JP2009027868A

JP2009027868A - 昇降圧コンバータ

Info

Publication number: JP2009027868A
Application number: JP2007190090A
Authority: JP
Inventors: Yasuhisa Tasaka; 泰久田坂; Toshihiko Chijiiwa; 敏彦千々岩; Kohei Kubo; 孝平久保; Yasumasa Suga; 恭正菅
Original assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Priority date: 2007-07-20
Filing date: 2007-07-20
Publication date: 2009-02-05
Anticipated expiration: 2027-07-20
Also published as: JP4927655B2

Abstract

【課題】電源を安全に切り離すことのできる昇降圧コンバータを提供することを課題とする。
【解決手段】昇降圧コンバータは、リアクトル１、昇圧用ＩＧＢＴ２、降圧用ＩＧＢＴ３、蓄電素子であるコンデンサ４が接続される電源接続端子５、力行運転及び回生運転の双方を行うモータ６が接続される出力端子７、一対の出力端子７に並列に挿入される平滑用のコンデンサ８、及び、リレー９、コントローラ１１、及び保護回路１２を備える。リレー９が開放されると、保護回路１２に含まれるダイオード１２ａにより、リアクトル１から電源接続端子５の負極端子や昇圧用ＩＧＢＴ２に電流が流れることが抑制され、また、リアクトル１からダイオード１２ｂを通じて出力端子７に電流が流れるので、リレー９でのアーク放電の発生が抑制される。
【選択図】図１

Description

本発明は、昇圧用スイッチング素子及び降圧用スイッチング素子を有し、負荷への電力供給の制御と、負荷より得られる回生電力の蓄電素子への供給の制御とを行う昇降圧コンバータに関する。

従来より、一般的な昇降圧コンバータには、電源への電力供給を遮断するための開閉器が設けられている（例えば、特許文献１参照）。このような開閉器は、一定以上の電流が通流した際に昇降圧コンバータから電源への電力供給を遮断するために用いられる他、電源を昇降圧コンバータから切り離す（又は、取り外す）際に用いられる。
特開２００５−１７６５６７号公報

ところで、このような昇降圧コンバータの開閉器を開放する際には、リアクトルに残留するエネルギが放出されることにより、アーク放電が生じる場合がある。

このようなアーク放電は、取り扱う電力が特に大きい場合に特に問題になり、例えば、建設機械等のいわゆる重機械の電源制御部のように、一般的なアプリケーションの場合に比べて遙かに大きな電力が必要とされる昇降圧コンバータでは、アーク放電による機器の損傷等の問題が顕在化するおそれがある。

そこで、本発明は、電源を安全に切り離すことのできる昇降圧コンバータを提供することを目的とする。

本発明の一局面の昇降圧コンバータは、力行運転及び回生運転の双方を行う電動機との間で電力の授受を行うための第１端子と前記電動機への供給電力を蓄積する電源が接続される第２端子と、前記電動機への電力の供給を制御するための昇圧用スイッチング素子と、前記電動機より得られる回生電力の前記電源への供給を制御するための降圧用スイッチング素子と、第１端が前記昇圧用スイッチング素子及び前記降圧用スイッチング素子の接続点に接続されるリアクトルと、前記リアクトルの第２端と前記第２端子との間に設けられる開閉器と、前記開閉器の開放時に、前記リアクトルから放出される電流を前記第１端子に接続されるＤＣバスに導く電流誘導手段とを備える。

また、前記電流誘導手段は、前記リアクトルの第２端と前記第１端子の負極端子との間に接続され、当該負極端子から当該リアクトルの第２端への方向に電流を整流する第１整流素子と、前記リアクトルの第２端と前記ＤＣバスとの間に配設され、当該リアクトルの第２端から当該ＤＣバスへの方向に電流を整流する第２整流素子とを含んでもよい。

本発明によれば、大電力を扱う場合でも、安全に電源を切り離すことのできる昇降圧コンバータを提供できるという特有の効果が得られる。

以下、本発明の昇降圧コンバータを適用した実施の形態について説明する。

図１は、本実施の形態の昇降圧コンバータの回路構成を概略的に示す図である。この昇降圧コンバータは、リアクトル１、昇圧用ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）２、降圧用ＩＧＢＴ３、電源として用いられるコンデンサ４を接続するための電源接続端子５、モータ６との間で電力を授受するための出力端子７、一対の出力端子７に並列に挿入される平滑用のコンデンサ８、及び、リレー９、コントローラ１１、及び保護回路１２を備える。

なお、図１には、電源として用いられる蓄電素子としてコンデンサ４を示すが、この蓄電素子は、充放電可能な二次電池であればよい。また、出力端子７に接続されるモータ６は、力行運転及び回生運転が可能な電動機であればよい。

リアクトル１は、一端が昇圧用ＩＧＢＴ２及び降圧用ＩＧＢＴ３の間に接続され、他端が電源接続端子５に接続される。また、平滑用のコンデンサ８は、出力端子７の正極端子と負極端子との間に挿入され、出力電圧を平滑化する。

