JP2005184891A - 電力変換装置およびそれを備えた自動車 - Google Patents

Abstract

【課題】 上アーム素子の駆動回路が小型化された電力変換装置およびそれを備えた自動車を提供する。
【解決手段】 上アーム素子ＧＳｕ駆動用の昇圧電圧ＶＤ２は、下アーム素子駆動用電圧ＶＤ１をチャージポンプ回路２２０によって昇圧して発生される。チャージポンプ動作用の発振器２４０からの発振信号ＯＳは、チャージポンプ回路２２０へ与えられるのみならず、パルストランス２７０によって制御回路１２０側へ伝達される。伝達された発振信号ＯＳは、ＡＮＤ回路３００へ入力されて、ゲート制御信号ＧＳｕの変調波として用いられるので、変調波発生用の発振器の配置を省略して、駆動回路の小型化を図ることができる。
【選択図】 図４

Description

この発明は電力変換装置に関し、より特定的には、上下アームに配置されたスイッチング素子を備えた電力変換装置およびそれを備えた自動車に関する。

電力変換装置の一般的な構成として、上下アームに配置されたスイッチング素子を備えた構成が知られている。このような構成では、上側アームに配置されたスイッチング素子（上アーム素子）および下側アームに配置されたスイッチング素子（下アーム素子）が、高電圧の電源配線および低電圧の電源配線（アースライン）の間に直列に接続される。

このような上下アームを複数個並列接続してブリッジ回路を構成する場合には、上アーム素子間でエミッタ電位が異なってくるため、ＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御等を行なうためにオン・オフ期間を制御する信号（信号波）と、スイッチング素子の駆動信号との間を絶縁することが必要である。一方、下アーム素子では各エミッタ電位が共通となるので絶縁が不要となるので、このような絶縁は不要である。

このため、上アーム素子の駆動回路において、パルストランスを配置して上記の絶縁を確保する構成が知られている（たとえば、特許文献１）。パルストランス方式では、同様の絶縁確保が可能なフォトカプラ方式と比較して、信号入力と駆動電源とを同時に絶縁できることにより、安価で簡易な回路構成を実現できることが知られている。

また、上アーム素子の駆動には、下アーム素子の駆動電圧よりも高い電圧が必要になる。このため、上アーム素子用に独立した電源装置を設けることなく、下アーム素子の駆動電源をチャージポンプ回路で昇圧して、上アーム素子の駆動電源として用いる構成が知られている。特に、このようなチャージポンプによる昇圧機能を多機能スイッチング素子に搭載する技術も開示されている（たとえば特許文献２）。
特開２００３−２１９６７７号公報 特開平５−３４４７４９号公報

しかしながら、上記信号波の通常の周波数域（１〜１０ＫＨｚオーダ）を考慮すれば、パルストランスの小型化および磁気飽和への対応の観点から、より高い周波数に変調した上で、パルストランスによる伝達を行なう必要がある。このため、上アーム素子の駆動において、駆動回路側にチャージポンプ動作用の発振器が必要になるのに加えて、信号波を送出する制御回路にも変調用の発振器が必要となってしまう。

この発振器は、各相アームごとに必要となるので、複数相の交流電動機を駆動する複数相インバータ等では、必要な発振器の数が増大して、回路の大型化や製造コストの上昇を招いてしまう。

特に、車輪駆動用の交流電動機駆動用としてハイブリッド自動車等に搭載される電力変換装置では、車両の居住性や収納性確保からその配置スペースが制約を受けるケースが多いため大型化を避ける必要がある。

この発明はこのような問題点を解決するためになされたものであって、この発明の目的は、上アーム素子の駆動回路が小型化された電力変換装置およびそれを備えた自動車を提供することである。

