(57)【要約】【課題】フリーホイールダイオードＦＤに電流が流れているときにパワースイッチング素子Ｓｗがオン状態となると電力損失が増大すること。【解決手段】フリーホイールダイオードＦＤのカソード電位は、電源７４にて電圧Ｖｐだけ上昇されて、検出用ダイオード７０のアノードに印加される。検出用ダイオード７０のカソード側は、フリーホイールダイオードＦＤのカソード側に接続されている。検出用ダイオード７０のアノードには、シャント抵抗７２が接続されており、シャント抵抗７２の電圧降下に基づき、フリーホイールダイオードＦＤに電流が流れていると判断される場合、パワースイッチング素子Ｓｗを強制的にオフ状態とする。【選択図】      図４
2009254034.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
パワースイッチング素子及びその入出力端子に逆並列に接続されたフリーホイールダイオードを備える電力変換回路について、これに流れる電流を検出する電力変換回路の電流検出装置において、
前記フリーホイールダイオードに並列接続される検出用ダイオードと、
該検出用ダイオードのアノード側に接続されて且つ前記検出用ダイオードに順方向電流が流れているか否かに応じて前記フリーホイールダイオードに電流が流れているか否かを判断する判断手段とを備えることを特徴とする電力変換回路の電流検出装置。
【請求項２】
前記検出用ダイオードの電圧降下量は、前記フリーホイールダイオードの電圧降下量より大きくなり得るものであり、
前記フリーホイールダイオードのアノードを基準電位として前記検出用ダイオードのアノードの電位を上昇させるための電源を更に備えることを特徴とする請求項１記載の電力変換回路の電流検出装置。
【請求項３】
前記電源は、温度に応じてその電圧を可変とすることを特徴とする請求項２記載の電力変換回路の電流検出装置。
【請求項４】
前記電源の電圧Ｖｐは、前記フリーホイールダイオードの電圧降下量ｖｆ１、前記検出用ダイオードの電圧降下量ｖｆ２及び前記パワースイッチング素子の入出力端子間の電圧Ｖｔを用いた不等式「ｖｆ２−ｖｆ１＜Ｖｐ＜ｖｆ２＋Ｖｔ」を満たすことを特徴とする請求項２又は３記載の電力変換回路の電流検出装置。
【請求項５】
前記判断手段は、前記検出用ダイオードのアノード側に設けられた抵抗体と、該抵抗体の両端の電圧に応じた電圧信号を生成する差動増幅回路と、該差動増幅回路の出力する電圧信号と閾値電圧との大小を比較する比較手段とを備えることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の電力変換回路の電流検出装置。
【請求項６】
前記判断手段は、前記フリーホイールダイオードのアノード側にコレクタが接続されて且つ前記検出用ダイオードのアノード側にベースが接続されたバイポーラトランジスタと、該バイポーラトランジスタのエミッタの電位を前記フリーホイールダイオードのアノード電位に対して上昇させるための電源と、前記バイポーラトランジスタを電流が流れるか否かに基づき前記フリーホイールダイオードに電流が流れているか否かを判断する手段とを備えることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の電力変換回路の電流検出装置。
【請求項７】
前記判断手段の判断結果に基づき、前記パワースイッチング素子の駆動態様を変化させる可変手段を更に備える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回路の電流検出装置。
【請求項８】
前記可変手段は、前記判断手段により前記フリーホイールダイオードに順方向の電流が流れていると判断される場合、前記パワースイッチング素子の導通制御端子への電圧印加を停止する停止手段を備えることを特徴とする請求項７記載の電力変換回路の電流検出装置。
【請求項９】
前記電力変換回路は、前記パワースイッチング素子として高電位側のスイッチング素子及び低電位側のスイッチング素子の直列接続体を備えて且つ、これら一対のスイッチング素子は、交互にオン状態が指令されるものであることを特徴とする請求項８記載の電力変換回路の電流検出装置。
【請求項１０】
前記電力変換回路は、車載低圧システムと絶縁された車載高圧システムを構成するものであり、
前記停止手段は、車載高圧システム内に備えられてなることを特徴とする請求項８又は９記載の電力変換回路の電流検出装置。
【請求項１１】
前記パワースイッチング素子及び前記フリーホイールダイオードは、同一半導体基板に併設されてなることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１項に記載の電力変換回路の電流検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、パワースイッチング素子及びその入出力端子に接続されたフリーホイールダイオードを備える電力変換回路について、これに流れる電流を検出する電力変換回路の電流検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
この種の電力変換回路としては、直流電源の各端子と回転機の端子とを接続する高電位側スイッチング素子及び低電位側スイッチング素子の直列接続体を備えて構成されるもの（インバータ）が周知である。また、インバータは、上記スイッチング素子の入出力端子に接続されたフリーホイールダイオードを備えている。ここで、回転機に正弦波形状の電流を流すべく高電位側スイッチング素子及び低電位側スイッチング素子を操作するに際しては、これら高電位側スイッチング素子及び低電位側スイッチング素子を交互にオン状態及びオフ状態とすることで、これら一対のスイッチング素子を相補的に駆動する手法が一般に用いられている。
【０００３】
