パワーモジュール及び該パワーモジュールを搭載したハイブリッド車又は電気自動車
【課題】クロスポイントの高いパワー半導体素子を使用して低電流駆動する場合に、その損失をより低減することが可能なパワーモジュールを得る。
【解決手段】パワーモジュール（１４）は、パワー半導体素子（３ａ、４ａ、３ｂ、４ｂ）と、パワー半導体素子の温度を調整する温度調整装置（７）と、パワー半導体素子の駆動電流を検知する電流検知装置（９）と、電流検知装置（９）によって検知された前記駆動電流に基づいて、温度調整装置（７）を制御する制御装置（１１）と、を備えて構成される。
【解決手段】パワーモジュール（１４）は、パワー半導体素子（３ａ、４ａ、３ｂ、４ｂ）と、パワー半導体素子の温度を調整する温度調整装置（７）と、パワー半導体素子の駆動電流を検知する電流検知装置（９）と、電流検知装置（９）によって検知された前記駆動電流に基づいて、温度調整装置（７）を制御する制御装置（１１）と、を備えて構成される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、パワーモジュール及び該パワーモジュールを搭載したハイブリッド車又は電気自動車に関する。
【背景技術】
【０００２】
ハイブリッド車又は電気自動車では、バッテリ出力をインバータによって例えば３相の交流電力に変換し、モータを駆動するようにしている。また、車両の制動時には、モータを発電機として動作させて回生電力を生成し、これをインバータによって直流電力に変換しバッテリを充電するようにしている。車両の駆動には大電力が必要であるため、通常、バッテリ出力を昇圧コンバータ（回生時は降圧コンバータ）によって高圧に変換し、インバータに入力する様にしている。
【０００３】
このような昇圧コンバータ、インバータ等は、一般に、複数のパワー半導体素子、例えば半導体スイッチング素子及びダイオードと、その駆動回路、及び冷却機構をモジュール化して構成される。このようなモジュールをパワーモジュールと呼ぶ。冷却機構は、駆動電流によってパワー半導体素子が発熱し、その動作保証温度を超えてしまうのを防止するために設けられている。発熱は主に、半導体スイッチング素子の定常損失、スイッチング損失、半導体ダイオードの定常損失、リカバリ損失によって生じる。
【０００４】
パワーモジュールにおけるこのような損失は、これを車載用として使用する場合、燃費を低下させる大きな要因となる。従って、パワーモジュールでは、損失をできるだけ低減できるようにその素子サイズ、素子特性等が設計される。パワーモジュールにおいて、半導体スイッチング素子及び半導体ダイオードでは定常損失に温度依存性があり、通常、ＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）等の半導体スイッチング素子では高温時に定常損失が減少し、半導体ダイオード（ＦＷＤ、フライホイールダイオード）では低温時に定常損失が減少する。
【０００５】
パワーモジュールの損失に関連して、特許文献１（特開２００２−０９３９７４号公報）では、車両用のインバータに用いるＩＧＢＴとＦＷＤにおいて、発電状態ではＩＧＢＴから、駆動状態ではＦＷＤから電力損失が発生し、この状態はスイッチング損失が少ない状況で顕著になることを記載している（段落００２１）。
【０００６】
特許文献２（特開２００６−３０３３０６号公報）では、パワーモジュールに用いる例えばＩＧＢＴ等のスイッチング素子が低温時に小さい定常損失を有し、一方、半導体ダイオードはその動作保証温度を超えない程度の高温時に小さい定常損失を有すると言う特徴を持つことを利用し、スイッチング素子とダイオードで異なる冷却方法を採用してパワーモジュールの損失を低減している。また、特許文献３及び４（特開２００５−１１３８３１号公報、特開２００７−３２６４６４号公報）では、インバータを冷却するための冷却機構を開示している。
【０００７】
最近、シリコンを材料とするＩＧＢＴに変わって、更に耐圧性能の高いＳｉＣ等を材料とするＩＧＢＴが用いられる様になっている。このようなＩＧＢＴでは、コレクタ電流−オン電圧特性の温度依存性において、比較的高いクロスポイントを有することが報告されている（例えば、特許文献５、非特許文献１参照）。クロスポイントとはコレクタ電流−オン電圧特性の温度依存性が正負逆転する点を示し、クロスポイントが高い素子とは、温度依存性が逆転する点の電流値が比較的大きい素子を意味する。クロスポイントが高い場合、クロスポイント以上の駆動電流値で定常損失が最小と成るように設計されたパワーモジュールでは、これをクロスポイント以下の電流値で駆動した場合、定常損失を充分に低減できない場合が発生する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００２−０９３９７４号公報
【特許文献２】特開２００６−３０３３０６号公報
【特許文献３】特開２００５−１１３８３１号公報
【特許文献４】特開２００７−３２６４６４号公報
【特許文献５】特開２００９−２１２３７４号公報
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】ＦＥＤジャーナル、６−４、Ｖｏｌ．１１ Ｎｏ．２（２０００）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
従来のパワーモジュールは、一般に、パワーモジュールの最大駆動電流で最も損失を低減できるように損失設計が為されており、低電流駆動時の損失低減についてはあまり考慮されていない。パワー半導体素子としてクロスポイントの低い素子を使用する場合は、このような設計であってもあまり問題を生じないが、クロスポイントの高い素子を使用し、クロスポイント以下の低電流で駆動する場合には、かえって損失を増大させる場合がある。本発明は係る点に関して為されたもので、クロスポイントの高い素子を使用した場合でも、その損失を低減することが可能なパワーモジュールを提供すること、およびそのパワーモジュールを使用することで、ハイブリッド車又は電気自動車の燃費を改善することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題を解決するために、第１の発明では、パワー半導体素子と、パワー半導体素子の温度を調整する温度調整装置と、パワー半導体素子の駆動電流を検知する電流検知装置と、電流検知装置によって検知された駆動電流に基づいて、温度調整装置を制御する制御装置とを備える、パワーモジュールを提供する。
【００１２】
また、上記パワーモジュールにおいて、制御装置は、パワー半導体素子の駆動電流に対するオン電圧の温度依存性が正と負の間で逆転する電流値（以下、クロスポイント）を記録する記録媒体と、クロスポイントと駆動電流値との関係に基づいて温度調整装置を制御する制御部を備えていても良い。
【００１３】
また、上記パワーモジュールにおいて、前記パワー半導体素子を、ＳｉＣ、ＧａＮ又はダイアモンドを材料として構成しても良い。
【００１４】
本発明は、さらに、上記の構成を有するパワーモジュールを備えたハイブリッド車又は電気自動車を提供する。このハイブリッド車又は電気自動車において、温度調整装置は水冷装置であり、この水冷装置に車両の駆動機構の冷却水を導入する経路を設けるようにしても良い。
【００１５】
上記課題を解決するために、第２の発明では、複数が並列に接続されたパワー半導体素子と、このパワー半導体素子の駆動電流を検知する電流検知装置と、検知された駆動電流に基づいてパワー半導体素子の作動個数を制御する切替装置とを備える、パワーモジュールを提供する。さらに、このパワーモジュールを搭載したハイブリッド車又は電気自動車を提供する。
【発明の効果】
【００１６】
第１の発明によれば、検出された駆動電流に応じて温度調整装置を制御して、パワー半導体素子の温度をその定常損失が低下する温度に設定することができるので、幅広い駆動電流に対して低い定常損失を実現することが可能となる。また、検出された駆動電流を記録されたクロスポイントと比較し、駆動電流がクロスポイント以下か以上で温度調整の方向を逆転することにより、さらに効果的に定常損失を低減することが出来る。パワー半導体素子をＳｉＣ、ＧａＮ又はダイアモンドを材料として形成した場合、このような素子では比較的クロスポイントが高いので、本発明の効果が顕著となる。
【００１７】
第２の発明によれば、複数のパワー半導体素子を並列に接続することにより大きな駆動電流に耐えうるように設計されたパワーモジュールにおいて、検出された駆動電流値が小さい場合、例えばクロスポイント以下である場合には、駆動するパワー半導体素子の数を低減することにより、１個のパワー半導体素子に流れる電流を大きくして素子温度を上昇させることが出来る。これによって、パワーモジュール全体での定常損失を低減するための素子温度の制御を容易に行うことが出来る。
【００１８】
