JP5680569B2 - インバータ - Google Patents

Description

本明細書では、交流モータに交流電力を供給するインバータに関する技術を開示する。

インバータは、直流電圧を平滑化するコンデンサを備えている。コンデンサには直流電圧が充電されており、安全のために放電が必要とされることがある。例えば電気自動車やハイブリッド自動車の走行用モータに通電するインバータは、高圧に充電されており、衝突事故の発生時や点検時には放電して安全を確保する必要がある。

コンデンサを放電する必要はまれにしか生じない。しかしながら、まれに必要とされるときに確実に放電することが必要とされ、普段からテストしておく必要がある。例えば、インバータの運転開始時、運転終了時、あるいはモータを回転する必要がない場合（走行用モータの場合にはシフトレバーがパーキング位置にある期間、あるいはブレーキペダルが踏まれて車速がゼロである期間）などに、コンデンサの放電テストが必要とされる。

コンデンサを放電するために、コンデンサの正極と負極を結ぶ配線にスイッチング素子を挿入しておく技術が知られている。そのスイッチング素子を導通させれば、コンデンサが放電する。
インバータは、交流電力の相数に等しい数の並列分岐路を備えており、それぞれの分岐路に少なくとも２個のスイッチング素子を備えている。例えば３相交流を供給するインバータは、少なくとも６個のスイッチング素子を備えている。各分岐路のスイッチング素子が異なるタイミングでオン・オフすることで複数相の交流電力を作り出す。
交流電力を生成するスイッチング素子もコンデンサの正極と負極に結ぶ配線に挿入されており、そのスイッチング素子を放電用に流用することもできる。この場合、コンデンサの正極と負極を結ぶ配線に２個のスイッチング素子が直列に挿入されている。２個のスイッチング素子を同時に導通させれば、コンデンサが放電する。
特許文献１に、３相交流を生成するスイッチング素子を放電用に利用する技術が開示されている。特許文献２に、インバータの運転開始時あるいは運転終了時などにおいて、電源とインバータを接続するメインリレーをテストする技術が開示されている。

特開２００３−３４８８５６号公報 特開平１０−１４４１９４号公報

特許文献１と特許文献２の技術を組み合わせれば、インバータの運転開始時あるいは運転終了時等の適宜なタイミングにおいて、コンデンサの放電テストを行うことがきる。

テストのためにコンデンサを放電させると、コンデンサの正極と負極に結ぶ配線に挿入されているスイッチング素子に放電電流が流れ、そのスイッチング素子が急速に加熱される。放電テストに際してスイッチング素子に負荷（ストレス)が作用し、そのストレスによってスイッチング素子の劣化が促進される可能性がある。特に特許文献１に記載されているように、交流を生成するスイッチング素子に放電電流を流す場合には、交流を生成する通常時の電流よりも大電流が流れることから、そのスイッチング素子の劣化が促進される可能性がある。
本明細書では、放電テストの際に放電用スイッチング素子に作用する負荷（ストレス)を抑え、放電テストによって放電用スイッチング素子の劣化が促進されない技術を開示する。本技術は、放電専用のスイッチング素子を用いる場合にも有効であり、交流生成用スイッチング素子を放電制御に兼用する場合にも有効である。

本明細書で開示するインバータは、コンデンサと、コンデンサの正極と負極を接続する配線に直列に挿入されている第１スイッチング素子と第２スイッチング素子と、コンデンサの正極と負極を接続する配線の通電電流を検出する電流検出装置と、放電テスト開始指令を出力する装置と、放電テスト実行装置を備えている。
放電テスト実行装置は、放電テスト開始指令を入力した時に、第１スイッチング素子を低抵抗状態とする第１制御信号を第１スイッチング素子に印加するとともに、経過時間とともに電圧が上昇する第２制御信号を第２スイッチング素子に印加する。そして、電流検出装置で電流を検出した時に、第１制御信号と第２制御信号の一方または双方をゼロする。すなわち、放電テストを終了する。

