專利名稱：用于釋放殘留在驅動裝置中的電容器中的電荷的方法
技術領域：
本發明涉及一種驅動裝置、在其上安裝有該驅動裝置的車輛以及用于控制該驅動裝置的方法。更特別地，本發明涉及一種釋放殘留在該驅動裝置中的電容器中的電荷的技術。
背景技術：
近年來，作為環保型車輛的電動車輛被給予了極大關注，電動車輛上安裝有蓄電裝置(例如，二次電池或電容器)并且利用由蓄電裝置中蓄積的電力產生的驅動力來行駛。該電動車輛包括例如電氣自動車、混合動力車、燃料電池車等。
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該電動車輛可包括電動發電機，在啟動或加速時，所述電動發電機用于接收來自蓄電裝置的電力并且產生用于行駛的驅動力，而在制動時，所述電動發電機通過再生制動而產生電力并且將電能蓄積在蓄電裝置中。為了根據如上所述的行駛狀態來控制電動發電機，通過變換器和逆變器變換電力的電力變換裝置安裝在電動車輛上。該電力變換裝置包括大容量平滑電容器以穩定供給的DC電力。在電力變換裝置工作期間，與施加的電壓相對應的電荷被蓄積在平滑電容器中。例如當車輛碰撞發生時，必須快速地釋放蓄積在平滑電容器中的這些電荷。公開號為2004-201439的日本專利公開了這樣一種構造在混合動力車或電氣自動車中，當電動機的驅動停止時，包括在電壓變換系統中的電容器中殘留的電荷被回充到DC電源，并且當電容器兩端的電壓變得等于或低于DC電源的電壓并且無法進行回充時，通過電壓變換系統中包括的變換器的重復升壓操作和降壓操作，借助變換器來釋放殘留在電容器中的電荷。根據在公開號為2004-201439的日本專利所公開的技術，當車輛碰撞發生并且電動機的驅動停止時，蓄積在電容器中的電荷被回充，并且此后殘留電荷被變換器消耗。因此，能夠消除當碰撞發生時蓄積在電容器中的高壓電力對周圍的影響。然而，根據碰撞的狀態，可隨著時間的推移來減少或中斷向控制裝置的供電。于是，在一些情況下，無法輸出用于驅動變換器的指令，并且無法適當地釋放殘留在電容器中的電荷。因此,例如，當碰撞發生時,必須盡快釋放殘留在電容器中的電荷。
發明內容
本發明能夠解決上述問題，其目的是在能夠利用來自蓄電裝置的電力而行駛的車輛中盡快釋放蓄積在驅動裝置中的電容器中的殘留電荷。根據本發明的驅動裝置為一種利用來自蓄電裝置的電力來驅動安裝在車輛上的旋轉電機的驅動裝置。所述驅動裝置包括電力變換裝置，其包括切換元件并且變換來自所述蓄電裝置的所述電力；電容器，其與所述電力變換裝置并聯連接；以及控制裝置，其用于驅動所述切換元件的控制端子并且釋放蓄積在所述電容器中的電荷。所述電力變換裝置包括多個逆導型半導體元件。所述多個逆導型半導體元件中的每個由第一半導體元件和第二半導體元件一體地形成，所述第一半導體元件作為所述切換元件而工作，而所述第二半導體元件并聯連接至所述第一半導體元件并且作為續流二極管而工作。在對所述電容器進行放電操作時，所述控制裝置在通過所述第二半導體元件進行的電流循環操作期間改變施加到所述第一半導體元件的所述控制端子的電壓并且增加所述第二半導體元件中的電力損耗。優選地，所述多個逆導型半導體元件中的每個具有如下特性在所述電流循環操作期間，所述第二半導體元件的傳導電阻隨著施加到所述第一半導體元件的所述控制端子的電壓的增加而增大。在對所述電容器進行放電時，所述控制裝置將施加到所述多個逆導型半導體元件中的存在于所述電流循環操作期間的循環路徑中的逆導型半導體元件中包括的所述第一半導體元件的所述控制端子的所述電壓設定為比當所述旋轉電機被驅動時施加的電壓高。優選地，所述電力變換裝置為逆變器，所述逆變器包括所述多個逆導型半導體元·利用所述逆變器和所述旋轉電機來釋放所述電容器中的電荷。優選地，所述控制裝置通過不使所述旋轉電機旋轉地使包括在所述旋轉電機中的線圈消耗所述電荷來釋放所述電容器中的電荷。優選地，所述電力變換裝置為這樣一種變換器其包括所述多個逆導型半導體元件中的至少一個和電抗器，并且變換從所述蓄電裝置供給的DC電壓，所述多個逆導型半導體元件中的所述至少一個和所述電抗器構成斬波電路。在對所述電容器進行放電時，所述控制裝置控制所述變換器以利用所述電抗器來釋放所述電容器中的電荷。優選地，在所述多個逆導型半導體元件的每個中，所述第一半導體元件由IGBT形成，并且所述第二半導體元件由與所述IGBT反并聯連接的二極管形成。優選地，所述多個逆導型半導體元件中的每個由功率MOSFET形成，并且所述第二半導體元件為所述功率MOSFET的寄生二極管。優選地，車輛包括用于對車輛的碰撞進行檢測的碰撞檢測單元。