ハイブリッド車又は電気自動車では、低燃費モードで車両を駆動している場合、駆動電流の大きさはクロスポイント以下となる。従って、第１又は第２の発明に基づいて構成されたパワーモジュールを搭載することにより、低燃費モード時の燃費を向上させることが可能となる。また、温度調整装置が水冷装置である場合、車両の駆動系の冷却水をこの冷却装置に導入することによって、水冷装置の温度を上昇させることが容易となる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】ＩＧＢＴのコレクタ電流−オン電圧特性の温度依存性を示す図。
【図２】本発明の第１の実施形態に係るパワーモジュールの概略構成を示すブロック図。
【図３】図２に示すパワーモジュールの動作説明のためのフローチャート。
【図４】昇圧コンバータの損失計算の説明に供する図。
【図５】ハイブリッド車又は電気自動車の電源システムを示すためのブロック図。
【図６】本発明の一実施形態に係るパワーモジュールに使用可能な、温度調整装置の一例を示す図。
【図７】本発明の一実施形態に係るパワーモジュールに使用可能な、温度調整装置の他の例を示す図。
【図８】本発明の一実施形態に係るパワーモジュールに使用可能な、温度調整装置のさらに他の例を示す図。
【図９】温度調節装置と一体に構成されたパワーモジュールの概略構成を示す、断面図。
【図１０】図９に示す装置の動作説明に供する図。
【図１１】図９に示す装置の動作説明に供する図。
【図１２】本発明の第２の実施形態に係るパワーモジュールの概略構成を示す、ブロック図。
【図１３】図１２に示すパワーモジュールにおける損失計算の説明に供する図。
【図１４】図１２に示すパワーモジュールの動作説明のためのフローチャート。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下に、図面を参照して本発明の実施例を説明するが、これらの実施例は本発明の理解を容易にするためのものであって、本発明を限定するものではない。また、各図面において、共通する参照番号は同一又は類似の構成を示すので重複した説明は行わない。
【００２１】
図１に、ＩＧＢＴ素子のコレクタ電流−オン電圧特性を温度をパラメータとして示す。図示する様に、ＩＧＢＴ素子の温度が同じであれば、コレクタ電流の増加に伴ってオン電圧は単調に増加する。ところが、同じ電流値で見た場合、電流が比較的大きい領域では素子温度が高くなればなる程オン電圧が大きくなる。即ち、高電流領域では、ＩＧＢＴ素子のコレクタ電流−オン電圧特性は正の温度依存性を示す。一方、電流が比較的小さい領域では素子温度が低くなればなる程、オン電圧が大きくなる。即ち、低電流領域では、ＩＧＢＴ素子のコレクタ電流−オン電圧特性は負の温度依存性を示す。温度依存性が正負逆転する電流値をクロスポイント（Ｐ）と言う。
【００２２】
ＩＧＢＴ素子の定常損失はコレクタ電流とオン電圧の積であるため、定常損失を低減するためには同じコレクタ電流に対してオン電圧を出来るだけ小さくする必要がある。従って、駆動電流が大きく、コレクタ電流−オン電圧特性が正の温度依存性を有する場合、素子温度を低く維持することによって、定常損失を低減することができる。反対に駆動電流がクロスポイント以下となった場合は、素子温度を高く維持することによって、定常損失を低減することができる。
【００２３】
シリコンを材料とする従来のＩＧＢＴ素子では比較的クロスポイントが低く、従って、例えば車載用のパワーモジュールの場合、最大電流値での定常損失を低減できるように素子温度を設計しても、それ程問題を生じない。これは、クロスポイントが低燃費モード時の駆動電流値以下か、あるいは以上であってもクロスポイントに近い値となるためである。ところが、ＳｉＣ，ＧａＮ或いはダイアモンドを材料とするＩＧＢＴ素子では、一般にクロスポイントが高く、低燃費モード時の駆動電流がクロスポイント以下となる場合がある。このような場合、次のような問題を生じる。
【００２４】
即ち、低燃費モード時の駆動電流がクロスポイント以下となると、図１から明らかなように、素子温度が高い程オン電圧が低くなり燃費が向上するが、システムの設計は、車両駆動の最大電力時の損失を低減するように設計されており、そのため素子温度をなるべく低くする方向で設計されている。また、低燃費モードでの駆動電流は、パワーモジュールを設計する場合の電流値（最大電流）よりもかなり小さく、従って素子温度は高くならない。この傾向は、駆動電流が小さくなれば成る程、顕著になる。従って、低燃費モードで車両を駆動する場合に損失が大きくなり、燃費が改善されない。
【００２５】
このように、従来のパワーモジュールの設計仕様では、駆動電流がクロスポイント以下となる場合を考慮して設計が為されていないので、例えば、車両駆動の最大電力（例えば、最大電流約２５０Ａ，電圧約６００Ｖ）に基づいて設計されたパワーモジュールの場合、低燃費モード時に素子温度が損失を低減させるための適切な温度とならない。従って、低燃費モードでの駆動時に素子温度が適切になる様に制御することで、損失を低減し燃費をさらに向上させることが可能となる。
【００２６】
図２に、本発明の一実施形態に係るパワーモジュールの構成を示す。この実施形態では、昇降圧コンバータ（以下、昇圧コンバータ）をパワーモジュールで構成する例を示している。図において、１はバッテリ、２はリアクトル、３は昇圧コンバータの上アーム、４は昇圧コンバータの下アームである。上アーム３及び下アーム４はそれぞれ、スイッチング素子として動作するＩＧＢＴ３ａ、４ａとＦＷＤダイオード３ｂ、４ｂを備えている。５は電流平滑のためのコンデンサ、６は例えばインバータ等の外部負荷である。
【００２７】
上アーム３及び下アーム４を構成するそれぞれのパワー半導体素子３ａ、３ｂ、４ａ、４ｂ及びコンデンサ５は、冷却機構等の温度制御装置７を備えた同一基板上に形成される。また、この基板上には、温度センサ８及び電流センサ９が組み込まれている。１０はＩＧＢＴ３ａ、４ａのゲート端子にオン、オフ信号を入力してこの回路を昇（降）圧コンバータとして機能させるための駆動回路、１１は温度制御装置７を制御するための制御装置である。制御装置１１は、ＩＧＢＴ３ａ、４ａのクロスポイントが予め書き込まれたメモリ１２と、メモリ１２の内容、温度センサ７及び電流センサ８の出力に基づいて、温度制御装置７の冷却能力を制御するための制御部１３を備えている。
【００２８】
なお、図２に示す実施形態では、点線で囲んだ部分をパワーモジュール１４として一体に構成しているが、本発明はこの構成に限定されるものではない。例えば、リアクトル、制御装置、駆動回路等を別部品として構成することも可能である。ここでは、パワー半導体素子を組み込んだ回路基板、この回路基板を適正に動作させるための機能要素の集合を、パワーモジュールと呼んでいる。温度センサ７の個数、設置位置等は必要に応じて任意に決定されるもので、図示の実施形態に限定されるものではない。同様に電流センサ８も図示の実施形態に限定されるものではない。
【００２９】
図３は、制御装置１１における処理フローを示す図である。この処理は、車両が低燃費モードで駆動されている場合に、燃費をさらに向上することを目的とした制御である。先ずステップＳ１において、制御装置１１は、電流センサ８の出力に基づいてパワーモジュールの出力電流値を検出する。ステップＳ２において、制御部１３は、ステップＳ１で検出された電流値とメモリ１２に記録されたクロスポイントとを比較する。検出された電流値がクロスポイントよりも低い場合（ステップＳ２のＹＥＳ）、ステップＳ３において、温度調節装置７を制御してスイッチング素子の温度を設計値よりも高温側に移動させて処理を終了する。図１に示す様に、駆動電流がクロスポイント以下では、素子温度が高い程オン電圧は低くなりそれにともなって損失も低減するため、素子温度を、最大電流値を基に設計された温度よりも高くすることによって、損失を低減し、低燃費モード時の燃費を向上させることが出来る。
【００３０】
図３のステップＳ２において、検出された電流値がクロスポイント以上であると判断されると（ステップＳ２のＮＯ）、温度制御装置７において予め設定されている温度を変化させることなく（ステップＳ３）、処理を終了する。これは、検出された電流値がクロスポイント以上であるため、コレクタ電流−オン電圧特性の温度依存性に逆転は起こっておらず、モジュールを最適駆動するべく予め設計された素子温度を変更する必要が無いからである。
【００３１】
図３の処理を一定の時間ごとに自動的に繰り返して実行されるように設定しておけば、制御部は、車両が低燃費モードでの駆動に入ったことを速やかに検出して、適切な温度制御を行い、自動的に燃費向上を図ることができる。
【００３２】
以上の制御は、パワー半導体素子のオン電圧を低下させて定常損失を低減し、燃費を向上させることを目的としている。昇圧コンバータの損失には、スイッチング素子の定常損失及びスイッチング損失（ターンオン損失とターンオフ損失を含む）と、ＦＷＤダイオードの定常損失及びリカバリ損失が含まれる。しかしながらＳｉＣ等のスイッチング損失の小さい素子を使用すると、低燃費モード時では定常損失が支配的となり、全体の損失は殆どが定常損失によるものとなる。従って、オン電圧を低下させて定常損失の低減を図ることによって、損失全体の低減が可能となる。以下に、昇圧コンバータの低燃費モード時の損失計算について簡単に説明する。
