JP2011041363A - 直流電源平滑用コンデンサーの放電回路 - Google Patents

直流電源平滑用コンデンサーの放電回路 Download PDF

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Abstract

【課題】故障発生時に確実に放電を停止する。
【解決手段】直流電源を開閉器３０４を介して直流電源平滑用コンデンサー３２６とインバーター１４４へ供給する電力変換装置２００に用いられる直流電源平滑用コンデンサー３２６の放電回路であって、コンデンサー３２６の電荷を放電する抵抗器３２４と、抵抗器３２４と直列に接続され、コンデンサー３２６から抵抗器３２４へ流れる放電電流の通電と遮断を行うスイッチ３２５と、コンデンサー３２６の端子電圧を測定する回路３１７，３１９と、スイッチ３２５の通電と遮断を制御する制御回路３１９とを備え、制御回路３１９は、スイッチ３２５を通電にして抵抗器３２４によるコンデンサー３２６の放電を開始した後の、測定回路３１７，３１９により測定されたコンデンサーの端子電圧が、予め設定された電圧低下特性を越えた場合に、スイッチ３２５を遮断にして抵抗器３２４によるコンデンサー３２６の放電を停止する。
【選択図】図３

Description

本発明は、インバーターなどの電力変換装置に用いられる直流電源平滑用コンデンサーの放電回路に関する。
ハイブリッド自動車のモーター駆動用などに用いられるインバーターは、直流電源から供給された直流電力を回転電機などの交流電気負荷に供給するための交流電力に変換する機能、あるいは回転電機により発電された交流電力を直流電源に供給するための直流電力に変換する機能を備えている。これらの変換機能を果すために、インバーターはスイッチング素子による電力変換回路を備えており、スイッチング素子が導通と遮断を繰り返すことによって直流電力から交流電力へ、あるいは交流電力から直流電力への電力変換を行う。
このインバーターには、動作時の直流電源の電圧変動を安定化させる大容量の直流電源平滑用コンデンサーが設けられている。また、バッテリーと直流電源平滑用コンデンサーとの間にはコンタクターなどの断路器が設けられ、ハイブリッド自動車を走行させる際にはコンタクターを閉路（以下、オンと云う）させてコンデンサーを充電した後、インバーターを動作させ走行モーターを駆動する。一方、ハイブリッド自動車を停止させたときは、コンタクターを開路（以下、オフと云う)して放電回路を介してコンデンサーを放電している。
インバーターにおけるコンタクターと放電回路の故障を判定するために、ハイブリッド自動車が停止してからの直流電源平滑用コンデンサーの端子電圧を監視し、コンデンサーの端子電圧が停車後Ｔ１時間（４０秒）を経過した時点で所定値以下に低下していれば異常なしと判定し、停車後Ｔ２時間（５分）を経過した時点で所定値以下に低下した場合は放電回路に異常があると判定し、停車後Ｔ２時間が経過しても低下しない場合はコンタクターに異常があると判定するようにした電気自動車の制御装置が知られている（例えば、下記特許文献１参照）。
特開平１０−２５７７７８号公報
しかしながら、上述した従来の制御装置では、停車後に放電回路によるコンデンサーの放電を開始してから何らかの原因でコンタクターがオン（閉路）すると、長時間にわたって放電回路に大きな電流が流れ続けることになる。
(１) 請求項１の発明は、直流電源を開閉器を介して直流電源平滑用コンデンサーとインバーターへ供給する電力変換装置に用いられる直流電源平滑用コンデンサーの放電回路において、コンデンサーの電荷を放電する抵抗器と、抵抗器と直列に接続され、コンデンサーから抵抗器へ流れる放電電流の通電と遮断を行うスイッチと、コンデンサーの端子電圧を測定する測定回路と、スイッチの通電と遮断を制御する制御回路とを備え、制御回路は、スイッチを通電にして抵抗器によるコンデンサーの放電を開始した後の、測定回路により測定されたコンデンサーの端子電圧が、予め設定された電圧低下特性を越えた場合に、スイッチを遮断にして抵抗器によるコンデンサーの放電を停止する。
(２) 請求項２の発明は、請求項１に記載の直流電源平滑用コンデンサーの放電回路において、電圧低下特性は、抵抗器によるコンデンサーの放電特性に応じて設定される。
(３) 請求項３の発明は、請求項２に記載の直流電源平滑用コンデンサーの放電回路おいて、制御回路は、測定回路により測定されたコンデンサーの端子電圧と電圧低下特性との比較に基づく放電の継続または停止の判定を予め定めた時間間隔で行う。