一方、インバータのスイッチング素子としては、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）が用いられることがある。また、近年では、例えば下記特許文献１に見られるように、こうしたインバータを構成する半導体素子として、フリーホイールダイオードがＩＧＢＴと同一基板上に併設されたいわゆるダイオード内蔵型ＩＧＢＴが提案され、実用化されている。
【０００４】
ただし、上記ＩＧＢＴはコレクタからエミッタへと進む方向を順方向とするものであるため、逆側には電流が流れない。このため、インバータの一対のスイッチング素子が相補的に駆動される場合、上記正弦波形状の電流の流通方向によっては、オン状態とされているスイッチング素子に電流が流れないことがある。そしてこの場合には、これに逆並列に接続されたフリーホイールダイオードに電流が流れることとなる。
【特許文献１】特開２００７−２１４５４１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、上記ダイオード内蔵型ＩＧＢＴにおいては、フリーホイールダイオードに順方向電流が流れる際の電圧降下量が、ＩＧＢＴのゲートに電圧が印加されることで増大することが知られている。このため、スイッチング素子を相補的に操作する場合には、フリーホイールダイオードに順方向電流が流れる際のフリーホイールダイオードによる電力損失が大きくなるおそれがある。
【０００６】
なお、上記の例に限らず、パワースイッチング素子及びその入出力端子間に接続されるフリーホイールダイオードを備える電力変換回路にあっては、フリーホイールダイオードに順方向電流が流れる際の電力損失がパワースイッチング素子をオン状態とすることで増大するこうした実情も概ね共通したものとなっている。
【０００７】
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、その目的は、パワースイッチング素子及びその入出力端子間に接続されるフリーホイールダイオードを備える電力変換回路を操作するに際し、フリーホイールダイオードに電流が流れているか否かを高精度に検出することのできる電力変換回路の電流検出装置を提供することにある。また、本発明の目的は、フリーホイールダイオードに電流が流れていることが検出される場合に、その電力損失を低減することのできる電力変換回路の電流検出装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
以下、上記課題を解決するための手段、及びその作用効果について記載する。
【０００９】
請求項１記載の発明は、パワースイッチング素子及びその入出力端子に逆並列に接続されたフリーホイールダイオードを備える電力変換回路について、これに流れる電流を検出する電力変換回路の電流検出装置において、前記フリーホイールダイオードに並列接続される検出用ダイオードと、該検出用ダイオードのアノード側に接続されて且つ前記検出用ダイオードに順方向電流が流れているか否かに応じて前記フリーホイールダイオードに電流が流れているか否かを判断する判断手段とを備えることを特徴とする。
【００１０】
フリーホイールダイオードに電流が流れる場合とこれに電流が流れずにパワースイッチング素子に電流が流れる場合とでは、電流の流通方向が相違するため、これらのいずれに電流が流れるかに応じて検出用ダイオードのアノードの電位が変動する。このため、フリーホイールダイオードに電流が流れる場合に検出用ダイオードに電流が流れて且つ、これに電流が流れずにパワースイッチング素子に電流が流れる場合に検出用ダイオードに電流が流れない設定が可能となる。上記発明では、この点に鑑み、検出用ダイオードに順方向電流が流れるか否かに応じて、フリーホイールダイオードに電流が流れているか否かを高精度に検出することができる。
【００１１】
更に、上記発明では、検出用ダイオードを高耐圧の素子とすることで、判断手段を高耐圧の素子にて構成する必要が生じず、簡易か構成とすることができる。
【００１２】
請求項２記載の発明は、請求項１記載の発明において、前記検出用ダイオードの電圧降下量は、前記フリーホイールダイオードの電圧降下量より大きくなり得るものであり、前記フリーホイールダイオードのアノードを基準電位として前記検出用ダイオードのアノードの電位を上昇させるための電源を更に備えることを特徴とする。
【００１３】
検出用ダイオードの電圧降下量の方が大きい場合、フリーホイールダイオードに電流が流れることで、検出用ダイオードのカソード側を基準とするそのアノード側の電位が上昇したとしても、この電位は、検出用ダイオードのカソード側の電位よりも低くなるおそれがある。この点、上記発明では、電源を用いることで、フリーホイールダイオードに電流が流れているときの検出用ダイオードのアノード側の電位をそのカソード側の電位よりも確実に高くすることができる。
【００１４】
請求項３記載の発明は、請求項２記載の発明において、前記電源は、温度に応じてその電圧を可変とすることを特徴とする。
【００１５】
フリーホイールダイオードや検出用ダイオード、更にはパワースイッチング素子は、一般に温度特性を有する。このため、これらに電流が流れる際の電圧降下量は温度に依存する。したがって、検出用ダイオードに電流が流れているのか流れていないのかに応じて、フリーホイールダイオードに電流が流れているのか流れていないのかを識別可能とするための電源の電圧は、温度に依存するおそれがある。この点、上記発明では、温度に応じて電源電圧を可変とすることで、上記識別を的確に行うことができる。
【００１６】
請求項４記載の発明は、請求項２又は３記載の発明において、前記電源の電圧Ｖｐは、前記フリーホイールダイオードの電圧降下量ｖｆ１、前記検出用ダイオードの電圧降下量ｖｆ２及び前記パワースイッチング素子の入出力端子間の電圧Ｖｔを用いた不等式「ｖｆ２−ｖｆ１＜Ｖｐ＜ｖｆ２＋Ｖｔ」を満たすことを特徴とする。
【００１７】
