JP2017034768A - 負荷駆動装置 - Google Patents

Abstract

【課題】三相インバータに含まれるスイッチング素子に短絡が生じた場合に、三相オン制御を実現することができる負荷駆動装置を提供する。【解決手段】ＥＣＵ３００は、短絡状態のスイッチング素子を特定し、その特定された短絡状態のスイッチング素子が含まれるアーム回路以外のアーム回路に含まれる上段及び下段のスイッチング素子のうち特定された短絡状態のスイッチング素子と同一段のスイッチング素子への駆動信号の出力を実行し、かつ、特定された短絡状態のスイッチング素子への駆動信号の出力を非実行とするようにインバータ１４を制御する。【選択図】図１

Description

この発明は負荷駆動装置に関し、特に、三相インバータを備える負荷駆動装置に関する。

特許文献１は、三相インバータを備える車両駆動装置を開示する。この車両駆動装置において、三相インバータに含まれる３つのアーム回路の各々は、上段のＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）と、下段のＩＧＢＴとを有する。この車両駆動装置においては、三相インバータに含まれる複数のＩＧＢＴのうち何れかのＩＧＢＴが短絡した場合に、短絡状態のＩＧＢＴが特定される。短絡状態のＩＧＢＴが特定されると、短絡したＩＧＢＴと同一段に設けられたすべてのＩＧＢＴが電気的に導通され、その状態で退避走行が実行される。このような、短絡したＩＧＢＴと同一段に設けられたすべてのＩＧＢＴを電気的に導通させる制御を三相オン制御という。三相オン制御により、ＩＧＢＴの短絡に起因したインバータ内の過電流を抑制することができる。

特開２００９−２７８７９１号公報

しかしながら、特許文献１においては、短絡したＩＧＢＴと同一段に設けられたすべてのＩＧＢＴを電気的に導通する具体的な方法が開示されていない。本発明者らは、三相オン制御を実現する際に、短絡状態のスイッチング素子も含んだ三相すべてのスイッチング素子に駆動信号が入力されると、フェール信号が生成されることを見出した。フェール信号が生成されると、三相インバータがシャットダウンされる。したがって、この場合には、三相オン制御を実現することができない。

この発明は、このような問題を解決するためになされたものであって、その目的は、三相インバータに含まれるスイッチング素子に短絡が生じた場合に、三相オン制御を実現することができる負荷駆動装置を提供することである。

この発明のある局面に従う負荷駆動装置は、三相インバータと、制御装置とを備える。制御装置は、フェール信号が入力されることにより、三相インバータがシャットダウンするように三相インバータを制御する。フェール信号は、三相インバータの各相のアーム回路に設けられた上段及び下段のスイッチング素子のうち短絡状態のスイッチング素子に駆動信号が入力されることにより生成される。制御装置は、短絡状態のスイッチング素子を特定する。そして、制御装置は、その特定された短絡状態のスイッチング素子が含まれるアーム回路以外のアーム回路に含まれる上段及び下段のスイッチング素子のうち特定された短絡状態のスイッチング素子と同一段のスイッチング素子への駆動信号の出力を実行し、かつ、特定された短絡状態のスイッチング素子への駆動信号の出力を非実行とするように三相インバータを制御する。

この負荷駆動装置においては、三相インバータに含まれるスイッチング素子に短絡が生じた場合に、短絡状態のスイッチング素子には駆動信号が入力されない。したがって、フェール信号が生成されず、三相インバータがシャットダウンされない。一方、短絡状態のスイッチング素子と同一段の他のスイッチング素子には駆動信号が入力される。その結果、このような構成によれば、短絡したスイッチング素子と同一段に設けられたすべてのスイッチング素子を電気的に導通させることができ、三相オン制御を実現することができる。

この発明によれば、三相インバータに含まれるスイッチング素子に短絡が生じた場合に、三相オン制御を実現することができる負荷駆動装置を提供することができる。

ハイブリッド車両の電気的な構成を示す全体構成図である。 スイッチング素子の駆動回路によりフェール信号が生成されるパターンについて説明するための図である。 スイッチング素子短絡時の三相オン走行への移行動作を示すフローチャートである。