【００３３】
図４の（ａ）に、損失計算に用いる昇圧コンバータの回路図を示す。この昇圧コンバータの構成は図２に示す昇圧コンバータと同じであるため、その説明は省略する。図４（ｂ）は、図４（ａ）の昇圧コンバータを低燃費モードで駆動する場合の電流波形を示し、図４（ｃ）は下アームのＩＧＢＴに印加されるスイッチオン／オフ信号を示す。昇圧コンバータを低燃費モードで駆動する場合の電流波形は、図４（ｂ）に示すようにゼロクロスの形となる。従って、上アーム、下アームのＩＧＢＴのオン／オフのタイミングと電流の正負（力行／回生）方向によって、上アームのＩＧＢＴ及びダイオード（Ｄｉｏｄｅ）、下アームのＩＧＢＴ及びダイオード（Ｄｉｏｄｅ）それぞれを流れる電流を分離して考えることができる。
【００３４】
下アームのＩＧＢＴがスイッチオンとなるタイミングでは、下ダイオードに電流が流れ始めるため、下ＩＧＢＴのターンオン損失は発生しない。一方、下アームのＩＧＢＴがスイッチオフとなるタイミングでは、下ＩＧＢＴにターンオフ損失が発生するが、下ダイオードには電流が流れないので下ダイオードのリカバリ損失は発生しない。下アームのＩＧＢＴがスイッチオフとなった同じタイミングで、上アームのＩＧＢＴがターンオンするが、この状態でＩＧＢＴに流れる電流はなく、その代わりに上ダイオードに電流が流れはじめるため、上ＩＧＢＴのターンオン損失は発生しない。
【００３５】
以上の結果、低燃費モード時の昇圧コンバータにおける損失Ｗは、
Ｗ＝ＩＧＢＴの定常損失＋ダイオードの定常損失＋ＩＧＢＴのターンオフ損失
として示される。ＳｉＣ等のスイッチング損失の小さいＩＧＢＴ素子を使用した場合、ターンオフ損失は無視できるので、損失Ｗは定常損失が支配的となる。定常損失は、素子を流れる電流Ｉとオン電圧Ｖの積で示されるので、ＩＧＢＴ及びダイオードともその定常損失を低減させるためには、オン電圧を低減させることが重要となる。
【００３６】
従って、電流センサ９の出力に基づいて制御装置１１が、昇圧コンバータが低燃費モードでの駆動状態に入ったことを検出すると、オン電圧を低減させてＩＧＢＴの定常損失を低減させるために、温度制御装置７を制御して素子温度を上昇させる。これにより、車両が低燃費モードで駆動されている場合でも、その燃費を最適なものとすることができる。
【００３７】
なお、図２の実施形態では、昇圧コンバータをパワーモジュールで構成した例を示しているが、モータを駆動するためには、昇圧コンバータによって昇圧された直流電流を、通常三相駆動であるインバータによって交流電流に変換する必要がある。インバータの場合、低燃費モード時ではパワー半導体素子のスイッチング損失は昇圧コンバータの場合のように無視できるところがないため、スイッチング損失が全体の損失に与える影響は大きくなる。しかしながら、スイッチング損失が小さいＳｉＣ等の半導体素子を使用する前提では、低燃費モード時に定常損失が支配的となる。従って、インバータの場合も、上述した昇圧コンバータの場合と同様に、低燃費モードでの駆動時に素子温度を上昇させる制御を行うことによって、損失を低減し燃費を向上させることが出来る。
【００３８】
図５は、ハイブリッド車のパワーコントロールユニットの概略構成を示すブロック図である。図において、２０は昇圧モジュールであり、複数のパワー半導体素子を含んでいる。３０はインバータモジュールであって、２個のインバータを備え、モータ（又は発電機）ＭＧ１、ＭＧ２に３相の駆動電流を供給し、或いは、車両の制動時にモータＭＧ１、ＭＧ２で生成された回生電流を直流電流に変換して昇圧コンバータ２０に供給する。４０はモータＥＣＵであり、昇圧コンバータ２０、インバータ３０を構成する複数のパワー半導体素子のオン、オフ制御、温度調整装置の制御等を行う。昇圧コンバータ２０、インバータ３０それぞれを個々に冷却機構および制御装置を含むインテリジェントパワーモジュールとして構成しても良いし、或いは、昇圧コンバータ２０、インバータ３０、制御装置４０及び温度調整装置を含めて一体のモジュールとして構成しても良い。
【００３９】
以下に、パワーモジュールの温度制御方法について説明する。
【００４０】
図６は、例えばハイブリッド車の電源部分の冷却系（ＨＶ冷却系）を概念的に示すブロック図である。図において、５０は、昇圧コンバータ及びインバータのための複数のパワー半導体素子、リアクトル、平滑コンデンサ等をマウントした基板、６０は冷却水経路、７０はラジエータ、８０はウォータポンプ（Ｗ／Ｐ）を示す。このように構成されたＨＶ冷却系において、ラジエータ７０および／またはＷ／Ｐ８０の出力を低下させることにより、基板５０の温度を上昇させることが出来る。
【００４１】
図７は、パワーモジュールの温度制御の他の実施形態を示す。この実施形態では、エンジン冷却水を低燃費モード時のＨＶ冷却系に導入することで、ＨＶ冷却系の水温を上昇させるようにしている。図において、９０はエンジンの冷却系を示し、エンジン９１、ラジエータ９２、サーモスタット９３、ウォータポンプ（Ｗ／Ｐ）９４、排熱回収を行うＥＧＲ９５、ヒータ９６を含んでいる。図の点線で囲んだ部分９７が新たに追加された部分であり、エンジン冷却系とＨＶ冷却系とを接続するための配管９７ａとバルブ９７ｂ及び９７ｃを含んでいる。本実施形態では、制御装置（図２参照）によって車両が低燃費モードで駆動されていることが検出されると、バルブ９７ｂ、９７ｃを開いてエンジン冷却水をＨＶ冷却系に導入して水温を上昇させ、パワー半導体素子の温度を上げる。
【００４２】
図８は、パワーモジュールの温度制御の更に他の実施形態を示す。この実施形態では、エンジン９１に隣接して水タンク９８ａを設け、制御装置（図２参照）によって車両が低燃費モードで駆動されていることが検出されると、バルブ９８ｂを開いて水タンク９８ａ内の水をＨＶ冷却系に導入して水温を上昇させ、パワー半導体素子の温度を上げるようにしている。図８において、点線で囲んだ部分９８が、パワーモジュールの温度調整を行うために本実施形態において追加した部分である。
【００４３】
図７及び図８に示す実施形態とも、追加部分のバルブの制御を、制御装置（図２参照）からの制御信号によって行う。即ち、制御装置がパワーモジュールに設けた電流センサの出力から車両が低燃費モードでの駆動状態に入ったことを検出すると、追加部分のバルブを開成するための制御信号を出力し、バルブを開成してパワー半導体素子の温度を上昇させる。温度の調整は、パワー半導体素子の温度を検出する温度センサの出力を参照しながら制御部１３によって行われる。
【００４４】
図９〜図１１に、パワーモジュールの温度制御の更に他の実施形態を示す。図９は、冷却能力の制御機構を一体に組み込んだパワーモジュールの概略構成を示す断面図、図１０及び図１１は、冷却能力の制御方法を説明するための図である。図９において、１００は共通基板、１０１ａ、１０１ｂは例えば昇圧コンバータ、インバータ等を構成する複数のパワー半導体素子、１０２ａはＰバスバー、１０２ｂはＮバスバー、１０３ａ、１０３ｂは出力バスバー、１０４は出力バスバーの取出し部である。共通基板１００の上下面上の、素子１０１ａ、１０１ｂが形成されていない部分には、Ｐ側のプリドライバ１０５ａ及びＮ側のプリドライバ１０５ｂがマウントされている。また、パワー半導体素子１０１ａ、１０１ｂは信号線１０６によって接続されている。
【００４５】
Ｐ側の出力バスバー１０３ａ上には、絶縁層１０７ａを介して冷却器１０８ａが取り付けられており、同様に、Ｎ側の出力バスバー１０３ｂ上には、絶縁層１０７ｂを介して冷却器１０８ｂが取り付けられている。パワー半導体素子１０１ａ、１０１ｂで発生した熱は、Ｐ側の出力バスバー１０３ａ及びＮ側の出力バスバー１０３ｂを介して絶縁層１０７ａ、１０７ｂに伝えられ、冷却器１０８ａ、１０８ｂ中を流れる水によって吸収される。冷却水は図示しないウォータポンプによって駆動され、水冷経路を循環する。この水冷経路にはラジエータ（図示せず）が設けられており、パワー半導体素子の発熱を吸収することによって上昇した循環水を冷却して、予め設計された一定の温度に保持する。
【００４６】
図１０の（ａ）及び（ｂ）は、図９の点線で囲まれた部分、即ち冷却器１０８（１０８ａおよび／または１０８ｂ）の詳細を示す図である。図示するように、冷却器１０８内の冷却水通路１０９には、固定フィン１１０及び移動フィン１１１が設けられており、移動フィン１１１は通路１０９外に設けられたモータ１１２によって上下移動可能に構成されている。従って、モータ１１２によって移動フィン１１１を押し下げることにより、図（ｂ）に示す様に通路１０９内に存在するフィンの数（面積）が減少し、その結果、冷却器１０８の冷却性能が低下する。
【００４７】
