JP2007282313A - 回転機駆動装置 - Google Patents

Abstract

【課題】インバータ回路に流れる電流について過電流が検出された場合、寄生インダクタンスを増加させることなく確実な保護を行うことができる回転機駆動装置を提供する。
【解決手段】インバータ回路６の出力端とモータジェネレータ３との間にヒューズ９を配置し、過電流の発生時にヒューズ９を溶断させて両者間を確実に開放状態にする。ヒューズ９を上記の位置に配置することで、インバータ回路６を構成するＩＧＢＴ８１がスイッチングを行う際にヒューズ９が寄生インダクタンスとして作用することがなく、スイッチングサージの増加を抑制できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、車両の走行駆動力を発生するために使用される回転機を、インバータ回路を介して駆動するための回転機駆動装置に関する。

従来、インバータ回路によりモータを駆動する装置に設けられている保護機能としては、（１）インバータ回路の入力電圧に対する過電圧保護、（２）インバータ回路の出力電流についての過電流保護、（３）インバータ回路内部で短絡が発生した場合の保護、（４）インバータ回路を構成する半導体素子の過熱保護などがある。
また、特許文献１には、インバータ回路を構成する半導体素子を封止したパッケージより外部に露出するリード部分に、過電流発生時に溶断する機構を設ける技術が開示されている。即ち、過電流が発生した場合は上記機構を溶断させることにより、インバータ回路を開放故障状態にすることを目的としたものである。
特開２００５−１７５４３９号公報

しかしながら、特許文献１に開示されている技術には以下のような問題がある。第１に、半導体素子に接続される電流経路は、スイッチングサージを低減する観点からは極力短くなることが好ましいが、特許文献１によれば電流経路の一部を絞ったり曲げたりするなどの加工を施したり、或いは別材料を接続するなどにより電流経路が複雑化するため、寄生インダクタンスが増大する。その結果、スイッチングサージを十分に低減することができない。

第２に、確実な開放故障が得られないという問題がある。各半導体装置に設けられた溶断部の溶断電流には、バラツキがある。例えば、一般的なインバータ回路では直流電源が供給される電源線間に、１相分に付き２つの半導体装置（上アーム，下アーム）を直列に接続する。ここで、例えば上アーム側の素子が故障することで短絡電流が流れ始めた場合を想定すると、下アーム側の半導体装置の溶断電流設定値がより小さい場合は、下アーム側が先に開放状態となる。その結果、モータとの接続が開放されるのは下アーム側だけとなり、上アーム側はモータとの接続が維持された状態となるため、必ずしも保護が十分であるとは言えない。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、インバータ回路に流れる電流について過電流が検出された場合に、寄生インダクタンスを増加させることなくより確実な保護を行うことができる回転機駆動装置を提供することにある。

請求項１記載の回転機駆動装置によれば、インバータ回路の出力端子と回転機との間に遮断機構を配置する。従って、インバータ回路を介して流れる電流について過電流が検出された場合に遮断機構を開くようにすれば、インバータ回路と回転機との間の電流経路を確実に開放状態にすることができる。また、遮断機構を上記の位置に配置すると、インバータ回路を構成する半導体素子がスイッチングを行う際に遮断機構が寄生インダクタンスとして作用することがないので、スイッチングサージの増加を抑制することもできる。

請求項２記載の回転機駆動装置によれば、遮断機構をヒューズによって構成するので、過電流状態となった場合はヒューズを溶断させて、インバータ回路と回転機との間を開放状態にすることができる。

請求項３記載の回転機駆動装置によれば、遮断機構をブレーカによって構成するので、過電流状態となった場合はブレーカを開離させることで、インバータ回路と回転機との間を開放することができる。また、ブレーカを閉路させれば、通常の接続状態に容易に復帰させることができる。

請求項４記載の回転機駆動装置によれば、遮断機構を、インバータ回路の出力端子を介して流れる電流が過電流となった場合に動作させるので、過電流検出を遮断機構の近傍で確実に行うことができる。
請求項５記載の回転機駆動装置によれば、遮断機構を、インバータ回路の出力端子を介して流れる複数相の電流のうち何れか１相が過電流となった場合に動作させるので、確実に保護できる。

請求項６記載の回転機駆動装置によれば、遮断機構を、インバータ回路に入力される直流電源電圧が所定のしきい値を超えた場合に動作させる。例えば、車両が他の車両などにより牽引される場合や、車両の走行中に制動がかけられたような場合には、回転機によって発電された電圧がインバータ回路を介してその入力側に印加され、入力電圧が上昇するケースがある。従って、その際に遮断機構を開離させれば、インバータ路の入力側に過剰に高い電圧が印加されることを防止し、結果としてインバータ回路に過電流が流れることも防止できる。