當所述碰撞檢測單元檢測到車輛的碰撞時，所述控制裝置驅動所述切換元件的控制端子并且釋放蓄積在所述電容器中的電荷。根據本發明的另一方案，根據本發明的驅動裝置為一種通過利用來自蓄電裝置的電力來驅動安裝在車輛上的旋轉電機的驅動裝置，所述驅動裝置包括逆變器，其用于驅動所述旋轉電機；電容器，其與所述逆變器并聯連接；以及控制裝置，其用于驅動所述切換元件的控制端子并且釋放蓄積在所述電容器中的電荷。所述逆變器具有至少一個逆導型半導體元件，所述逆導型半導體元件由第一半導體元件和第二半導體元件一體地形成，所述第一半導體元件作為切換元件而工作，而所述第二半導體元件并聯連接至所述第一半導體元件并且作為續流二極管而工作。在對所述電容器進行放電操作時，所述控制裝置在通過所述第二半導體元件進行的電流循環操作期間改變施加到所述第一半導體元件的所述控制端子的電壓并且增加所述第二半導體元件中的電力損耗。
優選地，所述驅動裝置進一步包括變換器，所述變換器具有所述逆導型半導體元件，并且所述變換器變換來自所述蓄電裝置的DC電壓且將變換后的DC電壓供給所述逆變器。根據本發明的又一方案，本發明涉及一種車輛，包括蓄電裝置；旋轉電機；以及驅動裝置，其通過利用來自所述蓄電裝置的電力來驅動所述旋轉電機并且產生行駛驅動力。所述驅動裝置包括電力變換裝置，其具有切換元件并且變換來自所述蓄電裝置的所述電力；電容器，其與所述電力變換裝置并聯連接；以及控制裝置，其用于驅動所述切換元件的控制端子并且釋放蓄積在所述電容器中的電荷。所述電力變換裝置包括多個逆導型半導體元件。所述多個逆導型半導體元件中的每個由第一半導體元件和第二半導體元件一體地形成，所述第一半導體元件作為所述切換元件而工作，而所述第二半導體元件并聯連接至所述第一半導體元件并且作為續流二極管而工作。在對所述電容器進行放電操作時，所述控制裝置在通過所述第二半導體元件進行的電流循環操作期間改變施加到所述第一半導體元件的所述控制端子的電壓并且增加所述第二半導體元件中的電力損耗。根據本發明的另一方案，本發明涉及一種控制驅動裝置的方法，所述驅動裝置通·過利用來自蓄電裝置的電力來驅動安裝在車輛上的旋轉電機，所述驅動裝置包括電力變換裝置，其具有切換元件并且變換來自所述蓄電裝置的電力；以及電容器，其與所述電力變換裝置并聯連接。所述電力變換裝置包括多個逆導型半導體元件。所述多個逆導型半導體元件中的每個由第一半導體元件和第二半導體元件一體地形成，所述第一半導體元件作為所述切換元件而工作，而所述第二半導體元件并聯連接至所述第一半導體元件且作為續流二極管而工作。所述方法包括如下步驟驅動所述切換元件的控制端子并且釋放蓄積在所述電容器中的電荷；以及在釋放所述電容器中的電荷時，在通過所述第二半導體元件進行的電流循環操作期間改變施加到所述第一半導體元件的所述控制端子的電壓并且增加所述第二半導體元件中的電力損耗。本發明的主要效果是在能夠利用來自所述蓄電裝置的電力行駛的車輛中盡快釋放蓄積在所述驅動裝置中的所述電容器中的殘留電荷。通過下面結合附圖對本發明的詳細說明，本發明的前述的以及其它的目的、特征、方案和優點將變得更加顯而易見。
圖I為在其上安裝有根據本發明的實施例的驅動裝置的車輛的整體框圖。圖2為用于說明由IGBT和二極管形成的逆導型半導體元件的一個示例的圖。圖3為用于說明由功率MOSFET形成的逆導型半導體元件的一個示例的圖。圖4為用于說明當柵極電壓變化時續流二極管中的電壓和電流之間的關系的曲線圖。圖5為用于說明當逆變器用于釋放電容器中殘留的電荷時的電流流動的第一圖。圖6為用于說明當逆變器用于釋放電容器中殘留的電荷時的電流流動的第二圖。圖7為示出切換元件的切換操作和負載電流之間的關系的一個示例的曲線圖。圖8為用于說明驅動切換元件的正時的第一示例的圖。圖9為用于說明驅動切換元件的正時的第二示例的圖。
圖10為用于說明在本實施例中的MG-ECU中執行的殘留電荷釋放控制過程的流程圖。圖11為用于說明當變換器用于釋放電容器中殘留的電荷時的電流流動的圖。
具體實施例方式下面將參照附圖對本發明的實施例進行詳細說明，其中相同或相應的部分由相同的附圖標記表示，并且將不再重復對它們的描述。圖I為在其上安裝有根據本發明的實施例的驅動裝置的車輛100的整體框圖。盡管在本實施例中通過舉例的方式將車輛100描述作為電氣自動車，但是車輛100的構造不限于此。只要車輛100為能夠利用來自蓄電裝置的電力行駛的車輛，本發明都是適用的。除了電氣自動車外，車輛100還包括例如混合動力車、燃料電池車等。參照圖1，車輛100包括蓄電裝置110、系統主繼電器(SMR) 115、用作驅動裝置的
