JP4736259B2

JP4736259B2 - インバータ装置

Info

Publication number: JP4736259B2
Application number: JP2001207858A
Authority: JP
Inventors: 浩市水谷
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2001-07-09
Filing date: 2001-07-09
Publication date: 2011-07-27
Anticipated expiration: 2021-07-09
Also published as: JP2003033048A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はインバータ装置に関し、特に、スイッチング素子を制御して各相の電力を互いに所定のデッドタイムをおいて出力させるものに関する。
【０００２】
【従来の技術】
インバータ装置において、ブリッジ回路を構成する上下のアームの中間点から電力を出力する場合に、上下のアームに設けられたスイッチング素子が同時にオン状態になると、短絡によりブリッジ回路に大きな貫流電流が流れ、ノイズの発生や消費電力の増大などの障害を招く。このため通常、上下のアームに設けられたスイッチング素子がオン状態となるタイミングが重ならないように、両者のオン時間の間に、所定のデッドタイム、すなわち、上下のアームに設けられたスイッチング素子が共にオフとなる無通電時間を設けている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで近年、電気自動車に搭載される駆動用のバッテリの電力を降圧して車室内の給電端子に接続することにより、車室内で家庭用電化製品を利用できるようにしたいとの要請がある。しかし、駆動用のバッテリの大電流を制御することからインバータ回路の負担が大きく、また、デッドタイムは短絡の防止のほか、デッドタイムの調整によって出力波形を正弦波に近づけることにより消費電力の節約にも寄与しうるため極めて重要であるから、このデッドタイムを設定する回路のフェイルセーフ化が要請される。また、デッドタイムの長さはインバータ装置の温度の影響を受けやすいため、温度にかかわらず安定した長さのデッドタイムを設定する必要もある。
【０００４】
そこで本発明の目的は、デッドタイムを設定する回路のフェイルセーフ化を実現でき、併せて温度にかかわらず安定した長さのデッドタイムを設定しうる手段を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
第１の本発明は、複数の第１アームおよび複数の第２アームをＨブリッジ型に接続すると共に前記複数の第１アームおよび前記複数の第２アームのそれぞれにスイッチング素子を配置してなるブリッジ回路と、前記各スイッチング素子を制御して、前記第１アームと前記第２アームとの中間点に各相の電力を互いに所定のデッドタイムをおいて出力させる制御回路と、を備えたインバータ装置において、前記制御回路は、前記デッドタイムのうちの一部である第１の時間を制御する第１制御部と、前記デッドタイムのうち他の一部である第２の時間を制御する第２制御部と、前記第１制御部と前記第２制御部とのうちいずれか一方の制御部の故障を検出する故障検出部と、を備え、前記制御回路は、前記故障検出部が故障を検出した場合に、前記第１制御部と前記第２制御部とのうちの他方の制御部によって、前記第１の時間および前記第２の時間の両者を制御することを特徴とするインバータ装置である。
【０００６】