(４) 請求項４の発明は、請求項３に記載の直流電源平滑用コンデンサーの放電回路において、制御回路は、測定回路により測定された放電開始前のコンデンサーの端子電圧とコンデンサーの容量および抵抗器の抵抗値により決まる時定数とに基づいて電圧低下特性を演算により求め、演算結果の電圧低下特性と測定回路により測定されたコンデンサーの端子電圧とを比較して放電の継続または停止を判定する。
(５) 請求項５の発明は、請求項３に記載の直流電源平滑用コンデンサーの放電回路において、制御回路は、測定回路により前回測定されたコンデンサーの端子電圧に対する今回測定されたコンデンサーの端子電圧の比と、コンデンサーの容量および抵抗器の抵抗値により決まる時定数に基づき設定された係数とを比較して、放電の継続または停止を判定する。
(６) 請求項６の発明は、請求項３〜５のいずれか一項に記載の直流電源平滑用コンデンサーの放電回路において、制御回路は、放電を開始してからの経過時間に応じて時間間隔を長くする。
(７) 請求項７の発明は、請求項１〜６のいずれか一項に記載の直流電源平滑用コンデンサーの放電回路において、制御回路は、コンデンサーの端子電圧が電圧低下特性を越えたとして抵抗器によるコンデンサーの放電を停止した場合には、第１の所定時間が経過するまで放電を再開しない。
(８) 請求項８の発明は、請求項７に記載の直流電源平滑用コンデンサーの放電回路において、制御回路は、コンデンサーの端子電圧が電圧低下特性を越えたことによる放電停止が初回の場合は、第１の所定時間より短い第２の所定時間が経過するまで放電の再開を待ち、放電停止が２回目以降の場合は、第１の所定時間が経過するまで放電の再開を待つ。
(９) 請求項９の発明は、請求項１〜８のいずれか一項に記載の直流電源平滑用コンデンサーの放電回路において、スイッチは第１スイッチと第２スイッチが直列に接続されており、第１スイッチの短絡故障の発生を検知する検知回路を備え、制御回路は、通常は第２スイッチを通電にしたまま第１スイッチの通電と遮断により放電の開始と停止を行い、放電を停止するときに検知回路により第１スイッチの短絡故障の発生が検知された場合には、第２スイッチを遮断にして放電を停止する。
(１０) 請求項１０の発明は、請求項１〜８のいずれか一項に記載の直流電源平滑用コンデンサーの放電回路において、抵抗器は、第１の抵抗値を有する第１抵抗器と、第１の抵抗値よりも低い第２の抵抗値を有する第２抵抗器からなり、スイッチは、第１抵抗器と直列に接続されてコンデンサーから第１抵抗器へ流れる放電電流の通電と遮断を行う第３スイッチと、第２抵抗器と直列に接続されてコンデンサーから第２抵抗器へ流れる放電電流の通電と遮断を行う第４スイッチとからなり、制御回路は、第３スイッチを通電にして第１抵抗器によりコンデンサーの放電を開始し、測定回路により測定されたコンデンサーの端子電圧が所定電圧以下になったら、第１抵抗器によるコンデンサーの放電に加え、第４スイッチを通電にして第２抵抗器によるコンデンサーの放電を開始する。
本発明によれば、抵抗器によるコンデンサーの放電中に開閉器が何らかの原因により閉路（オン）した場合でも、抵抗器によるコンデンサーの放電が確実に停止され、抵抗器に放電電流が流れ続けるのを防止できる。
ハイブリッド自動車の制御ブロックを示す図 インバーター装置の電気回路図 一実施の形態の直流電源平滑用コンデンサー３２６の放電制御回路３００の電気回路構成を示す図 正常な放電が行われた場合における放電制御回路３００の各部動作を示すタイミングチャート 放電中に何らかの原因によりコンタクター３０４がオン（閉路）した場合における放電制御回路３００の保護動作を示すタイミングチャート 放電制御回路３００のマイコン３１９による保護動作を示すＰＡＤ 図６に示す保護動作の変形例を示すＰＡＤ 放電制御回路３００のマイコン３１９による保護動作の他の実施例を示すＰＡＤ 放電指令信号の受信時にコンタクター３０４がオン（閉路）状態にある場合の放電保護動作を示すタイミングチャート 放電指令信号の受信時にコンタクター３０４が閉路状態にある場合の放電保護動作の他の実施例を示すタイミングチャート スイッチング素子３２５と直列に第２のスイッチング素子１１０１を接続し、第１のスイッチング素子３２５のショートモード故障のバックアップを行う実施例の放電回路図 電圧Ｖの下がり方が緩やかになったら放電抵抗器の抵抗値を下げて放電時間を短縮するようにした実施例の放電回路図 図１２に示す放電回路の放電波形を示す図 放電制御回路３００のバッファー３２３の内部回路図 放電制御回路３００のコレクター電圧検知回路３２２の内部回路図