上記発明では、フリーホイールダイオードに電流が流れている場合に検出用ダイオードに電流が流れて且つ、フリーホイールダイオードに電流が流れずにパワースイッチング素子に電流が流れている場合に検出用ダイオードに電流が流れないような設定を好適に実現することができる。
【００１８】
請求項５記載の発明は、請求項１〜４のいずれか１項に記載の発明において、前記判断手段は、前記検出用ダイオードのアノード側に設けられた抵抗体と、該抵抗体の両端の電圧に応じた電圧信号を生成する差動増幅回路と、該差動増幅回路の出力する電圧信号と閾値電圧との大小を比較する比較手段とを備えることを特徴とする。
【００１９】
上記検出用ダイオードに電流が流れる場合には上記抵抗体に電流が流れ、検出用ダイオードに電流が流れない場合には抵抗体にも電流が流れない。このため、抵抗体の電圧降下量は、検出用ダイオードに電流が流れているか否かを示すパラメータとなる。そして、上記閾値電圧を、検出用ダイオードに電流が流れていることを抵抗体の電圧降下量に基づき判断するための値とすることで、上記差動増幅回路の出力と閾値電圧との比較に基づき、検出用ダイオードに電流が流れているか否かを判断することができる。
【００２０】
請求項６記載の発明は、請求項１〜４のいずれか１項に記載の発明において、前記判断手段は、前記フリーホイールダイオードのアノード側にコレクタが接続されて且つ前記検出用ダイオードのアノード側にベースが接続されたバイポーラトランジスタと、該バイポーラトランジスタのエミッタの電位を前記フリーホイールダイオードのアノード電位に対して上昇させるための電源と、前記バイポーラトランジスタを電流が流れるか否かに基づき前記フリーホイールダイオードに電流が流れているか否かを判断する手段とを備えることを特徴とする。
【００２１】
上記検出用ダイオードのカソードの電位に対するバイポーラトランジスタのエミッタの電位は、上記フリーホイールダイオードに電流が流れているか、これに電流が流れずにパワースイッチング素子に電流が流れているかに応じて相違する。すなわち、フリーホイールダイオードに電流が流れている場合の方がこれに電流が流れずにパワースイッチング素子に電流が流れている場合よりも高くなる。このため、この場合にのみバイポーラトランジスタのベース及びエミッタ間に、同トランジスタをオン状態とするための順バイアスを印加する設定が可能となる。そしてこうした設定によって、バイポーラトランジスタに電流が流れているか否かに応じて、フリーホイールダイオードに電流が流れているか否かを識別することが可能となる。
【００２２】
請求項７記載の発明は、請求項１〜６のいずれか１項に記載の発明において、前記判断手段の判断結果に基づき、前記パワースイッチング素子の駆動態様を変化させる可変手段を更に備えることを特徴とする。
【００２３】
上記発明では、フリーホイールダイオードに電流が流れているか否かの情報に基づきスイッチング素子を駆動することで、状況に応じたより適切なスイッチング操作を行うことが可能となる。
【００２４】
請求項８記載の発明は、請求項７記載の発明において、前記可変手段は、前記判断手段により前記フリーホイールダイオードに順方向の電流が流れていると判断される場合、前記パワースイッチング素子の導通制御端子への電圧印加を停止する停止手段を備えることを特徴とする。
【００２５】
フリーホイールダイオードに電流が流れているときにこれに逆並列に接続されるパワースイッチング素子をオン状態とする場合には、フリーホイールダイオードの電力損失が増大する傾向にある。上記発明では、この点に鑑み、停止手段を備えることで導通損失を低減することができる。
【００２６】
請求項９記載の発明は、請求項８記載の発明において、前記電力変換回路は、前記パワースイッチング素子として高電位側のスイッチング素子及び低電位側のスイッチング素子の直列接続体を備えて且つ、これら一対のスイッチング素子は、交互にオン状態が指令されるものであることを特徴とする。
【００２７】
上記発明では、一対のパワースイッチング素子が相補的に駆動されるために、フリーホイールダイオードに電流が流れる際にもこれに接続されるパワースイッチング素子がオン状態とされる。このため、フリーホイールダイオードに順方向電流が流れる際には、無駄なスイッチングがなされていることになるにもかかわらず、これにより、フリーホイールダイオードの電力損失が増大するおそれがある。このため、請求項８の発明特定事項の利用価値が特に高いものとなっている。
【００２８】
請求項１０記載の発明は、請求項８又は９記載の発明において、前記電力変換回路は、車載低圧システムと絶縁された車載高圧システムを構成するものであり、前記停止手段は、車載高圧システム内に備えられてなることを特徴とする。
【００２９】
上記発明では、停止手段を高圧システム内に備えることで、停止手段を低圧システム側に備える場合と比較して、高圧システム及び低圧システム間を絶縁する手段の数を低減することができる。
【００３０】
請求項１１記載の発明は、請求項１〜１０のいずれか１項に記載の発明において、前記パワースイッチング素子及び前記フリーホイールダイオードは、同一半導体基板に併設されてなることを特徴とする。
【００３１】
パワースイッチング素子とその入出力端子間に接続されるフリーホイールダイオードとが同一半導体基板に併設される場合には、フリーホイールダイオードに順方向電流が流れる際の電力損失がスイッチング素子のオン状態により増大する現象が特に顕著となる。このため、上記発明は、請求項７，８の発明特定事項の利用価値が特に高いものとなっている。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３２】
（第１の実施形態）
以下、本発明にかかる電力変換回路の駆動装置をハイブリッド車の電力変換回路の駆動装置に適用した一実施形態について、図面を参照しつつ説明する。
【００３３】