第１の本発明では、第１制御部と第２制御部とにより冗長系が構成されるので、これらの一方が故障した場合にも他方により装置の運転を続行でき、フェイルセーフ化を実現できる。また、第１の時間と第２の時間のうち少なくとも一方を可変に制御することにより、温度上昇を考慮して安定した長さのデッドタイムを設定することが可能となる。そして、第１制御部と第２制御部とのうちいずれか一方の制御部が故障している場合に、制御回路は、第１制御部と第２制御部とのうちの他方の制御部によって、第１の時間および第２の時間の両者を制御するので、これにより運転を継続でき好適である。
【０００７】
第２の本発明は、第１の本発明のインバータ装置であって、前記ブリッジ回路の動作条件を検出する検出手段を更に備え、前記第１制御部は、前記検出手段によって検出される前記動作条件に応じて前記第１の時間を制御することを特徴とするインバータ装置である。
【０００８】
第２の本発明では、第１制御部がブリッジ回路の動作条件に応じて第１の時間を制御することとしたので、温度上昇を考慮した安定した長さのデッドタイムを設定できる。
【０００９】
このブリッジ回路の動作条件は、第３の本発明のように動作条件を表す物理量の大きさとしてもよく、また第４の本発明のように当該物理量の単位時間当たりの変化量としてもよい。
【００１０】
第５の本発明は、第２ないし第４のいずれかの本発明のインバータ装置であって、前記第１制御部は、前記動作条件を表す物理量が所定の加算基準値を上回った場合に、その時点で設定されている前記第１の時間に所定の単位加算時間を加算することを特徴とするインバータ装置である。
【００１１】
第５の本発明では、第１制御部が、動作条件を表す物理量が所定の加算基準値を上回った場合に、その時点で設定されている第１の時間に所定の単位加算時間を加算することとしたので、第１ないし第４の本発明の効果を簡易な構成によって実現できると共に、この加算を繰り返すことで第１の時間を多段階的に設定できる。
【００１２】
第６の本発明は、第２ないし第５のいずれかの本発明のインバータ装置であって、前記第１制御部は、前記動作条件を表す物理量が所定の減算基準値を下回った場合に、その時点で設定されている前記第１の時間から所定の単位減算時間を減算することを特徴とするインバータ装置である。
【００１３】
第６の本発明では、第１制御部が、動作条件を表す物理量が所定の減算基準値を下回った場合に、その時点で設定されている第１の時間から所定の単位減算時間を減算することとしたので、第１ないし第４の本発明の効果を簡易な構成によって実現できると共に、この減算を繰り返すことで第１の時間を多段階的に設定できる。
【００１４】
本発明における第１の時間は、第７の本発明のように、第１制御部が動作条件に応じて、複数種類定められた時間値のうちいずれかの時間値を選択することにより設定することとしてもよく、この構成によっても第２ないし第４の本発明と同様の効果を実現できる。
【００１５】
本発明における動作条件は、第８の本発明のようにスイッチング素子の温度としたり、第９の本発明のように出力電流値としたり、第１０の本発明のようにブリッジ回路への入力電圧を変更する変圧器の温度としたり、第１１の本発明のようにブリッジ回路への入力電圧とすれば、インバータ装置の温度変化をこれらの変数により検出でき好適である。
【００１８】
【発明の実施の形態】
本発明の実施形態について以下に説明する。図１において、実施形態のインバータ装置１は、電気自動車に搭載される駆動用のバッテリ２の電力を降圧して、車室内の給電端子３に接続することにより、車室内で家庭用電化製品を利用できるようにしたものである。ここにいう電気自動車としては、バッテリ（鉛蓄電池、Ｎｉ−ＭＨ電池や燃料電池を含む）の電力をもとに走行用のモータの駆動力を得るもののほか、モータのみならず内燃機関からの駆動力を利用できるようにしたハイブリッド車なども含まれ、いずれも本発明の適用範囲である。
【００１９】