また、リレー９は、電源であるコンデンサ４を電源接続端子５から取り外す際に開放される。このリレー９は、コントローラ１１によって駆動される。

また、出力端子７の正極端子とモータ６との間は、ＤＣバス１０となる。

保護回路１２は、２つの整流素子であるダイオード１２ａ及び１２ｂを備え、リレー９の開放時にリアクトル１から放出される電流を出力端子７に導くための回路である。ダイオード１２ａは、一端が電源接続端子５の負極端子に接続され、他端がリアクトル１とリレー９の間に接続される。整流方向は、ここでいう一端から他端に通流する方向である。

また、ダイオード１２ｂは、一端がリアクトル１とリレー９の間に接続され、他端が降圧用ＩＧＢＴ３のソース端子（及び出力端子７の正極端子）に接続される。整流方向は、ここでいう一端から他端に通流する方向である。

本実施の形態の昇降圧コンバータは、例えば、ハイブリッド式の建設機械の電源制御部に適用することができる。具体例としては、建設機械のアームの角度操作を電動モータで駆動制御する形態、これに加えてバケットリンクの電動駆動若しくはリフティングマグネットの電動化を行う形態、又は、走行用の無限軌道の駆動装置を電動化若しくはハイブリッド化する形態等における電源制御部に用いることができる。

これらの用途では、例えば、キャパシタ４の電圧値が約１００〜３００Ｖ、出力端子７における出力定格電圧が約３６０Ｖ、定格出力が約２０ｋＷ、瞬時最大出力電力が±６０ｋＷ、定格電流が±５５Ａ、瞬時最大電流が±１７０Ａ程度となる。

このため、本実施の形態におけるリアクトル１、昇圧用ＩＧＢＴ２、降圧用ＩＧＢＴ３、電源接続端子５、出力端子７、コンデンサ８、及びリレー９は、図１に示す一つの昇降圧コンバータとして、このような用途に耐えうるものであることが要求される。

また、このように本実施の形態の昇降圧コンバータがハイブリッド式の建設用機械の電源制御部に用いられる場合に、コンデンサ４を電源接続端子５から取り外すのは、例えば、操作者が昇降圧コンバータの故障を避けるためにキャパシタ４を切り離すような緊急の場合や、建設機械を緊急停止させる場合が挙げられる。

昇圧用ＩＧＢＴ２及び降圧用ＩＧＢＴ３は、図示しない駆動制御部によってＰＷＭ（Pulse Width Modulation）駆動される。すなわち、これらのＩＧＢＴ２、３のゲート端子には、駆動制御部から駆動用のパルス電圧が印加される。このような制御部は、電子回路又は演算処理装置のいずれでも実現することができる。

このような昇降圧コンバータにおいて、昇圧動作を実行する際には、駆動制御部で昇圧用ＩＧＢＴ２のゲート端子にパルス電圧を印加してＰＷＭ駆動することにより、コンデンサ４の電圧値を昇圧し、降圧用ＩＧＢＴ３に並列に接続されたダイオードを介してモータ６に電力供給を行う。

また、降圧動作を実行する際には、駆動制御部で降圧用ＩＧＢＴ３のゲート端子にパルス電圧を印加してＰＷＭ駆動することにより、モータ６から得られる回生エネルギをコンデンサ４に充電する。

以上のようにして昇降圧動作が実現される。

従来の昇降圧コンバータでは、リアクトル１と電源であるコンデンサ４との接続を遮断するために、マグネット・コンダクタあるいはリレーを備えるものが一般的であるが、本実施の形態の昇降圧コンバータのように大電力を取り扱う場合には、リアクトルに残留するエネルギによるアーク放電により機器の損傷等の問題が生じる場合がある。

本実施の形態の昇降圧コンバータでは、一対のダイオード１２ａ及び１２ｂを含む保護回路１２を備えるので、リレー９が開放されると、ダイオード１２ａにより、リアクトル１から電源接続端子５の負極端子に電流が流れることが抑制され、リアクトル１からダイオード１２ｂ及びＤＣバス１０を通じて出力端子７の正極端子に電流が流れる。これにより、リアクトル１に残留したエネルギが出力端子７からモータ６に放出される。

このように、リアクトル１に残留したエネルギが出力端子７からモータ６に放出されるため、リレー９のオフに伴うアーク放電の発生が抑制される。

以上のように、電源であるコンデンサ４の切り離し時における安全性を改善した昇降圧コンバータを提供することができる。

［変形例］
図２は、本実施の形態の変形例の昇降圧コンバータの回路構成を概略的に示す図である。この昇降圧コンバータは、リアクトル１ａ、１ｂ、１ｃ、昇圧用ＩＧＢＴ２ａ、２ｂ、２ｃ、降圧用ＩＧＢＴ３ａ、３ｂ、３ｃを備える点が図１に示す昇降圧コンバータと異なる。