請求項７記載の回転機駆動装置によれば、遮断機構の開閉を、回転機の駆動を制御するための制御回路によっても制御可能とするので、前記制御回路が検出している車両の状態に基づいて、制御回路により遮断機構の開閉を行う方が良いと判断される場合にも、開閉を行うことができる。

請求項８記載の回転機駆動装置によれば、インバータ回路を構成する半導体素子の本体両面に、当該素子本体に流れる電流を通電するための電極板を配置するので、それらの電極板により素子の放熱を図ることができる。一方、上記構成を採用すると、半導体素子に過電流が流れた場合は短絡故障状態になり易いという問題がある。そこで、本発明の遮断機構を備えると共に上記構造の半導体装置を用いてインバータ回路を構成すれば、当該素子の放熱効率が良好であることのメリットを十分に生かすことが可能となる。

（第１実施例）
以下、本発明を電気自動車に適用した場合の第１実施例について図１乃至図４を参照して説明する。図１は、電気自動車の駆動系を概略的に示す機能ブロック図である。インバータ（回転機駆動装置）１の入力端子１Ｐ，１Ｎには、車両に搭載されているバッテリ２が接続されており、インバータ１には例えば２００Ｖ〜３００Ｖ程度の駆動用電源が供給されている。インバータ１の各相出力端子１Ｕ，１Ｖ，１Ｗは、モータジェネレータ（ＭＧ，回転機）３の各相巻線（図示せず）に接続されている。

モータジェネレータ３は、具体的には図示しないが回転軸が車両側のシャフトを介して車駆動輪に接続されており、インバータ１により回転駆動されることで車両の走行駆動力を発生するようになっている。また、車両の走行中にブレーキが作用した場合や、車両が他の車両によって牽引されるような場合には、モータジェネレータ３は発電機として機能することで、巻線において発電された電力をインバータ１側に回生する。

インバータ１は制御回路４を内蔵しており、その制御回路４は、ＥＣＵ（Electronic Control Unit）５より与えられる制御指令を受けてモータジェネレータ３の駆動制御を行うようになっている。即ち、ＥＣＵ５は、運転者のアクセル操作量に応じて制御指令をインバータ１に出力する。また、ＥＣＵ５は、制御回路４側よりインバータ１或いはモータジェネレータ３の制御状態に関する情報を取得するようになっている。

図２は、インバータ１を構成するインバータ回路（主回路）６を中心とする詳細な構成を示すものである。インバータ回路６は、６個の半導体装置７Ｕｐ，７Ｖｐ，７Ｗｐ，７Ｕｎ，７Ｖｎ，７Ｗｎを三相ブリッジ接続して構成されている。また各ＩＧＢＴ８１Ｕｐ〜８１Ｗｎのコレクタ，エミッタ間には、フライホールダイオード８２Ｕｐ〜８２Ｗｎが逆方向に接続されている。そして、インバータ回路６の各相出力端子６Ｕ，６Ｖ，６Ｗとインバータ１の各相出力端子１Ｕ，１Ｖ，１Ｗとの間には、遮断機構としてのヒューズ９Ｕ，９Ｖ，９Ｗが挿入されている。

図３は、ヒューズ９の具体構成例を示すものである。図３（ａ）は、出力電流が流れる部分の配線として使用される電極板，バスバー１０の中間部１０ａの幅を、両端部１０ｂよりも狭くすることでヒューズ９を構成した場合である。また、図３（ｂ）は、図３（ａ）に示すバスバー１０の中間部１０ａを除いた両端部１０ｂ，１０ｂの間を、複数の細いワイヤ１１で接続することでヒューズ９を構成した場合である。

また、図４（ａ），（ｂ）はインバータ回路６を構成する半導体装置７の縦断側面図，斜視図である。半導体装置７は、半導体素子８１や８２の両面を、金属板よりなるエミッタ電極１３，コレクタ電極１４により挟み込んだ構成であり、両者間は電極はんだ１５を介して接続されている。そして、半導体素子８１や８２は、樹脂１６によってモールドされている。
エミッタ電極１３，コレクタ電極１４の下端側には、外部接続用のリード１７，１８が接続されている。尚、図４（ｂ）では、半導体装置７の上部側に、内部の図示しないゲート電極に接続されるゲート信号用のリード１９を示している。即ち、ＩＧＢＴ８１のゲートにゲート信号が印加されてＩＧＢＴ８１が導通すると、コレクタ電極１４，エミッタ電極１３間には主電流が流れるようになる。半導体装置７を図４のように構成することで、エミッタ電極１３，コレクタ電極１４を利用して、半導体素子８１や８２をその両面から冷却することが可能となる。

