JP2005124261A - 電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 電力変換装置において低コスト、高信頼性な過電圧抑制機能を提供する。
【解決手段】 電力変換装置は、モータの駆動時にはバッテリーからの電力を変換して上記モータに電力を供給し、上記モータの発電時には上記モータの発電電力を変換して上記バッテリーに蓄電用に供給する電力変換回路と、上記電力変換回路を駆動する駆動回路と、を有する。上記電力変換回路は、複数の対のスイッチング素子を含み、各対のスイッチング素子の一方は上アームに配置され他方は下アームに配置され、各対は上記モータの各相に対応している。上記駆動回路は、上記電力変換回路に印加される電圧が上昇したときに、一方のアームのスイッチング素子全てをONし、他方のアームのスイッチング素子全てをOFFすることによって上記モータの出力端子間を短絡させる。
【選択図】 図１

Description

本発明はスイッチング素子を使用した電力変換装置に係り、特に自動車の駆動用モータに使用して好適な電力変換装置に関する。

自動車の駆動用モータ用の電力変換回路には、パワーＭＯＳＦＥＴなどのスイッチング素子が使用される。スイッチング素子は、耐圧を超える電圧が印加されると破損するため、過電圧を抑制する手段が設けられる。

例えば、特開平８−２３７００号公報には、発電機からの発電電圧を整流して直流出力電圧を得ている発電電源装置における過電圧抑制手段が記載されている。この公報の例では、電圧検出器と開閉装置を設け、電圧検出器が直流出力の過電圧を検出すると、開閉装置によって発電電圧を短絡させ、放電させる。

特開平２００２−１７０９８号公報には、モータを制御する電動機制御装置において、過電圧発生時に、モータの回転位置に応じて電力変換回路のスイッチング素子をオンにし、モータの複数の相を直列に接続することによって、過電圧を抑制する手段が提案されている。
特開平８−２３７００号公報 特開２００２−１７０９８号公報

従来の過電圧抑制手段では、過電圧検出時に、発電機の出力端子を電源のＧＮＤ（接地端子）に接続し、放電する。通常運転時に電力変換を行うスイッチング素子以外に付加的なスイッチング素子を用いるため、回路要素が増え、構造が複雑になる。付加的なスイッチング素子の代わりに制御装置を用いる場合もある。しかしながら、制御装置の電源が無い状態で過電圧が生じた場合は過電圧抑制手段が作動しない。

また、従来の過電圧抑制手段では、モータ又は発電機が通常運転している時の電力変換回路のスイッチング素子の動作と、過電圧発生時の電力変換回路のスイッチング素子の動作は異なる。このため、過電圧発生時に電力変換回路のスイッチング素子が誤ＯＮ動作して、内部短絡が発生する可能性がある。

過電圧抑制手段に使用される電圧検出部は精度、及び、耐ノイズ性が要求される。それは、電力変換装置のスイッチング素子は、電源電圧に対する耐圧ばかりでなく電圧検出部の誤差に対する耐圧も要求されるためである。例えば、電源電圧が６０Vとし、電圧検出部の精度が２０Vとすれば、スイッチング素子は８０V以上の耐圧が要求される。
しかしながら、スイッチング素子の高耐圧化は、スイッチング素子損失の増加や高コスト化を招く。従って、電圧検出部には高精度化、及び、耐ノイズ性が要求される。

本発明の目的は、電力変換装置におけるスイッチング素子の過電圧に対する保護を高精度にて、且つ、正確に行うことにある。
本発明の目的は、電力変換装置におけるスイッチング素子の耐圧を適正化し、それによって、高効率化及び低コスト化を図ることにある。

本発明によると、電力変換装置は、モータの駆動時にはバッテリーからの電力を変換して上記モータに電力を供給し、上記モータの発電時には上記モータの発電電力を変換して上記バッテリーに蓄電用に供給する電力変換回路と、上記電力変換回路を駆動する駆動回路と、を有する。