P⑶(功率控制單元)120、電動發電機160、動力傳送齒輪165、驅動輪170、碰撞檢測單元180、輔助電池190以及HV-ECU (電子控制單元)300。PCU 120包括變換器130、逆變器140、MG-ECU 350、柵極驅動單元360和電容器Cl至C3。在P⑶120中，MG-E⑶350和柵極驅動單元360構成了控制單元370。P⑶120中的各個裝置通常容納在相同的殼體中并且通過電纜、匯流條等與PCU 120外部的其它裝置聯接。蓄電裝置110為被構造為可再充電的電力蓄積元件。蓄電裝置110例如被構造為包括諸如鋰離子電池、鎳金屬氫化物電池或鉛蓄電池的二次電池或者諸如雙電層電容器的蓄電元件。蓄電裝置110通過電力線路PLl和NLl與P⑶120中的變換器130連接。蓄電裝置110將用于驅動電動發電機160的電力供至P⑶120。蓄電裝置110還蓄積由電動發電機160產生的電力。例如，蓄電裝置110的輸出大約為200V。SMR115中包含的繼電器連接至蓄電裝置110和電力線路PLl或NL1。根據來自HV-E⑶300的控制信號SEl來控制SMR 115，并且SMR 115對蓄電裝置110和變換器130之間的電力供給以及電力中斷進行切換。電容器Cl連接在電力線路PLl和電力線路NLl之間。電容器Cl減少電力線路PLl和電力線路NLl之間的電壓波動。電壓傳感器150檢測施加到電容器Cl的電壓并且將檢測值VL輸出到MG-ECU 350。變換器130包括切換元件Ql和Q2、二極管Dl和D2以及電抗器LI。切換元件Ql和Q2串聯地連接在電力線路PL2和NLl之間，將從電力線路PL2朝向電力線路NLl的方向取為正向。雖然在本實施例中通過舉例的方式將切換元件描述為IGBT，但是也可使用功率MOS (金屬氧化物半導體)晶體管、功率雙極晶體管等作為其它示例。反并聯二極管Dl和D2分別與切換元件Ql和Q2連接。電抗器LI設置在電力線路PLl和將切換元件Ql和Q2連接的節點之間。換句話說，變換器130構成了斬波電路。根據基于來自MG-E⑶350的控制信號PWC而由柵極驅動單元360生成的柵極電壓信號VGC來控制切換元件Ql和Q2，并且切換元件Ql和Q2執行電力線路PL1、NLl和電力線路PL2、NLl之間的電壓變換操作。基本上控制變換器130以使得切換元件Ql和Q2在每個切換周期內交替地以互補的方式導通/切斷。在升壓操作期間，變換器130使來自蓄電裝置110的DC電壓升壓。該升壓操作通過如下方式執行經由切換元件Ql和反并聯二極管Dl將在切換元件Q2的導通期間內蓄積在電抗器LI中的電磁能供給至電力線路PL2。在降壓操作期間，變換器130使來自逆變器140的DC電壓降壓。該降壓操作通過如下方式執行經由切換元件Q2和反并聯二極管D2將在切換元件Ql的導通期間內蓄積在電抗器LI中的電磁能供給至電力線路NLl。根據上述切換周期中切換元件Ql的導通期間與切換元件Q2的導通期間之間的比率(占空比)來控制這些升壓操作和降壓操作中的電壓變換比。應注意的是，當不需要升壓操作和降壓操作時，還能夠通過設定控制信號PWC而將電壓變換比設定為1.0 (占空比=100%),從而將切換元件Ql選定為導通而將切換元件Q2選定為切斷。應注意的是，變換器130在本發明中不是必須的，并且本發明可具有這樣的構造·來自蓄電裝置110的輸出電壓直接供至逆變器140。電容器C2連接在連接變換器130和逆變器140的電力線路PL2和NLl之間。電容器C2減少電力線路PL2和電力線路NLl之間的電壓波動。電壓傳感器155檢測施加到電容器C2的電壓并且將檢測值VH輸出至MG-ECU350。逆變器140通過電力線路PL2和NLl連接至變換器130。根據基于來自MG-E⑶350的控制信號PWI而由柵極驅動單元360生成的柵極電壓信號VGI來控制逆變器140，并且逆變器140將自變換器130輸出的DC電力變換為用于驅動電動發電機160的AC電力。逆變器140包括U相臂141、V相臂142和W相臂143，U相臂141、V相臂142和W相臂143構成了橋接電路。U相臂141、V相臂142和W相臂143并聯地連接在電力線路PL2和電力線路NLl之間。U相臂141包括切換元件Q3和Q4以及二極管D3和D4，切換元件Q3和Q4串聯地連接在電力線路PL2和電力線路NLl之間，二極管D3和D4分別并聯地連接至切換元件Q3和Q4。二極管D3的陰極連接至切換元件Q3的集電極，其陽極連接至切換元件Q3的發射極。二極管D4的陰極連接至切換元件Q4的集電極，其陽極連接至切換元件Q4的發射極。V相臂142包括切換元件Q5和Q6以及二極管D5和D6，切換元件Q5和Q6串聯地連接在電力線路PL2和電力線路NLl之間，二極管D5和D6分別并聯地連接至切換元件Q5和Q6。