上記のインバータは、放電テスト開始指令を入力した時に、第１スイッチング素子に第１制御信号を印加して第１スイッチング素子を低抵抗状態（すなわち導通させる。あるいは飽和領域で導通させるといってもよい。）とする。ただし第２スイッチング素子が直列に接続されているので、それだけでは放電電流は流れない。
上記のインバータは、放電テスト開始指令を入力した時に、第２スイッチング素子に第２制御信号を印加する。第２制御信号の電圧は経過時間とともに上昇する。最初は、第２制御信号の電圧が低く放電電流が流れない。第２制御信号の電圧が上昇していくと、第２スイッチング素子の抵抗が低下していき、放電電流が流れ始める（第１スイッチング素子はすでに低抵抗状態にある）。放電電流が流れ始めれば、放電動作に関与する装置が正常に動作することが確認され、テスト目的が達成される。上記インバータでは、電流検出装置で電流を検出した時に、第１制御信号と第２制御信号の一方または双方をゼロし、放電を停止させる。
上記インバータによると、制限された放電電流が流れている期間内でテストが終了し、大きな放電電流が流れることがない。放電テストの際に、第１スイッチング素子にも第２スイッチング素子にも大きな放電電流が流れることがなく、第１スイッチング素子と第２スイッチング素子に作用するストレスを軽減できる。

第１スイッチング素子と第２スイッチング素子は直列に接続されているので、接続順序は制限されない。コンデンサの正極側に第１スイッチング素子を配置してもよいし、コンデンサの正極側に第２スイッチング素子を配置してもよい。第１スイッチング素子と第２スイッチング素子は、放電専用に設けられたものであってもよいし、交流生成用のスイッチング素子と兼用するものであってもよい。

第２制御信号の電圧は、経過時間とともに連続的に上昇するものであってもよいし、経過時間とともに階段状に上昇するものであってもよい。階段状に上昇する場合、パルス波形のように、断続的にオフ期間が挿入されていてもよい。

コンデンサを放電する場合、放電電流がモータコイルを通過しない経路で放電させることができる（いわゆるＰＣＵ放電）。この場合、第１スイッチング素子と第２スイッチング素子が直接接続されている配線を放電経路とする。３相交流用インバータの場合、ｕ相の上下のスイッチング素子を放電用に利用する。ｖ相でもよいし、ｗ相でもよい。あるいは、同時に複数相を放電用に使ってもよい。ｕ層，ｖ層，ｗ相から選択される１〜３相をＰＣＵ放電に使うことができる。

放電電流がモータコイルを通過する経路で放電させることもできる（いわゆるＭＧ放電）。例えばｕ相上段とｖ相下段をＭＧ放電用に用いる。すると第１スイッチング素子と第２スイッチング素子（例示の場合にはｕ相上段のスイッチング素子とｖ相下段のスイッチング素子）がモータコイルを介して接続される関係となる。この場合、モータコイルに通電してもモータトルクは発生しない。モータコイルに通電しながら放電テストをすることができる。

本明細書に記載のインバータによると、放電テストに際して、第１スイッチング素子にも第２スイッチング素子にも大きな放電電流が流れることがなく、第１スイッチング素子と第２スイッチング素子に作用する負荷（ストレス）が軽減する。第１スイッチング素子と第２スイッチング素子の劣化を促進しないようにしながら放電テストをすることができる。

（ａ）はインバータのシステム構成を示し、（ｂ）はインバータ制御装置のシステム構成を示し、（ｃ）は放電テストに用いる波形を示す。 インバータが実施する処理手順を示す。 ＰＣＵ放電のテスト内容を示す。 ＰＣＵ放電のテスト内容の変形例を示す。 ＭＧ放電のテスト内容を示す。

下記に説明する実施例の主要な特徴を列記する。なお下記の特徴は、単独でも有用性を発揮するものであり、他の特徴と組み合わせて用いることが不可欠ではない。
特徴１：インバータは３相交流を供給する。
特徴２：３相交流を生成するスイッチング素子が放電用スイッチング素子を兼用する。
特徴３：３相交流を生成するスイッチング素子の全部のスイッチング素子（全相に対応する）が導通して放電する。
特徴４：３相の放電テストを同時に実行する。
特徴５：３相の放電テストを順に実行する。
特徴６：特徴５において、電流検出装置を相に依らない共通配線に設ける。

図１(ａ)は、直流電源１２とインバータ２２とモータ１３を備えている駆動力発生装置を示している。駆動力発生装置は、電気自動車またはハイブリッド自動車に車載されており、モータ１３が回転すると自動車が走行する。自動車が制動される際には、モータ１３が発電機となって直流電源１２を充電する。直流電源１２とインバータ２２の間に昇圧回路１１が挿入されていてもよい。