上記電力変換回路は、複数の対のスイッチング素子を含み、各対のスイッチング素子の一方は上アームに配置され他方は下アームに配置され、各対は上記モータの各相に対応している。

上記駆動回路は、上記電力変換回路に印加される電圧が上昇したときに、一方のアームのスイッチング素子全てをONし、他方のアームのスイッチング素子全てをOFFすることによって上記モータの出力端子間を短絡させる。

本発明によれば、電力変換装置の高信頼性、高効率化、及び、低コスト化が達成される。また、本発明によれば、電力変換装置の過電圧抑制に対して高い信頼性を得ることができる。

以下本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。図１は車両の駆動系に設けられた電力装置を示す。この電力装置は、電力変換装置１、モータ２、バッテリー３、及び制御装置４を有する。電力変換装置１はモータ２とバッテリー３の間に接続されている。電力変換装置１は、電力変換回路５と駆動回路６を有し、駆動回路６は、電圧検出回路７と論理回路８を有する。

電力変換回路５は、電解コンデンサ９と、上アームのＭＯＳＦＥＴ１０１、１０３、１０５と、下アームのＭＯＳＦＥＴ１０２、１０４、１０６とを有する。上及び下アームの対応するＭＯＳＦＥＴ１０１と１０２、１０３と１０４、１０５と１０６からなる３対は３相を構成する。上アームのＭＯＳＦＥＴ１０１、１０３、１０５はバッテリー３の正電極に接続され、下アームのＭＯＳＦＥＴ１０２、１０４、１０６はバッテリー３の負電極に接続されている。

ＭＯＳＦＥＴ１０１と１０２、１０３と１０４、１０５と１０６の接続点は各々モータ２の出力端子Ｕ、Ｖ、Ｗ接続されている。ＭＯＳＦＥＴ１０１、１０２、１０３、１０４、１０５、１０６のゲート端子ＵＧ−Ｈ、ＵＧ−Ｌ、ＶＧ−Ｈ、ＶＧ−Ｌ、ＷＧ−Ｈ、ＷＧ−Ｌは、論理回路８の出力端子ＵＧ−Ｈ、ＵＧ−Ｌ、ＶＧ−Ｈ、ＶＧ−Ｌ、ＷＧ−Ｈ、ＷＧ−Ｌに接続されている。本例ではスイッチング素子として、ＭＯＳＦＥＴを使用するが、ＭＯＳＦＥＴの代わりに、バイポーラトランジスタやＩＧＢＴとダイオードとの組合せを用いてもよい。

モータ２は発電、及び、車両の駆動を行う。発電時には、モータ２からの電力は電力変換装置１を介してバッテリー３に蓄電される。駆動時には、バッテリー３からの電力は電力変換装置１を介してモータ２へ供給される。尚、バッテリー３の代わりにキャパシターや電子負荷を用いてもよい。

モータ２は制御装置４によって制御される。制御装置４からの制御信号４１は論理回路８に供給される。論理回路８からの出力は、ＭＯＳＦＥＴ１０１、１０２、１０３、１０４、１０５、１０６のゲート端子ＵＧ−Ｈ、ＵＧ−Ｌ、ＶＧ−Ｈ、ＶＧ−Ｌ、ＷＧ−Ｈ、ＷＧ−Ｌに供給される。

電圧検出回路７は、電解コンデンサ９に並列に接続されており、電解コンデンサ９の電圧を検出する。電圧検出回路７からの電圧検出信号７１は論理回路８に供給される。電解コンデンサ９の電圧が変化すると、電圧検出信号７１はＬ又はＨに変化する。

論理回路８は、電圧検出信号７１がＬのときは、上述のように、制御装置４からの制御信号４１を電力変換装置１に出力する。論理回路８は、電圧検出信号７１がＨのときは、一方のアームのＭＯＳＦＥＴを全てオンにし、他方のアームのＭＯＳＦＥＴを全てオフにする信号を出力する。それによって、モータの出力端子は短絡接続され、モータからの発電電圧がＭＯＳＦＥＴへ印加されるのが回避される。