二極管D5的陰極連接至切換元件Q5的集電極，其陽極連接至切換元件Q5的發射極。二極管D6的陰極連接至切換元件Q6的集電極，其陽極連接至切換元件Q6的發射極。W相臂143包括切換元件Q7和Q8以及二極管D7和D8，切換元件Q7和Q8串聯地連接在電力線路PL2和電力線路NLl之間，二極管D7和D8分別并聯地連接至切換元件Q7和Q8。二極管D7的陰極連接至切換元件Q7的集電極，其陽極連接至切換元件Q7的發射極。二極管D8的陰極連接至切換元件Q8的集電極，其陽極連接至切換元件Q8的發射極。例如，電動發電機160為三相AC電動發電機，其包括其中嵌入有永磁體的轉子以及具有在中性點處為“Y”連接的三相線圈的定子。U相線圈、V相線圈和W相線圈中的每個的一端連接至中性點。U相線圈的另一端連接至將切換元件Q3和Q4相連接的節點。V相線圈的另一端連接至將切換元件Q5和Q6相連接的節點。W相線圈的另一端連接至將切換元件Q7和Q8相連接的節點。電動發電機160的輸出扭矩經由由減速器和功率分配裝置形成的動力傳送齒輪165傳送至驅動輪170并且使車輛100行駛。在車輛100的再生制動操作期間，電動發電機160能夠利用驅動輪170的旋轉力而產生電力。所產生的電力通過逆變器140變換為用于對蓄電裝置110進行充電的電力。在除電動發電機160之外還安裝有發動機(未示出)的混合動力車中，該發動機和電動發電機160以協作的方式操作以產生必要的車輛驅動力。在此情況下，還能夠利用由于發動機的旋轉而產生的電力對蓄電裝置110進行充電。雖然圖I示出了這種設置有一個電動發電機的構造，但是電動發電機的數量不限于此。可設置有多個電動發電機。例如，在包括兩個電動發電機的混合動力車的情況下，一個電動發電機可專用作用于驅動驅動輪170的電動機，而另一個電動發電機可專用作由發
動機驅動的發電機。碰撞檢測單元180包括未示出的傳感器(例如，G傳感器)并且檢測車輛100是否已碰撞。然后，碰撞檢測單元180將碰撞檢測信號COL輸出至HV-E⑶300。HV-ECU 300和MG-ECU 350包括CPU (中央處理單元)、存儲裝置和輸入/輸出緩沖器，但是在圖I中未示出這些部件。HV-E⑶300和MG-E⑶350接收來自各個傳感器等的信號或者將控制信號輸出至各個裝置，并且控制車輛100以及各個裝置。HV-E⑶300為對整個車輛進行集中控制的控制裝置，而MG-E⑶350為用于控制P⑶120中的裝置(變換器130、逆變器140、柵極驅動單元360等)的控制裝置。HV-ECU 300和MG-ECU 350中的控制不限于通過軟件進行的處理，還能夠通過專用硬件(電子電路)來實現所述控制。盡管在圖I中通過舉例的方式示出了將HV-E⑶300和MG-E⑶350單獨設置為控制裝置的構造，但是控制裝置的構造不限于此。例如，HV-E⑶300和MG-E⑶350可集成到一個控制裝置中，或者可為各個裝置和各項功能設置多個控制裝置。HV-ECU 300接收來自碰撞檢測單元180的碰撞檢測信號COL。HV-ECU300還接收來自MG-ECU 350的由電壓傳感器150和155檢測到的電壓VL和VH。HV-ECU 300基于用戶對加速器的操作、電動發電機160的轉速等來計算變換器130的目標升壓電壓VR和目標要求扭矩TR。然后，HV-E⑶300將目標升壓電壓VR、目標要求扭矩TR和碰撞檢測信號COL輸出至 MG-ECU350。MG-ECU 350基于來自HV-ECU 300的目標升壓電壓VR和目標要求扭矩TR、通過電壓傳感器150和155的檢測值VL和VH、電動發電機160的電流和轉速等來生成分別用于驅動變換器130和逆變器140的控制信號PWC和PWI。MG-E⑶350將這些控制信號PWC和PWI輸出至柵極驅動單元360。柵極驅動單元360基于控制信號PWC和PWI而生成分別用于驅動包括在變換器130和逆變器140中的各個切換元件的柵極的柵極電壓信號VGC和VGI，并且分別將柵極電壓信號VGC和VGI輸出至變換器130和逆變器140。MG-E⑶350還接收來自HV-E⑶300的車輛100的碰撞檢測信號C0L。在接收到碰撞檢測信號COL時，MG-E⑶350生成控制信號PWC和PWI以通過利用電動發電機160和/或變換器130而釋放蓄積在電容器C2中的殘留電荷。輔助電池190為用于將電源電壓供至控制裝置(諸如各個E⑶)以及車輛100的低壓裝置(諸如未示出的輔助裝置)的電壓源。例如，輔助電池190通常由鉛蓄電池形成并且輔助電池190的輸出電壓大約為12V。輔助電池190通過電力線路PL3連接至HV-ECU 300、MG_ECU 350和柵極驅動單元360并且將電源電壓供給至這些裝置。