この発明による電力変換装置は、第１および第２のスイッチング素子と、制御回路と、電源回路と、発振器と、チャージポンプ回路と、第１および第２の駆動ユニットと、第１および第２の信号伝達器と、変調回路と、復調回路とを備える。高電圧側の第１のスイッチング素子および低電圧側の第２のスイッチング素子は、高電圧および低電圧の電源配線間に直列接続される。制御回路は、第１および第２のスイッチング素子のオン期間およびオフ期間を示す信号波を生成する。電源回路は、第２のスイッチング素子の駆動電圧を生成する。発振器は、所定周波数の発振信号を生成する。チャージポンプ回路は、発振器からの発振信号に応じたチャージポンプ動作によって、電源回路からの駆動電圧を昇圧して昇圧電圧を発生する。第１の駆動ユニットは、チャージポンプ回路によって発生される昇圧電圧を用いて、第１のスイッチング素子を駆動する。第２の駆動ユニットは、電圧発生回路からの駆動電圧を用いて、制御回路からの信号波に基づいて第２のスイッチング素子を駆動する。第１の信号伝達器は、発振器および制御回路の間に設けられ、入力側および出力側の間の電気的絶縁を確保して、発振器によって生成された発振信号を制御回路側へ伝達する。変調回路は、制御回路からの信号波および第１の信号伝達器によって伝達された信号を受けて、両者が重畳された信号を出力する。第２の信号伝達器は、変調回路および第１の駆動ユニットの間に設けられ、入力側および出力側の間の電気的絶縁を確保して、変調回路の出力信号を駆動ユニット側へ伝達する。復調回路は、第２の信号伝達器によって伝達された信号から発振信号の周波数成分を除去する。第１の駆動ユニットは、復調回路によって得られた信号に基づいて、第１のスイッチング素子をオンおよびオフさせるための駆動信号を生成する。

好ましくは、電力変換装置は、異常検知回路と、信号生成回路とをさらに備える。異常検知回路は、第１のスイッチング素子に関する異常を検知するための異常検知回路の出力信号と発振器からの発振信号とを受けて、異常の検知時以外には発振信号を出力する一方で、異常の検知値には一定レベルに固定された信号を出力する。信号生成回路は、第１の信号伝達器は、信号生成回路の出力信号を制御回路側へ伝達する。変調回路の出力は、信号生成回路からの出力信号が前記一定レベルに固定された場合には、第１のスイッチング素子のターンオフに対応したレベルに固定される。

さらに好ましくは、異常検知回路は、第１のスイッチング素子の保護に関する情報に基づいて異常を検知する。

また好ましくは、第１および第２の信号伝達器は、パルストランスで構成される。

この発明による自動車は、直流電源装置と、請求項１から４のいずれか１項に記載の電力変換装置と、車輪駆動用の複数相の交流電動機とを備える。電力変換装置は、第１および第２のスイッチング素子を各相のアームとして含んで構成され、直流電源装置からの直流電力および交流電動機を駆動する交流電力の間での電力変換を行なうインバータを有する。

この発明の他の構成による自動車は、直流電源装置と、請求項１から４のいずれか１項に記載の電力変換装置と、車輪駆動用の交流電動機とを備える。電力変換装置は、第１および第２のスイッチング素子を含んで構成され、直流電源装置からの直流電圧を昇圧するコンバータと、コンバータによって昇圧された直流電圧および交流電動機との間で授受される交流電力の間での電力変換を行なうインバータとを有する。

この発明による電力変換装置は、上アーム素子（第１のスイッチング素子）駆動用の独立電源を設けることなくチャージポンプ回路によって上アーム素子駆動用の昇圧電圧を発生する構成とした上で、チャージポンプ回路用の発振器が発生した発振信号を第１の信号伝達器によって制御回路側へ伝達して、上アーム素子制御用の信号波を変調する信号として用いることができる。このため、変調信号用の発振器の配置を省略できるので、上アーム素子の駆動回路を小型化できる。

また、異常検知回路によって、上アーム素子（第１のスイッチング素子）の異常を検知した場合には、信号生成回路の出力が固定されるのに応答して、第１の駆動ユニットへ与えられる信号も固定されるので、制御回路でのソフト処理によってゲート制御信号を固定するまでもなく、上アーム素子を強制的にターンオフできる。したがって、当該スイッチング素子を速やかに強制ターンオフできるので、保護性能を向上できる。

特に、制御回路側および駆動回路側を絶縁する第１および第２信号伝達器にパルストランスを適用した場合には、上アーム素子制御用の信号波を変調することにより、パルストランスの小型化および磁気飽和の防止を図る効果が、上アーム素子の駆動回路の小型化に加えて享受できる。

この発明による自動車は、車輪駆動用の交流電動機を駆動制御する電力変換装置に含まれるコンバータあるいはインバータにおいて、上アーム素子の駆動回路を小型化できるので、電力変換装置を小型化して、車両の居住性や収納性の確保に寄与できる。

以下において、本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、図中の同一または相当部分については、同一符号を付してその説明は繰り返さない。

以下の実施の形態では、小型化要求の強い自動車にこの発明による電力変換装置が搭載される構成例について代表的に説明する。しかしながら、以下の説明で明らかになるように、この発明による電力変換装置はスイッチング素子の駆動回路構成にその特徴を有するので、上下アームに配置されたスイッチング素子を含んで構成された電力変換装置について、負荷の態様を特に限定することなく、任意の機器・装置・システム等において適用可能である。