図１１の（ａ）及び（ｂ）は、冷却器の他の実施形態を示す図である。冷却器１０８は、冷却水通路１０９内に設けられた複数の固定フィン１１０とモータ７１１２よって移動可能な冷却板１１３を供えている。この冷却器１０８において、モータ１１２を駆動して図１１（ｂ）に示す様に冷却板１１３を押し下げ、固定フィン１１０と冷却板１１３との間に隙間を形成すると、固定フィン１１０の個々にかかる水圧が低下するので、冷却器１０８の冷却性能は低下する。
【００４８】
以上のように、図９〜図１１に示す実施形態では、ウォータポンプあるいはラジエータを制御することなく、パワー半導体素子を直接冷却する冷却器の冷却能を制御することによって、パワー半導体素子の温度制御が可能である。冷却器の制御は、図６から図８に示した実施形態の場合と同様に、制御装置（図２参照）によって行われる。なお、図９では、温度センサ、電流センサを示していないが、これらは適宜設けられる。
【００４９】
図１２及び図１３に、本発明のさらに他の実施形態を示す。上記の各実施形態は、車両の低燃費モードでの駆動時に、パワーモジュールの冷却機構を制御して素子温度を上昇させ損失の低減を図っていたが、以下に示す実施形態では、１個の素子に流れる電流量を制御することにより、素子温度を上昇させるようにしている。
【００５０】
図１２は、一般的な昇圧コンバータの回路構成を示す図である。車載用の昇圧コンバータの場合、モータ駆動するために大電流を流す必要がある。従って、昇圧コンバータの上アーム、下アームのパワー半導体素子には大きな電流が流れることになる。この電流を複数のパワー半導体素子で分担し、個々の素子に係る負担を低減するために、実際のパワーモジュールでは複数のパワー半導体素子を並列に接続している。
【００５１】
図１２の昇圧コンバータは、図２又は図４（ａ）に示す昇圧コンバータと基本的には同様の回路構成を有しているが、上アーム３及び下アーム４からなる回路（以下、スイッチ回路）を複数個（図１２の例では２個）、バッテリ１及び負荷６間に並列に接続した構成を有する。上アーム３と下アーム４のスイッチ回路に対し、さらに上アーム３’と下アーム４’のスイッチ回路を並列に接続することにより、この各スイッチ回路のＩＧＢＴ素子及びダイオードに流れる電流は、並列接続しない場合の半分となる。それによって、各パワー半導体素子への負担を低減する一方、回路全体では大きな駆動電流を得ることが出来る。
【００５２】
本実施形態では、このような昇圧コンバータにおいて、駆動電流がクロスポイント以下となるような低燃費モード時において、一方のスイッチ回路を昇圧コンバータ回路から切り離すことにより、１個のＩＧＢＴ素子に流れる電流量を増加させて素子温度を上昇させる。
【００５３】
図１３は、２つの温度でのＩＧＢＴ素子のコレクタ電流−オン電圧特性を示す図であって、曲線Ａの場合の素子温度は曲線Ｂの場合の素子温度よりも低い。図１３より明らかなように、曲線Ａに対応する温度に維持されているＩＧＢＴ素子において、低燃費モードでの駆動のために駆動電流がクロスポイントよりも低い値Ｉ1に低下した場合、ＩＧＢＴ素子を加熱して素子温度を高温側（曲線Ｂ側）に移動させることにより、素子のオン電圧が低くなり定常損失が低減する。
【００５４】
本実施形態では、ＩＧＢＴ素子のこのような加熱を、素子に流れる電流を増加させることによって実現しようとするものである。即ち、図１２の回路において、上アーム下アームからなるスイッチ回路が２個並列に接続されている場合の低燃費モード時の駆動電流をＩ1とすると、一方のスイッチ回路を昇圧コンバータから切り離すと、切り離されていないスイッチのＩＧＢＴ素子に流れる電流Ｉ2は、Ｉ2＝２×Ｉ1となる。このように１個の素子に多くの電流が流れることにより、発生する熱量が増加し、素子は外部からの加熱を要することなく高温となる。
【００５５】
上アーム下アームからなるスイッチ回路の一方を切り離す以前の状態では、電流Ｉ1に対してオン電圧はＶ1であり、２個のスイッチ回路を並列接続した回路全体の定常損失Ｗ1は、Ｗ1＝２（Ｉ1×Ｖ1）となる。これに対して、一方のスイッチ回路を切り離した場合の定常損失Ｗ2は、Ｗ2＝Ｉ2×Ｖ2＝２Ｉ1×Ｖ2となる。今、Ｖ1＞Ｖ2であるため、Ｗ2＜Ｗ1となって、スイッチ回路を切り離すことによって定常損失が低減することが分かる。
【００５６】
このように、上アーム下アームからなるスイッチ回路を複数並列接続した昇圧コンバータにおいて、昇圧コンバータの駆動電流がクロスポイントＰよりも低くなった場合、幾つかのスイッチ回路を切り離して実際に作動させるパワー半導体素子の数を減少させることにより、回路全体の損失を低下させることが可能となる。
【００５７】
図１４は、図１２に示す昇圧コンバータにおいて、低燃費モード時の燃費を向上させるための制御フローを示す。先ずステップＴ１において、制御装置１１は、電流センサ（図示せず）の出力に基づいて昇圧コンバータにおける駆動電流値を検出する。ステップＴ２において、検出された電流値がクロスポイントよりも低い場合（ステップＴ２のＹＥＳ）、ステップＴ３において、切替装置１１ａによって、幾つかのスイッチ回路を切り離して実際に作動させるＩＧＢＴ素子の数を減少させ、処理を終了する。駆動するＩＧＢＴ素子数の減少は、切替装置１１ａにより駆動回路１０を制御して、例えば、上アーム３’と下アーム４’のＩＧＢＴ素子をオフ状態に設定することにより実行される。
【００５８】
図１４のステップＴ２において、検出された電流値がクロスポイント以上である場合（ステップＴ２のＮＯ）は、切替装置１１ａを駆動せず処理を終了する。なお、図３に示した第１の実施形態の場合と同様に、図１４の処理が一定の時間ごとに繰り返し実行されるように設定しておけば、車両が低燃費モードでの駆動に入ったことを速やかに検出して自動的に燃費向上を図ることができる。
【００５９】
以下の表１は、低燃費モード時の昇圧コンバータにおける電流仕様の一例を示すものである。パラレル配置とは、図１２に示す様に、上アーム下アームからなるスイッチ回路が２個並列に接続された配置を示し、シングル配置とは、上アーム下アームからなるスイッチ回路が１個の場合を示す（図２参照）。表１において、パラレル配置、シングル配置とも、昇圧コンバータにおける１個のＩＧＢＴ素子に流れる電流値を示している。
【表１】
【００６０】
上記の表から明らかなように、パラレル配置の昇圧コンバータをシングル配置に切り替えることにより、１個のＩＧＢＴに流れる電流は２倍となり、その分損失が増加して素子温度が高くなる。ここで、クロスポイントの高い素子を使用すると、低燃費モード時の電流仕様では、素子温度が高くなる程オン電圧が低下して損失が低減するので、パラレル配置をシングル配置に切り替えることにより、損失を低減し燃費を向上させることができる。なお、クロスポイントが高いと言う場合、クロスポイントが低燃費モードの電流仕様より高いことを意味し、その値は、表１より、パラレル配置の昇圧コンバータでは２０Ａ以上であり、シングル配置の昇圧コンバータの場合、３９Ａ以上である。
【符号の説明】
【００６１】
１ バッテリ
２ リアクトル
３ 上アーム
３ａ ＩＧＢＴ素子
３ｂ ＦＷＤダイオード
４ 下アーム
４ａ ＩＧＢＴ素子
４ｂ ＦＷＤダイオード
５ コンデンサ
６ 負荷
７ 温度調整装置
８ 温度センサ
９ 電流センサ
１０ 駆動回路
１１ 制御装置
１２ メモリ
１３ 制御部
１４ パワーモジュール
【技術分野】
【０００１】
本発明は、パワーモジュール及び該パワーモジュールを搭載したハイブリッド車又は電気自動車に関する。
【背景技術】
【０００２】
ハイブリッド車又は電気自動車では、バッテリ出力をインバータによって例えば３相の交流電力に変換し、モータを駆動するようにしている。また、車両の制動時には、モータを発電機として動作させて回生電力を生成し、これをインバータによって直流電力に変換しバッテリを充電するようにしている。車両の駆動には大電力が必要であるため、通常、バッテリ出力を昇圧コンバータ（回生時は降圧コンバータ）によって高圧に変換し、インバータに入力する様にしている。
【０００３】
このような昇圧コンバータ、インバータ等は、一般に、複数のパワー半導体素子、例えば半導体スイッチング素子及びダイオードと、その駆動回路、及び冷却機構をモジュール化して構成される。このようなモジュールをパワーモジュールと呼ぶ。冷却機構は、駆動電流によってパワー半導体素子が発熱し、その動作保証温度を超えてしまうのを防止するために設けられている。発熱は主に、半導体スイッチング素子の定常損失、スイッチング損失、半導体ダイオードの定常損失、リカバリ損失によって生じる。
【０００４】
パワーモジュールにおけるこのような損失は、これを車載用として使用する場合、燃費を低下させる大きな要因となる。従って、パワーモジュールでは、損失をできるだけ低減できるようにその素子サイズ、素子特性等が設計される。パワーモジュールにおいて、半導体スイッチング素子及び半導体ダイオードでは定常損失に温度依存性があり、通常、ＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）等の半導体スイッチング素子では高温時に定常損失が減少し、半導体ダイオード（ＦＷＤ、フライホイールダイオード）では低温時に定常損失が減少する。
