JP2010158092A - 電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】回路を小型化できるとともに、コストダウンを図ることができる電力変換装置を得る。
【解決手段】互いに直列接続され高圧直流電源１に並列に接続された上下アームのスイッチング素子２ａ、２ｂと、上下アームのスイッチング素子にそれぞれ逆並列に接続された上下アームのフリーホイールダイオード３ａ、３ｂと、フローティング電位基準の上アームの駆動回路７ａと、高圧直流電源１のＧＮＤ基準の下アームの駆動回路７ｂと、上アームの駆動回路７ａで検出された異常信号を、下アームのスイッチング素子２ｂ又はフリーホイールダイオード３ｂが通電時に、下アームの駆動回路７ｂで異常を検出させるよう伝達する異常信号伝達回路８とを設け、上、下アームの駆動回路７ａ、７ｂは、スイッチング素子の異常を検出する異常検出機能と、異常検出時にスイッチング素子の通電を遮断する通電遮断機能と、異常信号出力を保持する出力保持機能とを有する。
【選択図】図１

Description

この発明は、高圧直流電源からモータ等の誘導性負荷を駆動する電力変換装置に関し、特に、上アームのスイッチング素子で過電流、過熱、駆動電源低下等の異常を検出した際に、異常信号を下アームに伝達する電力変換装置に関するものである。

従来の電力変換装置について図４を参照しながら説明する。図４は、従来の電力変換装置の構成を示す回路図である（例えば、特許文献１参照）。この図４は、スイッチング素子がマルチエミッタ構成により過電流を検出する例を示している。

従来の電力変換装置は、スイッチング素子で異常を検出した際に、異常信号を電力変換制御装置に出力する。

図４において、高圧直流電源１と、上アームのスイッチング素子２ａと、下アームのスイッチング素子２ｂと、上アームのフリーホイールダイオード３ａと、下アームのフリーホイールダイオード３ｂと、誘導性負荷４と、駆動部１０ａ、１０ｂと、異常検出信号処理部１１ａ、１１ｂと、ワンショットパルス変換部１２と、レベルシフト部１３と、フィルタ部１４と、ラッチ部１５と、ＯＲ回路１６とが描かれている。

異常検出信号処理部１１ａ、１１ｂは、過電流を検出するためのコンパレータや、保護のためスイッチング素子の通電を遮断し、ある一定時間遮断を保持する回路等により構成されている。

上下アームのスイッチング素子２ａ、２ｂと、上下アームのフリーホイールダイオード３ａ、３ｂは、高圧直流電源１と並列に接続され、上アームの一端は高圧直流電源１のプラス側のＰ電位、下アームの一端は高圧直流電源１のＧＮＤ側のＮ電位となっている。

上アームと下アームが接続されている点Ａは、フローティング電位で、スイッチングすることにより、Ｎ電位⇔Ｐ電位と交互の電位となる。

次に、上アームのスイッチング素子２ａで異常を検出した場合に、異常信号を出力する一連の動作について説明する。

上アームのスイッチング素子２ａで過電流が流れた場合、異常検出信号処理部１１ａにその状態が伝達される。異常検出信号処理部１１ａからの異常信号出力は、ワンショットパルス変換部１２へ伝達され、さらに、レベルシフト部１３に伝達される。ワンショットパルスに変換する理由は、ワンショットパルスにしないとレベルシフト部１３の電力損失が大きくなるためである。

レベルシフト部１３からの異常信号出力は、フィルタ部１４に伝達され、さらに、ラッチ部１５に伝達される。フィルタ部１４は、スイッチング動作に伴うｄｖ／ｄｔによるノイズが、レベルシフト部１３の浮遊容量を通してフィルタ部１４へ侵入するので、ノイズによる誤信号伝達を防止するため、設けられている。

ラッチ部１５は、伝達されてくる信号がワンショットパルスであるため、信号処理し易い矩形波パルスに変換するため、信号を復元している。ラッチ部１５からの異常信号出力は、ＯＲ回路１６に伝達され、外部の電力変換制御装置などへ異常信号を出力する。