図１を参照して、この発明の実施の形態によるハイブリッド自動車１００は、バッテリ１０と、ＰＣＵ（Power Control Unit）２０と、動力出力装置３０と、ディファレンシャルギア（ＤＧ：Differential Gear）４０と、前輪５０Ｌ，５０Ｒと、後輪６０Ｌ，６０Ｒと、フロントシート７０Ｌ，７０Ｒと、リアシート８０とを備える。

「直流電源装置」であるバッテリ１０は、たとえば、ニッケル水素またはリチウムイオン等の二次電池から成り、直流電圧をＰＣＵ２０へ供給するとともに、ＰＣＵ２０からの直流電圧によって充電される。バッテリ１０は、たとえばリアシート８０の後方部に配置される。

動力出力装置３０は、ダッシュボード９０よりも前側のエンジンルームに配置される。ＰＣＵ２０は、動力出力装置３０と電気的に接続される。動力出力装置３０は、ＤＧ４０と連結される。

ＰＣＵ２０は、バッテリ１０からの直流電圧を昇圧し、その昇圧した直流電圧を交流電圧に変換して動力出力装置３０に含まれるモータジェネレータＭＧを駆動制御する。また、ＰＣＵ２０は、動力出力装置３０に含まれるモータジェネレータＭＧが発電した交流電圧を直流電圧に変換してバッテリ１０を充電する。すなわち、ＰＣＵ２０は、バッテリ１０によって供給される直流電力と、モータジェネレータＭＧを駆動制御する交流電力との間での電力変換を行なう「電力変換装置」に相当する。

動力出力装置３０は、エンジンおよび／またはモータジェネレータＭＧによる動力をＤＧ４０を介して前輪５０Ｌ，５０Ｒに伝達して前輪５０Ｌ，５０Ｒを駆動する。また、動力出力装置３０は、前輪５０Ｌ，５０ＲによるモータジェネレータＭＧの回転力によって発電し、その発電した電力をＰＣＵ２０へ供給する。すなわち、モータジェネレータＭＧは、少なくとも１つの車輪を駆動可能な「交流電動機」としての役割を果たす。ＤＧ４０は、動力出力装置３０からの動力を前輪５０Ｌ，５０Ｒに伝達するとともに、前輪５０Ｌ，５０Ｒの回転力を動力出力装置３０へ伝達する。

図２は、この発明による電力変換装置の代表例である図１に示したＰＣＵの構成を説明する回路図である。

図２を参照して、ＰＣＵ２０は、コンバータ１１０と、制御回路１２０と、コンデンサ１４０と、インバータ１５０とを含む。

コンバータ１１０は、リアクトル１３０と、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２と、ダイオードＤ１，Ｄ２とを含む。この実施の形態におけるスイッチング素子としては、たとえばＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）が適用される。

スイッチング素子Ｑ１およびスイッチング素子Ｑ２は、中間ノードＮｍ０を介して、電源ライン１０３およびアースライン１０２の間に直列接続される。リアクトル１３０は、バッテリ１０の正極と接続された電源ライン１０１および中間ノードＮｍの間に接続される。各スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２のコレクタ−エミッタ間には、エミッタ側からコレクタ側へ電流を流すように逆並列ダイオードＤ１，Ｄ２がそれぞれ接続されている。

コンデンサ１４０は、コンバータ１１０の出力電圧Ｖ２、すなわちインバータ１５０の入力電圧を平滑するために、電源ライン１０３とアースライン１０２との間に接続される。

インバータ１５０は、電源ライン１０３とアースライン１０２との間に並列に接続される、Ｕ相アーム１５１、Ｖ相アーム１５２およびＷ相アーム１５３からなる。Ｕ相アーム１５１は、中間ノードＮｍ１を介して直列に接続されたスイッチング素子Ｑ３，Ｑ４からなり、Ｖ相アーム１５２は、中間ノードＮｍ２を介して直列に接続されたスイッチング素子Ｑ５，Ｑ６からなり、Ｗ相アーム１５３は、中間ノードＮｍ３を介して直列に接続されたスイッチング素子Ｑ７，Ｑ８からなる。さらに、各スイッチング素子Ｑ３〜Ｑ８のコレクタ−エミッタ間には、逆並列ダイオードＤ３〜Ｄ８がそれぞれ接続されている。