本発明をハイブリッド自動車のモーター駆動用インバーターに適用した発明の一実施の形態を説明する。なお、本発明の直流電源平滑用コンデンサーの放電回路は、ハイブリッド自動車のモーター駆動用インバーターに限定されず、一般的な電気自動車に用いられるインバーターはもちろんのこと、電気車両、船舶、航空機などで用いられるインバーターやＤＣ−ＤＣコンバーターなどの電力変換装置、広く一般産業用として用いられるすべての電力変換装置、あるいは家庭の太陽光発電システムや家庭の電化製品を駆動する電動機の電力変換装置にも適用することができ、後述する一実施の形態のインバーターに適用した場合と同様な効果を得ることができる。
図１はハイブリッド自動車の制御ブロックを示す図である。自動車に搭載される電機システムの電力変換装置、特に車両駆動用電機システムに用いられるインバーターは、厳しい周囲環境や動作環境下に置かれる。車両駆動用インバーターは、車載バッテリーまたは車載発電装置から供給される直流電力を交流電力に変換し、交流電力を車両駆動用交流電動機に供給して駆動する一方、車両駆動用交流電動機が発生する交流電力を直流電力に逆変換し、直流電力を車載バッテリーに供給して充電する。
図１において、ハイブリッド電気自動車（以下、ＨＥＶと記述する）１１０は１つの電動車両であり、２つの車両駆動用システムを備えている。その１つは、内燃機関であるエンジン（ＥＮＧ）１２０を動力源としたエンジンシステムである。このエンジンシステムは主としてＨＥＶ１１０の駆動源として用いられる。他の１つは、モータージェネレーター（ＭＧ１、ＭＧ２）１９２，１９４を動力源とした車載電機システムである。この車載電機システムは主としてＨＥＶ１１０の駆動源およびＨＥＶ１１０の電力発生源として用いられる。モータージェネレーター１９２，１９４は例えば同期機あるいは誘導機であり、運転方法によりモーターとしても発電機としても動作するので、この明細書ではモータージェネレーターと呼ぶ。
車体のフロント部には前輪車軸１１４が回転可能に軸支されており、この前輪車軸１１４の両端には１対の前輪１１２が設けられている。一方、車体のリア部には後輪車軸（図示省略）が回転可能に軸支されており、この後輪車軸の両端には１対の後輪(不図示)が設けられている。この一実施の形態のＨＥＶ１１０は、動力によって駆動される主輪を前輪１１２とし、連れ回される従輪を後輪(不図示)とする、いわゆる前輪駆動方式を採用しているが、この逆の後輪駆動方式のＨＥＶに対しても本発明を適用することができる。
前輪車軸１１４の中央部には、前輪側デファレンシャルギア（以下、前輪側ＤＥＦと呼ぶ）１１６が設けられている。前輪車軸１１４は前輪側ＤＥＦ１１６の出力側に機械的に接続されている。また、前輪側ＤＥＦ１１６の入力側には変速機１１８の出力軸が機械的に接続されている。前輪側ＤＥＦ１１６は、変速機（Ｔ／Ｍ）１１８により変速され伝達された回転駆動力を左右の前輪車軸１１４に分配する差動式動力分配機構である。変速機１１８の入力側にはモータージェネレーター１９２の出力側が機械的に接続されている。さらに、モータージェネレーター１９２の入力側には、動力分配機構１２２を介してエンジン１２０の出力側およびモータージェネレーター１９４の出力側が機械的に接続されている。なお、モータージェネレーター１９２，１９４および動力分配機構１２２は、変速機１１８の筐体の内部に収納されている。
モータージェネレーター１９２，１９４は回転子に永久磁石を備えた同期機であり、固定子の電機子巻線に供給される交流電力がインバーター装置（ＩＮＶ１、ＩＮＶ２）１４０，１４２によって制御され、これによりモータージェネレーター１９２，１９４の駆動制御が行われる。インバーター装置１４０，１４２にはバッテリー（ＢＡＴ）１３６が電気的に接続されており、バッテリー１３６とインバーター装置１４０，１４２との間で電力の授受が行われる。
この一実施の形態のＨＥＶ１１０は、モータージェネレーター１９２とインバーター装置１４０からなる第１電動発電ユニットと、モータージェネレーター１９４とインバーター装置１４２からなる第２電動発電ユニットとの２組の電動発電ユニットを備え、運転状態に応じてそれらを使い分ける。すなわち、エンジン１２０からの動力により車両を駆動している場合において、車両の駆動トルクをアシストする場合にはエンジン１２０の動力により第２電動発電ユニットを発電ユニットとして作動させ、その発電によって得られた電力を用いて第１電動発電ユニットを電動ユニットとして作動させる。また、同様の場合において、車両の車速をアシストする場合にはエンジン１２０の動力により第１電動発電ユニットを発電ユニットとして発電させ、その発電によって得られた電力を用いて第２電動発電ユニットを電動ユニットとして作動させる。