特開２００２−２７２１４２号公報（図９）

上述したような従来の電力変換装置では、上アームで検出した異常信号の伝達には、異常検出信号処理部１１ａで信号保持し、ワンショットパルス変換部１２でワンショットパルス変換し、レベルシフト部１３でレベルシフトし、フィルタ部１４でノイズ阻止し、ラッチ部１５で信号復元するという構成となっており、かなり複雑な処理をして信号を伝達するため、回路が大型化し、コストアップの要因になるという問題点があった。

この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、その目的は、回路を小型化することができるとともに、コストダウンを図ることができる電力変換装置を得るものである。

この発明に係る電力変換装置は、高圧直流電源から誘導性負荷を駆動する電力変換装置において、互いに直列接続され前記高圧直流電源に並列に接続された上下アームのスイッチング素子と、前記上下アームのスイッチング素子にそれぞれ逆並列に接続された上下アームのフリーホイールダイオードと、フローティング電位基準の上アームの駆動回路と、前記高圧直流電源のＧＮＤ基準の下アームの駆動回路と、前記上アームの駆動回路で検出された異常信号を、前記下アームのスイッチング素子又は前記下アームのフリーホイールダイオードが通電時に、前記下アームの駆動回路で異常を検出させるよう伝達する異常信号伝達回路とを設け、前記上及び下アームの駆動回路は、それぞれ、スイッチング素子の異常を検出する異常検出機能と、異常検出時にスイッチング素子の通電を遮断する通電遮断機能と、異常信号出力を保持する出力保持機能とを有するものである。

この発明に係る電力変換装置は、回路を小型化することができるとともに、コストダウンを図ることができるという効果を奏する。

実施の形態１．
この発明の実施の形態１に係る電力変換装置について図１を参照しながら説明する。図１は、この発明の実施の形態１に係る電力変換装置の構成を示す回路図である。この図１は、マルチエミッタ構成の過電流検出方式である。なお、各図中、同一符号は同一又は相当部分を示す。

図１において、この発明の実施の形態１に係る電力変換装置は、高圧直流電源１と、上アームのスイッチング素子２ａと、下アームのスイッチング素子２ｂと、上アームのフリーホイールダイオード３ａと、下アームのフリーホイールダイオード３ｂと、フローティング点Ａに接続されたモータ等の誘導性負荷４と、上アームのスイッチング素子２ａの過電流を検出する過電流検出抵抗５ａと、下アームのスイッチング素子２ｂの過電流を検出する過電流検出抵抗５ｂと、上アームの過電流検出しきい値Ｖｓｃを設定するしきい値抵抗６ａと、下アームの過電流検出しきい値Ｖｓｃを設定するしきい値抵抗６ｂと、ＩＣから構成される上アームの駆動回路７ａと、ＩＣから構成される下アームの駆動回路７ｂと、上アームで検出した異常信号を下アームで異常を検出させるよう伝達する異常信号伝達回路８とが設けられている。

駆動回路７ａは、ＮＯＴ回路７１ａと、ＮＯＲ回路７２ａと、コンパレータ７３ａと、異常信号出力保持回路７４ａと、異常信号出力トランジスタ７５ａとから構成される。同様に、駆動回路７ｂは、ＮＯＴ回路７１ｂと、ＮＯＲ回路７２ｂと、コンパレータ７３ｂと、異常信号出力保持回路７４ｂと、異常信号出力トランジスタ７５ｂとから構成される。駆動回路７ａ及び７ｂは、上下アームで全く同じものを使用している。

異常信号伝達回路８は、高耐圧ダイオード８１と、抵抗（Ｒｆ）８２と、コンデンサ（Ｃｆ）８３と、トランジスタ８４と、トランジスタ８５とから構成される。なお、トランジスタ８４のベースに接続されている抵抗（Ｒｆ）８２とコンデンサ（Ｃｆ）８３は、フィルタを構成している。