図１に、本実施形態のシステム構成を示す。図示されるように、車載回転機としてのモータジェネレータ１０は、インバータＩＶ及びコンバータＣＶを介して高圧バッテリ１２に接続されている。コンバータＣＶは、高圧バッテリ１２の電圧(例えば「２８８Ｖ」)を、所定の上限電圧(例えば「６６０Ｖ」)の範囲で昇圧する昇圧回路である。詳しくは、コンバータＣＶは、高電位側のパワースイッチング素子Ｓｗｐ及び低電位側のパワースイッチング素子Ｓｗｎの直列接続体と、直列接続体の接続点を高圧バッテリ１２に接続するコイルＬと、パワースイッチング素子Ｓｗｐ及びパワースイッチング素子Ｓｗｎのそれぞれの入出力端子間に接続される高電位側のフリーホイールダイオードＦＤｐ及び低電位側のフリーホイールダイオードＦＤｎを備えている。コンバータＣＶの電圧は、インバータＩＶに入力電圧として取り込まれる。
【００３４】
インバータＩＶは、高電位側のパワースイッチング素子Ｓｗｐ及び低電位側のパワースイッチング素子Ｓｗｎの直列接続体が３つ並列接続されて構成されている。そして、これら各直列接続体の接続点が、モータジェネレータ１０の各相にそれぞれ接続されている。これら高電位側のパワースイッチング素子Ｓｗｐ及び低電位側のパワースイッチング素子Ｓｗｎのそれぞれの入出力端子間には、高電位側のフリーホイールダイオードＦＤｐ及び低電位側のフリーホイールダイオードＦＤｎが接続されている。
【００３５】
上記インバータＩＶ及びコンバータＣＶを構成するパワースイッチング素子Ｓｗｐ，Ｓｗｎの導通制御端子(ゲート)には、いずれも駆動回路ＤＣが接続されている。これにより、パワースイッチング素子Ｓｗｐ，Ｓｗｎは、駆動回路ＤＣ及びインターフェース１４を介して、低圧バッテリ１６を電源とするマイクロコンピュータ(マイコン２０)にて駆動される。ここで、インターフェース１４は、インバータＩＶやコンバータＣＶを備える高圧システムと、マイコン２０を備える低圧システムとを絶縁するフォトカプラ等の絶縁手段を備えて構成されるものである。
【００３６】
図１には、マイコン２０内でなされる処理のうち、特に、パワースイッチング素子Ｓｗｐ，Ｓｗｎを操作するための処理の一部を模式的に示している。ここで、ＰＷＭ信号生成部２２は、所定の周波数で変調されたＰＷＭ信号として、インバータＩＶのＵ相、Ｖ相、及びＷ相、並びにコンバータＣＶのそれぞれのパワースイッチング素子を操作するための信号ｇｕ，ｇｖ，ｇｗ，ｇｃｖを生成する。相補信号生成部２４は、これら各信号ｇｕ，ｇｖ，ｇｗ，ｇｃｖに基づき、高電位側のパワースイッチング素子Ｓｗｐ及び低電位側のパワースイッチング素子Ｓｗｎを交互にオン状態とするための操作信号を生成する。すなわち、インバータＩＶのＵ相、Ｖ相、Ｗ相並びにコンバータＣＶのそれぞれの高電位側のパワースイッチング素子Ｓｗｐを操作する操作信号ｇｕｐ，ｇｖｐ，ｇｗｐ、ｇｃｐと、インバータＩＶのＵ相、Ｖ相、Ｗ相並びにコンバータＣＶのそれぞれの低電位側のパワースイッチング素子Ｓｗｎを操作する操作信号ｇｕｎ，ｇｖｎ，ｇｗｎ、ｇｃｎとを生成する。
【００３７】
上記パワースイッチング素子Ｓｗｐ，Ｓｗｎは、いずれも、入力端子及び出力端子が一義に定義されており、出力端子から入力端子への電流の流通を阻止するスイッチング素子である。詳しくは、これらは、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）にて構成されている。特に、本実施形態では、ＩＧＢＴとして、ダイオード内蔵型のものを用いている。すなわち、本実施形態では、高電位側のパワースイッチング素子Ｓｗｐ及び高電位側のフリーホイールダイオードＦＤｐは互いに同一の半導体基板に隣接して形成されており、低電位側のパワースイッチング素子Ｓｗｎ及び低電位側のフリーホイールダイオードＦＤｎは互いに並列に同一半導体基板に隣接して形成されている。
【００３８】
図２に、本実施形態にかかるダイオード内蔵型ＩＧＢＴの断面構造を示す。図示されるように、ＩＧＢＴセル３０及びダイオードセル３２が互いに同一半導体基板に併設されている。詳しくは、Ｎ型半導体基板３４の主面側に、Ｐ型層３６が形成されている。そして、Ｐ型層３６の上面には、主面側Ｎ型層領域３８及び主面側Ｐ型層領域４０が形成されている。そして、主面側Ｎ型層領域３８及び主面側Ｐ型層領域４０並びに、Ｐ型層３６を貫通するようにしてトレンチ４２が形成され、トレンチ４２には、ＩＧＢＴセルのゲートを構成する電極４４が埋め込まれている。一方、Ｎ型半導体基板３４の裏面側には、裏面側Ｐ型層４６及び裏面側Ｎ型層４８が形成されている。
【００３９】
上記電極４４のうちトレンチ４２から突き出した上面は、層間絶縁膜４９にて覆われている。そして、層間絶縁膜４９、上記Ｐ型層３６、主面側Ｎ型層領域３８及び主面側Ｐ型層領域４０の上面には、電極５０が、ＩＧＢＴセル３０及びダイオードセル３２の双方の領域を覆うようにして形成されている。この電極５０は、ＩＧＢＴセル３０のエミッタ及びダイオードセル３２のアノード間で共有されるものである。一方、上記裏面側Ｐ型層４６及び裏面側Ｎ型層４８は、電極５２によって覆われている。この電極５２は、ＩＧＢＴセル３０のコレクタ及びダイオードセル３２のカソード間で共有されるものである。
【００４０】
ところで、上述したように、高電位側のパワースイッチング素子Ｓｗｐ及び低電位側のパワースイッチング素子Ｓｗｎは、相補的にオン操作されるものであるため、これらに電流が流れず、これらに逆並列に接続されるフリーホイールダイオードＦＤｐ、ＦＤｎに順方向電流が流れる場合であっても、オン操作される。ただし、この場合には、フリーホイールダイオードＦＤｐ，ＦＤｎに順方向電流が流れる際の電力損失が、パワースイッチング素子Ｓｗｐ，Ｓｗｎがオフ状態である場合よりも増大する。
【００４１】
そこで本実施形態では、フリーホイールダイオードＦＤｐ，ＦＤｎに順方向電流が流れているか否かを判断し、流れていると判断される場合、これに逆並列に接続されるパワースイッチング素子Ｓｗｐ，Ｓｗｎを、上記操作信号ｇｕｐ，ｇｖｐ，ｇｗｐ，ｇｕｎ，ｇｖｎ，ｇｗｎ、ｇｃｐ、ｇｃｎにかかわらず、強制的にオフ状態とする。ただし、フリーホイールダイオードＦＤｐ，ＦＤｎを流れる電流をそのアノードにシャント抵抗を接続することで検出することは困難である。次にこれについて説明する。