本例によると、電力変換を行うスイッチング素子のみで、モータ端子間の短絡接続を実現する。即ち、特別な付加的なスイッチング素子を用いることなく、スイッチング素子の過電圧保護を達成している。従って、電力変換装置の高信頼性、及び、低コスト化が達成される。

電圧検出信号７１がＬからＨに変化する時のコンデンサ電圧を第１の閾値Ｖ（ＬＨ）とし、電圧検出信号７１がＨからＬに変化する時のコンデンサ電圧を第２の閾値Ｖ（ＨＬ）とする。本例では、第１の閾値Ｖ（ＬＨ）は第２の閾値Ｖ（ＨＬ）より大きい。それによって、電圧検出信号７１にヒステリシスが付与される。例えば、第１の閾値Ｖ（ＬＨ）を５７Ｖとし、第２の閾値Ｖ（ＨＬ）を４８Ｖとする。コンデンサ電圧が上昇し５７Ｖとなったとき、電圧検出信号がＬからＨに変化し、コンデンサ電圧が下降し４８Ｖとなったとき、電圧検出信号がＨからＬに変化する。

尚、電圧検出信号７１にヒステリシスを付与する方法は、上述の例に限定されない。例えば、電圧検出信号７１がＬからＨに変化してから一定期間経過後でなければ、ＨからＬに戻らないように構成してもよい。

こうして電圧検出信号７１にヒステリシスを付与することにより、コンデンサ電圧の脈動に起因した電圧検出信号７１の変動を回避することができる。例えば、コンデンサ電圧が、ＭＯＳＦＥＴ１０１、１０２、１０３、１０４、１０５、１０６の耐圧前後で変動する場合でも、電圧検出信号７１は常にＨである。その後、コンデンサ電圧がＭＯＳＦＥＴ１０１、１０２、１０３、１０４、１０５、１０６の耐圧に対して十分に下がったときに、電圧検出信号７１はＬとなる。

これより、電力変換装置の高信頼性が達成される。また、耐圧幅の少ない、従って、損失の少ないスイッチング素子を用いることができ、電力変換装置の効率向上、低コスト化が図られる。

図２を参照して論理回路８の構成と動作を説明する。本例の論理回路８は、３つのＡＮＤ回路２０１、２０２、２０３、３つのＯＲ回路２１１、２１２、２１３、及びＮＯＴ回路２２１を有する。

ＯＲ回路２１１、２１２、２１３は、それぞれ、制御装置４からの制御信号４１と電圧検出回路７からの電圧検出信号７１を入力する。ＡＮＤ回路２０１、２０２、２０３は、それぞれ、制御信号４１とＮＯＴ回路２２１を経由した電圧検出信号７１を入力する。

ＡＮＤ回路２０１、２０２、２０３の出力は、それぞれ上アームのＭＯＳＦＥＴ１０１、１０３、１０５のゲート端子ＵＧ−Ｈ、ＶＧ−Ｈ、ＷＧ−Ｈに供給される。ＯＲ回路２１１、２１２、２１３の出力は、それぞれ下アームのＭＯＳＦＥＴ１０２、１０４、１０６のゲート端子ＵＧ−Ｌ、ＶＧ−Ｌ、ＷＧ−Ｌに供給される。

電圧検出信号７１がＬのときは、ＡＮＤ回路２０１、２０２、２０３とＯＲ回路２１１、２１２、２１３の出力は、制御装置４からの制御信号４１のみに依存する。従って、ＭＯＳＦＥＴ１０１、１０２、１０３、１０４、１０５、１０６のゲート端子ＵＧ−Ｈ、ＵＧ−Ｌ、ＶＧ−Ｈ、ＶＧ−Ｌ、ＷＧ−Ｈ、ＷＧ−Ｌの入力は、制御装置４からの制御信号４１のみに依存する。

モータ２の発電時に、例えば、バッテリー３が外れると、電力変換回路５と電解コンデンサ９に印加される電圧は、モータ２の発電電力により上昇する。この電圧が第１の閾値Ｖ（ＬＨ）に達すると、電圧検出回路７は過電圧と判断し、電圧検出信号７１はＬからＨへ変化する。