つぎに、この実施の形態１に係る電力変換装置の動作について図面を参照しながら説明する。

駆動回路７ａ、７ｂ内のコンパレータ７３ａ、７３ｂは、過電流検出抵抗５ａ、５ｂの電圧が、しきい値電圧Ｖｓｃ以上となったとき、過電流と判定するようになっている。駆動回路７ａ、７ｂの内部には、さらに、異常信号出力保持回路７４ａ、７４ｂがあり、コンパレータ７３ａ、７３ｂにより過電流を検出した場合（異常検出機能）、一定時間、スイッチング素子２ａ、２ｂの通電を遮断し（通電遮断機能）、かつ一定時間、異常信号を出力する機能（出力保持機能）がある。異常信号出力トランジスタ７５ａ、７５ｂは、異常信号出力時は”ロー（Ｌｏｗ）レベル”となる。

ここで、上アームで検出された異常信号の伝達方法を説明する。

上アームで異常を検出した場合、異常信号出力保持回路７４ａは、上アームのスイッチング素子２ａの通電を遮断する。フローティング点Ａに接続されている誘導性負荷４は、電流を流そうと維持する動作をするため、上アームのスイッチング素子２ａの通電を遮断すると、下アームのフリーホイールダイオード３ｂが通電状態となり、フローティング点Ａの電位はＮ電位となる。

異常を検出し上アームのスイッチング素子２ａの通電を遮断すると、すぐに異常は解除されるが、異常信号出力保持回路７４ａにより、一定時間、上アームのスイッチング素子２ａを遮断し、かつ一定時間、異常信号が出力されており、上アームの異常信号出力トランジスタ７５ａの異常信号出力が、”Ｌｏｗレベル＝点Ａの電位”となっている。

上アームのスイッチング素子２ａを遮断し、下アームのフリーホイールダイオード３ｂが通電を維持している限り、フローティング点ＡはＮ電位となっているため、異常信号出力トランジスタ７５ａの異常信号出力電位もＮ電位となっている。この異常信号出力電位がＮ電位となると、高耐圧ダイオード８１を通して、トランジスタ８４のベース電流が遮断されるので、トランジスタ８４はＯＦＦ状態となる。このトランジスタ８４がＯＦＦ状態となると、トランジスタ８５がＯＮ状態となり、下アームの過電流検出しきい値Ｖｓｃ電位をＮ電位とし、下アームで過電流を検出させるような構成となっている。

なお、トランジスタ８４のベースに接続されている抵抗（Ｒｆ）８２とコンデンサ（Ｃｆ）８３は、フィルタを構成しており、スイッチングによるｄｖ／ｄｔノイズによる誤信号伝達を防止している。最終的に異常信号は、下アームの異常信号出力トランジスタ７５ｂの異常信号出力の先に接続される電力変換制御装置へ信号を伝達されている。

ここで、上アームの異常信号出力トランジスタ７５ａの異常信号出力は、この異常信号出力が保持されている期間は、常時”Ｌｏｗレベル”となっているが、フローティング点Ａの電位がＰ電位となっている場合でも、ダイオード８１は通電状態とならないため、従来例のように電力損失が大きくなるのを防止するよう、ワンショットパルスに変換する必要がない。

また、電力変換制御装置は、通常モータ制御などを実施するためのトルク制御を高速で実施しており、異常信号出力の認識はＣＰＵ負荷を減らすために、低速な処理で認識する場合が多い。従って、異常信号出力の時間は、低速な処理で認識できるよう十分長い時間信号を保持している必要がある。

上述の例では、上アームの異常信号出力トランジスタ７５ａの異常信号出力を下アームで異常を検出させるよう伝達できるのは、下アームのフリーホイールダイオード３ｂが通電状態となるか、下アームのスイッチング素子２ｂが通電状態となってフローティング点Ａの電位がＮ電位となっている期間だけであるので、仮に下アームの通電時間が短すぎて、電力変換制御装置への異常信号出力が十分な時間取れなくなるのを防止するため、下アームで異常を検出するように伝達することで、下アームで異常信号出力保持を行い、電力変換制御装置への異常信号出力時間を十分長い時間取ることができるようになっている。