また、この一実施の形態のＨＥＶ１１０では、バッテリー１３６の電力を用いて第１電動発電ユニットを電動ユニットとして作動させ、モータージェネレーター１９２の動力のみで車両を駆動することができる。さらに、この一実施の形態のＨＥＶ１１０では、エンジン１２０の動力あるいは車輪からの動力により第１電動発電ユニットまたは第２電動発電ユニットを発電ユニットとして作動させ、バッテリー１３６を充電することができる。
バッテリー１３６は、さらに補機用モーター（Ｍ）１９５を駆動するための電源としても用いられる。補機には、例えばエアコンディショナーのコンプレッサーを駆動するモーター、あるいは制御用の油圧ポンプを駆動するモーターがあり、バッテリー１３６からインバーター装置（ＩＮＶ３）４３に直流電力が供給され、インバーター装置４３で交流電力に変換されてモーター１９５に供給される。この補機用のインバーター装置４３は車両駆動用インバーター装置１４０や１４２と同様の機能を備え、モーター１９５に供給する交流の位相や周波数、電力を制御する。例えば、モーター１９５の回転子の回転に対し進み位相の交流電力を供給することによって、モーター１９５がトルクを発生する。逆に、遅れ位相の交流電力を発生することによって、モーター１９５が発電機として動作し、モーター１９５は回生制動運転となる。このようなインバーター装置４３の制御機能はインバーター装置１４０や１４２の制御機能と同様である。モーター１９５の容量がモータージェネレーター１９２や１９４の容量より小さいので、インバーター装置４３の最大変換電力がインバーター装置１４０や１４２より小さいが、インバーター装置４３の回路構成は基本的にインバーター装置１４０や１４２の回路構成と同じである。
コンデンサー３２６は直流電源平滑用であり、小容量のコンデンサーが並列もしくは直並列に接続されて大容量のコンデンサーモジュールを形成しているが、この明細書では単一のコンデンサーとして表す。コンデンサー３２６は、インバーター装置１４０や１４２およびインバーター装置４３と電気的に密接な関係にあり、さらに発熱に対する対策が必要な点が共通している。また、装置の体積をできるだけ小さくすることが望まれている。これらの点から以下に詳述する電力変換装置は、インバーター装置１４０、１４２およびインバーター装置４３、さらにコンデンサー３２６を電力変換装置の筐体内に内蔵している。このような構成によって小型で信頼性の高い装置を実現できる。
また、インバーター装置１４０、１４２およびインバーター装置４３、さらにコンデンサー３２６を一つの筐体に内蔵することによって、配線の簡素化やノイズ対策において効果がある。さらに、コンデンサー３２６とインバーター装置１４０、１４２およびインバーター装置４３との接続回路のインダクタンスを低減でき、これによりスパイク電圧の発生を抑制できる上に、発熱の低減や放熱効率の向上を図ることができる。
図２はインバーター装置の電気回路図を示す。図２によりインバーター装置１４０、１４２およびインバーター装置４３の電気回路構成を説明する。インバーター装置１４０，１４２，４３はいずれも同様な回路構成を備え、同様な作用および機能を有するので、ここではインバーター装置１４０を代表として説明する。
電力変換装置２００はインバーター装置１４０とコンデンサー３２６を備え、インバーター装置１４０はインバーター回路１４４とモーターコントローラー１７０を備えている。インバーター回路１４４は、上アームとして動作するＩＧＢＴ（絶縁ゲート型バイポーラートランジスター）３２８およびダイオード１５６と、下アームとして動作するＩＧＢＴ３３０およびダイオード１６６とからなる上下アーム直列回路１５０を複数（図２の例では３つの上下アーム直列回路１５０）備え、それぞれの上下アーム直列回路１５０の中間電極１６９から交流端子１５９を介して交流電力線（交流バスバー）１８６と接続され、さらに交流電力線１８６を介してモータージェネレーター１９２へ接続される。モーターコントローラー１７０は、インバーター回路１４４を駆動制御するドライバー回路１７４と、ドライバー回路１７４へ信号線１７６を介して制御信号を供給する制御回路１７２とを備えている。