各相アームの中間点は、３相の永久磁石モータであるモータジェネレータＭＧの各相コイルの各相端に接続されている。各相コイルの一端は、中性点に共通接続される。なお、モータジェネレータＭＧとしては、相数（３相）および形式（永久磁石モータ）を限定することなく交流電動機を適用可能である。

制御回路１２０は、モータジェネレータＭＧでモータ指令値に応じたトルク・回転数等が生じるように、各種センサからの出力値に応じて、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ８のオンおよびオフを指示するゲート制御信号ＧＳ１〜ＧＳ８を生成する。スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ８は、後程詳細に説明する駆動回路部分によって、ゲート制御信号ＧＳ１〜ＧＳ８に応答してオン・オフされる。

各種センサからの出力値には、たとえば、モータジェネレータの位置センサ・速度センサからの出力値、電流センサ１７０，１７２からの出力値、電圧Ｖ２の検出センサ出力が含まれる。

コンバータ１１０は、電源ライン１０１とアースライン１０２との間にバッテリ１０から供給された入力電圧Ｖ１を受けて、ゲート制御信号Ｇ１，Ｇ２に応答したスイッチング素子Ｑ１，Ｑ２のスイッチング制御によって、入力電圧Ｖ１を昇圧して直流電圧Ｖ２を生成してコンデンサ１４０に供給する。コンバータ１１０での昇圧比（Ｖ２／Ｖ１）は、スイッチング素子Ｑ１およびＱ２のオン期間比（デュ−ティ比）に応じて決まる。

インバータ１５０は、ゲート制御信号Ｇ３〜Ｇ８に応答したスイッチング動作によって、コンデンサ１４０によって平滑されたコンバータ１１０からの直流電圧Ｖ２を交流電圧に変換してモータジェネレータＭＧを駆動する。インバータ１５０の動作を制御するゲート制御信号Ｇ３〜Ｇ８は、一般的にはＰＷＭ信号波である。

また、インバータ１５０は、モータジェネレータＭＧが発電した交流電圧を直流電圧に変換してコンデンサ１４０に供給する。コンデンサ１４０は、モータジェネレータＭＧからの直流電圧を平滑化してコンバータ１１０へ供給する。コンバータ１１０は、コンデンサ１４０からの直流電圧を降圧してバッテリ１０または、補機電源用のＤＣ／ＤＣコンバータ（図示せず）へ供給する。

図２に示した構成では、コンバータ１１０のスイッチング素子Ｑ１，Ｑ２およびインバータ１５０の各相アーム１５１〜１５３の各々が、上アーム素子および下アーム素子から構成される。この発明による電力変換装置では、これらの上アーム素子の少なくとも一部に対して、この発明による上アーム素子の駆動回路構成が適用される。

まず、この発明による上アーム素子の駆動回路構成を説明する前に、比較例として示される上アーム素子の駆動回路構成を図３を用いて説明する。

図３を参照して、高電圧側の上アーム素子Ｑｕおよび低電圧側の下アーム素子Ｑｄは、「高電圧の電源配線」に相当する電源ライン１０３および「低電圧の電源配線」に相当するアースライン１０２の間に直列接続される。上アーム素子Ｑｕは、図２におけるスイッチング素子Ｑ１，Ｑ３，Ｑ５，Ｑ７を総括的に示すものであり、下アーム素子Ｑｄは、図２におけるスイッチング素子Ｑ２，Ｑ４，Ｑ６，Ｑ８を総括的に示すものである。また、上アーム素子Ｑｕおよび下アーム素子Ｑｄの接続ノードに相当する中間ノードＮｍは、図２における中間ノードＮｍ０〜Ｎｍ３を総称するものである。

下アーム素子Ｑｄの駆動のために、下アーム素子Ｑｄの駆動電圧である電源電圧ＶＤ１を発生する電源回路２１０と、下アーム駆動ユニット２３０ｄとが配置される。下アーム駆動ユニット２３０ｄは、電源電圧ＶＤ１を用いて、制御回路（ＣＰＵ）１２０によって生成されるゲート制御信号ＧＳｄに応答した駆動信号ＧＤｄを発生する。駆動信号ＧＤｄは、下アーム素子Ｑｄの制御電極（ゲート）へ入力される。なお、ゲート制御信号ＧＳｄは、図２におけるゲート制御信号Ｇ２，Ｇ４，Ｇ６，Ｇ８を総括的に示すものである。