以上のように本実施の形態１では、上アームで検出した異常を下アームが通電している期間に下アームで異常を検出するよう伝達することにより、従来例のようにワンショットパルスに変換し信号を復元するためラッチ処理する等の複雑な処理が必要ないので、回路規模が小さくすることができ、コスト低減が可能となる。

実施の形態２．
この発明の実施の形態２に係る電力変換装置について図２を参照しながら説明する。図２は、この発明の実施の形態２に係る電力変換装置の構成を示す回路図である。なお、この実施の形態２は、異常信号伝達回路の構成が実施の形態１と異なるだけであり、この実施の形態２の特徴を説明する上で直接関係しない箇所を省略している。

図２は、３相モータを駆動するための電力変換装置で、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の各相に上下アームがある。これらＵ相、Ｖ相、Ｗ相の上下アームには、それぞれ図１と同じ駆動回路７ａ、７ｂがあり、この駆動回路７ａ、７ｂにより、異常検出、保護を行っている。

各上アームの異常信号出力トランジスタのコレクタには、それぞれ高耐圧ダイオード８１ｕ、８１ｖ、８１ｗのカソードが接続されている。各高耐圧ダイオード８１ｕ、８１ｖ、８１ｗのアノードの先は、トランジスタ８４のベースに接続されており、その先にはトランジスタ８５が接続されている。

すなわち、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の上アームの異常信号は、全てＵ相の下アームで異常を検出させるように構成されている。点Ａ、点Ｂ、点Ｃは、それぞれＵ相、Ｖ相、Ｗ相のフローティング点である。Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相のどの相においても、上アームで異常を検出した場合は、上アームのスイッチング素子を遮断することで、下アームのフリーホイールダイオードが通電状態となってフローティング点はＮ電位となるため、トランジスタ８４をＯＦＦし、トランジスタ８５をＯＮさせ、Ｕ相の下アームで異常を検出させることができる。

このように、上アームで検出された異常信号はどの相であっても、ある特定の１つの相の下アームで異常を検出させるよう伝達する構成とすることで、大幅に回路規模を縮小することができ、低コスト化が可能となる。

実施の形態３．
この発明の実施の形態３に係る電力変換装置について図３を参照しながら説明する。図３は、この発明の実施の形態３に係る電力変換装置の構成を示す回路図である。なお、この実施の形態３は、異常信号伝達回路を各相に設けことが実施の形態１及び実施の形態２と異なるだけであり、この実施の形態３の特徴を説明する上で直接関係しない箇所を省略している。

図３は、上アームで検出された異常信号を下アームで異常を検出させる図１と同じ異常信号伝達回路８ｕ、８ｖ、８ｗを、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相のそれぞれに設けた構成例である。各相の下アームの異常信号出力トランジスタのコレクタは、ＯＲ回路９に接続され、さらに、例えば、電力変換制御装置へ接続されている。

上記の実施の形態２のある特定の下アームで異常検出させる構成となっている場合に比較して、異常信号伝達回路８ｕ、８ｖ、８ｗ中のＲｆ８２、Ｃｆ８３のフィルタ時定数を１／３にすることができ、下アームの通電時間が極短い時間しかなくても、上アームの異常信号を下アームで異常を検出させるよう伝達できる特徴がある。システム上、上アームで異常検出時に下アームの通電時間が短い時間しかない状況がある場合は、本実施の形態３の構成とすることが望ましい。

なお、上記の各実施の形態では、過電流検出方式について説明したが、過熱検出方式、又は駆動電源低下検出方式にも適用することができる。

この発明の実施の形態１に係る電力変換装置の構成を示す回路図である。 この発明の実施の形態２に係る電力変換装置の構成を示す回路図である。 この発明の実施の形態３に係る電力変換装置の構成を示す回路図である。 従来の電力変換装置の構成を示す回路図である。