以下、この発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。

（ハイブリッド車両の構成）
図１は、この実施の形態による負荷駆動装置が搭載された電動車両の一例として示されるハイブリッド車両１００の電気的な構成を示す全体構成図である。図１を参照して、ハイブリッド車両１００は、モータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２、エンジンＥＮＧ、インバータ１４，３１、直流電源１４０、及びＥＣＵ３００を備える。ハイブリッド車両１００においては、直流電源１４０から供給された直流電力がインバータ３１において交流電力に変換され、交流電力によりモータジェネレータＭＧ２が駆動される。これにより、ハイブリッド車両１００は走行する。また、ハイブリッド車両１００においては、エンジンＥＮＧから動力を得てモータジェネレータＭＧ１が駆動することにより交流電力が生成される。生成された交流電力はインバータ１４において直流電力に変換され、直流電力は直流電源１４０に供給される。

エンジンＥＮＧ、及びモータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２は、動力分割装置ＰＳＤに連結される。そして、ハイブリッド車両１００は、エンジンＥＮＧ及びモータジェネレータＭＧ２の少なくとも一方からの駆動力によって走行する。

モータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２は、交流回転電機である。たとえば、モータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２は、ロータに永久磁石が埋設された三相交流同期電動機である。

モータジェネレータＭＧ１は、動力分割装置ＰＳＤによって分割されたエンジンＥＮＧの運動エネルギーを用いて逆起電力を発生する（発電）。発電された電力は、直流電源１４０に供給される。

モータジェネレータＭＧ２は、直流電源１４０に蓄えられた電力及びモータジェネレータＭＧ１により発電された電力の少なくとも一方を用いて駆動力を発生する。この駆動力は、ハイブリッド車両１００の走行に用いられる。また、モータジェネレータＭＧ２は、制動エネルギーを電力に変換する回生ブレーキとして作動する。モータジェネレータＭＧ２により発電された電力は、直流電源１４０に供給される。

動力分割装置ＰＳＤは、モータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２、及びエンジンＥＮＧの間で動力を分配する。たとえば、動力分割装置ＰＳＤとしては、サンギヤ、プラネタリキャリア、及びリングギアの３つの回転軸を有する遊星歯車機構を用いることができる。この３つの回転軸がエンジンＥＮＧ及びモータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２の各回転軸にそれぞれ接続される。

直流電源１４０は、充放電可能なリチウムイオン二次電池である。なお、直流電源１４０は、リチウムイオン二次電池に限られず、たとえば、ニッケル水素二次電池であってもよい。直流電源１４０は、インバータ３１，１４へ直流電力を供給する。また、直流電源１４０は、インバータ１４，３１から供給される直流電力を受けて充電される。なお、インバータ１４，３１から供給される直流電力は、平滑用コンデンサＣ２において平滑化された後に直流電源１４０に供給される。平滑用コンデンサＣ２は、正極ラインＶＬと負極ラインＳＬとの間に接続される。

インバータ１４，３１は、モータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２にそれぞれ接続される。インバータ１４，３１は、三相インバータである。インバータ１４，３１は同一の構成であるため、ここではインバータ１４について説明する。

インバータ１４は、３つのアーム回路を含む。すなわち、インバータ１４は、Ｕ相アーム１５と、Ｖ相アーム１６と、Ｗ相アーム１７とを含む。Ｕ相アーム１５、Ｖ相アーム１６、及びＷ相アーム１７は、正極ラインＶＬと負極ラインＳＬとの間に並列に設けられる。