在P⑶120中，電容器C3設置在電力線路PL3和地之間。電容器C3為這樣的備用電容器當從輔助電池190至PCU 120的電源電壓的供給被中斷時，電容器C3暫時使MG-E⑶350和柵極驅動單元360工作，并且利用來自輔助電池190的電壓蓄積電力。結果，即使當從輔助電池190至PCU 120的電源電壓的供給由于碰撞等而中斷時，MG-ECU 350和柵極驅動單元360也能夠利用蓄積在電容器C3中的電力而暫時工作。在具有上述構造的車輛100中，當車輛100利用來自電動發電機160的驅動力而行駛時，P⑶120中的電容器Cl和C2在其中蓄積有電荷。當在此狀態下發生碰撞時，為了抑制由短路、接地故障等引起的裝置的損壞以及對于周圍的影響，期望盡快釋放蓄積在電容器Cl和C2中的殘留電荷。
·電動發電機160以使電動發電機160中的線圈消耗電荷、或者通過重復變換器130的升壓操作和降壓操作以使包括在變換器130中的電抗器LI消耗電荷來實現這種放電。在這種情況下，MG-E⑶350和柵極驅動單元360必須工作以驅動變換器130和逆變器140。然而，當從輔助電池190至PCU 120的電源電壓的供給由于例如碰撞而中斷時，僅以蓄積在電容器C3中的電力可能不能完成放電操作。為了解決該問題而增大電容器C3的容量導致了成本的增加。因此，即使當從輔助電池190到rcu 120的電源電壓的供給在碰撞發生時中斷，也必須在不增大電容器C3的容量的情況下可靠地完成放電操作。在P⑶120中的變換器130和逆變器140中，可以使用由切換元件和與切換元件反并聯連接的續流二極管(FWD)—體形成的所謂的逆導型半導體元件。該逆導型半導體元件具有如下特性在電流流經續流二極管的同時，當對應的切換元件的柵極電壓升高時，續流二極管的傳導電阻也增加，下面將對此進行說明。因此，在本實施例中，在諸如變換器130和逆變器140的電力變換裝置包括這種逆導型半導體元件的情況下，上述特性被用于縮短放電時間。圖2為逆導型半導體元件200的截面結構的示例的示意圖。圖2中的逆導型半導體元件是由IGBT和二極管形成的，也稱為RC-IGBT (逆導IGBT)。參照圖2，逆導型半導體元件200的表面具有所謂的溝槽柵型結構。另一方面，背面是由將形成IGBT區域的集電極層(P+層)210和將形成FWD區域的陰極層(N+層)220形成的。通過這種構造，當集電極210 —側上的電位高于發射極260 —側上的電位時，通過將柵極電壓施加到IGBT區域中的溝槽柵230，電流從集電極210流經P基極層240而到達發射極260。當發射極260 —側上的電位高于集電極210 —側上的電位時，在FWD區域中電流從陽極流到陰極220。雖然在圖2中通過舉例的方式示出了溝槽柵型IGBT，但是也可以使用平面柵型IGBT。圖3示出了由功率MOSFET形成的逆導型半導體元件400的截面結構的示例。功率MOSFET包括寄生二極管，因此當陽極420的電位高于陰極410的電位時，該寄生二極管使電流從陽極420流到陰極410。另一方面，當漏極410的電位高于源極420的電位時，通過將柵極電壓施加到溝槽柵430，電流從漏極410流到源極420。在這種逆導型半導體元件中，公知的是在逆導型半導體元件作為二極管工作時，當柵極電壓升高時，二極管的正向特性降低而傳導電阻增加。這是因為，柵極電壓升高致使P基極層中的溝道區域擴大并且圖2中的P基極層240和N-層250之間的電位差減小。圖4是示出當柵極電壓變化時二極管即逆導型半導體元件的正向特性的一個示例的曲線圖。在圖4中，水平軸表示二極管即逆導型半導體元件的正向電壓Vf，垂直軸表示流經逆導型半導體元件的電流If。參照圖4，隨著柵極電壓升高，正向特性的曲線從線WlO變為線W13。因此，當柵極電壓在相同大小的電流經過的同時升高時，工作點從例如圖4中的點Pl變到點P2，并且逆導型半導體元件中的電壓降變大。換句話說，逆導型半導體元件中的傳導損耗增加。在本實施例中，在PCU中使用包括逆導型半導體元件的諸如逆變器和變換器的電力變換裝置的情況下，逆導型半導體元件的上述特性用于在短時間內釋放殘留在PCU中的電容器中的電荷。將參照圖5至圖7對釋放殘留在電容器中的電荷的操作進行說明。參照圖5，例如，基于來自柵極驅動單元360的柵極電壓信號VGI，使得逆變器140中U相臂141的上臂中的切換元件Q3和V相臂142的下臂中的切換元件Q6導通。結果，電流從電容器C2流出(如圖5中的箭頭ARl所示)，并且能量蓄積在電動發電機160的U相線圈和V相線圈中。此后，在圖5所示的狀態下，使U相臂141的上臂中的切換元件Q3不再導通，如圖6所示。