バッテリ２の出力は、インバータ４を介して変圧器５の一次側に接続されている。変圧器５の二次側は、整流用のダイオードブリッジ６およびその出力端間に並列接続された平滑コンデンサ７を介して、Ｈブリッジ出力回路８に接続されている。
【００２０】
Ｈブリッジ出力回路８は、トランジスタＴ１，Ｔ２，Ｔ３，Ｔ４を含んで構成されており、一対の第１のアームおよび第２のアームにそれぞれ設けられたトランジスタＴ１，Ｔ３の中間点、およびトランジスタＴ２，Ｔ４の中間点には、コイル９を介して給電端子３がそれぞれ接続されている。
【００２１】
トランジスタＴ１，Ｔ４がオンされているときには給電端子３，３間に順方向の電流が、またトランジスタＴ２，Ｔ３がオンされているときには給電端子３，３間に逆方向の電流が生じ、これを繰り返すことによって、家庭用電化製品の運転に適した電圧の交流電力の供給が行われる。
【００２２】
図３に示されるとおり、トランジスタＴ１と同Ｔ３、およびトランジスタＴ２と同Ｔ４が、それぞれ同時にオンされることのないように、これらを駆動するＡ相信号およびＢ相信号は、互いにデッドタイムｔａをおいてオンされる。このデッドタイムｔａは、制御部１０の出力、および第２デッドタイム設定部１２の設定に基づいて制御される。
【００２３】
制御部１０は、ＣＰＵを中心としたワンチップマイクロプロセッサとして構成されており、処理プログラムを記憶したＲＯＭと、一時的にデータを記憶するＲＡＭと、入出力ポートとを備えている。制御部１０には、バッテリ２からの入力電圧Ｖ_nのほか、給電端子３の近傍に設けられた電流センサ１３からのＡＣ出力電流Ｉ_n、変圧器５の近傍に温度検出可能に設けられた温度センサ１４からの変圧器温度Ｔ_n、およびトランジスタＴ１，Ｔ２，Ｔ３，Ｔ４の近傍にそれぞれ１個ずつ温度検出可能に設けられた温度センサ１５からのトランジスタ温度ＴＲ_nが、それぞれ入力される。制御部１０のＲＯＭには、後述する第１デッドタイム設定処理に係る処理プログラムのほか、制御部１０自体および第２デッドタイム設定部１２の故障の有無を検出するための公知の故障診断プログラムが記憶されており、制御部１０ではこれらのプログラムが所定時間ごとに実行される。
【００２４】
第２デッドタイム設定部１２は、制御部１０のＡ相出力とＢ相出力のそれぞれに設けられたコンパレータ１１を含んで構成されている。第２デッドタイム設定部１２は、コンパレータ１１の反転入力端子に接続された固定抵抗素子からなる抵抗Ｒ１および抵抗Ｒ２の抵抗値（Ｒ１＜Ｒ２）に応じたデッドタイムｔａを設定する。具体的には、コンパレータ１１の非反転入力端子に入力される制御部１０からの制御信号、例えばＡ相信号は、反転入力端子に接続されている抵抗Ｒ２の電気抵抗によって生じる閾値Ｖｔｈ（図３参照）値と比較され、その比較結果がトランジスタＴ１，Ｔ４への出力となる。Ａ相出力とＢ相出力は、立ち上がり・立ち下がりの遅れ（なまり）を伴う台形波ないし略台形波として与えられる。なお、本実施形態では抵抗Ｒ１および抵抗Ｒ２に固定抵抗素子を使用するが、抵抗Ｒ２に可変抵抗素子を用いることにより、第２デッドタイム設定部１２により設定されるデッドタイムｔａを変更・調整することができる。なお、本実施形態における第２デッドタイムｔａ２は、デッドタイムｔａにおける第２デッドタイム設定部１２の寄与分、すなわちｔａ２＝ｔａ−ｔａ１をいうものとする。
【００２５】
以上のとおり構成された本実施形態の動作を説明する。図２は制御部１０において行われる第１デッドタイムｔａ１の設定処理を示す。まず、電流センサ１３により検出されたＡＣ出力電流Ｉ_nを読み込み（Ｓ１０）、このＡＣ出力電流Ｉ_nを所定の基準値ｋ１と比較する（Ｓ２０）。この基準値ｋ１は、インバータ装置１が動作中であるかの判断のための基準値であり、十分低い値が設定される。
【００２６】