Ｕ相アーム１５は、直列接続されたスイッチング素子Ｑ１，Ｑ２を含む。Ｖ相アーム１６は、直列接続されたスイッチング素子Ｑ３，Ｑ４を含む。Ｗ相アーム１７は、直列接続されたスイッチング素子Ｑ５，Ｑ６を含む。すなわち、各相アームは、上段のスイッチング素子（Ｑ１，Ｑ３，Ｑ５）と、下段のスイッチング素子（Ｑ２，Ｑ４，Ｑ６）とを有する。また、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６には、ダイオードＤ１〜Ｄ６が逆並列にそれぞれ接続されている。スイッチング素子としては、たとえば、ＩＧＢＴが適用される。スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６は、ＥＣＵ３００から入力されるスイッチング制御信号ＰＷＭＩ１に対応してオン・オフ制御（スイッチング制御）される。

モータジェネレータＭＧ１のＵ相コイルの端部は、導電線１８を介してスイッチング素子Ｑ１，Ｑ２の中間点に接続されている。Ｖ相コイルの端部は、導電線１９を介してスイッチング素子Ｑ３，Ｑ４の中間点に接続されている。Ｗ相コイルの端部は、導電線２０を介してスイッチング素子Ｑ５，Ｑ６の中間点に接続されている。

また、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６の各々には、駆動回路４０が接続されている。駆動回路４０は、スイッチング制御信号ＰＷＭＩ１が入力されると、対応するスイッチング素子に駆動信号を出力する。これにより、スイッチング素子は電気的に導通する。駆動回路４０については、後ほど詳細に説明する。

インバータ１４に異常が生じると、フェール信号ＦＩＮＶが生成される。フェール信号ＦＩＮＶは、ＥＣＵ３００に出力される。フェール信号ＦＩＮＶの生成原因、及びフェール信号ＦＩＮＶが生成された後の動作については後ほど詳細に説明する。

ＥＣＵ３００は、スイッチング制御信号ＰＷＭＩ１，ＰＷＭＩ２をインバータ１４，３１にそれぞれ出力することで、インバータ１４，３１をそれぞれ制御する。また、ＥＣＵ３００は、インバータ１４からフェール信号ＦＩＮＶの入力を受けると、シャットダウン信号ＳＤをインバータ１４に出力し、インバータ１４をシャットダウンする。これにより、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６はオフ状態とされる。この場合には、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６の各々は、短絡故障を生じていない限り、電気的に非導通状態となる。インバータ１４をシャットダウンすることで、インバータ１４に含まれる部品の故障が抑制される。

このようなハイブリッド車両１００において、たとえば、スイッチング素子Ｑ１が短絡故障を生じたとする。この場合には、シャットダウン信号ＳＤにより、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６がオフ状態とされたとしても、短絡故障したスイッチング素子Ｑ１を介した短絡経路が形成される。具体的には、この短絡経路は、正極ラインＶＬ〜スイッチング素子Ｑ１（短絡故障）〜Ｕ相コイルを経由し、モータジェネレータＭＧ１の中性点において分岐する。分岐した一方の短絡経路は、Ｖ相コイル〜Ｖ相アーム１６の中間点〜ダイオードダイオードＤ３〜正極ラインＶＬに至る。分岐した他方の短絡経路は、Ｗ相コイル〜Ｗ相アーム１７の中間点〜ダイオードＤ５〜正極ラインＶＬに至る。

インバータ１４の異常によりモータジェネレータＭＧ１が使用不能な場合に、モータジェネレータＭＧ２のみを使用した退避走行が実行される場合がある。この場合には、モータジェネレータＭＧ１及びモータジェネレータＭＧ２は動力分割装置ＰＳＤを介して互いに接続されているため、モータジェネレータＭＧ２の回転に伴なってモータジェネレータＭＧ１も回転する。このモータジェネレータＭＧ１の回転に伴い、モータジェネレータＭＧ１の各相コイルに誘起電圧が生じる。

上述の通り、スイッチング素子Ｑ１が短絡故障を生じた場合には、インバータ１４がシャットダウンされたとしても、短絡経路が形成される。したがって、このような場合に、モータジェネレータＭＧ２を使った退避走行が実行されると、誘起電圧に起因して短絡経路に短絡電流が発生する。この短絡電流が過大になると、インバータ１４に含まれる部品の耐熱温度を超える高温が発生し、さらなる素子損傷が発生する可能性がある。