下アーム駆動ユニット２３０ｄの詳細な構成は図示しないが、たとえば、下アーム素子Ｑｄの制御電極を電源電圧ＶＤ１（オン電圧）へ駆動するプルアップトランジスタと、当該制御電極をアースラインレベル（オフ電圧）へ駆動するプルダウントランジスタとの組合せによって実現される。

さらに、上アーム素子Ｑｕの駆動のために、チャージポンプ回路２２０と、上アーム駆動ユニット２３０ｕと、チャージポンプ用の発振器２４０と、異常検知回路２５０と、フォトカプラ２７５と、信号バッファ２９０，２９５と、パルストランス２８０と、「変調回路」として機能するＡＮＤ回路３００と、「復調回路」として機能するコンデンサ３２０と、変調用の発振器３５０とが配置される。

チャージポンプ回路２２０は、コンデンサＣ１、Ｃ２と、ダイオードＤ１１，Ｄ１２と、ｐ型トランジスタＴＰと、ｎ型トランジスタＴＮとを有する。

ダイオードＤ１１は、ノードＮ１からＮ２へ向かう方向を順方向として、ノードＮ１およびＮ２の間に接続される。ノードＮ０およびＮ１間には、電源回路２１０により電源電圧ＶＤ１が生成される。ダイオードＤ１２は、ノードＮ２からＮ３へ向かう方向を順方向として、ノードＮ２およびＮ３の間に接続される。

コンデンサＣ１はノードＮ２およびＮ５の間に接続され、コンデンサＣ２はノードＮ３およびＮ４の間に接続される。ｐ型トランジスタＴＰは、ノードＮ４およびＮ５の間に接続され、ｎ型トランジスタＴＰは、ノードＮ５およびＮ０の間に接続される。ノードＮ４は、上アーム素子Ｑｕのコレクタ電極と接続される。

発振器２４０によって生成された発振信号ＯＳ１が、ｐ型トランジスタＴＰおよびｎ型トランジスタＴＮのゲート（制御電極）に共通に与えられる。発振信号ＯＳは、所定周波数ｆ１で論理ハイレベル（Ｈレベル）および論理ローレベル（Ｌレベル）を繰り返す。

異常検知回路２５０は、対応の上アーム素子Ｑｕに関する異常を検知した場合に異常検知信号ＣＤをＬレベルに設定し、それ以外では、異常検知信号ＣＤをＨレベルに設定する。

フォトカプラ２７５は、駆動回路側および制御回路側を絶縁した上で、異常検知信号ＣＤへ伝達する。信号バッファ２９０は、フォトカプラ２７５によって伝達された異常検知信号ＣＤを制御回路（ＣＰＵ）１２０へ送出する。

制御回路（ＣＰＵ）１２０は、上アーム素子Ｑｕのゲート制御信号ＧＳｕを生成する。ゲート制御信号ＧＳｄは、ＰＷＭ制御等に従って上アーム素子Ｑｕのオン期間およびオフ期間を規定する「信号波」である。すなわち、ゲート制御信号ＧＳｕは、図２におけるゲート制御信号Ｇ１，Ｇ３，Ｇ５，Ｇ７を総括的に示すものである。

発振器３５０は、「変調波」として用いられる発振信号ＯＳ２を生成する。発振信号ＯＳ２の周波数は、ゲート制御信号の周波数よりも十分高く設定される。代表的には、ゲート制御信号ＧＳｕの周波数が１〜１０ＫＨｚオーダである場合には、発振信号ＯＳ２の周波数は、１ＭＨｚオーダに設定される。

ＡＮＤ回路３００は、信号波であるゲート制御信号ＧＳｕおよび変調波である発振信号ＯＳ２の論理積（ＡＮＤ）演算結果を出力する。したがって、ＡＮＤ回路３００の出力信号は、ゲート制御信号ＧＳｕおよび発振信号ＯＳ２が重畳された信号となる。

パルストランス２８０の一次側には、電圧Ｖｃと接地電圧の間に一次側コイルと直列に接続されたトランジスタ３１０が配置される。トランジスタ３１０のゲートには、ＡＮＤ回路３００の出力信号が与えられる。このため、パルストランス２８０の一次側コイルには、ＡＮＤ回路３００の出力信号、すなわちゲート制御信号ＧＳｕが信号ＴＳ２によって変調された信号ＴＳ３が現れる。

パルストランス２８０の二次側コイルは、ノードＮ７と、中間ノードＮｍと同電位のノード３０５との間に接続される。パルストランス２８０は、一次側および二次側の間を電気的に絶縁して、一次側（制御回路側）の信号ＴＳ３に応じた信号ＴＳ４を二次側（駆動回路側）へ伝達する。