動作中の場合には、次に出力電流Ｉ_n、入力電圧Ｖ_n、変圧器温度Ｔ_nおよびトランジスタ温度ＴＲ_nを読み込み（Ｓ３０）、所定時間ｔｎの経過後に、これらの所定時間ｔｎ経過後の値である出力電流Ｉ_n+1、入力電圧Ｖ_n+1、変圧器温度Ｔ_n+1およびトランジスタ温度ＴＲ_n+1を読み込む（Ｓ４０）。
【００２７】
次に、出力電流Ｉ_nおよびＩ_n+1がいずれも出力電流基準値ｋ２以上かが判断され（Ｓ５０）、肯定の場合にはステップＳ１００に移行する。
【００２８】
否定の場合には、次に入力電圧Ｖ_nおよびＶ_n+1がいずれも入力電圧基準値ｋ３以上かが判断され（Ｓ６０）、肯定の場合にはステップＳ１００に移行する。
【００２９】
否定の場合には、次に変圧器５の所定時間ｔｎあたりの変化量であるＴ_n+1−Ｔ_nが変圧器温度変化基準値ｋ４を上回るか、および変圧器温度Ｔ_n，Ｔ_n+1がいずれも変圧器温度基準値ｋ５を上回るかが判断され（Ｓ７０）、いずれかが肯定の場合にはステップＳ１００に移行する。
【００３０】
否定の場合には、次にトランジスタＴ１ないしＴ４の所定時間ｔｎあたりの変化量ＴＲ_n+1−ＴＲ_nがトランジスタ温度変化基準値ｋ６を上回るか、およびトランジスタＴ１ないしＴ４の温度であるトランジスタ温度ＴＲ_n，ＴＲ_n+1がいずれもトランジスタ温度基準値ｋ７を上回るかが判断され（Ｓ８０）、いずれかが肯定の場合にはステップＳ１００に移行する。
【００３１】
そして、ステップＳ５０ないしＳ８０のいずれかで肯定の場合には、インバータ装置１の温度が高い、あるいは高まる傾向にある場合であるとして、第１デッドタイムｔａ１を、所定の微小単位時間Δｔａ１だけ延長する（Ｓ１００）。すなわち制御部１０では、ｔａ１＝ｔａ１＋Δｔａ１の演算が行われ、この加算結果により第１デッドタイムｔａ１の値が更新される。但し、ここでは第１デッドタイムｔａ１の値は、所定の最大許容第１デッドタイムＴａ１ｍａｘを超えないように設定される。
【００３２】
他方、ステップＳ５０ないしＳ８０の全てで否定された場合には、インバータ装置１の温度が高くない場合であるとして、第１デッドタイムｔａ１を、所定の微小単位時間Δｔｂ１だけ短縮する（Ｓ９０）。すなわち制御部１０では、ｔａ１＝ｔａ１−Δｔｂ１の演算が行われ、この減算結果により第１デッドタイムｔａ１の値が更新される。但し、ここでは第１デッドタイムｔａ１の値は、所定の最小許容第１デッドタイムＴａ１ｍｉｎを下回らないように設定される。
【００３３】
他方、別途の処理ルーチンにより、第２デッドタイム設定部１２によって設定される第２デッドタイムｔａ２が、電流センサ１３の検出値に基づいて、ｔａ２＝ｔａ−ｔａ１の演算により算出され、この値が加算値ｋ８として、制御部１０のＲＡＭに随時記憶される。
【００３４】
そして、別途に実行される故障診断プログラム（例えば、出力電流Ｉｎと各相信号との比較により故障状態を検出するもの）の実行結果に基づいて、第２デッドタイム設定部１２が故障状態かが判断され（Ｓ１１０）、故障状態のときには、加算値ｋ８の直近過去の値が、最小許容デッドタイムＴａ１ｍｉｎに対して加算され（Ｓ１２０）、本ルーチンを終了する。（Ｓ１２０）。故障状態でないときにはステップＳ１２０がスキップされ、本ルーチンを終了する。
【００３５】
以上のとおり、本実施形態では、デッドタイムｔａのうちの一部である第１デッドタイムｔａ１を第１制御部としての制御部１０により設定し、他の一部である第２デッドタイムｔａ２を第２制御部としての第２デッドタイム設定部１２により設定することとした。このように本実施形態では、制御部１０と第２デッドタイム設定部１２とにより冗長系が構成されるので、制御部１０が故障した場合にも第２デッドタイム設定部１２の作用、とくに立ち上がり・立ち下がりの遅れを伴う台形波ないし略台形波として与えられるＡ相信号・Ｂ相信号と閾値Ｖｔｈとの協働によってなされる第１デッドタイムｔａ１に対する拡張作用により、最低限のデッドタイムｔａが確保され、フェイルセーフ化を実現できる。