【０００５】
パワーモジュールの損失に関連して、特許文献１（特開２００２−０９３９７４号公報）では、車両用のインバータに用いるＩＧＢＴとＦＷＤにおいて、発電状態ではＩＧＢＴから、駆動状態ではＦＷＤから電力損失が発生し、この状態はスイッチング損失が少ない状況で顕著になることを記載している（段落００２１）。
【０００６】
特許文献２（特開２００６−３０３３０６号公報）では、パワーモジュールに用いる例えばＩＧＢＴ等のスイッチング素子が低温時に小さい定常損失を有し、一方、半導体ダイオードはその動作保証温度を超えない程度の高温時に小さい定常損失を有すると言う特徴を持つことを利用し、スイッチング素子とダイオードで異なる冷却方法を採用してパワーモジュールの損失を低減している。また、特許文献３及び４（特開２００５−１１３８３１号公報、特開２００７−３２６４６４号公報）では、インバータを冷却するための冷却機構を開示している。
【０００７】
最近、シリコンを材料とするＩＧＢＴに変わって、更に耐圧性能の高いＳｉＣ等を材料とするＩＧＢＴが用いられる様になっている。このようなＩＧＢＴでは、コレクタ電流−オン電圧特性の温度依存性において、比較的高いクロスポイントを有することが報告されている（例えば、特許文献５、非特許文献１参照）。クロスポイントとはコレクタ電流−オン電圧特性の温度依存性が正負逆転する点を示し、クロスポイントが高い素子とは、温度依存性が逆転する点の電流値が比較的大きい素子を意味する。クロスポイントが高い場合、クロスポイント以上の駆動電流値で定常損失が最小と成るように設計されたパワーモジュールでは、これをクロスポイント以下の電流値で駆動した場合、定常損失を充分に低減できない場合が発生する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００２−０９３９７４号公報
【特許文献２】特開２００６−３０３３０６号公報
【特許文献３】特開２００５−１１３８３１号公報
【特許文献４】特開２００７−３２６４６４号公報
【特許文献５】特開２００９−２１２３７４号公報
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】ＦＥＤジャーナル、６−４、Ｖｏｌ．１１ Ｎｏ．２（２０００）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
従来のパワーモジュールは、一般に、パワーモジュールの最大駆動電流で最も損失を低減できるように損失設計が為されており、低電流駆動時の損失低減についてはあまり考慮されていない。パワー半導体素子としてクロスポイントの低い素子を使用する場合は、このような設計であってもあまり問題を生じないが、クロスポイントの高い素子を使用し、クロスポイント以下の低電流で駆動する場合には、かえって損失を増大させる場合がある。本発明は係る点に関して為されたもので、クロスポイントの高い素子を使用した場合でも、その損失を低減することが可能なパワーモジュールを提供すること、およびそのパワーモジュールを使用することで、ハイブリッド車又は電気自動車の燃費を改善することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題を解決するために、第１の発明では、パワー半導体素子と、パワー半導体素子の温度を調整する温度調整装置と、パワー半導体素子の駆動電流を検知する電流検知装置と、電流検知装置によって検知された駆動電流に基づいて、温度調整装置を制御する制御装置とを備える、パワーモジュールを提供する。
【００１２】
また、上記パワーモジュールにおいて、制御装置は、パワー半導体素子の駆動電流に対するオン電圧の温度依存性が正と負の間で逆転する電流値（以下、クロスポイント）を記録する記録媒体と、クロスポイントと駆動電流値との関係に基づいて温度調整装置を制御する制御部を備えていても良い。
【００１３】
また、上記パワーモジュールにおいて、前記パワー半導体素子を、ＳｉＣ、ＧａＮ又はダイアモンドを材料として構成しても良い。
【００１４】
本発明は、さらに、上記の構成を有するパワーモジュールを備えたハイブリッド車又は電気自動車を提供する。このハイブリッド車又は電気自動車において、温度調整装置は水冷装置であり、この水冷装置に車両の駆動機構の冷却水を導入する経路を設けるようにしても良い。
【００１５】
上記課題を解決するために、第２の発明では、複数が並列に接続されたパワー半導体素子と、このパワー半導体素子の駆動電流を検知する電流検知装置と、検知された駆動電流に基づいてパワー半導体素子の作動個数を制御する切替装置とを備える、パワーモジュールを提供する。さらに、このパワーモジュールを搭載したハイブリッド車又は電気自動車を提供する。
【発明の効果】
【００１６】
第１の発明によれば、検出された駆動電流に応じて温度調整装置を制御して、パワー半導体素子の温度をその定常損失が低下する温度に設定することができるので、幅広い駆動電流に対して低い定常損失を実現することが可能となる。また、検出された駆動電流を記録されたクロスポイントと比較し、駆動電流がクロスポイント以下か以上で温度調整の方向を逆転することにより、さらに効果的に定常損失を低減することが出来る。パワー半導体素子をＳｉＣ、ＧａＮ又はダイアモンドを材料として形成した場合、このような素子では比較的クロスポイントが高いので、本発明の効果が顕著となる。
【００１７】
第２の発明によれば、複数のパワー半導体素子を並列に接続することにより大きな駆動電流に耐えうるように設計されたパワーモジュールにおいて、検出された駆動電流値が小さい場合、例えばクロスポイント以下である場合には、駆動するパワー半導体素子の数を低減することにより、１個のパワー半導体素子に流れる電流を大きくして素子温度を上昇させることが出来る。これによって、パワーモジュール全体での定常損失を低減するための素子温度の制御を容易に行うことが出来る。
【００１８】
ハイブリッド車又は電気自動車では、低燃費モードで車両を駆動している場合、駆動電流の大きさはクロスポイント以下となる。従って、第１又は第２の発明に基づいて構成されたパワーモジュールを搭載することにより、低燃費モード時の燃費を向上させることが可能となる。また、温度調整装置が水冷装置である場合、車両の駆動系の冷却水をこの冷却装置に導入することによって、水冷装置の温度を上昇させることが容易となる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】ＩＧＢＴのコレクタ電流−オン電圧特性の温度依存性を示す図。
【図２】本発明の第１の実施形態に係るパワーモジュールの概略構成を示すブロック図。
【図３】図２に示すパワーモジュールの動作説明のためのフローチャート。
【図４】昇圧コンバータの損失計算の説明に供する図。
【図５】ハイブリッド車又は電気自動車の電源システムを示すためのブロック図。
【図６】本発明の一実施形態に係るパワーモジュールに使用可能な、温度調整装置の一例を示す図。
【図７】本発明の一実施形態に係るパワーモジュールに使用可能な、温度調整装置の他の例を示す図。
【図８】本発明の一実施形態に係るパワーモジュールに使用可能な、温度調整装置のさらに他の例を示す図。
【図９】温度調節装置と一体に構成されたパワーモジュールの概略構成を示す、断面図。
【図１０】図９に示す装置の動作説明に供する図。
【図１１】図９に示す装置の動作説明に供する図。
【図１２】本発明の第２の実施形態に係るパワーモジュールの概略構成を示す、ブロック図。
【図１３】図１２に示すパワーモジュールにおける損失計算の説明に供する図。
【図１４】図１２に示すパワーモジュールの動作説明のためのフローチャート。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下に、図面を参照して本発明の実施例を説明するが、これらの実施例は本発明の理解を容易にするためのものであって、本発明を限定するものではない。また、各図面において、共通する参照番号は同一又は類似の構成を示すので重複した説明は行わない。
【００２１】
図１に、ＩＧＢＴ素子のコレクタ電流−オン電圧特性を温度をパラメータとして示す。図示する様に、ＩＧＢＴ素子の温度が同じであれば、コレクタ電流の増加に伴ってオン電圧は単調に増加する。ところが、同じ電流値で見た場合、電流が比較的大きい領域では素子温度が高くなればなる程オン電圧が大きくなる。即ち、高電流領域では、ＩＧＢＴ素子のコレクタ電流−オン電圧特性は正の温度依存性を示す。一方、電流が比較的小さい領域では素子温度が低くなればなる程、オン電圧が大きくなる。即ち、低電流領域では、ＩＧＢＴ素子のコレクタ電流−オン電圧特性は負の温度依存性を示す。温度依存性が正負逆転する電流値をクロスポイント（Ｐ）と言う。
【００２２】