然后，由于蓄積在U相線圈和V相線圈中的能量，電流循環經過切換元件Q6和二極管D4，如圖6中的箭頭AR2所示。此時，電流流經U相線圈和V相線圈以及各個元件時的傳導損耗致使放電。此后，當再次使得切換元件Q3導通時，電流再次從電容器C2流到U相線圈和V相線圈。如上所述，通過使切換元件Q3按適當的占空比在導通狀態和非導通狀態之間切換，如圖7所示隨著時間推移逐漸地釋放殘留在電容器C2中的電荷。應當注意的是，圖7中的線W20表示流經負載(諸如上述U相線圈和V相線圈)的電流，箭頭ARlO表示在圖5中所示的狀態下的電流，箭頭AR20表示在圖6中所示的狀態下的電流。另外，虛線W21表示平均負載電流。在上述放電操作中，無論柵極電壓是否施加到切換元件Q4，作為續流二極管工作的二極管D4都被導通。然而，當切換元件Q4和二極管D4是由上述逆導型半導體元件形成時，二極管D4中的傳導損耗會由于柵極電壓的升高而增加。結果，電流循環操作中的電力消耗增加，并且能夠縮短放電時間。已經參照圖5和圖6對U相臂141中的切換元件被切換以通過利用U相線圈和V相線圈來釋放殘留電荷的情況進行了說明。然而，除了切換元件Q6之外，還可使得W相臂143中的切換元件Q8導通以通過進一步利用W相線圈來執行放電操作。另外，代替U相臂141或者除U相臂141，V相臂142和W相臂143中的切換元件也可被切換以執行放電操作。
圖8是示出當在本實施例中執行上述放電操作時的柵極電壓的時序圖。在圖8中，水平軸表不時間，垂直軸表不用于切換兀件Q3和Q4的柵極電壓信號。參照圖8，在PWM控制中，當電動發電機被驅動以使車輛行駛時，柵極電壓信號可施加到上臂中的切換元件以使切換元件導通，并且正側AC電壓被供給至電動發電機的線圈。在這種情況下，當上臂中的切換元件處于非導通狀態時(柵極電壓信號斷開)，通過下臂中的二極管使電流循環發生。此時，為了不造成任何不必要的損耗，柵極電壓信號通常不施加到下臂中的切換元件。然而，當碰撞發生時，為了增加下臂中的二極管中的傳導損耗，在上臂中的切換元件處于非導通狀態的同時，將柵極電壓信號施加到下臂中的切換元件。如參照圖3所描述的，隨著柵極電壓升高，二極管中的傳導損耗增加。因此，所施加的柵極電壓更優選地被設定為電壓VGI-2，其比在使車輛行駛的常規驅動中所使用的柵極電壓VGI-I高。理想地，期望將所施加的柵極電壓設定為能夠施加到柵極的最大額定電壓。應注意的是，為了防止因使上臂中的切換元件和下臂中的切換元件同時導通而導致的短路，通常在施加到上臂中的切換元件的柵極電壓和施加到下臂中的切換元件的柵極電壓之間設置停滯時間(deadtime) Δt。另外，如圖9所示，同樣在使車輛行駛的常規驅動的情況下，可進行控制以使柵極電壓交替地以互補的方式施加到上臂中的切換元件和下臂中的切換元件(圖9中的虛線·極電壓高的柵極電壓施加到下臂中的切換元件，如圖9中的實線W31所示，從而能夠增加下臂中的二極管中的傳導損耗。圖10是用于說明在本實施例中當發生車輛碰撞時在MG-E⑶350中執行的殘留電荷釋放控制過程的流程圖。圖10中所示的流程圖中的每個步驟是通過按預定周期從主程序調用預先存儲在MG-ECU 350中的程序并且執行所述程序來實現的。可選地，步驟的一部分還能夠通過專用硬件(電子電路)來實現。參照圖I和圖10，在步驟(下文簡寫為S) 100中，MG-ECU 350基于來自HV-ECU 300的碰撞檢測信號COL來判定是否已檢測到車輛100的碰撞。應注意的是，同樣在HV-E⑶300和MG-E⑶350之間的通信被中斷并且MG-E⑶350由于碰撞或其它因素而無法接收到碰撞檢測信號COL的情況下，因為存在碰撞的可能，所以MG-E⑶350可判定已經檢測到碰撞。如果未檢測到碰撞(S100中為否)，則該過程是不必要的，因此MG-E⑶350跳過后續過程并且結束該過程。如果已經檢測到碰撞(S100中為是)，則過程繼續進行到S110，并且MG-E⑶350將續流一側上的切換元件的柵極電壓設定為比車輛行駛時的常規操作中的柵極電壓高。然后，在S120中，MG-E⑶350驅動逆變器140中的切換元件并且執行如上所述的釋放殘留在電容器C2中的電荷的操作。此后，在S130中，MG-E⑶350判定施加到電容器C2的電壓VH是否小于預定閾值α。該閾值α可被設定為例如60V。如果電壓VH大于閾值a (S130中為否)，則放電操作尚未完成。因此，過程返回至S120，并且MG-E⑶350繼續放電操作，直到電壓VH變得小于閾值α為止。如果電壓VH小于閾值a (S130中為是)，則MG-E⑶350判定出釋放殘留在電容器C2中的電荷已經完成并且結束放電操作。