【００３６】
また本実施形態では、第１制御部としての制御部１０が、Ｈブリッジ出力回路８の動作条件に応じて第１デッドタイムｔａ１を制御することとしたので、温度上昇を考慮した安定した長さのデッドタイムｔａを設定することが可能となる。
【００３７】
また本実施形態では、第１デッドタイムｔａ１を可変するためのＨブリッジ出力回路８の動作条件として、動作条件を表す物理量の大きさである出力電流Ｉ_n，Ｉ_n+1、入力電圧Ｖ_n，Ｖ_n+1、変圧器温度Ｔ_n，Ｔ_n+1、およびトランジスタ温度ＴＲ_n，ＴＲ_n+1、ならびに動作条件を表す物理量の単位時間当たりの変化量である変圧器５の所定時間ｔｎあたりの変化量Ｔ_n+1−Ｔ_n、およびトランジスタＴ１ないしＴ４の所定時間ｔｎあたりの変化量ＴＲ_n+1−ＴＲ_nを利用することとしたので、インバータ装置の温度変化をこれらの変数により検出でき好適であり、本発明による効果を簡易な構成で実現できる。
【００３８】
また本実施形態では、第１制御部としての制御部１０が、動作条件を表す物理量が加算基準値である基準値ｋ２ないしｋ７のいずれかを上回った場合に、その時点で設定されている第１デッドタイムｔａ１に単位加算時間としての微小単位時間Δｔａ１を加算することとしたので（Ｓ１００）、本発明の効果を簡易な構成によって実現できると共に、この加算を繰り返すことで第１デッドタイムｔａ１を多段階的に設定できる。
【００３９】
また本実施形態では、第１制御部としての制御部１０が、動作条件を表す物理量が減算基準値でもある基準値ｋ２ないしｋ７のいずれかを下回った場合に、その時点で設定されている第１デッドタイムｔａ１から単位減算時間としての微小単位時間Δｔｂ１を減算することとしたので、本発明の効果を簡易な構成によって実現できると共に、この減算を繰り返すことで第１デッドタイムｔａ１を多段階的に設定できる。
【００４０】
なお、本実施形態では、第１デッドタイムｔａ１の現在値に、微小単位時間Δｔａ１，Δｔｂ１を加算・減算することにより、第１デッドタイムを順次可変する構成としたが、本発明における第１デッドタイムｔａ１は、例えば制御部１０が動作条件に応じて、複数種類定められた時間値のうちいずれかの時間値を選択することにより設定することとしてもよく、この構成によっても同様の効果を実現できる。
【００４１】
また本実施形態では、制御部１０が第２デッドタイム設定部１２の故障を検出すると、第１制御部としての制御部１０によってデッドタイムｔａを制御するので、これにより運転を継続でき好適である。
【００４２】
なお、上記実施形態ではＣＰＵを備えた制御部１０と、コンパレータ１１を備えた第２デッドタイム設定部１２とにより、第１デッドタイムｔａ１と第２デッドタイムｔａ２とを設定する構成としたが、このような構成に代えて、ＣＰＵを備え制御部１０と同様の構成からなる第１制御部と第２制御部とを設け、これら第１制御部と第２制御部とを互いに同期させて運転すると共に、図４に示すように第１制御部の出力であるＡ１相およびＢ１相と、第２制御部の出力であるＡ２相およびＢ２相とが、互いにパルス幅を異にするようにし、Ａ１相とＡ２相、Ｂ１相とＢ２相の出力をそれぞれＯＲ処理して、第１実施形態と同様の構成のＨブリッジ出力回路８に出力する構成としてもよい。
【００４３】
このような構成とすれば、第１制御部と第２制御部とによって冗長系が構成されフェイルセーフ化を実現できる上、各相を個別に可変することも可能で設計上の自由度が高く、さらに、別途に設けられる故障検出部が第１制御部と第２制御部とのうちいずれか一方の制御部の故障を検出したことを条件に、第１制御部と第２制御部とのうちの他方の制御部によって、第１デッドタイムｔａ１および第２デッドタイムｔａ２の両者を制御する構成とすることにより、故障の際にも運転を継続できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態の概略を示すブロック図である。