ＩＧＢＴ素子の定常損失はコレクタ電流とオン電圧の積であるため、定常損失を低減するためには同じコレクタ電流に対してオン電圧を出来るだけ小さくする必要がある。従って、駆動電流が大きく、コレクタ電流−オン電圧特性が正の温度依存性を有する場合、素子温度を低く維持することによって、定常損失を低減することができる。反対に駆動電流がクロスポイント以下となった場合は、素子温度を高く維持することによって、定常損失を低減することができる。
【００２３】
シリコンを材料とする従来のＩＧＢＴ素子では比較的クロスポイントが低く、従って、例えば車載用のパワーモジュールの場合、最大電流値での定常損失を低減できるように素子温度を設計しても、それ程問題を生じない。これは、クロスポイントが低燃費モード時の駆動電流値以下か、あるいは以上であってもクロスポイントに近い値となるためである。ところが、ＳｉＣ，ＧａＮ或いはダイアモンドを材料とするＩＧＢＴ素子では、一般にクロスポイントが高く、低燃費モード時の駆動電流がクロスポイント以下となる場合がある。このような場合、次のような問題を生じる。
【００２４】
即ち、低燃費モード時の駆動電流がクロスポイント以下となると、図１から明らかなように、素子温度が高い程オン電圧が低くなり燃費が向上するが、システムの設計は、車両駆動の最大電力時の損失を低減するように設計されており、そのため素子温度をなるべく低くする方向で設計されている。また、低燃費モードでの駆動電流は、パワーモジュールを設計する場合の電流値（最大電流）よりもかなり小さく、従って素子温度は高くならない。この傾向は、駆動電流が小さくなれば成る程、顕著になる。従って、低燃費モードで車両を駆動する場合に損失が大きくなり、燃費が改善されない。
【００２５】
このように、従来のパワーモジュールの設計仕様では、駆動電流がクロスポイント以下となる場合を考慮して設計が為されていないので、例えば、車両駆動の最大電力（例えば、最大電流約２５０Ａ，電圧約６００Ｖ）に基づいて設計されたパワーモジュールの場合、低燃費モード時に素子温度が損失を低減させるための適切な温度とならない。従って、低燃費モードでの駆動時に素子温度が適切になる様に制御することで、損失を低減し燃費をさらに向上させることが可能となる。
【００２６】
図２に、本発明の一実施形態に係るパワーモジュールの構成を示す。この実施形態では、昇降圧コンバータ（以下、昇圧コンバータ）をパワーモジュールで構成する例を示している。図において、１はバッテリ、２はリアクトル、３は昇圧コンバータの上アーム、４は昇圧コンバータの下アームである。上アーム３及び下アーム４はそれぞれ、スイッチング素子として動作するＩＧＢＴ３ａ、４ａとＦＷＤダイオード３ｂ、４ｂを備えている。５は電流平滑のためのコンデンサ、６は例えばインバータ等の外部負荷である。
【００２７】
上アーム３及び下アーム４を構成するそれぞれのパワー半導体素子３ａ、３ｂ、４ａ、４ｂ及びコンデンサ５は、冷却機構等の温度制御装置７を備えた同一基板上に形成される。また、この基板上には、温度センサ８及び電流センサ９が組み込まれている。１０はＩＧＢＴ３ａ、４ａのゲート端子にオン、オフ信号を入力してこの回路を昇（降）圧コンバータとして機能させるための駆動回路、１１は温度制御装置７を制御するための制御装置である。制御装置１１は、ＩＧＢＴ３ａ、４ａのクロスポイントが予め書き込まれたメモリ１２と、メモリ１２の内容、温度センサ７及び電流センサ８の出力に基づいて、温度制御装置７の冷却能力を制御するための制御部１３を備えている。
【００２８】
なお、図２に示す実施形態では、点線で囲んだ部分をパワーモジュール１４として一体に構成しているが、本発明はこの構成に限定されるものではない。例えば、リアクトル、制御装置、駆動回路等を別部品として構成することも可能である。ここでは、パワー半導体素子を組み込んだ回路基板、この回路基板を適正に動作させるための機能要素の集合を、パワーモジュールと呼んでいる。温度センサ７の個数、設置位置等は必要に応じて任意に決定されるもので、図示の実施形態に限定されるものではない。同様に電流センサ８も図示の実施形態に限定されるものではない。
【００２９】
図３は、制御装置１１における処理フローを示す図である。この処理は、車両が低燃費モードで駆動されている場合に、燃費をさらに向上することを目的とした制御である。先ずステップＳ１において、制御装置１１は、電流センサ８の出力に基づいてパワーモジュールの出力電流値を検出する。ステップＳ２において、制御部１３は、ステップＳ１で検出された電流値とメモリ１２に記録されたクロスポイントとを比較する。検出された電流値がクロスポイントよりも低い場合（ステップＳ２のＹＥＳ）、ステップＳ３において、温度調節装置７を制御してスイッチング素子の温度を設計値よりも高温側に移動させて処理を終了する。図１に示す様に、駆動電流がクロスポイント以下では、素子温度が高い程オン電圧は低くなりそれにともなって損失も低減するため、素子温度を、最大電流値を基に設計された温度よりも高くすることによって、損失を低減し、低燃費モード時の燃費を向上させることが出来る。
【００３０】
図３のステップＳ２において、検出された電流値がクロスポイント以上であると判断されると（ステップＳ２のＮＯ）、温度制御装置７において予め設定されている温度を変化させることなく（ステップＳ３）、処理を終了する。これは、検出された電流値がクロスポイント以上であるため、コレクタ電流−オン電圧特性の温度依存性に逆転は起こっておらず、モジュールを最適駆動するべく予め設計された素子温度を変更する必要が無いからである。
【００３１】
図３の処理を一定の時間ごとに自動的に繰り返して実行されるように設定しておけば、制御部は、車両が低燃費モードでの駆動に入ったことを速やかに検出して、適切な温度制御を行い、自動的に燃費向上を図ることができる。
【００３２】
以上の制御は、パワー半導体素子のオン電圧を低下させて定常損失を低減し、燃費を向上させることを目的としている。昇圧コンバータの損失には、スイッチング素子の定常損失及びスイッチング損失（ターンオン損失とターンオフ損失を含む）と、ＦＷＤダイオードの定常損失及びリカバリ損失が含まれる。しかしながらＳｉＣ等のスイッチング損失の小さい素子を使用すると、低燃費モード時では定常損失が支配的となり、全体の損失は殆どが定常損失によるものとなる。従って、オン電圧を低下させて定常損失の低減を図ることによって、損失全体の低減が可能となる。以下に、昇圧コンバータの低燃費モード時の損失計算について簡単に説明する。
【００３３】
図４の（ａ）に、損失計算に用いる昇圧コンバータの回路図を示す。この昇圧コンバータの構成は図２に示す昇圧コンバータと同じであるため、その説明は省略する。図４（ｂ）は、図４（ａ）の昇圧コンバータを低燃費モードで駆動する場合の電流波形を示し、図４（ｃ）は下アームのＩＧＢＴに印加されるスイッチオン／オフ信号を示す。昇圧コンバータを低燃費モードで駆動する場合の電流波形は、図４（ｂ）に示すようにゼロクロスの形となる。従って、上アーム、下アームのＩＧＢＴのオン／オフのタイミングと電流の正負（力行／回生）方向によって、上アームのＩＧＢＴ及びダイオード（Ｄｉｏｄｅ）、下アームのＩＧＢＴ及びダイオード（Ｄｉｏｄｅ）それぞれを流れる電流を分離して考えることができる。
【００３４】
下アームのＩＧＢＴがスイッチオンとなるタイミングでは、下ダイオードに電流が流れ始めるため、下ＩＧＢＴのターンオン損失は発生しない。一方、下アームのＩＧＢＴがスイッチオフとなるタイミングでは、下ＩＧＢＴにターンオフ損失が発生するが、下ダイオードには電流が流れないので下ダイオードのリカバリ損失は発生しない。下アームのＩＧＢＴがスイッチオフとなった同じタイミングで、上アームのＩＧＢＴがターンオンするが、この状態でＩＧＢＴに流れる電流はなく、その代わりに上ダイオードに電流が流れはじめるため、上ＩＧＢＴのターンオン損失は発生しない。
【００３５】
以上の結果、低燃費モード時の昇圧コンバータにおける損失Ｗは、
Ｗ＝ＩＧＢＴの定常損失＋ダイオードの定常損失＋ＩＧＢＴのターンオフ損失
として示される。ＳｉＣ等のスイッチング損失の小さいＩＧＢＴ素子を使用した場合、ターンオフ損失は無視できるので、損失Ｗは定常損失が支配的となる。定常損失は、素子を流れる電流Ｉとオン電圧Ｖの積で示されるので、ＩＧＢＴ及びダイオードともその定常損失を低減させるためには、オン電圧を低減させることが重要となる。
【００３６】
従って、電流センサ９の出力に基づいて制御装置１１が、昇圧コンバータが低燃費モードでの駆動状態に入ったことを検出すると、オン電圧を低減させてＩＧＢＴの定常損失を低減させるために、温度制御装置７を制御して素子温度を上昇させる。これにより、車両が低燃費モードで駆動されている場合でも、その燃費を最適なものとすることができる。
【００３７】