上アームと下アームのＩＧＢＴ３２８と３３０はスイッチング用パワー半導体素子であり、モーターコントローラー１７０からの駆動信号により動作し、バッテリー１３６から供給された直流電力を三相交流電力に変換する。この変換された電力はモータージェネレーター１９２の電機子巻線に供給される。インバーター回路１４４は３相ブリッジ回路により構成されており、３相分の上下アーム直列回路１５０はそれぞれ直流正極端子３１４と直流負極端子３１６との間に電気的に並列に接続され、これらの直流正極端子３１４と直流負極端子３１６はバッテリー１３６の正極側と負極側に接続されている。
ＩＧＢＴ３２８，３３０は、コレクター電極１５３，１６３、エミッタ電極（信号用エミッタ電極端子１５５，１６５）、ゲート電極（ゲート電極端子１５４，１６４）を備えている。ＩＧＢＴ３２８，３３０のコレクター電極１５３，１６３とエミッタ電極との間にはダイオード１５６，１６６が図示のごとく電気的に接続されている。ダイオード１５６，１６６はカソード電極とアノード電極の２つの電極を備えており、ＩＧＢＴ３２８，３３０のエミッタ電極からコレクター電極に向かう方向が順方向となるように、カソード電極がＩＧＢＴ３２８，３３０のコレクター電極に、アノード電極がＩＧＢＴ３２８，３３０のエミッタ電極にそれぞれ電気的に接続されている。この一実施の形態では、スイッチング用パワー半導体素子としてＩＧＢＴ３２８，３３０を用いた例を示すが、スイッチング用パワー半導体素子としてＭＯＳＦＥＴ（金属酸化物半導体型電界効果トランジスター）を用いてもよい。この場合には、ダイオード１５６やダイオード１６６が不要になる。
上下アーム直列回路１５０は、モータージェネレーター１９２の電機子巻線の各相巻線に対応して３相分設けられる。３つの上下アーム直列回路１５０はそれぞれ、ＩＧＢＴ３２８のエミッタ電極とＩＧＢＴ３３０のコレクター電極１６３を接続する中間電極１６９から交流端子１５９を介してモータージェネレーター１９２のＵ相、Ｖ相、Ｗ相に接続されている。上下アーム直列回路どうしは電気的に並列接続されている。上アームのＩＧＢＴ３２８のコレクター電極１５３は正極端子（Ｐ端子）１５７を介してコンデンサー３２６の正極側コンデンサー電極３３１に、下アームのＩＧＢＴ３３０のエミッタ電極は負極端子（Ｎ端子）１５８を介してコンデンサー３２６の負極側コンデンサー電極３３２にそれぞれ電気的に接続（直流バスバーで接続）されている。上アームのＩＧＢＴ３２８のエミッタ電極と下アームのＩＧＢＴ３３０のコレクター電極との接続部分にあたる中間電極１６９は、モータージェネレーター１９２の電機子巻線の対応する相巻線に交流コネクター１８８を介して電気的に接続されている。
コンデンサー３２６は、ＩＧＢＴ３２８，３３０のスイッチング動作によって生じる直流電圧の変動を抑制する平滑回路を構成する。コンデンサー３２６の正極側コンデンサー電極３３１にはバッテリー１３６の正極側が、コンデンサー３２６の負極側コンデンサー電極３３２にはバッテリー１３６の負極側がそれぞれ直流コネクター１３８を介して電気的に接続されている。これにより、コンデンサー３２６は、上アームＩＧＢＴ３２８のコレクター電極１５３およびバッテリー１３６の正極側と、下アームＩＧＢＴ３３０のエミッタ電極およびバッテリー１３６の負極側との間、いわゆるインバーターのＤＣリンクに接続され、バッテリー１３６と上下アーム直列回路１５０に対して電気的に並列に接続されている。
モーターコントローラー１７０はＩＧＢＴ３２８，３３０を動作させる回路であり、他の制御装置やセンサーなどからの入力情報に基づいてＩＧＢＴ３２８，３３０のスイッチングタイミングを制御するためのタイミング信号を生成する制御回路１７２と、制御回路１７２から出力されたタイミング信号に基づいてＩＧＢＴ３２８，３３０をスイッチング動作させるためのドライブ信号を生成するドライブ回路１７４とを備えている。
制御回路１７２は、ＩＧＢＴ３２８，３３０のスイッチングタイミングを演算処理するためのマイクロコンピューター（以下、マイコンと呼ぶ）を備えている。このマイコンには、入力情報としてモータージェネレーター１９２に対して要求される目標トルク値、上下アーム直列回路１５０からモータージェネレーター１９２の電機子巻線に供給される電流値、およびモータージェネレーター１９２の回転子の磁極位置が入力されている。目標トルク値は不図示の上位の制御装置から出力された指令信号に基づくものであり、電流値は電流センサー１８０から出力された検出信号に基づいて検出されたものである。また、磁極位置はモータージェネレーター１９２に設けられた回転磁極センサー（不図示）から出力された検出信号に基づいて検出されたものである。この一実施の形態では３相分の交流電流値を検出する場合を例に挙げて説明するが、２相分の交流電流値を検出するようにしても構わない。