インバータ２２は、平滑用コンデンサ１０を備えている。またインバータ２２は、ｕ相用上段スイッチング素子１と、ｕ相用下段スイッチング素子２と、ｕ相用電流検出装置３と、ｖ相用上段スイッチング素子４と、ｖ相用下段スイッチング素子５と、ｖ相用電流検出装置６と、ｗ相用上段スイッチング素子７と、ｗ相用下段スイッチング素子８と、ｗ相用電流検出装置９を備えている。スイッチング素子１と並行にフライホイールダイオード１ａが接続され、スイッチング素子２と並行にフライホイールダイオード２ａが接続され、スイッチング素子４と並行にフライホイールダイオード４ａが接続され、スイッチング素子５と並行にフライホイールダイオード５ａが接続され、スイッチング素子７と並行にフライホイールダイオード７ａが接続され、スイッチング素子８と並行にフライホイールダイオード８ａが接続されている。
ｕ相用上段スイッチング素子１のゲート端子１ｂと、ｕ相用下段スイッチング素子２のゲート端子２ｂと、ｖ相用上段スイッチング素子４のゲート端子４ｂと、ｖ相用下段スイッチング素子５のゲート端子５ｂと、ｗ相用上段スイッチング素子７のゲート端子７ｂと、ｗ相用下段スイッチング素子８のゲート端子８ｂは、インバータ制御装置に接続されている。インバータ制御装置は放電テストを実行する機能を内蔵している。
インバータ制御装置は、スイッチング素子１，２，４，５，７，８を異なるタイミングでオン・オフさせることによって３相交流を生成してモータ１３に通電する。ｕ相の電流波形はｖ相の電流波形よりも１２０°進んだ位相で変化し、ｗ相の電流波形はｖ相の電流波形よりも１２０°遅れた位相で変化する。

図１（ｂ）は、インバータ制御装置のうち、放電テストに関与する部分のシステム構成を示している。図示１４は衝突センサであり、自動車が衝突したら安全確保のために、コンデンサ１０を放電させる。そのために、衝突センサ１４の信号はＨＶ−ＥＣＵ１５を経て、ＭＧ−ＥＣＵ１６に入力される。衝突信号が入力されると、ＭＧ−ＥＣＵ１６は放電制御装置１７を作動させる。その場合、放電制御装置１７は、スイッチング素子１，２，４，５，７，８の全部を導通させる。その結果、コンデンサ１０が放電される。

それとは別に、ＨＶ−ＥＣＵ１５は、自動車の運転開始時、自動車の運転終了時、あるいはモータ１３を回転させる必要がない期間（シフトレバーがパーキング位置にある期間あるいはブレーキペダルが踏まれて車速がゼロである期間）などのテストに適した期間を選択して放電テスト開始指令を出力する。ＨＶ−ＥＣＵ１５から放電テスト開始指令がＭＧ−ＥＣＵ１６に入力されると、放電制御装置１７は放電テストを実行する。

放電テスト実行する場合、放電制御装置１７は、スイッチング素子２，５，８のゲート端子２ｂ，５ｂ，８ｂに、図１（２ｂ）に示すゲート電圧を印加する。そのゲート電圧は、スイッチング素子２，５，８のエミッタ・コレクタ間のオン抵抗を十分に下げる電圧である。本実施例では、スイッチング素子２，５，８が第１スイッチング素子に対応する。本実施例ではスイッチング素子１，２，４，５，７，８にＩＧＢＴを用いている。本実施例の技術は、ＩＧＢＴを用いる場合に限られず、ＭＯＳ等の他のスイッチング素子を利用する場合にも有用である。
放電テストを実行する場合、放電制御装置１７は、スイッチング素子１，４，７のゲート端子１ｂ，４ｂ，７ｂに、図１（１ｂ）に示すゲート電圧を印加する。そのゲート電圧は、経過時間とともに電圧が上昇する関係に設定されている。本実施例では、電圧が階段状に上昇するゲート電圧を用いるが、経過時間に対して連続的に上昇する電圧を印加してもよい。また本実施例では、電圧が階段状に変化する際に電圧が一時的にゼロとなる電圧を用いるが、ゼロとなる期間のない電圧を用いてもよい。階段状に変化する電圧は、論理回路で生成しやすい。本実施例では、スイッチング素子１，４，７が第２スイッチング素子に対応する。

第１スイッチング素子２が低抵抗な状態で、第２スイッチング素子１のゲート電圧を上げていくと、最初は第２スイッチング素子１が高抵抗であってｕ相には電流が流れない。しかしながら、第２スイッチング素子１のゲート電圧の上昇とともに、第２スイッチング素子１の抵抗が低下し、ｕ相に電流（放電電流）が流れ始める。流れ始めたときの電流値は小さい。小さな放電電流が流れると、それがｕ相電流検出装置３で検出される。ｕ相電流検出装置３で電流が検出されれば、ｕ相を利用するＰＣＵ放電装置が正常であることがわかる。その段階では、ｕ相に流れる電流値は小さい。第１スイッチング素子２と第２スイッチング素子１にストレスを掛けないで放電テストをすることができる。