通過依照上述過程的控制，當車輛碰撞發生時，能夠縮短用于釋放包括在P⑶中的電容器中殘留的電荷的時間。其結果是，即使當從輔助電池到PCU的電源電壓的供給被中斷，也能夠在不使用大容量備用電容器的情況下完成放電操作。因此，能夠防止成本增加。(變型例)在上述實施例中已經對驅動逆變器并且利用電動發電機來釋放殘留電荷的構造進行了說明。在如圖I所示的這種來自蓄電裝置的DC電壓被變換器升壓并且供給至逆變器的構造中，可使變換器工作以釋放電容器中殘留的電荷，代替或外加于利用逆變器和電動發電機的上述放電操作。圖11為用于說明利用圖I中的變換器130來釋放電容器C2中殘留的電荷的操作的圖。參照圖I和圖11，在常規行駛期間，來自蓄電裝置110的DC電壓被變換器130升壓，因此施加到電容器C2的電壓通常高于施加到電容器Cl的電壓。當碰撞發生時，柵極電壓施加到切換元件Ql以使切換元件Ql導通從而釋放電容器C2中殘留的電荷，并且電流從電容器C2流經切換元件Ql和電抗器LI而到達電容器Cl，如箭頭AR3所示。此時，能量被蓄積在電抗器LI中。此后，使切換元件Ql不再導通，并且柵極電壓施加到切換元件Q2。然后，在蓄積在電抗器LI中的能量被釋放至電容器Cl的同時，電流流過如虛線箭頭AR4所示的循環路徑。在切換元件Ql和Q2為逆導型半導體元件的情況下，能夠增加二極管D2的傳導電阻，并且能夠通過利用逆變器如上文示例中所示的增加施加到切換元件Q2的柵極電壓來增加二極管D2中的傳導損耗。如上所述，在如圖I所示的具有包括逆導型半導體元件的變換器的構造的情況下，通過除了借助逆變器和電動發電機的上述放電操作之外還借助變換器執行放電操作，并且通過增加施加到循環路徑中的切換元件的柵極電壓以及增加變換器中的二極管中的傳導損耗，能夠進一步縮短用于釋放殘留電荷的時間。另外，借助變換器的放電操作能夠在PCU的內部執行而不使用位于PCU外部的諸如電動發電機的裝置。因此，例如，即使當電動發電機和PCU之間的諸如電纜的傳導路徑由于碰撞的發生而斷開時，也能夠單獨利用變換器在PCU中釋放殘留電荷。此時，能夠通過增加施加到循環路徑中的切換元件的柵極電壓并且增加變換器中的二極管中的傳導損耗來縮短利用變換器的放電時間。為了便于理解，在上述實施例中已經通過舉例的方式對當車輛碰撞發生時釋放殘留在電容器中的電荷的情況進行了說明。然而，上述控制也可適用于在除了車輛碰撞之外的情況下必須釋放殘留在電容器中的電荷時。應注意的是，本實施例中的“控制單元370 ”對應于本發明中的“控制裝置”。雖然已經對本發明進行了詳細地說明和闡述，但應清楚理解的是，本發明僅通過示例和舉例的方式進行，而不應采用限制的方式，本發明的范圍由隨附的權利要求書中的術語進行解釋。
權利要求
1.一種驅動裝置，其通過利用來自蓄電裝置的電力來驅動安裝在車輛上的旋轉電機，所述驅動裝置包括 電力變換裝置，其包括切換元件并且變換來自所述蓄電裝置的所述電力； 電容器，其與所述電力變換裝置并聯連接；以及 控制裝置，其用于驅動所述切換元件的控制端子并且釋放蓄積在所述電容器中的電荷，其中 所述電力變換裝置包括多個逆導型半導體元件， 所述多個逆導型半導體元件中的每個由第一半導體元件和第二半導體元件一體地形成，所述第一半導體元件作為所述切換元件而工作，而所述第二半導體元件并聯連接至所述第一半導體元件并且作為續流二極管而工作，并且 在對所述電容器進行放電操作時，所述控制裝置在通過所述第二半導體元件進行的電流循環操作期間改變施加到所述第一半導體元件的所述控制端子的電壓并且增加所述第二半導體元件中的電力損耗。
2.根據權利要求I所述的驅動裝置，其中 所述多個逆導型半導體元件中的每個具有如下特性在所述電流循環操作期間，所述第二半導體元件的傳導電阻隨著施加到所述第一半導體元件的所述控制端子的電壓的增加而增大，并且 在對所述電容器進行放電時，所述控制裝置將施加到所述多個逆導型半導體元件中的存在于所述電流循環操作期間的循環路徑中的逆導型半導體元件中包括的所述第一半導體元件的所述控制端子的所述電壓設定為比當所述旋轉電機被驅動時施加的電壓高。
3.根據權利要求2所述的驅動裝置，其中 所述電力變換裝置為逆變器，該逆變器包括所述多個逆導型半導體元件中的至少一個并且驅動所述旋轉電機，并且 在對所述電容器進行放電時，所述控制裝置通過利用所述逆變器和所述旋轉電機來釋放所述電容器中的所述電荷。
4.根據權利要求3所述的驅動裝置，其中 所述控制裝置通過不使所述旋轉電機旋轉地使包括在所述旋轉電機中的線圈消耗所述電荷來釋放所述電容器中的所述電荷。