制御回路１７２に内蔵されるマイコン(不図示)は、目標トルク値に基づいてモータージェネレーター１９２のｄ，ｑ軸の電流指令値を演算し、演算結果のｄ，ｑ軸の電流指令値と検出結果のｄ，ｑ軸電流値との差分に基づいてｄ，ｑ軸の電圧指令値を演算し、検出された磁極位置に基づいてｄ，ｑ軸電圧指令値をＵ相、Ｖ相、Ｗ相の電圧指令値に変換する。そして、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の電圧指令値に基づく基本波（正弦波）と搬送波（三角波）とを比較してパルス状の変調波を生成し、この変調波をＰＷＭ（パルス幅変調）信号としてドライバー回路１７４へ出力する。
ドライバー回路１７４は、下アームを駆動する場合に上記ＰＷＭ信号を増幅し、ドライブ信号として対応する下アームのＩＧＢＴ３３０のゲート電極へ出力する。また、上アームを駆動する場合に、ＰＷＭ信号の基準電位のレベルを上アームの基準電位のレベルにシフトしてからＰＷＭ信号を増幅し、ドライブ信号として対応する上アームのＩＧＢＴ３２８のゲート電極へ出力する。これにより、各ＩＧＢＴ３２８，３３０は、入力されたドライブ信号に基づいてスイッチング動作する。
モーターコントローラー１７０は過電流、過電圧、過温度などの異常検知を行い、上下アーム直列回路１５０を保護している。このため、モーターコントローラー１７０にはセンシング情報が入力されている。例えば、各アームの信号用エミッタ電極端子１５５，１６５からは、各ＩＧＢＴ３２８，３３０のエミッタ電極に流れる電流の情報が対応する駆動部（ＩＣ）に入力されている。これにより、各駆動部（ＩＣ）は過電流検知を行い、過電流が検知された場合は対応するＩＧＢＴ３２８，３３０のスイッチング動作を停止させ、対応するＩＧＢＴ３２８，３３０を過電流から保護する。また、上下アーム直列回路１５０に設けられた温度センサー（不図示）からは、上下アーム直列回路１５０の温度の情報がマイコンに入力されている。さらに、マイコンには上下アーム直列回路１５０の直流正極側の電圧の情報が入力されている。マイコンは、それらの情報に基づいて過温度検知および過電圧検知を行い、過温度あるいは過電圧が検知された場合はすべてのＩＧＢＴ３２８，３３０のスイッチング動作を停止させ、上下アーム直列回路１５０、あるいはこの回路１５０を含む半導体モジュールを過温度、過電圧から保護する。
インバーター回路１４４の上下アームのＩＧＢＴ３２８，３３０の導通および遮断動作が一定の順で切り替わり、この切り替わり時のモータージェネレーター１９２の固定子巻線の電流は、ダイオード１５６，１６６によって作られる回路を流れる。
上下アーム直列回路１５０は、図２に示すように、Positive端子（Ｐ端子、正極端子）１５７、Negative端子（Ｎ端子１５８、負極端子）、上下アームの中間電極１６９からの交流端子１５９、上アームの信号用端子（信号用エミッタ電極端子）１５５、上アームのゲート電極端子１５４、下アームの信号用端子（信号用エミッタ電極端子）１６５、下アームのゲート端子電極１６４を備えている。また、電力変換装置２００は、入力側に直流コネクター１３８、出力側に交流コネクター１８８をそれぞれ備え、各コネクター１３８，１８８を介してバッテリー１３６とモータージェネレーター１９２へ接続される。なお、モータージェネレーターへ出力する３相交流の各相の出力を発生する回路として、各相に２つの上下アーム直列回路を並列接続した回路構成の電力変換装置であってもよい。
バッテリー１３６と直流電源平滑用コンデンサー３２６とは、コンタクター３０４を介して接続されている。コンタクター３０４は信号４０２によりオン（閉路）とオフ（開路）を制御されている。また、放電抵抗器３２４とスイッチング素子３２５の直列回路がコンデンサー３２６の両端に接続されている。放電制御回路３００はスイッチング素子３２５をオン、オフ制御してコンデンサー３２６から放電抵抗器３２４への放電電流の通電と遮断を行う。なお、この明細書では放電抵抗器３２４を単一の抵抗器として表すが、放電抵抗器３２４は単一の抵抗器で構成してもよいし、あるいは小電力の抵抗器を並列または直列あるいは直並列に接続して大容量の放電抵抗器を構成してもよい。