符号の説明

１ 高圧直流電源、２ａ 上アームのスイッチング素子、２ｂ 下アームのスイッチング素子、３ａ 上アームのフリーホイールダイオード、３ｂ 下アームのフリーホイールダイオード、４ 誘導性負荷、５ａ 上アームの過電流検出抵抗、５ｂ 下アームの過電流検出抵抗、６ａ 上アームのしきい値抵抗、６ｂ 下アームのしきい値抵抗、７ａ 上アームの駆動回路、７ｂ 下アームの駆動回路、８ 異常信号伝達回路、９ ＯＲ回路、７１ａ、７１ｂ ＮＯＴ回路、７２ａ、７２ｂ ＮＯＲ回路、７３ａ、７３ｂ コンパレータ、７４ａ、７４ｂ 異常信号出力保持回路、７５ａ、７５ｂ 異常信号出力トランジスタ、８１ 高耐圧ダイオード、８４、８５ トランジスタ。

Claims (5)

1. 高圧直流電源から誘導性負荷を駆動する電力変換装置において、
   互いに直列接続され前記高圧直流電源に並列に接続された上下アームのスイッチング素子と、
   前記上下アームのスイッチング素子にそれぞれ逆並列に接続された上下アームのフリーホイールダイオードと、
   フローティング電位基準の上アームの駆動回路と、
   前記高圧直流電源のＧＮＤ基準の下アームの駆動回路と、
   前記上アームの駆動回路で検出された異常信号を、前記下アームのスイッチング素子又は前記下アームのフリーホイールダイオードが通電時に、前記下アームの駆動回路で異常を検出させるよう伝達する異常信号伝達回路とを備え、
   前記上及び下アームの駆動回路は、それぞれ、
   スイッチング素子の異常を検出する異常検出機能と、
   異常検出時にスイッチング素子の通電を遮断する通電遮断機能と、
   異常信号出力を保持する出力保持機能とを有する
   ことを特徴とする電力変換装置。
2. 高圧直流電源から誘導性負荷を駆動する多相の電力変換装置において、
   相毎に設けられ、互いに直列接続され前記高圧直流電源に並列に接続された上下アームのスイッチング素子と、
   相毎に設けられ、前記上下アームのスイッチング素子にそれぞれ逆並列に接続された上下アームのフリーホイールダイオードと、
   相毎に設けられ、フローティング電位基準の上アームの駆動回路と、
   相毎に設けられ、前記高圧直流電源のＧＮＤ基準の下アームの駆動回路と、
   前記多相のいずれかの相の上アームの駆動回路で検出された異常信号を、前記特定の相の下アームの駆動回路で異常を検出させるよう伝達する異常信号伝達回路とを備え、
   前記上及び下アームの駆動回路は、それぞれ、
   スイッチング素子の異常を検出する異常検出機能と、
   異常検出時にスイッチング素子の通電を遮断する通電遮断機能と、
   異常信号出力を保持する出力保持機能とを有する
   ことを特徴とする電力変換装置。
3. 高圧直流電源から誘導性負荷を駆動する多相の電力変換装置において、
   相毎に設けられ、互いに直列接続され前記高圧直流電源に並列に接続された上下アームのスイッチング素子と、
   相毎に設けられ、前記上下アームのスイッチング素子にそれぞれ逆並列に接続された上下アームのフリーホイールダイオードと、
   相毎に設けられ、フローティング電位基準の上アームの駆動回路と、
   相毎に設けられ、前記高圧直流電源のＧＮＤ基準の下アームの駆動回路と、
   相毎に設けられ、前記上アームの駆動回路で検出された異常信号を、前記下アームの駆動回路で異常を検出させるよう伝達する異常信号伝達回路とを備え、
   前記上及び下アームの駆動回路は、それぞれ、
   スイッチング素子の異常を検出する異常検出機能と、
   異常検出時にスイッチング素子の通電を遮断する通電遮断機能と、
   異常信号出力を保持する出力保持機能とを有する
   ことを特徴とする電力変換装置。
4. 前記下アームの駆動回路は、前記異常信号を外部の電力変換制御装置に伝達する機能をさらに有する
   ことを特徴とする請求項１から請求項３までのいずれかに記載の電力変換装置。
5. 前記上及び下アームの駆動回路は、それぞれ、スイッチング素子の過電流、過熱又は駆動電源低下を検出する異常検出機能を有する
   ことを特徴とする請求項１から請求項３までのいずれかに記載の電力変換装置。

Images