電圧検出信号７１がＨのときは、ＡＮＤ回路２０１、２０２、２０３の出力は制御信号４１に依存しないで常にＬとなり、ＯＲ回路２１１、２１２、２１３の出力は制御信号４１に依存しないで常にＨとなる。従って、上アームのＭＯＳＦＥＴ１０１、１０３、１０５のゲート端子ＵＧ−Ｈ、ＶＧ−Ｈ、ＷＧ−Ｈは常にＬとなり、下アームのＭＯＳＦＥＴ１０２、１０４、１０６のゲート端子ＵＧ−Ｌ、ＶＧ−Ｌ、ＷＧ−Ｌは常にＨとなる。

例えば、ＭＯＳＦＥＴ１０１、１０２、１０３、１０４、１０５、１０６のスイッチング特性が、Ｈ入力でＯＮ、Ｌ入力でＯＦＦとする。上アームのＭＯＳＦＥＴ１０１、１０３、１０５はオフとなり、下アームのＭＯＳＦＥＴ１０２、１０４、１０６はオンとなる。

従って、３相のスイッチング素子は下アームにて互いに接続され、上アームにて互いに非接続される。モータ２の出力端子Ｕ、Ｖ、Ｗは、下アームによって、短絡結線され、モータ２の発電電力はモータ２内で消費される。それにより、電力変換装置１に印加される電圧は下降し、ＭＯＳＦＥＴ１０１、１０２、１０３、１０４、１０５、１０６の過電圧による破損が防止される。

尚、この時、下アームのＭＯＳＦＥＴ１０２、１０４、１０６のゲート端子ＵＧ−Ｌ、ＶＧ−Ｌ、ＷＧ−Ｌの駆動電源と駆動回路６の電源は、電力変換回路５と電解コンデンンサ９とに印可された電圧が用いられる。従って、本例の過電圧抑制機能は、制御信号４１が無い場合でも、即ち、制御装置４の電源が無い場合でも、確実に動作可能である。本例の電力変換装置では、過電圧抑制に対して高い信頼性が得られると共に、従来技術のようにスイッチング素子の誤ＯＮ動作による短絡は発生しない。

論理回路８とＭＯＳＦＥＴ１０１、１０２、１０３、１０４、１０５、１０６のスイッチング特性は上述の例に限定されるものではない。他の論理回路と他のスイッチング特性のＭＯＳＦＥＴによっても同様な機能が達成可能である。また、ＭＯＳＦＥＴの代わりに、バイポーラトランジスタやＩＧＢＴとダイオードとの組合せにおいても同様の機能が得られる。

本発明による電力変換装置を含む駆動系の構成を示す図である。 本発明による電力変換装置に使用される論理回路の構成を示す図である。

符号の説明

１…電力変換装置、２…モータ、３…バッテリー、４…制御装置、５…電力変換回路、６…駆動回路、７…電圧検出回路、８…論理回路、９…電解コンデンサ、４１…制御信号、７１…電圧検出信号、１０１、１０２、１０３、１０４、１０５、１０６…ＭＯＳＦＥＴ、２０１、２０２、２０３…ＡＮＤ回路、２１１、２１２、２１３…ＯＲ回路、２２１…ＮＯＴ回路、Ｕ、Ｖ、Ｗ…モータ出力端子、ＵＧ−Ｈ、ＵＧ−Ｌ、ＶＧ−Ｈ、ＶＧ−Ｌ、ＷＧ−Ｈ、ＷＧ−Ｌ…ＭＯＳＦＥＴゲート端子

Claims (10)