次に、本実施例の作用について説明する。ＥＣＵ５より、インバータ１の制御回路４に対して駆動指令が与えられると、制御回路４はその駆動指令に応じたＰＷＭ信号を生成し、インバータ回路６を構成する各ＩＧＢＴ８１のゲートに出力する。すると、インバータ回路６により正弦波状の三相交流電流が生成されてモータジェネレータ３に出力され、モータジェネレータ３が回転して車両の駆動輪が回転し、車両を走行させる。
そして、インバータ１がモータジェネレータ３を回転駆動している場合に、インバータ回路６を介して流れる電流が過電流状態になったとする。この時、インバータ回路６の出力端子からモータジェネレータ３に出力される電流が過電流となり、両者間に配置されたヒューズ９が溶断することで接続が断たれるようになる。

従って、本実施例によれば、過電流状態が検出された場合には、インバータ回路６とモータジェネレータ３との間を確実に開放状態にすることができる。そして、ヒューズ９を上記の位置に配置すれば、インバータ回路６を構成するＩＧＢＴ８１がスイッチングを行う際にヒューズ９が寄生インダクタンスとして作用することがなく、スイッチングサージの増加を抑制することもできる。

また、半導体装置７を構成する半導体素子８１や８２の両面に、金属板よりなるエミッタ電極１３，コレクタ電極１４を配置するので、それらの電極板により半導体装置７の放熱を図ることができる。一方、上記構成を採用すると、半導体装置７に過電流が流れた場合は短絡故障状態になり易いという問題があるが、インバータ回路６の出力端子側にヒューズ９を備たことでフェイルセーフは確保される。従って、上記構成の半導体装置７を採用することで、放熱効率が良好であることのメリットを十分に生かすことが可能となる。

（第２実施例）
図５は本発明の第２実施例を示すものであり、第１実施例と同一部分には同一符号を付し説明を省略し、以下異なる部分についてのみ説明する。第２実施例では、インバータ回路６の出力端子側に配置する遮断機構を、ブレーカ２１によって構成する。その他の構成については第１実施例と同様である。この場合、図５（ａ）に示すように、Ｕ，Ｖ，Ｗ各相に対応して独立のブレーカ２１Ｕ，２１Ｖ，２１Ｗを夫々配置しても良いし、図５（ｂ）に示すように、何れか１相の電流について過電流を検出すると３相全てを開離させるブレーカ２１を配置しても良い。

以上のように構成された第２実施例によれば、遮断機構をブレーカ２１によって構成したので、過電流状態となった場合はブレーカ２１が開離することで、インバータ回路６とモータジェネレータ３との間を開放状態にすることができる。また、ブレーカ２１を閉路させれば、両者間を通常の接続状態に容易に復帰させることができる。
また、図５（ｂ）に示す構成を採用した場合は、インバータ回路６の出力端子を介して流れる３相の電流のうち何れか１相が過電流となった場合にブレーカ２１が３相全てを開離させるので、より確実に保護できる。

（第３実施例）
図６は本発明の第３実施例を示すものであり、第２実施例と異なる部分について説明する。第３実施例のインバータ（回転機駆動装置）２２は、インバータ回路６の出力端子に図５（ｂ）に示すブレーカ２１を配置し、そのブレーカ２１を、インバータ回路６の入力電圧Ｖpnが上限値を超えた場合に開くように構成している。
即ち、インバータ２２（インバータ回路６）の入力端子２２Ｕ，２２Ｎの間には、抵抗２３及び２４の直列回路が接続されており、両者の共通接続点はコンパレータ２５の（＋）端子に接続されている。コンパレータ２５の（−）端子には基準電圧Ｖrefが与えられており、コンパレータ２５の出力信号レベルがロウからハイに変化すると、ブレーカ２１が開くようになっている。

次に、第３実施例の作用について説明する。車両の駆動輪に接続されているモータジェネレータ３は、走行中にブレーキが作用した場合や、或いはインバータ２２によって回転させられていない場合に他の車両によって牽引された場合には発電機として作用する。すると、モータジェネレータ３が発電した電力は、インバータ回路６の出力端子からフライホイールダイオード８２を介して入力側に回生される。その結果、インバータ回路６の入力電圧Ｖpnが過剰に上昇する場合がある。
そこで、第３実施例では、コンパレータ２５が上記の電位上昇を検出するとブレーカ２１を開くことで、インバータ回路６とモータジェネレータ３との間の接続を遮断する。従って、回生電力による過剰な電圧の印加は回避され、インバータ回路６に過電流が流れることも防止できる。

（第４実施例）
図７は本発明の第４実施例を示すものである。第４実施例のインバータ（回転機駆動装置）２６は、第３実施例と同様のブレーカ２１を備えている。また、インバータ２６に駆動用電源を供給するバッテリ２７はリレー２８を内蔵しており、インバータ２６に対してバッテリ２７を断続可能となっている。リレー２８の開閉は、ＥＣＵ（制御回路）２９によって制御される。そのＥＣＵ２９に対しては、車両の運転操作に関する情報が適宜与えられるようになっている。そして、ブレーカ２１の開閉は、リレー２８の開閉にも連動するように構成されている。