ここで、リアクトル、昇圧用ＩＧＢＴ、及び降圧用ＩＧＢＴを１つずつ含む素子を「昇降圧用素子」として扱う。すなわち、図２に示す回路構成では、昇降圧用素子が３つ並列接続されている。ここでは、このように昇降圧用素子が並列に接続された素子を並列型昇降圧用素子と称す。

ここに示すように、リアクトル１ａは、昇圧用ＩＧＢＴ２ａ及び降圧用ＩＧＢＴ３ａと電源接続端子５との間に配設されており、また、コンデンサ８は、昇圧用ＩＧＢＴ２ａ及び降圧用ＩＧＢＴ３ａと出力端子７との間に挿入される。この接続関係は、リアクトル１ｂ、昇圧用ＩＧＢＴ２ｂ、及び降圧用ＩＧＢＴ３ｂと、リアクトル１ｃ、昇圧用ＩＧＢＴ２ｃ、及び降圧用ＩＧＢＴ３ｃとについても同様である。

図２に示す昇圧用ＩＧＢＴ２ａ〜２ｃ及び降圧用ＩＧＢＴ３ａ〜３ｃは、図示しない駆動制御部によってＰＷＭ駆動される。すなわち、これらのＩＧＢＴ（２ａ〜２ｃ、３ａ〜３ｃ）のゲート端子には、駆動制御部から駆動用のパルス電圧が印加される。このような制御部は、電子回路又は演算処理装置のいずれでも実現することができる。

本実施の形態の変形例の昇降圧コンバータでは、一対のダイオード１２ａ及び１２ｂを含む保護回路１２を備えるので、リレー９が開放されると、ダイオード１２ａにより、リアクトル１から電源接続端子５の負極端子や昇圧用ＩＧＢＴ２に電流が流れることが抑制され、また、リアクトル１からダイオード１２ｂを通じて出力端子７に電流が流れる。これにより、リアクトル１に残留したエネルギが放出される。なお、このとき、リアクトル１からは、降圧用ＩＧＢＴ３に並列接続されているダイオードを通じた経路によっても出力端子７に電流が流れる。これは、図１に示す回路構成の場合と同様である。

このように、昇圧用素子が複数並列接続されている回路構成の昇降圧コンバータにおいても、リレー９の開放時におけるアーク放電を抑制することができる。特に建機のように大電力を取り扱う昇降圧コンバータにおいては、昇降圧用素子を複数並列接続することによって各昇降圧用素子に通流する電流値を低く抑えることができ、モジュール化された並列型昇降用圧素子を用いることができる。このようなモジュール化された並列型昇降圧用素子を有する昇降圧コンバータにおいても、リレー９に通流する電流値は大きいため、アーク放電を抑制できることにより、電源であるコンデンサ４の切り離し時における安全性を改善した昇降圧コンバータを提供することができる。

なお、ここでは、昇降圧用素子の並列数Ｎが３である形態について説明したが、並列数Ｎは、リアクトルやＩＧＢＴにかかる電流値や電圧値に応じて最適な値に設定されればよい。

また、以上では、出力端子７に直流駆動のモータ６を直接接続する形態について説明したが、これに代えて、出力端子７にインバータ介して交流駆動されるモータを接続してもよい。

以上、本発明の例示的な実施の形態の昇降圧コンバータについて説明したが、本発明は、具体的に開示された実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲から逸脱することなく、種々の変形や変更が可能である。

本実施の形態の昇降圧コンバータの回路構成を概略的に示す図である。本実施の形態の変形例による昇降圧コンバータの回路構成を概略的に示す図である。

符号の説明

１、１ａ、１ｂ、１ｃリアクトル
２、２ａ、２ｂ、２ｃ昇圧用ＩＧＢＴ
３、３ａ、３ｂ、３ｃ降圧用ＩＧＢＴ
４コンデンサ、
５電源接続端子
６モータ
７出力端子
８コンデンサ
９リレー
１０ＤＣバス
１１コントローラ
１２保護回路
１２ａ、１２ｂダイオード

Claims

力行運転及び回生運転の双方を行う電動機との間で電力の授受を行うための第１端子と
前記電動機への供給電力を蓄積する電源が接続される第２端子と、
前記電動機への電力の供給を制御するための昇圧用スイッチング素子と、
前記電動機より得られる回生電力の前記電源への供給を制御するための降圧用スイッチング素子と、
第１端が前記昇圧用スイッチング素子及び前記降圧用スイッチング素子の接続点に接続されるリアクトルと、
前記リアクトルの第２端と前記第２端子との間に設けられる開閉器と、
前記開閉器の開放時に、前記リアクトルから放出される電流を前記第１端子に接続されるＤＣバスに導く電流誘導手段と
を備える昇降圧コンバータ。
前記電流誘導手段は、前記リアクトルの第２端と前記第１端子の負極端子との間に接続され、当該負極端子から当該リアクトルの第２端への方向に電流を整流する第１整流素子と、前記リアクトルの第２端と前記ＤＣバスとの間に配設され、当該リアクトルの第２端から当該ＤＣバスへの方向に電流を整流する第２整流素子とを含む、請求項１に記載の昇降圧コンバータ。