ｖ相と、ｗ相についても同様のテストをする。ｖ相電流検出装置６で電流が検出されれば、ｖ相を利用するＰＣＵ放電装置が正常であることがわかり、ｗ相電流検出装置９で電流が検出されれば、ｗ相を利用するＰＣＵ放電装置が正常であることがわかる。

実際のテストでは、ｕ相電流検出装置３とｖ相電流検出装置６とｗ相電流検出装置９の全部で電流が検出されるまで、第２スイッチング素子１，４，７に印加するゲート電圧を上昇させていく。ＰＣＵ放電装置に異常がなければ、早い段階で、ｕ相電流検出装置３とｖ相電流検出装置６とｗ相電流検出装置９の全部が電流を検出する。その段階では、ｕ相でもｖ相でもｗ相でも放電電流値が低い。第１スイッチング素子２，５，８と第２スイッチング素子１，４，７にストレスを掛けないで放電テストをすることができる。

ｕ相電流検出装置３とｖ相電流検出装置６とｗ相電流検出装置９の全部が電流を検出すれば、第１スイッチング素子２，５，８に印加する第１制御信号もゼロとし、第２スイッチング素子１，４，７に印加する第２制御信号もゼロとする。図１の(１ｂ)と（２ｂ）に示す一点鎖線は、予定されている第２制御信号（１ｂ）と第１制御信号（２ｂ）を示している。第２制御信号の電圧は経過時間ともに上昇する。所定の値まで上昇させても、ｕ相電流検出装置３とｖ相電流検出装置６とｗ相電流検出装置９のうちのどれかが電流を検出しなければ、その相の放電装置に異常があると診断する。実線は、放電装置に異常がない場合を示している。ｕ相電流検出装置３とｖ相電流検出装置６とｗ相電流検出装置９の全部で、（３）に示す放電電流が検出されたら、第１スイッチング素子２，５，８に印加する第１制御信号もゼロとし、第２スイッチング素子１，４，７に印加する第２制御信号もゼロとする。これによって放電電流が小さなうちに放電テストが終了する。

放電制御装置１７は、ＭＧ−ＥＣＵ１６から放電テスト開始信号を入力する装置１８と、制御装置１９と、制御装置１９にｕ相電流検出装置３とｖ相電流検出装置６とｗ相電流検出装置９の検出値を入力する装置２１と、制御装置１９の指示によって第１スイッチング素子２，５，８のゲートと、第２スイッチング素子１，４，７のゲートに印加する制御信号を生成するゲート電圧生成回路２０を備えている。

図２は、放電テスト実行時の処理手順を示している。ステップＳ２は、放電テストの実行タイミングの到達を監視する処理であり、自動車のスイッチ（Readyスイッチ）がオフからオンに変化したタイミングの到達を監視する。本実施例では、自動車の使用開始時に放電テストを実施する。なお放電テストの実施時期は、自動車の使用開始時に限られない。

ステップＳ４以降は、放電テストの実行時に実施される。
ステップＳ４では、コンデンサ１０を初期充電し、放電テスト可能な状態にする。
ステップＳ６では、ＨＶ−ＥＣＵ１５がＤＣＨ信号を出力し、そのＤＣＨ信号がＭＧ−ＥＣＵ１６に入力される。ＤＣＨ信号は放電テストの開始指令である。
ステップＳ８は、第１スイッチング素子２，５，８のゲート２ｂ，５ｂ，８ｂに、第１スイッチング素子２，５，８のオン抵抗を十分に低下させる大きさの電圧（第１制御信号）を印加する。装置が正常であれば、第１スイッチング素子２，５，８は低抵抗となる。
ステップＳ１０では、第２スイッチング素子１，４，７のゲート１ｂ，４ｂ，７ｂに、第２制御信号を印加する。第２制御信号は、図１の（１ｂ）に示すように、経過時間とともに電圧が上昇していく。
ステップＳ１２では、ｕ相電流検出装置３とｖ相電流検出装置６とｗ相電流検出装置９の全部で放電電流が検出されたか否かを判別する。装置が正常であれば、ステップＳ１２を繰り返しているうちにＹＥＳとなる。装置が正常であれば、ステップＳ１８で、第１スイッチング素子２，５，８に印加している第１制御信号をゼロとし、ステップＳ２０で、第２スイッチング素子１，４，７に印加している第２制御信号をゼロとし、放電テストを終了する。自動車は初期点検を終えて、通常使用可能な状態となる。