【図２】デッドタイム設定処理を示すフロー図である。
【図３】各相の出力信号を示すタイミング図である。
【図４】他の実施形態における各相の出力信号を示すタイミング図である。
【符号の説明】
１インバータ装置、２バッテリ、３給電端子、４インバータ、５変圧器、６ダイオードブリッジ、８Ｈブリッジ出力回路、１０制御部、１１コンパレータ、１２第２デッドタイム設定部、１３電流センサ、１４，１５温度センサ、Ｒ１，Ｒ２抵抗、Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３，Ｔ４トランジスタ、ｔａデッドタイム、ｔａ１第１デッドタイム、ｔａ２第２デッドタイム。

Claims

複数の第１アームおよび複数の第２アームをＨブリッジ型に接続すると共に前記複数の第１アームおよび前記複数の第２アームのそれぞれにスイッチング素子を配置してなるブリッジ回路と、
前記各スイッチング素子を制御して、前記第１アームと前記第２アームとの中間点に各相の電力を互いに所定のデッドタイムをおいて出力させる制御回路と、を備えたインバータ装置において、
前記制御回路は、前記デッドタイムのうちの一部である第１の時間を制御する第１制御部と、前記デッドタイムのうち他の一部である第２の時間を制御する第２制御部と、前記第１制御部と前記第２制御部とのうちいずれか一方の制御部の故障を検出する故障検出部と、を備え、前記制御回路は、前記故障検出部が故障を検出した場合に、前記第１制御部と前記第２制御部とのうちの他方の制御部によって、前記第１の時間および前記第２の時間の両者を制御することを特徴とするインバータ装置。
請求項１に記載のインバータ装置であって、
前記ブリッジ回路の動作条件を検出する検出手段を更に備え、
前記第１制御部は、前記検出手段によって検出される前記動作条件に応じて前記第１の時間を制御することを特徴とするインバータ装置。
請求項２に記載のインバータ装置であって、
前記第１制御部は、前記動作条件を表す物理量の大きさに応じて前記第１の時間を制御することを特徴とするインバータ装置。
請求項２に記載のインバータ装置であって、
前記第１制御部は、前記動作条件を表す物理量の単位時間当たりの変化量に応じて前記第１の時間を制御することを特徴とするインバータ装置。
請求項２ないし４のいずれか１に記載のインバータ装置であって、
前記第１制御部は、前記動作条件を表す物理量が所定の加算基準値を上回った場合に、その時点で設定されている前記第１の時間に所定の単位加算時間を加算することを特徴とするインバータ装置。
請求項２ないし５のいずれか１に記載のインバータ装置であって、
前記第１制御部は、前記動作条件を表す物理量が所定の減算基準値を下回った場合に、その時点で設定されている前記第１の時間から所定の単位減算時間を減算することを特徴とするインバータ装置。
請求項２ないし４のいずれか１に記載のインバータ装置であって、
前記第１制御部は、前記動作条件に応じて、複数種類定められた時間値のうちいずれかの時間値を選択することにより前記第１の時間を設定することを特徴とするインバータ装置。
請求項２ないし７のいずれか１に記載のインバータ装置であって、
前記動作条件が前記スイッチング素子の温度であることを特徴とするインバータ装置。
請求項２ないし７のいずれか１に記載のインバータ装置であって、
前記動作条件が出力電流値であることを特徴とするインバータ装置。
請求項２ないし７のいずれか１に記載のインバータ装置であって、
前記動作条件が、前記ブリッジ回路への入力電圧を変更する変圧器の温度であることを特徴とするインバータ装置。
請求項２ないし７のいずれか１に記載のインバータ装置であって、
前記動作条件が、前記ブリッジ回路への入力電圧値であることを特徴とするインバータ装置。