1. モータの駆動時にはバッテリーからの電力を変換して上記モータに電力を供給し、上記モータの発電時には上記モータの発電電力を変換して上記バッテリーに蓄電用に供給する電力変換回路と、上記電力変換回路を駆動する駆動回路と、を有し、
   上記電力変換回路は、複数の対のスイッチング素子を含み、各対のスイッチング素子の一方は上アームに配置され他方は下アームに配置され、各対は上記モータの各相に対応し、
   上記駆動回路は、上記電力変換回路に印加される電圧が上昇したときに、一方のアームのスイッチング素子全てをONし、他方のアームのスイッチング素子全てをOFFすることによって上記モータの出力端子間を短絡させることを特徴とする電力変換装置。
2. 請求項１に記載の電力変換装置において、上記スイッチング素子の駆動電源は、上記電力変換回路に印加された電圧を用いることを特徴とする電力変換装置。
3. 請求項１又は２に記載の電力変換装置において、上記駆動回路は、上記電力変換回路に印加される電圧を検出し電圧検出信号を出力する電圧検出回路と、上記電圧検出信号を入力し上記スイッチング素子に駆動信号を出力する論理回路とを有し、該論理回路は、上記電圧検出信号に基づいて一方のアームのスイッチング素子全てをONし、他方のアームのスイッチング素子全てをOFFする駆動信号を出力することを特徴とする電力変換装置。
4. 請求項３に記載の電力変換装置において、上記電圧検出回路は検出した電圧が高くなるとＨ信号を出力し、検出した電圧が低くなるとＬ信号を出力し、上記駆動回路は、Ｈ信号を入力すると、一方のアームのスイッチング素子全てをONし、他方のアームのスイッチング素子全てをOFFする駆動信号を出力し、Ｌ信号を入力すると、上記スイッチング素子の状態を解除し、通常の駆動信号を出力することを特徴とする電力変換装置。
5. 請求項３に記載の電力変換装置において、上記上アームのスイッチング素子と上記下アームのスイッチング素子の間にコンデンサが設けられ、上記電圧検出回路は該コンデンサの両端の電圧を検出することを特徴とする電力変換装置。
6. 上記請求項１又は２に記載の電力変換装置において、上記駆動回路の駆動信号は、一方のアームのスイッチング素子全てをONし、他方のアームのスイッチング素子全てをOFFするときと、逆に、上記スイッチング素子の状態を解除するときと、の間でヒステリシスを設けることを特徴とする電力変換装置。
7. 駆動及び発電を行うモータと、該モータに電力を供給し蓄電可能なバッテリーと、上記モータの駆動時には上記バッテリーの電力を変換して上記モータに電力を供給し、上記モータの発電時には上記モータの発電電力を変換して上記バッテリーに蓄電する電力変換回路と、上記電力変換回路を駆動する駆動回路と、を有し、
   上記電力変換回路は、複数の対のスイッチング素子を含み、各対のスイッチング素子の一方は上アームに配置され他方は下アームに配置され、各対は上記モータの各相に対応し、
   上記駆動回路は、上記電力変換回路に印加される電圧が上昇したときに、一方のアームのスイッチング素子全てをONし、他方のアームのスイッチング素子全てをOFFすることによって上記モータの出力端子間を短絡させることを特徴とする駆動装置。
8. 請求項７に記載の駆動装置において、上記スイッチング素子の駆動電源は、上記電力変換回路に印加された電圧を用いることを特徴とする駆動装置。
9. 複数の対のスイッチング素子を含み、各対のスイッチング素子の一方は上アームに配置され他方は下アームに配置され、各対はモータの各相に対応しているように構成されている電力変換回路による電力変換方法において、
   上記モータの駆動時にはバッテリーからの電力を変換して上記モータに電力を供給することと、
   上記モータの発電時には上記モータの発電電力を変換して上記バッテリーに蓄電用に供給することと、
   上記電力変換回路に印加される電圧を監視することと、
   上記電力変換回路に印加された電圧が上昇したときに、上記電力変換回路の一方のアームのスイッチング素子全てをONし、他方のアームのスイッチング素子全てをOFFすることと、を含む電力変換方法。
10. 請求項９に記載の電力変換方法において、上記スイッチング素子の駆動電源は、上記電力変換回路に印加された電圧を用いることを特徴とする電力変換方法。

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