように、モータ１３の目標トルクに対応する誘導起電圧定数Ｋ（Ｔ）を決め、そのときのモータ回転数からモータ１３への印加電圧を決め、これを直流電圧と交流電圧との変換係数αで除算することでインバータ入力電圧の目標値を算出する。
【００３０】
インバータ入力電圧抑制手段４は、トランジスタＱ３〜Ｑ８のスイッチングによるサージ電圧がピークとなるトルク近傍においてシステム電圧を低下させる。図２に、電流（トルク）に対するサージ電圧Ｖｓｕｒｇｅの特性を示す。このように、サージ電圧Ｖｓｕｒｇｅは、低電流領域において、モータ１３の巻線の絶縁等を考慮して設定された電圧の閾値Ｖｃを越える場合がある。また、図３に、電流（トルク）値に対するインダクタンスＬの特性を示す。図２から明らかなように、サージ電圧Ｖｓｕｒｇｅは低電流域でピーク値Ｖｐとなり、電流（トルク）値が大きくなるにつれて減少する。この電流（トルク）値の減少は、図３に示すように、電流が高いとモータ１３の磁気飽和の影響でインダクタンスＬが低下し、逆に電流が低いモータ１３の磁気飽和の影響でインダクタンスＬが大きくなることで説明されている。すなわち、上述した式、Ｖｓｕｒｇｅ＝Ｖｓｙｓｔｅｍ＋Ｌ×ｄｉ／ｄｔによると、システム電圧Ｖｓｙｓｔｅｍが一定値であって、遮断電流変化率（ｄｉ／ｄｔ）が変化しない場合には、サージ電圧Ｖｓｕｒｇｅは、インダクタンスＬの大きさに影響されるためである。本発明は、この式Ｖｓｕｒｇｅ＝Ｖｓｙｓｔｅｍ＋Ｌ×ｄｉ／ｄｔにおいて、スイッチングによるサージ電圧Ｖｓｕｒｇｅがピークとなるトルク近傍において、システム電圧Ｖｓｙｓｔｅｍを低下させ、サージ電圧Ｖｓｕｒｇｅの増大を抑制し、インバータ１２へ供給されるインバータ入力電圧を抑制するものである。
【００３１】
図４に、本実施形態におけるインバータ入力電圧の抑制手段の一つの実施例を示す。図４の横軸は電流（トルク）であり、縦軸は電圧である。また、システム電圧Ｖｓｙｓｔｅｍを示す線Ｐは、電流値Ｉ0を境界として高電流領域での値Ｖｓ1に対して低電流領域では低減された値Ｖｓ2とする。そして、遮断電流変化率（ｄｉ／ｄｔ）にインダクタンスＬを乗じた値（Ｌ×ｄｉ／ｄｔ）の値を示す一点鎖線Ｓと、システム電圧Ｖｓｙｓｔｅｍの値（Ｖｓ1，Ｖｓ2）を示す線Ｐとを合計したインバータ入力電圧を示す線Ｒが、本実施形態において各電流（トルク）に対するインバータ入力電圧Ｖｉとなる。このように、インバータ入力電圧抑制手段４は、サージ電圧が設定された電圧の閾値Ｖｃを超える低電流領域ではシステム電圧Ｖｓｙｓｔｅｍを一定の電圧値まで低下させる。
【００３２】
図５に、本実施形態におけるインバータ入力電圧の抑制手段の他の実施例を示す。図５の横軸は電流（トルク）であり、縦軸は電圧である。また、システム電圧Ｖｓｙｓｔｅｍを示す線Ｐ´は、電流値Ｉ0を境界とした高電流領域での値Ｖｓ1と、低電流領域では低減された値Ｖｓ2を連続的に結ぶ曲線となる。そして、遮断電流変化率にインダクタンスを乗じた値（Ｌ×ｄｉ／ｄｔ）の値を表す一点鎖線Ｓ´と、システム電圧Ｖｓｙｓｔｅｍの値Ｖｓ1，Ｖｓ2を示す線Ｐ´とを合計したインバータ入力電圧を示す線Ｒ´が、本実施形態において各電流（トルク）に対するインバータ入力電圧Ｖｉとなる。このように、インバータ入力電圧抑制手段４は、サージ電圧が設定された電圧の閾値を超える低電流領域ではバッテリ電圧を連続的に低下させる。本実施例では、インバータ入力電圧Ｖｉが電流（トルク）に対して滑らかな曲線となる。
【００３３】
インバータ入力電圧抑制手段４は、システム電圧Ｖｓｙｓｔｅｍの値を電流値Ｉ0により変化させるために、コンバータ１１に設けられたトランジスタＱ１及びＱ２のスイッチングによりＶｓｙｓｔｅｍを低下させる。また、インバータ入力電圧抑制手段４は、コンバータ１１に設けられたトランジスタＱ１及びＱ２のスイッチングの際にＰＷＭ制御によりシステム電圧Ｖｓｙｓｔｅｍを低下させる。これにより、インバータ入力電圧Ｖｉの目標値の出力電圧をコンバータ１１において得ることができる。
【００３４】
上述したように、本発明によると、インバータ入力電圧Ｖｉを制御することが可能となり、トランジスタＱ３〜Ｑ８スイッチング速度を上げてもモータ１３の絶縁の問題等を回避することができる。また、低電流領域においてインバータ入力電圧Ｖｉを下げるためにシステム電圧Ｖｓｙｓｔｅｍを下げるが、この低電流領域ではモータ１３からの要求パワーが小さいため、システム電圧Ｖｓｙｓｔｅｍを下げたとしても動力性能に影響しない。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明に係る回転機の電圧保護制御装置の１つの実施形態の概略構成を示すブロック図である。
【図２】電流（トルク）に対するサージ電圧の特性を示す説明図である。
【図３】電流（トルク）値に対するインダクタンスＬの特性を示す説明図である。
【図４】本実施形態におけるインバータ入力電圧の抑制手段の一つの実施例を示す説明図である。
【図５】本実施形態におけるインバータ入力電圧の抑制手段の他の実施例を示す説明図である。
【符号の説明】
【００３６】
１  回転機の電圧保護制御装置、２  目標トルク設定手段、３  インバータ入力電圧設定手段、４  インバータ入力電圧抑制手段、１０  バッテリ、１１  コンバータ、１２  インバータ、１３  モータ、１４  制御装置、１５，２０  コンデンサ、１６，１７  電圧センサ、１８  電流センサ、１９  リアクトル、Ｄ  ダイオード、Ｉ0  電流値、Ｌ  インダクタンス、Ｐ  システム電圧値の値を示す線、Ｑ  トランジスタ、Ｒ  インバータ入力電圧の値を示す線、Ｓ  （Ｌ×ｄｉ／ｄｔ）値を示す線、ＳＲ  システムリレー、Ｕ，Ｖ，Ｗ  相アーム、Ｖｉ  インバータ入力電圧、Ｖｐ  サージ電圧のピーク値、Ｖｃ  電圧の閾値、Ｖｓｙｓｔｅｍ  システム電圧。
【図１】
2009017716.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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