ステップＳ１２がＮＯの間は、ステップＳ１０に戻ってステップＳ１０を繰り返す。繰り返すたびに、第２制御信号の電圧が上昇していく。
装置に異常があれば、第２制御信号を上限値まで上昇させても、ステップＳ１２がＹＥＳとならない。ステップＳ１４がＹＥＳとなれば、装置に異常があることがわかる。そこでステップＳ１６で異常処理する。
本実施例では、ｕ相、ｖ相、ｗ相のＰＣＵ放電装置を同時に実施する。ｕ相電流検出装置３とｖ相電流検出装置６とｗ相電流検出装置９を用いるので、相毎にテストすることができる。異常があれば、異常がある相まで特定することができる。

（変形例１）図３に示すように、正極側のスイッチング素子（上段スイッチング素子)を第１スイッチング素子とし、負極側のスイッチング素子（下段スイッチング素子)を第２スイッチング素子としてもよい。

(変形例２) 放電に用いる通電相が決められている場合、テストのために全相のスイッチング素子にテスト用ゲート電圧を印加する必要がない。放電に用いる通電相のスイッチング素子にのみテスト用ゲート電圧を印加すればよい。

(変形例３) 全相のスイッチング素子で放電する場合でも、放電テストは相毎にすることができる。例えばｕ相のテスト、ｖ相のテスト、ｗ相のテストの順で実施してもよい。この場合、図４に示すように、相に依らない配線部、すなわち共通配線部３０に１つの電流検出装置３２を設置すればよい。
全相の放電テストを同時に実施する場合でも、異常の有無さえテストできればよく、異常相まで特定する必要がなければ、図４のように、１つの電流検出装置で済ませることができる。

(変形例４) 導通させるスイッチング素子の相を、上段と下段で異ならせると、図５の示すＭＧ放電が可能となる。図５の場合、コンデンサの正極と負極を接続する配線に、ｕ相上段のスイッチング素子１とｖ相下段のスイッチング素子５が導入されており、ｕ相上段のスイッチング素子１とｖ相下段のスイッチング素子５が、モータ１３のｕ相コイルとｖ相コイルを介して接続されているということができる。この場合も、本明細書に記載の技術が有効であり、ｕ相上段のスイッチング素子とｖ相下段のスイッチング素子のいずれか一方を第１スイッチング素子とし、他方を第２スイッチング素子として本明細書に記載の技術を適用すれば、第１スイッチング素子にも第２スイッチング素子にも過大なストレスを掛けることなく、ＭＧ放電装置をテストすることができる。なお、上記以外の組み合わせでＭＧ放電を実現することもできる。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、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。
また、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するものであり、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。

１：ｕ相上段スイッチング素子
２：ｕ相下段スイッチング素子
３：ｕ相電流検出装置
４：ｖ相上段スイッチング素子
５：ｖ相下段スイッチング素子
６：ｖ相電流検出装置
７：ｗ相上段スイッチング素子
８：ｗ相下段スイッチング素子
９：ｗ相電流検出装置
１０：コンデンサ
１１：昇圧回路
１２：直流電源
１３：モータ
１４；衝突センサ
１５：ＨＶ−ＥＣＵ
１６：ＭＧ−ＥＣＵ
１７：放電制御装置（放電―ＥＣＵ）
１８：放電テスト開始信号入力装置
１９：制御装置
２０：ゲート電圧生成装置
２１：電流値入力装置
２２：インバータ

Claims (4)

1. コンデンサと、
   コンデンサの正極と負極を接続する配線に直列に挿入されている第１スイッチング素子と第２スイッチング素子と、
   コンデンサの正極と負極を接続する配線の通電電流を検出する電流検出装置と、
   放電テスト開始指令を出力する装置と、
   放電テスト開始指令を入力した時に、第１スイッチング素子を低抵抗状態とする第１制御信号を第１スイッチング素子に印加するとともに、経過時間とともに電圧が上昇する第２制御信号を第２スイッチング素子に印加し、電流検出装置で電流を検出した時に、第１制御信号と第２制御信号の一方または双方をゼロする放電テスト実行装置と、
   を備えているインバータ。
2. 第２制御信号の電圧が、経過時間とともに階段状に上昇することを特徴とする請求項１に記載のインバータ。
3. 第１スイッチング素子と第２スイッチング素子が直接接続されていることを特徴とする請求項１または２に記載のインバータ。
4. 第１スイッチング素子と第２スイッチング素子がモータコイルを介して接続されていることを特徴とする請求項１または２に記載のインバータ。

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