図３は、一実施の形態の直流電源平滑用コンデンサー３２６の放電制御回路３００の電気回路構成を示す。図３において、図１および図２に示す機器と同様な機器に対しては同一の符号を付して相違点を中心に説明する。電力変換装置２００はコンタクター３０４を介してバッテリー１３６に接続されている。コンタクター３０４はバッテリーコントローラー３０３からの信号４０２により制御される。さらに、バッテリーコントローラー３０３は上位の車両走行コントローラ３０２により制御される。なお、上位の車両走行コントローラ３０２はモーターコントローラー１７０を介して電力変換装置２００も制御する。
放電制御回路３００は、マイコン３１９、マイコン用電源３１８、フォトカプラー３１３，３１５、分圧回路３１７、バッファー３２３、コレクター電圧検知回路３２２から構成される。マイコン用電源３１８は、電力変換装置２００の直流電源（ＤＣリンク）からマイコン３１９へ電源電圧５Ｖを供給する。また、マイコン用電源３１８はマイコン３１９から送信されるＰＲＵＮ信号３２０を受信する。ＰＲＵＮ信号３２０はマイコン３１９が正常に動作していることを示す信号である。マイコン用電源３１８がＰＲＵＮ信号３２０によりマイコン３１９が正常に動作しなくなったことを検知した場合には、マイコン電源３１８はＲＥＳＥＴ信号３２１をマイコン３１９へ送信し、マイコン３１９をリセットする。
フォトカプラー３１３は、モーターコントローラー１７０からの放電指令信号３１４をマイコン３１９へ伝達する。フォトカプラー３１５は、マイコン３１９からのエラー信号３１５をモーターコントローラー１７０へ伝達する。分圧回路３１７は、直流電源平滑用コンデンサー３２６の高電圧をマイコン３１９の電圧測定回路（ＡＤ変換回路）で測定できる電圧範囲に変換する。バッファー３２３は、マイコン３１９から出力される放電制御信号３２８（５Ｖレベル）をスイッチング素子３２５のゲート動作レベル信号（１５Ｖレベル）に増幅し、スイッチング素子３２５のゲートに供給する。なお、バッファー３２３の回路例については後述する。
コレクター電圧検知回路３２２は、スイッチング素子３２５のコレクター電圧が高電圧か低電圧かを検知してマイコン３１９へ伝達する。ここで、コレクター電圧が高電圧であればスイッチング素子３２５はオフ（遮断）状態にあり、コレクター電圧が低電圧であればスイッチング素子３２５がオン（通電）状態にある。なお、コレクター電圧検知回路３２２の回路例については後述する。マイコン３１９は、モーターコントローラー１７０からフォトカプラー３１３を介して放電指令信号３１４を受信し、スイッチング素子３２５を制御する放電制御信号３２８を出力する。また、マイコン３１９は、直流電源平滑用コンデンサー３２６の端子電圧を分圧回路３１７を介して測定し、コンデンサー３２６の端子電圧が放電の最終目標電圧まで下がったら放電を終了する。さらに、マイコン３１９は、コレクター電圧検知回路３２２によりスイッチング素子３２５がオン状態かオフ状態かを検知することによって、スイッチング素子３２５が正常に動作しているか否かを確認し、誤動作した場合はエラー信号３１６を出力する。なお、インバーター筐体にＬＥＤの警告灯を設け、誤動作している場合や放電が完了していない場合に点灯するようにしてもよい。
図１４は放電制御回路３００のバッファー３２３の内部回路図である。バッファー３２３は、ＮＭＯＳインバーターゲート回路１４０１、ＰＭＯＳインバーターゲート回路１４０２およびプルダウン抵抗器１４０３から構成される。入力端子１４０６はＮＭＯＳインバーターゲート回路１４０１の入力に接続されている。また、ＮＭＯＳインバーターゲート回路１４０１の出力はＰＭＯＳインバーターゲート回路１４０２の入力に接続されている。ＰＭＯＳインバーターゲート回路１４０２の出力は出力端子１４０７に接続されている。両方のインバーターゲート回路ともに電源は１５Ｖ電源（Ｖｃｃ１５）１４０８に接続されている。ここで、ＮＭＯＳインバーターゲート回路１４０１のＮＭＯＳのゲート電圧しきい値ＶＧＳ(th)は２．５Ｖ程度となっている。
このように、バッファー３２３はインバーターゲート回路が２段接続されているので、入力と出力の論理は同じになるが、ＮＭＯＳインバーターゲート回路１４０１の論理しきい値は２．５Ｖ程度となっており、５Ｖレベルの信号を１５Ｖレベルの信号に変換することができる。また、プルダウン抵抗器１４０３はＮＭＯＳインバーターゲート回路１４０１の入力とグランド１４０９の間に接続されており、入力端子１４０６がハイインピーダンスになっても、ＮＭＯＳインバーターゲート回路１４０１の入力をローレベルにする。これにより、バッファー３２３は、前段が故障して入力がハイインピーダンスになった場合でもローレベルを出力し、放電状態にならない。