コンデンサ３２０は、ノードＮ７およびノード３０５の間に接続される。信号バッファ２９０は、ノードＮ７の信号を整形して、上アーム駆動ユニット２３０ｕへ送出する。

下アーム駆動ユニット２３０ｕは、チャージポンプ回路２２０によってノードＮ３に生成される昇圧電圧ＶＤ２を用いて、信号バッファ２９０からノードＮ７へ送出された信号に応答した駆動信号ＧＤｕを発生する。駆動信号ＧＤｕは、上アーム素子Ｑｕの制御電極（ゲート）へ入力される。

上アーム駆動ユニット２３０ｕの詳細な構成は図示しないが、たとえば、上アーム素子Ｑｕの制御電極を昇圧電圧ＶＤ２（オン電圧）へ駆動するプルアップトランジスタと、当該制御電極をノード３０５の電圧レベル（オフ電圧）へ駆動するプルダウントランジスタとの組合せによって実現される。

チャージポンプ回路２２０は、発振信号ＯＳ１のＨレベル期間にコンデンサＣ１によってノードＮ２に蓄えられた電荷を、発振信号ＯＳ１のＬレベル期間にノードＮ３へ送出する。この動作を発振信号ＯＳに応答して周期的に実行して、ノードＮ３の電荷をコンデンサＣ２で保持することにより、ノードＮ３には、電源電圧ＶＤ１よりも高い、上アーム素子駆動用の昇圧電圧ＶＤ２が生成される。

また、ゲート制御信号ＧＳｕは、高周波の発振信号ＯＳ２による変調後、パルストランス２８０によって駆動回路側へ伝達される。パルストランス２８０によって駆動回路側へ伝達された信号ＴＳ４は、コンデンサ３２０によって高周波成分を除去される。すなわち、コンデンサ３２０の容量値は、ノードＮ７に伝達された信号の高周波成分Ｔｈ（発振信号ＯＳの周波数成分）を除去するように設計される。

これにより、ノードＮ７にはゲート制御信号ＧＳｕが復調され、復調されたゲート制御信号ＧＳｕが上アーム駆動ユニット２３０ｕへ与えられる。上アーム駆動ユニット２３０ｕは、チャージポンプ回路２２０によって発生された昇圧電圧ＶＤ２を用いて、ゲート制御信号ＧＳｕに応答した駆動信号ＧＤｕを発生する。駆動信号ＧＤｕは、上アーム素子Ｑｕの制御電極（ゲート）へ入力される。

この結果、上アーム素子駆動用の独立電源を設けることなく、上アーム素子Ｑｕをゲート制御信号ＧＳｕに応答させてオン・オフすることができる。さらに、パルストランスによる簡易な構成で制御回路側および駆動回路側を絶縁するとともに、高周波の発振信号による変調を行なうことにより、パルストランス２８０の小型化および磁気飽和の防止が図られる。

また、異常検知回路２５０からの異常検知信号ＣＤが制御回路１２０へ伝達されるので、対応の上アーム素子Ｑｕに関する異常を検知した場合には、各スイッチング素子を強制的にターンオフさせて、素子の保護を図ることができる。

しかしながら、図３に示した構成では、上アーム素子ごとに変調波発生用の発振器３５０の配置が必要となるので、駆動回路部分の大型化および製造コストの増加を招いてしまう。

図４は、この発明による電力変換装置における上アーム素子の駆動構成を示す回路図である。

図４を参照して、この発明による上アーム素子の駆動構成では、図３と比較して、フォトカプラ２７５に代えて、ＡＮＤ回路２６０およびパルストランス２７０が配置される点と、発振器３５０の配置が省略される点と、ＡＮＤ回路３００の入力の一方が信号バッファ２９０の出力となる点とで異なる。その他の部分の構成は、図３と同様であるので、詳細な説明は繰り返さない。

発振器２４０の出力する発振信号ＯＳの周波数ｆ１は、図３における発振信号ＯＳ２（変調波）と同様に設定される。発振信号ＯＳは、図３と同様に、チャージポンプ回路２２０中のトランジスタＴＰ，ＴＮのゲートへ与えられる。

ＡＮＤ回路２６０は、発振器２４０からの発振信号ＯＳおよび異常検知回路２５０からの異常検知信号ＣＤの論理積（ＡＮＤ）演算結果を信号ＴＳ１として出力する。したがって、信号ＴＳ１は、異常検知信号ＣＤ＝Ｈレベルのときには発振信号ＯＳに相当し、異常検知信号ＣＤ＝ＬレベルのときにはＬレベルに固定される。すなわち、ＡＮＤ回路２６０は、「信号生成回路」として動作する。