このような短絡電流の増大を抑えるための技術として、三相オン制御がある。三相オン制御とは、インバータ内のスイッチング素子の何れかが短絡状態となった場合に、短絡状態のスイッチング素子と同一段のすべてのスイッチング素子をオン状態とする制御である。たとえば、インバータ１４において、スイッチング素子Ｑ１が短絡故障を生じた場合には、同一段のスイッチング素子Ｑ１，Ｑ３，Ｑ５をオン状態（電気的に導通した状態）とする。同一段のすべてのスイッチング素子がオン状態となることにより、短絡経路以外に電流が流れる経路が増える。その結果、短絡経路に流れる電流が小さくなり、短絡電流の増大が抑制される。なお、三相オン状態で車両が走行することを三相オン走行という。

本発明者らは、このような三相オン制御を実行する際に、短絡状態のスイッチング素子を含んだ三相すべてのスイッチング素子に駆動信号が入力されると、インバータ１４によりフェール信号が生成されることを見出した。フェール信号が生成されると、ＥＣＵ３００によりインバータ１４はシャットダウンされる。したがって、この場合には三相オン制御を実現することができない。

そこで、この実施の形態に従う負荷駆動装置が搭載されたハイブリッド車両１００においては、インバータ１４に含まれる何れかのスイッチング素子が短絡状態となった場合に、短絡状態のスイッチング素子が含まれるアーム回路以外のアーム回路に含まれるスイッチング素子のうち、短絡状態のスイッチング素子と同一段のスイッチング素子への駆動信号の出力が実行される。さらに、短絡状態のスイッチング素子への駆動信号の出力が非実行とされる。

このような制御が実行される理由について次に説明する。図２は、駆動回路４０によりフェール信号が生成されるパターンについて説明するための図であり、特にインバータ１４に含まれるスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６のうちスイッチング素子Ｑ１に接続される駆動回路４０に着目した図である。

図２を参照して、駆動回路４０は、スイッチング素子Ｑ１のゲート端子及び駆動電源４１に接続される。駆動回路４０は、ＥＣＵ３００から出力されたスイッチング制御信号ＰＷＭＩ１が入力されることにより、駆動電源４１の駆動電圧（１５Ｖ）をスイッチング素子Ｑ１のゲート端子に印加する。すなわち、駆動回路４０は、スイッチング制御信号ＰＷＭＩ１が入力されることにより、スイッチング素子Ｑ１のゲート端子に駆動信号を出力する。これにより、スイッチング素子Ｑ１のコレクタ−エミッタ間は電気的に導通する。

駆動回路４０とスイッチング素子Ｑ１との間には、抵抗Ｒ１が設けられている。抵抗Ｒ１には、スイッチング素子Ｑ１のコレクタ−エミッタ間に流れる電流より遥かに小さい電流（たとえば、１／６０００）が流れる。駆動回路４０は、抵抗Ｒ１を流れる電流の大きさを検知することで、スイッチング素子Ｑ１のコレクタ−エミッタ間に流れる電流の大きさを推定することができる。

そして、フェール信号ＦＩＮＶは、少なくとも次の２つの場合に駆動回路４０により生成される。第１に、フェール信号ＦＩＮＶは、抵抗Ｒ１を流れる電流が所定よりも増加した場合に、駆動回路４０により出力される。抵抗Ｒ１に流れる電流が所定よりも増加した場合には、スイッチング素子Ｑ１のコレクタ−エミッタ間に短絡が生じている可能性が高いからである。第２に、フェール信号ＦＩＮＶは、駆動電源４１の電圧値が所定よりも低下した場合に、駆動回路４０により出力される。駆動電源４１の電圧値が所定よりも低下した場合には、インバータ１４に何らかの異常が生じている可能性が高いからである。