【００４２】
図３に、ＩＧＢＴのゲート及びエミッタ間の電圧Ｖｇと、これに併設されるダイオードの電流、及びその電圧降下量との関係を示す。ここで、図３の縦軸に示すダイオード電流は、ダイオードのアノードに抵抗値「２ｋΩ」のシャント抵抗を接続してその電圧降下に基づき検出されたものである。なお、ここでは、ＩＧＢＴの電流や電圧降下を基準として考えているため、ダイオード電流や電圧降下量は負とされている。図示されるように、ダイオードを流れる電流量の変化に対するシャント抵抗の電圧降下量の変化は微少となる。これは、ダイオードを流れる電流が「数百Ａ」となることに起因している。すなわち、ダイオードを流れる電流が「０〜数百Ａ」の範囲で変化する際の電圧降下量を電流検出回路の許容電圧範囲（数Ｖ）内に納めるためには、ダイオードを流れる電流が「数Ａ」のときの電圧降下量は「１Ｖ」以下とならざるを得ない。そしてこの場合、ダイオードに「数Ａ〜２０Ａ」以上の電流が流れているか否かを判断するためには、電圧検出回路に非常に高い精度が要求されることとなる。更に、図３に示されるように、電圧降下量は、ＩＧＢＴのゲート及びエミッタ間の電圧Ｖｇや温度に応じて変動する。このため、電圧降下量に基づきダイオードに電流が流れている旨の判断及び電流が流れていない旨の判断が頻繁に切り替わるハンチングを回避すべくヒステリシスを有して２つの閾値を設定することが特に困難となる。
【００４３】
そこで本実施形態では、図４に示す回路を用いてフリーホイールダイオードＦＤｐ，ＦＤｎに電流が流れているか否かを判断する。図４は、駆動回路ＤＣの回路構成を示す。なお、以下では、高電位側及び低電位側のパワースイッチング素子Ｓｗｐ，Ｓｗｎをパワースイッチング素子Ｓｗとし、高電位側及び低電位側のフリーホイールダイオードＦＤｐ、ＦＤｎをフリーホイールダイオードＦＤと表記する。また、操作信号ｇｕｐ，ｇｖｐ，ｇｗｐ，ｇｕｎ，ｇｖｎ，ｇｗｎ、ｇｃｐ、ｇｃｎを操作信号ｇと表記する。
【００４４】
図示されるように、駆動回路ＤＣは、フリーホイールダイオードＦＤのアノード及び電源６２間にスイッチング素子６４及びスイッチング素子６６の直列接続体を備えており、これらの接続点がパワースイッチング素子Ｓｗの導通制御端子（ゲート）に接続されている。一方、インターフェース１４を介して駆動回路ＤＣに取り込まれる操作信号ｇは、駆動ＩＣ６０に取り込まれ、駆動ＩＣ６０では、これに基づきスイッチング素子６４，６６を操作する。ここで、スイッチング素子６４がオン状態とされて且つスイッチング素子６６がオフ状態とされることで、パワースイッチング素子Ｓｗのゲートが電源６２からの電荷にて充電される。これに対し、スイッチング素子６４がオフ状態とされて且つスイッチング素子６６がオン状態とされることで、パワースイッチング素子Ｓｗのゲートの電荷が放電される。
【００４５】
ここで、上記パワースイッチング素子の入力端子（コレクタ）及びフリーホイールダイオードＦＤのカソードの接続点には、検出用ダイオード７０のカソードが接続されている。詳しくは、この検出用ダイオード７０のカソードは、電力変換回路（インバータＩＶ、コンバータＣＶ）の配線に接続される電流検出回路（駆動回路ＤＣ）内の配線Ｌ１に接続されるものである。検出用ダイオード７０は、フリーホイールダイオードＦＤと比較すると定格電流が小さくなっているものの（例えば「１Ａ未満〜数Ａ」）、耐圧についてはフリーホイールダイオードＦＤ程度（例えば「数百Ｖ」）を有する整流素子である。検出用ダイオード７０は、フリーホイールダイオードＦＤを流れる電流を検出すべくフリーホイールダイオードＦＤのカソード側に電流検出回路を接続する場合にこれに高電圧が印加されるのを阻止する機能を有する。これにより、検出用ダイオード７０のアノード側の部品については、高耐圧が要求されず、小電流低耐圧の部品にて構成することが可能となる。
【００４６】
検出用ダイオード７０のアノード側には、シャント抵抗７２が接続されている。そして、シャント抵抗７２には、電源７４の正極が接続されており、電源７４の負極はフリーホイールダイオードＦＤのアノード側に接続されている。詳しくは、電源７４の負極は、電力変換回路（インバータＩＶ、コンバータＣＶ）の配線に接続される電流検出回路（駆動回路ＤＣ）内の配線Ｌ２に接続されている。そして、シャント抵抗７２の両端には、コンデンサ７６が並列接続されている。コンデンサ７６は、パワースイッチング素子ＳｗやフリーホイールダイオードＦＤの入出力端子間に印加される電圧ノイズ（サージ）が電流検出に影響を及ぼすことを回避するためのフィルタとしての機能を有するものである。
【００４７】
シャント抵抗７２（コンデンサ７６）の両端には、差動増幅回路８０が設けられている。差動増幅回路８０は、オペアンプ８０ａを備えて構成されている。そして、オペアンプ８０ａの反転入力端子及び出力端子間を接続する抵抗体８０ｂと、反転入力端子に接続される抵抗体８０ｃと、非反転入力端子に接続される抵抗体８０ｄとを備えている。
【００４８】
上記シャント抵抗７２の電圧降下量に応じた差動増幅回路８０の出力電圧は、コンパレータ８２の非反転入力端子に印加される。コンパレータ８２の反転入力端子には、基準電源８４の正極が接続されており、基準電源８４の負極は、上記配線Ｌ２に接続されている。これにより、コンパレータ８２の非反転入力端子には、基準電源８４の閾値電圧Ｖｔｈが印加される。この閾値電圧Ｖｔｈは、検出用ダイオード７０に順方向電流が流れるか否かを判断するためのものである。
【００４９】