パルストランス２７０は、一次側および二次側の間を電気的に絶縁して、一次側（発振器側）の信号ＴＳ１に応じた信号ＴＳ２を二次側（制御回路側）として伝達する。すなわち、パルストランス２７０は、「第１の信号伝達器」として動作する。信号バッファ２９０は、伝達された信号ＴＳ２を整形してノードＮ６に出力する。

「変調回路」に相当するＡＮＤ回路３００は、ノードＮ６の信号およびゲート制御信号ＧＳｕの論理積（ＡＮＤ）演算結果をトランジスタ３１０のゲートへ出力する。

上アーム素子Ｑｕの動作正常時（異常検知信号ＣＤ＝Ｈレベル）には、ＡＮＤ回路２６０からの出力信号ＴＳ１は、発振信号ＯＳに相当する。信号ＴＳ１はパルストランス２７０によって制御回路側へ信号ＴＳ２として伝達され、さらにノードＮ６を介してＡＮＤ回路３００へ入力される。

「変調回路」に相当するＡＮＤ回路３００は、パルストランス２７０によって伝達された発振信号を用いて、ゲート制御信号ＧＳｕを変調する。ＡＮＤ回路３００による変調信号（信号ＴＳ３）は、図３で説明したのと同様に、「第２の信号伝達器」として動作するパルストランス２８０によって駆動回路側へ伝達され、さらに、復調されたゲート制御信号ＧＳｕが上アーム駆動ユニット２３０ｕへ与えられる。

このように、チャージポンプ動作用の発振信号ＯＳを、パルストランス２８０によって制御回路側に伝達して変調波として用いることができる。したがって、変調波発生用の発振器を設けることなく、上アーム素子Ｑｕの動作正常時（異常検知信号ＣＤ＝Ｈレベル）には、図３に示した回路と同様に上アーム素子Ｑｕを駆動することができる。この結果、図３の構成における効果に加えて、回路の小型化が図られる。

なお、発振信号ＯＳの周波数は、上述のように、変調波としての役割を果たす範囲に定める必要があるが、同一信号をチャージポンプ回路系とゲート制御信号伝達系とで共有するので、事前の実験等により発振を起こさない周波数を見極めて設定することが望ましい。

一方、上アーム素子Ｑｕの異常検知時（異常検知信号ＣＤ＝Ｌレベル）には、「信号生成回路」に相当するＡＮＤ回路２６０の出力信号ＴＳ１がＬレベルに固定されるので、後続の信号ＴＳ２，ＴＳ３，ＴＳ４もＬレベルに固定される。この結果、制御回路１２０でのソフト処理によってゲート制御信号ＧＳｕをＬレベルに固定するまでもなく、上アーム素子Ｑｕが強制的にターンオフされる。

したがって、スイッチング素子の異常検知時には、ソフト処理を介することなく当該スイッチング素子を速やかに強制ターンオフできるので、保護性能を向上できる。

なお、異常検知回路２５０は、たとえば、上アーム素子Ｑｕの過発熱や過電流状態時等、スイッチング素子の保護上動作の停止が望ましい場合に、異常検知信号ＣＤをＬレベルに設定する。あるいは、上アーム素子Ｑｕが高機能化されたスイッチモジュールで構成される場合には、当該モジュール内に組み込まれたサージアブソーバ等の保護回路の故障時にも異常検知信号ＣＤをＬレベルに設定することができる。

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て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およ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。

この発明による電力変換装置が搭載されたハイブリッド自動車の全体構成を示す概略ブロック図である。 この発明による電力変換装置の代表例である図１に示したＰＣＵの構成を説明する回路図である。 比較例として示される上アーム素子の駆動構成を示す回路図である。 この発明による電力変換装置における上アーム素子の駆動構成を示す回路図である。