ここで、スイッチング素子Ｑ１のコレクタ−エミッタ間が短絡している場合には、スイッチング素子Ｑ１は既に半導体として機能せず、ゲート−エミッタ間も短絡した状態となっている。このような短絡状態のスイッチング素子Ｑ１のゲート端子に駆動電源４１の駆動電圧が印加されると、駆動電源４１の電位が低下し、駆動電源４１の電圧が低下する。その結果、駆動電源４１の電圧が所定よりも低下すると、上述の通り、駆動回路４０は、フェール信号ＦＩＮＶを出力する。フェール信号ＦＩＮＶが出力されると、ＥＣＵ３００は、インバータ１４をシャットダウンする。

すなわち、三相オン制御を実行する際に、短絡状態のスイッチング素子に駆動信号が入力されると、駆動電源４１の駆動電圧が所定より低下することで、フェール信号ＦＩＮＶが生成される。その結果、インバータ１４がシャットダウンされ、三相オン制御を実現することができない。

そこで、この実施の形態に従う負荷駆動装置が搭載されたハイブリッド車両１００においては、短絡状態のスイッチング素子が含まれるアーム回路以外のアーム回路に含まれるスイッチング素子のうち短絡状態のスイッチング素子と同一段のスイッチング素子への駆動信号の出力が実行される。さらに、短絡状態のスイッチング素子への駆動信号の出力が非実行とされる。

これにより、インバータ１４に含まれるスイッチング素子に短絡が生じた場合に、短絡状態のスイッチング素子には駆動信号が入力されないため、フェール信号ＦＩＮＶが生成されず、インバータ１４はシャットダウンされない。その結果、三相オン制御を実現することができる。次に、スイッチング素子短絡時の三相オン走行への移行動作について説明する。

（三相オン走行への移行動作）
図３は、スイッチング素子短絡時の三相オン走行への移行動作を示すフローチャートである。図３を参照して、ハイブリッド車両１００が三相オン走行ではない通常走行を行っている際に、ＥＣＵ３００は、フェール信号ＦＩＮＶの入力があるか否かを判断する（ステップＳ１００）。たとえば、インバータ１４に含まれるスイッチング素子の何れかが短絡したような場合に、フェール信号ＦＩＮＶがＥＣＵ３００に入力される。フェール信号ＦＩＮＶの入力がないと判断されると（ステップＳ１００においてＮＯ）、処理は、ステップＳ１４０に移行する。

一方、フェール信号ＦＩＮＶの入力があると判断されると（ステップＳ１００においてＹＥＳ）、ＥＣＵ３００は、インバータ１４，３１にシャットダウン信号ＳＤを出力し、インバータ１４，３１をシャットダウンする（ステップＳ１１０）。

インバータ１４，３１がシャットダウンされると、ＥＣＵ３００は、インバータ１４に含まれる短絡状態のスイッチング素子を特定する（ステップＳ１２０）。短絡状態のスイッチング素子の特定方法としては、公知の種々の方法を使用することができる。一例として、ＥＣＵ３００は、インバータ１４とモータジェネレータＭＧ１との間の各相の電流を不図示の電流センサにより検出し、検出した各相の電流値に基づいて短絡状態のスイッチング素子を特定する。具体的には、ＥＣＵ３００は、各相の電流波形の各々について、定常運転時からのオフセット値を検出し、検出したオフセット値の大きさと極性とに基づいて、短絡状態のスイッチング素子を検出する。

短絡状態のスイッチング素子が特定されると、ＥＣＵ３００は、短絡状態のスイッチング素子には駆動信号を入力しないこととし、短絡状態のスイッチング素子と同一段の他の相のスイッチング素子には駆動信号を入力することとする三相オン制御信号Ｔｏｎをインバータ１４に出力する（ステップＳ１３０）。これにより、短絡状態のスイッチング素子と同一段のスイッチング素子のうち、短絡状態のスイッチング素子以外のスイッチング素子には駆動信号が入力され、駆動信号が入力されたスイッチング素子は電気的に導通状態となる。