なお、図２の実施形態では、昇圧コンバータをパワーモジュールで構成した例を示しているが、モータを駆動するためには、昇圧コンバータによって昇圧された直流電流を、通常三相駆動であるインバータによって交流電流に変換する必要がある。インバータの場合、低燃費モード時ではパワー半導体素子のスイッチング損失は昇圧コンバータの場合のように無視できるところがないため、スイッチング損失が全体の損失に与える影響は大きくなる。しかしながら、スイッチング損失が小さいＳｉＣ等の半導体素子を使用する前提では、低燃費モード時に定常損失が支配的となる。従って、インバータの場合も、上述した昇圧コンバータの場合と同様に、低燃費モードでの駆動時に素子温度を上昇させる制御を行うことによって、損失を低減し燃費を向上させることが出来る。
【００３８】
図５は、ハイブリッド車のパワーコントロールユニットの概略構成を示すブロック図である。図において、２０は昇圧モジュールであり、複数のパワー半導体素子を含んでいる。３０はインバータモジュールであって、２個のインバータを備え、モータ（又は発電機）ＭＧ１、ＭＧ２に３相の駆動電流を供給し、或いは、車両の制動時にモータＭＧ１、ＭＧ２で生成された回生電流を直流電流に変換して昇圧コンバータ２０に供給する。４０はモータＥＣＵであり、昇圧コンバータ２０、インバータ３０を構成する複数のパワー半導体素子のオン、オフ制御、温度調整装置の制御等を行う。昇圧コンバータ２０、インバータ３０それぞれを個々に冷却機構および制御装置を含むインテリジェントパワーモジュールとして構成しても良いし、或いは、昇圧コンバータ２０、インバータ３０、制御装置４０及び温度調整装置を含めて一体のモジュールとして構成しても良い。
【００３９】
以下に、パワーモジュールの温度制御方法について説明する。
【００４０】
図６は、例えばハイブリッド車の電源部分の冷却系（ＨＶ冷却系）を概念的に示すブロック図である。図において、５０は、昇圧コンバータ及びインバータのための複数のパワー半導体素子、リアクトル、平滑コンデンサ等をマウントした基板、６０は冷却水経路、７０はラジエータ、８０はウォータポンプ（Ｗ／Ｐ）を示す。このように構成されたＨＶ冷却系において、ラジエータ７０および／またはＷ／Ｐ８０の出力を低下させることにより、基板５０の温度を上昇させることが出来る。
【００４１】
図７は、パワーモジュールの温度制御の他の実施形態を示す。この実施形態では、エンジン冷却水を低燃費モード時のＨＶ冷却系に導入することで、ＨＶ冷却系の水温を上昇させるようにしている。図において、９０はエンジンの冷却系を示し、エンジン９１、ラジエータ９２、サーモスタット９３、ウォータポンプ（Ｗ／Ｐ）９４、排熱回収を行うＥＧＲ９５、ヒータ９６を含んでいる。図の点線で囲んだ部分９７が新たに追加された部分であり、エンジン冷却系とＨＶ冷却系とを接続するための配管９７ａとバルブ９７ｂ及び９７ｃを含んでいる。本実施形態では、制御装置（図２参照）によって車両が低燃費モードで駆動されていることが検出されると、バルブ９７ｂ、９７ｃを開いてエンジン冷却水をＨＶ冷却系に導入して水温を上昇させ、パワー半導体素子の温度を上げる。
【００４２】
図８は、パワーモジュールの温度制御の更に他の実施形態を示す。この実施形態では、エンジン９１に隣接して水タンク９８ａを設け、制御装置（図２参照）によって車両が低燃費モードで駆動されていることが検出されると、バルブ９８ｂを開いて水タンク９８ａ内の水をＨＶ冷却系に導入して水温を上昇させ、パワー半導体素子の温度を上げるようにしている。図８において、点線で囲んだ部分９８が、パワーモジュールの温度調整を行うために本実施形態において追加した部分である。
【００４３】
図７及び図８に示す実施形態とも、追加部分のバルブの制御を、制御装置（図２参照）からの制御信号によって行う。即ち、制御装置がパワーモジュールに設けた電流センサの出力から車両が低燃費モードでの駆動状態に入ったことを検出すると、追加部分のバルブを開成するための制御信号を出力し、バルブを開成してパワー半導体素子の温度を上昇させる。温度の調整は、パワー半導体素子の温度を検出する温度センサの出力を参照しながら制御部１３によって行われる。
【００４４】
図９〜図１１に、パワーモジュールの温度制御の更に他の実施形態を示す。図９は、冷却能力の制御機構を一体に組み込んだパワーモジュールの概略構成を示す断面図、図１０及び図１１は、冷却能力の制御方法を説明するための図である。図９において、１００は共通基板、１０１ａ、１０１ｂは例えば昇圧コンバータ、インバータ等を構成する複数のパワー半導体素子、１０２ａはＰバスバー、１０２ｂはＮバスバー、１０３ａ、１０３ｂは出力バスバー、１０４は出力バスバーの取出し部である。共通基板１００の上下面上の、素子１０１ａ、１０１ｂが形成されていない部分には、Ｐ側のプリドライバ１０５ａ及びＮ側のプリドライバ１０５ｂがマウントされている。また、パワー半導体素子１０１ａ、１０１ｂは信号線１０６によって接続されている。
【００４５】
Ｐ側の出力バスバー１０３ａ上には、絶縁層１０７ａを介して冷却器１０８ａが取り付けられており、同様に、Ｎ側の出力バスバー１０３ｂ上には、絶縁層１０７ｂを介して冷却器１０８ｂが取り付けられている。パワー半導体素子１０１ａ、１０１ｂで発生した熱は、Ｐ側の出力バスバー１０３ａ及びＮ側の出力バスバー１０３ｂを介して絶縁層１０７ａ、１０７ｂに伝えられ、冷却器１０８ａ、１０８ｂ中を流れる水によって吸収される。冷却水は図示しないウォータポンプによって駆動され、水冷経路を循環する。この水冷経路にはラジエータ（図示せず）が設けられており、パワー半導体素子の発熱を吸収することによって上昇した循環水を冷却して、予め設計された一定の温度に保持する。
【００４６】
図１０の（ａ）及び（ｂ）は、図９の点線で囲まれた部分、即ち冷却器１０８（１０８ａおよび／または１０８ｂ）の詳細を示す図である。図示するように、冷却器１０８内の冷却水通路１０９には、固定フィン１１０及び移動フィン１１１が設けられており、移動フィン１１１は通路１０９外に設けられたモータ１１２によって上下移動可能に構成されている。従って、モータ１１２によって移動フィン１１１を押し下げることにより、図（ｂ）に示す様に通路１０９内に存在するフィンの数（面積）が減少し、その結果、冷却器１０８の冷却性能が低下する。
【００４７】
図１１の（ａ）及び（ｂ）は、冷却器の他の実施形態を示す図である。冷却器１０８は、冷却水通路１０９内に設けられた複数の固定フィン１１０とモータ７１１２よって移動可能な冷却板１１３を供えている。この冷却器１０８において、モータ１１２を駆動して図１１（ｂ）に示す様に冷却板１１３を押し下げ、固定フィン１１０と冷却板１１３との間に隙間を形成すると、固定フィン１１０の個々にかかる水圧が低下するので、冷却器１０８の冷却性能は低下する。
【００４８】
以上のように、図９〜図１１に示す実施形態では、ウォータポンプあるいはラジエータを制御することなく、パワー半導体素子を直接冷却する冷却器の冷却能を制御することによって、パワー半導体素子の温度制御が可能である。冷却器の制御は、図６から図８に示した実施形態の場合と同様に、制御装置（図２参照）によって行われる。なお、図９では、温度センサ、電流センサを示していないが、これらは適宜設けられる。
【００４９】
図１２及び図１３に、本発明のさらに他の実施形態を示す。上記の各実施形態は、車両の低燃費モードでの駆動時に、パワーモジュールの冷却機構を制御して素子温度を上昇させ損失の低減を図っていたが、以下に示す実施形態では、１個の素子に流れる電流量を制御することにより、素子温度を上昇させるようにしている。
【００５０】
図１２は、一般的な昇圧コンバータの回路構成を示す図である。車載用の昇圧コンバータの場合、モータ駆動するために大電流を流す必要がある。従って、昇圧コンバータの上アーム、下アームのパワー半導体素子には大きな電流が流れることになる。この電流を複数のパワー半導体素子で分担し、個々の素子に係る負担を低減するために、実際のパワーモジュールでは複数のパワー半導体素子を並列に接続している。
【００５１】
図１２の昇圧コンバータは、図２又は図４（ａ）に示す昇圧コンバータと基本的には同様の回路構成を有しているが、上アーム３及び下アーム４からなる回路（以下、スイッチ回路）を複数個（図１２の例では２個）、バッテリ１及び負荷６間に並列に接続した構成を有する。上アーム３と下アーム４のスイッチ回路に対し、さらに上アーム３’と下アーム４’のスイッチ回路を並列に接続することにより、この各スイッチ回路のＩＧＢＴ素子及びダイオードに流れる電流は、並列接続しない場合の半分となる。それによって、各パワー半導体素子への負担を低減する一方、回路全体では大きな駆動電流を得ることが出来る。
【００５２】
本実施形態では、このような昇圧コンバータにおいて、駆動電流がクロスポイント以下となるような低燃費モード時において、一方のスイッチ回路を昇圧コンバータ回路から切り離すことにより、１個のＩＧＢＴ素子に流れる電流量を増加させて素子温度を上昇させる。
【００５３】