上記電源７４の電圧Ｖｐは、フリーホイールダイオードＦＤに順方向電流が流れる際の電圧降下量ｖｆ１と、パワースイッチング素子Ｓｗのコレクタ及びエミッタ間の電圧降下量Ｖｃｅと、検出用ダイオード７０に順方向電流が流れる際の電圧降下量ｖｆ２とを用いて、「ｖｆ２−ｖｆ１＜Ｖｐ＜ｖｆ２＋Ｖｃｅ」の関係を満たす値に設定されている。これは、フリーホイールダイオードＦＤに順方向電流が流れる際に検出用ダイオード７０に順方向電流を流して且つ、パワースイッチング素子Ｓｗに電流が流れる際に検出用ダイオード７０に順方向電流が流れないようにする設定である。ここで、電源７４を設けたのは、検出用ダイオード７０の電圧降下量ｖｆ２の方がフリーホイールダイオードＦＤの電圧降下量ｖｆ１よりも大きいためである。すなわち、この場合、電源７４を設けることなくフリーホイールダイオードＦＤに並列に検出用ダイオード７０を接続するなら、フリーホイールダイオードＦＤに順方向電流が流れる場合であっても、検出用ダイオード７０のアノード電位をそのカソード電位よりも電圧降下量ｖｆ２以上高くすることができない。
【００５０】
上記設定によれば、フリーホイールダイオードＦＤに電流が流れることで検出用ダイオード７０に電流が流れ、シャント抵抗７２に電圧降下が生じる。これにより、差動増幅回路８０の出力電圧が閾値電圧Ｖｔｈを上回るため、コンパレータ８２からは、パワースイッチング素子Ｓｗのオフ指令信号としての論理値「Ｈ」の信号が出力される。これにより、駆動ＩＣ６０では、操作信号ｇの値にかかわらず、パワースイッチング素子Ｓｗを強制的にオフ状態とする。これに対し、パワースイッチング素子Ｓｗに電流が流れている場合には、検出用ダイオード７０に電流が流れないため、シャント抵抗７２に電圧降下が生じない。このため、差動増幅回路８０の出力電圧は、閾値電圧Ｖｔｈよりも低くなり、コンパレータ８２の出力信号は、論理「Ｌ」となる。これにより、駆動ＩＣ６０では、操作信号ｇに応じて、パワースイッチング素子Ｓｗをオン・オフ操作する。
【００５１】
これにより、フリーホイールダイオードＦＤに電流が流れる際には、パワースイッチング素子Ｓｗがオフ状態とされることとなるため、フリーホイールダイオードＦＤの電力損失を低減させることができる。
【００５２】
なお、上記シャント抵抗７２は、フリーホイールダイオードＦＤに電流が流れる際に、電力変換回路（インバータＩＶ，コンバータＣＶ）側から配線Ｌ２を介して検出用ダイオード７０のアノード側へと電流が流れることを回避することができる値に設定されている。すなわち、本実施形態にかかるシャント抵抗７２は、電流検出回路を構成するのみならず、電力変換回路からの電流の流入を阻止するための阻止手段としての機能をも有する。
【００５３】
以上詳述した本実施形態によれば、以下の効果が得られるようになる。
【００５４】
（１）検出用ダイオード７０のアノード側に、検出用ダイオード７０に順方向電流が流れるか否かに応じてフリーホイールダイオードに電流が流れているか否かを判断する回路を設けた。これにより、フリーホイールダイオードＦＤに電流が流れているか否かを高精度に検出することができる。また、検出用ダイオード７０を高耐圧の素子とすることで、上記判断する回路を高耐圧の素子にて構成する必要が生じない。
【００５５】
（２）フリーホイールダイオードＦＤのアノードを基準電位として検出用ダイオード７０のアノードの電位を上昇させるための電源７４を更に備えた。これにより、フリーホイールダイオードＦＤに電流が流れているときの検出用ダイオード７０のアノード側の電位をそのカソード側の電位よりも確実に高くすることができる。
【００５６】
（３）電源７４の電圧Ｖｐを「ｖｆ２−ｖｆ１＜Ｖｐ＜ｖｆ２＋Ｖｃｅ」を満たすように設定した。これにより、フリーホイールダイオードＦＤに電流が流れている場合に検出用ダイオード７０に電流が流れて且つ、パワースイッチング素子Ｓｗに電流が流れている場合に検出用ダイオード７０に電流が流れないような設定を好適に実現することができる。
【００５７】
（４）検出用ダイオード７０のアノード側に設けられた抵抗体（シャント抵抗７２：線形素子としての抵抗体であって検出対象となる電流を電圧降下量として定量化するためのもの）と、シャント抵抗７２の両端の電圧に応じた電圧信号を生成する差動増幅回路８０と、差動増幅回路８０の出力する電圧信号と閾値電圧Ｖｔｈとの大小を比較するコンパレータ８２とを備えて電流検出回路を構成した。これにより、検出用ダイオード７０に電流が流れているか否かを判断することができる。
【００５８】
（５）フリーホイールダイオードＦＤに順方向の電流が流れていると判断される場合、パワースイッチング素子Ｓｗの導通制御端子（ゲート）への電圧印加を停止した。これにより、導通損失を低減することができる。
【００５９】
（６）高電位側のパワースイッチング素子Ｓｗｐ及び低電位側のパワースイッチング素子Ｓｗｎの直列接続体を交互にオン状態とするよう指令した。これにより、フリーホイールダイオードＦＤに電流が流れる際にもこれに逆並列に接続されるパワースイッチング素子Ｓｗがオン状態とされるため、フリーホイールダイオードＦＤに順方向電流が流れる際には、無駄なスイッチングがなされていることになるにもかかわらず、これにより、フリーホイールダイオードＦＤの電力損失が増大するおそれがある。このため、上記電圧印加を停止する機能の利用価値が特に高いものとなっている。
【００６０】
（７）電圧印加を停止する機能を、インバータＩＶやコンバータＣＶを備える車載高圧システム内に備えた。これにより、この機能を低圧システム側に備える場合と比較して、高圧システム及び低圧システム間を絶縁する手段の数を低減することができる。
【００６１】
（８）パワースイッチング素子Ｓｗ及びフリーホイールダイオードＦＤを、同一半導体基板に併設した。これにより、フリーホイールダイオードＦＤに順方向電流が流れる際の電力損失がパワースイッチング素子Ｓｗがオン状態とされることで増大する現象が特に顕著となる。このため、電圧印加を停止する機能の利用価値が特に高いものとなっている。
【００６２】
（第２の実施形態）
以下、第２の実施形態について、先の第１の実施形態との相違点を中心に図面を参照しつつ説明する。
【００６３】
図５に、本実施形態にかかる駆動回路ＤＣの回路構成を示す。なお、図５において、先の図４に示した部材と対応する部材については、便宜上同一の符号を付している。