ここでは、一例として、インバータ１４に含まれるスイッチング素子の何れかが短絡した場合について説明したが、インバータ３１に含まれるスイッチング素子の何れかが短絡した場合についても同様の動作がなされる。

このように、このハイブリッド車両１００においては、インバータ１４，３１に含まれる何れかのスイッチング素子が短絡した場合に、短絡状態のスイッチング素子が含まれるアーム回路以外のアーム回路に含まれるスイッチング素子のうち短絡状態のスイッチング素子と同一段のスイッチング素子への駆動信号の出力が実行され、かつ、短絡状態のスイッチング素子への駆動信号の出力が非実行とされる。このような構成によれば、短絡状態のスイッチング素子に駆動信号が入力されないので、フェール信号が生成されず、インバータ１４，３１が再度シャットダウンされない。その結果、三相オン制御を実現することができる。

なお、この実施の形態においては、直流電源１４０により供給される電力は、直接、インバータ１４，３１に供給されたが、必ずしもこのような構成には限定されない。たとえば、直流電源１４０と、インバータ１４，３１との間に昇圧コンバータが配置される構成であってもよい。この場合には、昇圧コンバータは、インバータ１４，３１に供給する電圧を直流電源１４０の電圧以上の電圧に変換する。

また、この実施の形態においては、動力分割装置ＰＳＤによりエンジンＥＮＧの動力を分割して車輪とモータジェネレータＭＧ１とに伝達可能なシリーズ／パラレル型のハイブリッド自動車について説明した。しかしながら、ここに開示される技術は、必ずしもこのような例への適用に限定されない。例えば、ここに開示される技術は、その他の形式のハイブリッド自動車にも適用できる。例えば、モータジェネレータＭＧ１を駆動するためにのみエンジンＥＮＧを用い、モータジェネレータＭＧ２でのみ車両の駆動力を発生する、いわゆるシリーズ型のハイブリッド自動車や、エンジンが生成した運動エネルギーのうち回生エネルギーのみが電気エネルギーとして回収されるハイブリッド自動車や、エンジンを主動力として必要に応じてモータがアシストするモータアシスト型のハイブリッド自動車などにもここに開示される技術は適用され得る。

また、ここに開示される技術は、エンジンＥＮＧを備えずに電力のみで走行する電気自動車や、電源として燃料電池をさらに備える燃料電池自動車などの電動車両全般に適用され得る。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１４，３１ インバータ、１５ Ｕ相アーム、１６ Ｖ相アーム、１７ Ｗ相アーム、１８〜２０ 導電線、４０ 駆動回路、４１ 駆動電源、１００ ハイブリッド車両、１４０ 直流電源、３００ ＥＣＵ、Ｃ２ 平滑用コンデンサ、Ｄ１〜Ｄ６ ダイオード、ＥＮＧ エンジン、ＭＧ１，ＭＧ２ モータジェネレータ、ＰＳＤ 動力分割装置、Ｑ１〜Ｑ６ スイッチング素子、ＳＬ 負極ライン、ＶＬ 正極ライン、Ｒ１ 抵抗。

Claims (1)

1. 三相インバータと、
   フェール信号が入力されることにより、前記三相インバータがシャットダウンするように前記三相インバータを制御する制御装置とを備え、
   前記フェール信号は、前記三相インバータの各相のアーム回路に設けられた上段及び下段のスイッチング素子のうち短絡状態のスイッチング素子に駆動信号が入力されることにより生成され、
   前記制御装置は、
   短絡状態のスイッチング素子を特定し、
   その特定された短絡状態のスイッチング素子が含まれるアーム回路以外のアーム回路に含まれる上段及び下段のスイッチング素子のうち前記特定された短絡状態のスイッチング素子と同一段のスイッチング素子への駆動信号の出力を実行し、かつ、前記特定された短絡状態のスイッチング素子への駆動信号の出力を非実行とするように前記三相インバータを制御する、負荷駆動装置。

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