図１３は、２つの温度でのＩＧＢＴ素子のコレクタ電流−オン電圧特性を示す図であって、曲線Ａの場合の素子温度は曲線Ｂの場合の素子温度よりも低い。図１３より明らかなように、曲線Ａに対応する温度に維持されているＩＧＢＴ素子において、低燃費モードでの駆動のために駆動電流がクロスポイントよりも低い値Ｉ1に低下した場合、ＩＧＢＴ素子を加熱して素子温度を高温側（曲線Ｂ側）に移動させることにより、素子のオン電圧が低くなり定常損失が低減する。
【００５４】
本実施形態では、ＩＧＢＴ素子のこのような加熱を、素子に流れる電流を増加させることによって実現しようとするものである。即ち、図１２の回路において、上アーム下アームからなるスイッチ回路が２個並列に接続されている場合の低燃費モード時の駆動電流をＩ1とすると、一方のスイッチ回路を昇圧コンバータから切り離すと、切り離されていないスイッチのＩＧＢＴ素子に流れる電流Ｉ2は、Ｉ2＝２×Ｉ1となる。このように１個の素子に多くの電流が流れることにより、発生する熱量が増加し、素子は外部からの加熱を要することなく高温となる。
【００５５】
上アーム下アームからなるスイッチ回路の一方を切り離す以前の状態では、電流Ｉ1に対してオン電圧はＶ1であり、２個のスイッチ回路を並列接続した回路全体の定常損失Ｗ1は、Ｗ1＝２（Ｉ1×Ｖ1）となる。これに対して、一方のスイッチ回路を切り離した場合の定常損失Ｗ2は、Ｗ2＝Ｉ2×Ｖ2＝２Ｉ1×Ｖ2となる。今、Ｖ1＞Ｖ2であるため、Ｗ2＜Ｗ1となって、スイッチ回路を切り離すことによって定常損失が低減することが分かる。
【００５６】
このように、上アーム下アームからなるスイッチ回路を複数並列接続した昇圧コンバータにおいて、昇圧コンバータの駆動電流がクロスポイントＰよりも低くなった場合、幾つかのスイッチ回路を切り離して実際に作動させるパワー半導体素子の数を減少させることにより、回路全体の損失を低下させることが可能となる。
【００５７】
図１４は、図１２に示す昇圧コンバータにおいて、低燃費モード時の燃費を向上させるための制御フローを示す。先ずステップＴ１において、制御装置１１は、電流センサ（図示せず）の出力に基づいて昇圧コンバータにおける駆動電流値を検出する。ステップＴ２において、検出された電流値がクロスポイントよりも低い場合（ステップＴ２のＹＥＳ）、ステップＴ３において、切替装置１１ａによって、幾つかのスイッチ回路を切り離して実際に作動させるＩＧＢＴ素子の数を減少させ、処理を終了する。駆動するＩＧＢＴ素子数の減少は、切替装置１１ａにより駆動回路１０を制御して、例えば、上アーム３’と下アーム４’のＩＧＢＴ素子をオフ状態に設定することにより実行される。
【００５８】
図１４のステップＴ２において、検出された電流値がクロスポイント以上である場合（ステップＴ２のＮＯ）は、切替装置１１ａを駆動せず処理を終了する。なお、図３に示した第１の実施形態の場合と同様に、図１４の処理が一定の時間ごとに繰り返し実行されるように設定しておけば、車両が低燃費モードでの駆動に入ったことを速やかに検出して自動的に燃費向上を図ることができる。
【００５９】
以下の表１は、低燃費モード時の昇圧コンバータにおける電流仕様の一例を示すものである。パラレル配置とは、図１２に示す様に、上アーム下アームからなるスイッチ回路が２個並列に接続された配置を示し、シングル配置とは、上アーム下アームからなるスイッチ回路が１個の場合を示す（図２参照）。表１において、パラレル配置、シングル配置とも、昇圧コンバータにおける１個のＩＧＢＴ素子に流れる電流値を示している。
【表１】
【００６０】
上記の表から明らかなように、パラレル配置の昇圧コンバータをシングル配置に切り替えることにより、１個のＩＧＢＴに流れる電流は２倍となり、その分損失が増加して素子温度が高くなる。ここで、クロスポイントの高い素子を使用すると、低燃費モード時の電流仕様では、素子温度が高くなる程オン電圧が低下して損失が低減するので、パラレル配置をシングル配置に切り替えることにより、損失を低減し燃費を向上させることができる。なお、クロスポイントが高いと言う場合、クロスポイントが低燃費モードの電流仕様より高いことを意味し、その値は、表１より、パラレル配置の昇圧コンバータでは２０Ａ以上であり、シングル配置の昇圧コンバータの場合、３９Ａ以上である。
【符号の説明】
【００６１】
１ バッテリ
２ リアクトル
３ 上アーム
３ａ ＩＧＢＴ素子
３ｂ ＦＷＤダイオード
４ 下アーム
４ａ ＩＧＢＴ素子
４ｂ ＦＷＤダイオード
５ コンデンサ
６ 負荷
７ 温度調整装置
８ 温度センサ
９ 電流センサ
１０ 駆動回路
１１ 制御装置
１２ メモリ
１３ 制御部
１４ パワーモジュール
【特許請求の範囲】
【請求項１】
パワー半導体素子と、
前記パワー半導体素子の温度を調整する温度調整装置と、
前記パワー半導体素子の駆動電流を検知する電流検知装置と、
前記電流検知装置によって検知された前記駆動電流に基づいて、前記温度調整装置を制御する制御装置と、を備えることを特徴とする、パワーモジュール。
【請求項２】
請求項１に記載のパワーモジュールにおいて、前記制御装置は、前記パワー半導体素子の駆動電流に対するオン電圧の温度依存性が正と負の間で逆転する電流値（以下、クロスポイント）を記録する記録媒体と、前記クロスポイントと前記駆動電流値との関係に基づいて前記温度調整装置を制御する制御部を備えることを特徴とする、パワーモジュール。
【請求項３】
請求項１又は２に記載のパワーモジュールにおいて、前記パワー半導体素子が、ＳｉＣ、ＧａＮ又はダイアモンドを材料として構成されていることを特徴とする、パワーモジュール。
【請求項４】
請求項１乃至３の何れか１項に記載のパワーモジュールを備えたことを特徴とする、ハイブリッド車又は電気自動車。
【請求項５】
請求項４に記載のハイブリッド車又は電気自動車において、前記温度調整装置は水冷装置であり、前記水冷装置に車両の駆動機構の冷却水を導入する経路を設けたことを特徴とする、ハイブリッド車又は電気自動車。
【請求項６】
複数が並列に接続されたパワー半導体素子と、
前記パワー半導体素子の駆動電流を検知する電流検知装置と、
前記駆動電流に基づいて前記パワー半導体素子の作動個数を制御する切替装置と、を備えることを特徴とする、パワーモジュール。
【請求項７】
請求項６に記載のパワーモジュールを搭載したことを特徴とする、ハイブリッド車又は電気自動車。
【請求項１】
パワー半導体素子と、
前記パワー半導体素子の温度を調整する温度調整装置と、
前記パワー半導体素子の駆動電流を検知する電流検知装置と、
前記電流検知装置によって検知された前記駆動電流に基づいて、前記温度調整装置を制御する制御装置と、を備えることを特徴とする、パワーモジュール。
【請求項２】
請求項１に記載のパワーモジュールにおいて、前記制御装置は、前記パワー半導体素子の駆動電流に対するオン電圧の温度依存性が正と負の間で逆転する電流値（以下、クロスポイント）を記録する記録媒体と、前記クロスポイントと前記駆動電流値との関係に基づいて前記温度調整装置を制御する制御部を備えることを特徴とする、パワーモジュール。
【請求項３】
請求項１又は２に記載のパワーモジュールにおいて、前記パワー半導体素子が、ＳｉＣ、ＧａＮ又はダイアモンドを材料として構成されていることを特徴とする、パワーモジュール。
【請求項４】
請求項１乃至３の何れか１項に記載のパワーモジュールを備えたことを特徴とする、ハイブリッド車又は電気自動車。
【請求項５】
請求項４に記載のハイブリッド車又は電気自動車において、前記温度調整装置は水冷装置であり、前記水冷装置に車両の駆動機構の冷却水を導入する経路を設けたことを特徴とする、ハイブリッド車又は電気自動車。
【請求項６】
複数が並列に接続されたパワー半導体素子と、
前記パワー半導体素子の駆動電流を検知する電流検知装置と、
前記駆動電流に基づいて前記パワー半導体素子の作動個数を制御する切替装置と、を備えることを特徴とする、パワーモジュール。
【請求項７】
請求項６に記載のパワーモジュールを搭載したことを特徴とする、ハイブリッド車又は電気自動車。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【公開番号】特開２０１２−２２８１１４（Ｐ２０１２−２２８１１４Ａ）
【公開日】平成２４年１１月１５日（２０１２．１１．１５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−９５１２１（Ｐ２０１１−９５１２１）
【出願日】平成２３年４月２１日（２０１１．４．２１）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１１月１５日（２０１２．１１．１５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年４月２１日（２０１１．４．２１）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
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