【００６４】
図示されるように、本実施形態では、フリーホイールダイオードＦＤやパワースイッチング素子Ｓｗの近傍の温度を感知する感温ダイオードＳＤを備えている。ただし、この感温ダイオードＳＤは、駆動回路ＤＣに対して外付けされるものである。詳しくは、感温ダイオードＳＤは、そのカソードがフリーホイールダイオードＦＤのアノードに接続され、そのアノードは、電源９２を給電手段とする定電流源９０の出力端子に接続されている。これにより、感温ダイオードＳＤのアノード側の電圧は、フリーホイールダイオードＦＤやパワースイッチング素子Ｓｗの近傍の温度に応じた値となる。
【００６５】
感温ダイオードＳＤのアノード側の電圧は、調節回路９４に取り込まれる。調節回路９４は、検出用ダイオード７０のアノード電位を上昇させるための電圧可変機能を有する可変電源７４ａの電圧を感温ダイオードＳＤのアノード側の電圧に応じて調節する。換言すれば、フリーホイールダイオードＦＤやパワースイッチング素子Ｓｗの近傍の温度に応じて調節する。
【００６６】
これは、フリーホイールダイオードＦＤの電圧降下量ｖｆ１や、検出用ダイオード７０の電圧降下量ｖｆ２、パワースイッチング素子Ｓｗの電圧降下量Ｖｃｅが温度に依存して変動することに鑑みてなされるものである。すなわち、図６に示されるように、温度が高いほどフリーホイールダイオードＦＤの電圧降下量ｖｆ１は増大し、検出用ダイオード７０の電圧降下量ｖｆ２は減少し、パワースイッチング素子Ｓｗの電圧降下量Ｖｃｅは増大する。このため、本実施形態では、可変電源７４ａの電圧を、温度が高いほど低くする。
【００６７】
以上説明した本実施形態によれば、先の第１の実施形態の各効果に加えて、更に以下の効果が得られるようになる。
【００６８】
（９）可変電源７４ａの電圧Ｖｐを温度に応じて可変設定した。これにより、電圧降下量ｖｆ１，ｖｆ２，Ｖｃｅの温度変動にかかわらず、条件「ｖｆ２−ｖｆ１＜Ｖｐ＜ｖｆ２＋Ｖｃｅ」を確実に満たすようにすることができる。
【００６９】
（第３の実施形態）
以下、第３の実施形態について、先の第２の実施形態との相違点を中心に図面を参照しつつ説明する。
【００７０】
図７に、本実施形態にかかる駆動回路ＤＣの回路構成を示す。なお、図７において、先の図５に示した部材と対応する部材については、便宜上同一の符号を付している。
【００７１】
図示されるように、本実施形態では、検出用ダイオード７０のアノードに、ＰＮＰ型のバイポーラトランジスタ１００のベースを接続する。バイポーラトランジスタ１００のコレクタは、フリーホイールダイオードＦＤのアノードと同電位とすべく、配線Ｌ２に接続されている。また、バイポーラトランジスタ１００のエミッタには、抵抗体１０２を介して、可変電源７４ａの正極が接続されている。可変電源７４ａは、配線Ｌ２に負極側が接続されることでその正極電位を、フリーホイールダイオードＦＤのアノード側の電位に対して電圧Ｖｐだけ上昇させるものである。この電圧Ｖｐは、調節回路９４によって調節される。可変電源７４ａの電圧Ｖｐは、抵抗体１０４及び抵抗体１０６によって分圧される。コンパレータ８２の非反転入力端子にはこの分圧が印加され、コンパレータ８２の反転入力端子には、バイポーラトランジスタ１００のエミッタ電圧が印加される。
【００７２】
ここでも、可変電源７４ａの電圧Ｖｐは、条件「ｖｆ２−ｖｆ１＜Ｖｐ＜ｖｆ２＋Ｖｃｅ」を確実に満たすように設定されている。これにより、コンパレータ８２の出力電圧は、フリーホイールダイオードＦＤに電流が流れているか、パワースイッチング素子Ｓｗに電流が流れているかに応じて相違するものとなる。
【００７３】
すなわち、パワースイッチング素子Ｓｗに電流が流れているときには、バイポーラトランジスタ１００のエミッタ電位は、検出用ダイオード７０のカソード電位に対して、「−Ｖｃｅ＋Ｖｐ」だけ高くなる。ただし、上記条件より、この値は、検出用ダイオード７０の電圧降下量ｖｆ２よりも小さい。このため、バイポーラトランジスタ１００のエミッタ及びベース間に順方向バイアスを印加することができない。したがって、パワースイッチング素子Ｓｗに電流が流れているときには、バイポーラトランジスタ１００はオフ状態となる。したがって、フリーホイールダイオードＦＤのアノード電位を基準とするバイポーラトランジスタ１００のエミッタ電圧は、可変電源７４ａの電圧Ｖｐ程度となり、抵抗体１０４，１０６による電圧Ｖｐの分圧値よりも高くなる。このため、パワースイッチング素子Ｓｗに電流が流れているときには、コンパレータ８２の出力電圧は、論理「Ｌ」となる。
【００７４】
これに対し、フリーホイールダイオードＦＤに電流が流れているときには、バイポーラトランジスタ１００のエミッタの電位は、検出用ダイオード７０のカソード電位よりも、「ｖｆ１＋Ｖｐ」だけ高くなる。上記条件よりこの値は、検出用ダイオード７０の電圧降下量ｖｆ２よりも大きい。このため、バイポーラトランジスタ１００のエミッタ及びベース間に順バイアスが印加され、バイポーラトランジスタ１００がオン状態となる。このため、抵抗体１０２に電流が流れることによる電圧降下によって、バイポーラトランジスタ１００のエミッタの電位は、フリーホイールダイオードＦＤのアノード電位程度まで低下する。したがって、バイポーラトランジスタ１００のエミッタの電位は、抵抗体１０４，１０６による電圧Ｖｐの分圧値よりも低くなる。したがって、フリーホイールダイオードＦＤに電流が流れているときには、コンパレータ８２の出力電圧は、論理「Ｈ」となる。このため、コンパレータ８２の出力電圧が論理「Ｈ」となる場合を、オフ指令信号が出力される場合とすることで、フリーホイールダイオードＦＤに電流が流れているときに、パワースイッチング素子Ｓｗを強制的にオフ状態とすることができる。
【００７５】
以上説明した本実施形態によれば、先の第１の実施形態の上記（１）〜（３）、（５）〜（８）の効果や、先の第２の実施形態の上記（９）の効果に加えて、更に以下の効果が得られるようになる。
【００７６】