符号の説明

１０ バッテリ、１００ ハイブリッド自動車、１０１，１０３ 電源ライン、１０２ アースライン、１１０ コンバータ、１２０ 制御回路、１５０ インバータ、２１０ 電源回路、２２０ チャージポンプ回路、２３０ｕ 上アーム駆動ユニット、２３０ｄ 下アーム駆動ユニット、２４０ 発振器、２５０ 異常検知回路、２６０ ＡＮＤ回路（信号生成回路）、３００ ＡＮＤ回路（変調回路）、２７０，２８０ パルストランス、３２０ コンデンサ（復調回路）、ＧＳｕ ゲート制御信号（上アーム素子）、ＧＳｄ ゲート制御信号（下アーム素子）、ＭＧ モータジェネレータ、Ｎｍ，Ｎｍ０〜Ｎｍ３ 中間ノード、ＯＳ 発振信号、Ｑｕ，Ｑ１，Ｑ３，Ｑ５，Ｑ７ スイッチング素子（上アーム素子）、Ｑｄ，Ｑ２，Ｑ４，Ｑ６，Ｑ８ スイッチング素子（下アーム素子）、ＶＤ１ 電源電圧（下アーム素子駆動電圧）、ＶＤ２ 昇圧電圧（上アーム素子駆動電圧）。

Claims (6)

1. 高電圧および低電圧の電源配線間に直列接続された、高電圧側の第１のスイッチング素子および低電圧側の第２のスイッチング素子と、
   前記第１および第２のスイッチング素子のオン期間およびオフ期間を示す信号波を生成する制御回路と、
   前記第２のスイッチング素子の駆動電圧を生成する電源回路と、
   所定周波数の発振信号を生成する発振器と、
   前記発振器からの前記発振信号に応じたチャージポンプ動作によって、前記電源回路からの前記駆動電圧を昇圧して昇圧電圧を発生するチャージポンプ回路と、
   前記チャージポンプ回路によって発生される昇圧電圧を用いて、前記第１のスイッチング素子を駆動する第１の駆動ユニットと、
   前記電圧発生回路からの前記駆動電圧を用いて、前記制御回路からの信号波に基づいて前記第２のスイッチング素子を駆動する第２の駆動ユニットと、
   前記発振器および前記制御回路の間に設けられ、入力側および出力側の間の電気的絶縁を確保して、前記発振器によって生成された前記発振信号を前記制御回路側へ伝達するための第１の信号伝達器と、
   前記制御回路からの前記信号波および前記第１の信号伝達器によって伝達された信号を受けて、前記信号波を前記第１の信号伝達器によって伝達された信号によって変調する変調回路と、
   前記変調回路および前記第１の駆動ユニットの間に設けられ、入力側および出力側の間の電気的絶縁を確保して、前記変調回路の出力信号を前記駆動ユニット側へ伝達するための第２の信号伝達器と、
   前記第２の信号伝達器によって伝達された信号から前記発振信号の周波数成分を除去するための復調回路とを備え、
   前記第１の駆動ユニットは、前記復調回路によって得られた信号に基づいて、前記第１のスイッチング素子をオンおよびオフさせるための駆動信号を生成する、電力変換装置。
2. 前記第１のスイッチング素子に関する異常を検知するための異常検知回路と、
   前記異常検知回路の出力信号と前記発振器からの前記発振信号とを受けて、前記異常の検知時以外には前記発振信号を出力する一方で、前記異常の検知値には一定レベルに固定された信号を出力する信号生成回路をさらに備え、
   前記第１の信号伝達器は、前記信号生成回路の出力信号を前記制御回路側へ伝達され、
   前記変調回路の出力は、前記信号生成回路からの出力信号が前記一定レベルに固定された場合には、前記第１のスイッチング素子のターンオフに対応したレベルに固定される、請求項１に記載の電力変換装置。
3. 前記異常検知回路は、前記第１のスイッチング素子の保護に関する情報に基づいて前記異常を検知する、請求項２に記載の電力変換装置。
4. 前記第１および第２の信号伝達器は、パルストランスで構成される、請求項１または２に記載の電力変換装置。
5. 直流電源装置と、
   請求項１から４のいずれか１項に記載の電力変換装置と、
   車輪駆動用の複数相の交流電動機とを備え、
   前記電力変換装置は、前記第１および第２のスイッチング素子を各相のアームとして含んで構成され、前記直流電源装置からの直流電力および前記交流電動機を駆動する交流電力の間での電力変換を行なうインバータを有する、自動車。
6. 直流電源装置と、
   請求項１から４のいずれか１項に記載の電力変換装置と、
   車輪駆動用の交流電動機とを備え、
   前記電力変換装置は、
   前記第１および第２のスイッチング素子を含んで構成され、前記直流電源装置からの直流電圧を昇圧するコンバータと、
   前記コンバータによって昇圧された直流電圧および前記交流電動機との間で授受される交流電力の間での電力変換を行なうインバータとを有する、自動車。

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