5.根據權利要求2所述的驅動裝置，其中 所述電力變換裝置為這樣一種變換器其包括所述多個逆導型半導體元件中的至少一個和電抗器，并且變換從所述蓄電裝置供給的DC電壓，所述多個逆導型半導體元件中的所述至少一個和所述電抗器構成斬波電路，并且 在對所述電容器進行放電時，所述控制裝置控制所述變換器以利用所述電抗器來釋放所述電容器中的所述電荷。
6.根據權利要求I所述的驅動裝置，其中 在所述多個逆導型半導體元件的每個中，所述第一半導體元件由IGBT形成，并且所述第二半導體元件由與所述IGBT反并聯連接的二極管形成。
7.根據權利要求I所述的驅動裝置，其中 所述多個逆導型半導體元件中的每個由功率MOSFET形成，并且所述第二半導體元件為所述功率MOSFET的寄生二極管。
8.根據權利要求I所述的驅動裝置，其中 所述車輛包括用于對所述車輛的碰撞進行檢測的碰撞檢測單元，并且 當所述碰撞檢測單元檢測到所述車輛的所述碰撞時，所述控制裝置驅動所述切換元件的所述控制端子并且釋放蓄積在所述電容器中的所述電荷。
9.一種驅動裝置，其通過利用來自蓄電裝置的電力來驅動安裝在車輛上的旋轉電機，所述驅動裝置包括 逆變器，其具有至少一個逆導型半導體元件并且驅動所述旋轉電機，所述逆導型半導體元件由第一半導體元件和第二半導體元件一體地形成，所述第一半導體元件作為切換元件而工作，而所述第二半導體元件并聯連接至所述第一半導體元件并且作為續流二極管而工作； 電容器，其與所述逆變器并聯連接；以及 控制裝置，其用于驅動所述切換元件的控制端子并且釋放蓄積在所述電容器中的電荷，其中 在對所述電容器進行放電操作時，所述控制裝置在通過所述第二半導體元件進行的電流循環操作期間改變施加到所述第一半導體元件的所述控制端子的電壓并且增加所述第二半導體元件中的電力損耗。
10.根據權利要求9所述的驅動裝置，進一步包括 變換器，其具有所述逆導型半導體元件，并且變換來自所述蓄電裝置的DC電壓且將變換后的所述DC電壓供給所述逆變器。
11.一種車輛，包括 蓄電裝置； 旋轉電機；以及 驅動裝置，其通過利用來自所述蓄電裝置的電力來驅動所述旋轉電機并且產生行駛驅動力， 所述驅動裝置包括 電力變換裝置，其具有切換元件并且變換來自所述蓄電裝置的所述電力； 電容器，其與所述電力變換裝置并聯連接；以及 控制裝置，其用于驅動所述切換元件的控制端子并且釋放蓄積在所述電容器中的電荷，其中 所述電力變換裝置包括多個逆導型半導體元件， 所述多個逆導型半導體元件中的每個由第一半導體元件和第二半導體元件一體地形成，所述第一半導體元件作為所述切換元件而工作，而所述第二半導體元件并聯連接至所述第一半導體元件并且作為續流二極管而工作，并且 在對所述電容器進行放電操作時，所述控制裝置在通過所述第二半導體元件進行的電流循環操作期間改變施加到所述第一半導體元件的所述控制端子的電壓并且增加所述第二半導體元件中的電力損耗。
12.—種控制驅動裝置的方法，所述驅動裝置通過利用來自蓄電裝置的電力來驅動安裝在車輛上的旋轉電機，所述驅動裝置包括 電力變換裝置，其具有切換元件并且變換來自所述蓄電裝置的所述電力；以及 電容器，其與所述電力變換裝置并聯連接， 所述電力變換裝置包括多個逆導型半導體元件， 所述多個逆導型半導體元件中的每個由第一半導體元件和第二半導體元件一體地形成,所述第一半導體元件作為所述切換元件而工作，而所述第二半導體元件并聯連接至所述第一半導體元件且作為續流二極管而工作， 所述方法包括如下步驟 驅動所述切換元件的控制端子并且釋放蓄積在所述電容器中的電荷；以及在釋放所述電容器中的所述電荷時，在通過所述第二半導體元件進行的電流循環操作期間改變施加到所述第一半導體元件的所述控制端子的電壓并且增加所述第二半導體元件中的電力損耗。
全文摘要
本發明提供一種用于釋放殘留在驅動裝置中的電容器中的電荷的方法。PCU利用來自蓄電裝置的電力來驅動電動發電機。所述PCU包括電力變換裝置、電容器和控制單元。當檢測到碰撞時，所述控制單元驅動所述電力變換裝置并且釋放殘留在電容器中的電荷。包括在電力變換裝置中的多個逆導型半導體元件中的每個由第一半導體元件和第二半導體元件一體地形成，所述第一半導體元件作為切換元件而工作，而所述第二半導體元件作為續流二極管而工作。響應于檢測到車輛的碰撞，所述控制單元在通過所述第二半導體元件進行的電流循環操作期間改變施加到所述第一半導體元件的柵極端子的電壓并且增加電力損耗。其結果是，能夠盡快地釋放蓄積在驅動裝置中的電容器中的殘留電荷。
文檔編號H02M7/5387GK102882400SQ201210244758
公開日2013年1月16日 申請日期2012年7月13日 優先權日2011年7月14日
發明者広瀬敏 申請人:豐田自動車株式會社