次に、第４実施例の作用について説明する。ブレーカ２１は、過電流検出時に開くと共に、上述のように、ＥＣＵ２９によって制御されるリレー２８の開閉にも連動して開閉するようになっている。そして、ＥＣＵ２９は、車両の駐車時や、他の車両によって牽引されるためにトランスミッションをニュートラルの状態にする場合には、リレー２８を開いてバッテリ２７をインバータ２６より切り離すように制御する。

この時、リレー２８が開くことに伴いブレーカ２１も開くので、インバータ回路６とモータジェネレータ３との間も切り離される。従って、第３実施例で述べたように、他車両によって牽引される場合に、インバータ回路６の入力側に回生電力による過剰な電圧が印加されることは回避される。
以上のように第４実施例によれば、ブレーカ２１の開閉を、モータジェネレータ３の駆動を制御するＥＣＵ２９によっても制御可能とするので、ＥＣＵ２９が検出している車両の状態に基づいて、遮断機構のブレーカ２１の開閉を行う方が良いと判断される場合（異常状態の検出時など）にも、必要に応じて開閉を行うことができる。

本発明は上記し又は図面に記載した実施例にのみ限定されるものではなく、以下のような変形が可能である。
第４実施例において、ブレーカ２１の開閉をリレー２８の開閉と必ずしも連動させる必要はなく、ＥＣＵ２９がリレー２８の開閉を独立に制御しても良い。
バッテリとインバータとの間に、昇降圧機能を有するコンバータを配置しても良い。また、リレーやヒューズを配置しても良い。
半導体装置７の電極１３，１４は、何れか一方だけを利用して放熱を図るようにしても良い。
半導体装置７の構造は、図４に示すものに限ることはない。
１つのバッテリに対して、複数のインバータ回路及び回転機を接続して駆動するように構成しても良い。
半導体素子はＩＧＢＴに限ることなく、パワートランジスタやパワーＭＯＳＦＥＴなどでも良い。
単なる電気自動車に限ることなく、ガソリンエンジン等を併用するハイブリッド電気自動車に適用しても良い。

本発明を電気自動車に適用した場合の第１実施例であり、電気自動車の駆動系を概略的に示す機能ブロック図 インバータの主回路を中心とする詳細な構成を示す図 ヒューズの具体構成例を示す図 （ａ）はインバータ回路を構成する半導体装置の縦断側面図、（ｂ）は同斜視図 本発明の第２実施例であり、遮断機構の構成を示す図 本発明の第３実施例を示す図２相当図 本発明の第４実施例を示す図１相当図

符号の説明

図面中、１はインバータ（回転機駆動装置）、３はモータジェネレータ（回転機）、６はインバータ回路、７は半導体装置、９はヒューズ（遮断機構）、１３はエミッタ電極（電極板）、１４はコレクタ電極（電極板）、２１はブレーカ（遮断機構）、２２，２６はインバータ（回転機駆動装置）、２９はＥＣＵ（制御回路）を示す。

Claims (8)

1. 車両の走行駆動力を発生するために使用される回転機を、インバータ回路を介して駆動するための回転機駆動装置において、
   前記インバータ回路の出力端子と前記回転機との間に、前記インバータ回路に流れる電流について過電流が検出された場合に両者間を遮断するための遮断機構を配置したことを特徴とする回転機駆動装置。
2. 前記遮断機構は、ヒューズによって構成されることを特徴とする請求項１記載の回転機駆動装置。
3. 前記遮断機構は、ブレーカによって構成されることを特徴とする請求項１記載の回転機駆動装置。
4. 前記遮断機構を、前記インバータ回路の出力端子を介して流れる電流が過電流となった場合に動作させることを特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載の回転機駆動装置。
5. 前記遮断機構を、前記インバータ回路の出力端子を介して流れる複数相の電流のうち、何れか１相が過電流となった場合に動作させることを特徴とする請求項４記載の回転機駆動装置。
6. 前記遮断機構を、前記インバータ回路に入力される直流電源電圧が所定のしきい値を超えた場合に動作させることを特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載の回転機駆動装置。
7. 前記遮断機構の開閉を、前記回転機の駆動を制御するための制御回路によっても制御可能としたことを特徴とする請求項１乃至６の何れかに記載の回転機駆動装置。
8. 前記インバータ回路を構成する半導体素子は、素子本体の両面に、当該素子本体に流れる主電流を通電するための電極板を配置したことを特徴とする請求項１乃至７の何れかに記載の回転機駆動装置。

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