（１０）バイポーラトランジスタ１００を電流が流れているか否かに基づきフリーホイールダイオードＦＤに電流が流れているか否かを判断した。これにより、フリーホイールダイオードＦＤに電流が流れているかパワースイッチング素子Ｓｗに電流が流れているかを識別することが可能となる。
【００７７】
（その他の実施形態）
なお、上記各実施形態は、以下のように変更して実施してもよい。
【００７８】
・上記第２の実施形態では、温度が高いほど電源７４ａの電圧を低下させたがこれに限らない。要は、パワースイッチング素子やフリーホイールダイオード、更には、検出用ダイオード７０等の温度特性に応じて、温度による電圧の可変設定態様を調節すればよい。
【００７９】
・上記第１及び第２の実施形態では、検出用ダイオード７０に並列な寄生キャパシタを介してサージが電流検出系に重畳されることを回避するためのフィルタとして、差動増幅回路８０の入力側のコンデンサ７６を備えたがこれに限らない。例えば差動増幅回路８０の出力側にＣＲフィルタを備えてもよい。
【００８０】
・上記第１及び第２の実施形態では、シャント抵抗７２を検出用ダイオード７０のアノード及び電源７４の正極端子間に設けたがこれに限らない。例えば、配線Ｌ２及び電源７４の負極端子間に設けてもよい。
【００８１】
・上記第１及び第２の実施形態では、シャント抵抗７２に、電力変換回路（インバータＩＶ、コンバータＣＶ）側から電流検出系へと流入する電流を制限する制限手段としての機能をも持たせたが、これに限らない。例えば、シャント抵抗７２とは別に電流制限用の抵抗体を備えてもよい。また例えば、検出用ダイオード７０のアノード及び電源７４の正極端子間に、定電流ダイオード等の定電流出力手段を備えてもよい。
【００８２】
・上記第２及び第３の実施形態において、パワースイッチング素子やフリーホイールダイオード近傍の温度を感知する感知手段としては、感温ダイオードＳＤに限らず、例えばサーミスタ等であってもよい。
【００８３】
・上記第３の実施形態において、可変電源７４ａに代えて、先の第１の実施形態によるように、電圧値が固定される電源７４を用いてもよい。
【００８４】
・バイポーラトランジスタを電流が流れるか否かに基づきフリーホイールダイオードに電流が流れるか否かを判断する手段としては、上記第３の実施形態において例示したように、バイポーラトランジスタ１００のエミッタの電圧を閾値電圧と比較することでバイポーラトランジスタ１００に電流が流れているか否かを判断する手段に限らない。例えば、バイポーラトランジスタのコレクタ及びフリーホイールダイオードＦＤｐ（ＦＤｎ）間にシャント抵抗を設けて、その電圧降下量に基づきバイポーラトランジスタ１００に電流が流れているか否かを判断する手段であってもよい。
【００８５】
・上記各実施形態では、インバータＩＶやコンバータＣＶのフリーホイールダイオードＦＤｐ、ＦＤｎに順方向電流が流れる場合に、パワースイッチング素子Ｓｗｐ，Ｓｗｎを強制的にオフとすべく、順方向電流を検出したがこれに限らない。例えば、モータジェネレータ１０の力行、回生判定をすべくフリーホイールダイオードを流れる電流を検出する際に、本発明を適用してもよい。これによれば、例えば、高電位側のパワースイッチング素子Ｓｗｐ及び低電位側のパワースイッチング素子Ｓｗｎを相補的に駆動しない制御設定において、力行、回生のうちの制御において要求されている側と実際とが相違する場合に、パワースイッチング素子Ｓｗｐ，Ｓｗｎの駆動態様をフリーホイールダイオードの電流検出結果に基づき補正することも可能である。
【００８６】
・フリーホイールダイオードとしては、先の図２に例示したようにＩＧＢＴと同一の半導体基板に形成されるものに限らない。例えば、「モータ制御用ＲＣ−ＩＧＢＴ  高橋秀樹、他２名  ７（３１５）  三菱電機技報、ＶＯｌ８１、ＮＯ．５，２００７」に記載されているように、ＩＧＢＴとフリーホイールダイオードとが別々に形成されたものであってもよい。この場合であっても、同技報の図５に示されるように、ＩＧＢＴをオン状態とすることでフリーホイールダイオードの順方向電圧が上昇するために、本発明の適用は有効である。
【００８７】
・電力変換回路としては、上記インバータＩＶや、ブーストコンバータとしてのコンバータＣＶに限らない。例えば、高圧バッテリ１２の電圧を降圧して低圧バッテリ１６に印加する降圧コンバータであってもよい。
【００８８】
・電力変換回路としては、ハイブリッド車に搭載されるものに限らず、例えば電気自動車に搭載されるものであってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００８９】
【図１】第１の実施形態にかかるシステム構成図。
【図２】同実施形態にかかるＩＧＢＴ及びダイオードの断面構成を示す断面図。
【図３】同実施形態にかかるダイオードの特性を示す図。
【図４】同実施形態にかかるダイオードの電流の検出処理回路を示す回路図。
【図５】第２の実施形態にかかるダイオードの電流の検出処理回路を示す回路図。
【図６】同実施形態にかかる電圧の可変設定態様を示す図。
【図７】第３の実施形態にかかるダイオードの電流の検出処理回路を示す回路図。
【符号の説明】
【００９０】
１０…モータジェネレータ、１２…高圧バッテリ、２４…相補信号生成部、７０…検出用ダイオード、７２…シャント抵抗、７４…電源、８０…差動増幅回路、８２…コンパレータ、Ｓｗｐ，Ｓｗｎ，Ｓｗ…パワースイッチング素子、ＦＤｐ、ＦＤｎ，ＦＤ…フリーホイールダイオード、ＩＶ…インバータ、ＣＶ…コンバータ、ＤＣ…駆動回路。
【図１】
2009254034.tif 000003
【図２】
2009254034.tif 000004
【図３】
2009254034.tif 000005
【図４】
2009254034.tif 000006
【図５】
2009254034.tif 000007
【図６】
2009254034.tif 000008
【図７】
2009254034.tif 000009