図１５は、放電制御回路３００のコレクター電圧検知回路３２２の内部回路図である。コレクター電圧検知回路３２２は、高耐圧ダイオード１５０１、プルアップ抵抗器１５０２およびバッファー１５０３から構成される。スイッチング素子３２５のコレクターは入力端子１５０４に接続される。高耐圧ダイオード１５０１のカソードは入力端子１５０４に接続され、アノードはバッファー１５０３の入力端子に接続されている。また、高耐圧ダイオード１５０１のアノードはプルアップ抵抗器１５０２を介して５Ｖ電源（Ｖｃｃ５）１５０５に接続されている。さらに、バッファー１５０３の出力は出力端子１５０５に接続され、バッファー１５０３の電源は５Ｖ電源（Ｖｃｃ５）１５０５に接続されている。
スイッチング素子３２５のコレクターは放電抵抗器３２４を介して直流電源平滑用コンデンサー３２６の正極に接続されており、スイッチング素子３２５のオフ時には通常３００Ｖ以上の高電圧となる。このとき、高耐圧ダイオード１５０１のカソード電位は３００Ｖ以上に、またアノード電位は５Ｖ電源１５０６と同じ５Ｖとなるので、高耐圧ダイオード１５０１は逆バイアス状態となりオフになる。するとバッファー１５０３の入力が５Ｖすなわちハイレベルになり、出力端子１５０５にはハイレベルが出力される。一方、スイッチング素子３２５のオン時には、スイッチング素子３２５のコレクターが０〜１Ｖ程度になる。このとき、高耐圧ダイオード１５０１のカソード電位は０〜１Ｖに、またアノード電位は５Ｖ電源１５０６と同じ５Ｖとなるので、高耐圧ダイオード１５０１は順バイアス状態となりオンになる。するとバッファー１５０３の入力がハイレベルになり、出力端子１５０５にはローレベルが出力される。
図４は、正常な放電が行われた場合における放電制御回路３００の各部動作を示すタイミングチャートである。ここで、放電指令信号３１４はハイレベルが放電に対応している。まず、図４の時刻４０５において、放電に先立ち、車両走行コントローラー３０２がバッテリーコントローラー３０３を介してコンタクター制御信号４０２をハイレベルからローレベルにする。これにより、コンタクター３０４はオン（閉路）からオフ（開路）になる。続く時刻４０６では、車両走行コントローラー３０２がモーターコントローラー１７０に放電指令信号を出すと、モーターコントローラー１７０は放電制御回路３００への放電指令信号３１４をローレベルからハイレベルにする。次に、時刻４０７においてマイコン３１９が放電制御信号３２８をローレベルからハイレベルにすると、スイッチング素子３２５がオン（通電）状態になって抵抗器３２４による直流電源平滑用コンデンサー３２６の放電が開始され、時刻４０８から直流電源平滑用コンデンサー３２６の電圧が低下し始める。そして、時刻４０９でコンデンサー３２６の電圧が放電目標電圧まで下がると、時刻４１０でマイコン３１９が放電制御信号３２８をハイレベルからローレベルにし、放電を停止する。その後、時刻４１１でモーターコントローラー１７０が放電指令信号３１４をハイレベルからローレベルにし、放電を完了する。
図４に示すタイミングチャートでは、放電指令信号３１４は通常状態（放電停止状態）でローレベル、放電時にはハイレベルになるとして説明したが、通常状態（放電停止状態）ではデューティ２５％のＰＷＭ信号とし、放電時にデューティ７５％のＰＷＭ信号としてマイコン３１９を制御し、マイコン３１９によりスイッチング素子３２５をデューティー駆動するようにしてもよい。
図５は、放電中に何らかの原因によりコンタクター３０４がオン（閉路）した場合における放電制御回路３００の保護動作を示すタイミングチャートである。モーターコントローラー１７０から放電制御回路３００へ出力される放電指令信号３１４がハイレベルになると、図５の時刻５０１でマイコン３１９は放電制御信号３２８をローレベルからハイレベルにし、放電を開始する。この放電開始時刻をＴ０とすると、時刻５０４から直流電源平滑用コンデンサー３２６の電圧が初期値Ｖ０から低下し始める。マイコン３１９は、コンデンサー３２６の電圧を一定時間ごとの時刻Ｔ１，Ｔ２，・・，Ｔn-1に電圧Ｖ１，Ｖ２，・・，Ｖn-1として測定し、コンデンサー３２６の放電時間に対する電圧低下特性（図５に破線で示す）５０３と比較する。時刻Ｔｎでコンタクター３０４がオンすると、コンデンサー３２６の電圧はＶｎから急激に上昇し、電圧低下特性５０３を上回る。マイコン３１９は、放電中にも拘わらずコンデンサー３２６の電圧が電圧低下特性５０３より大きくなったことにより放電異常と判定し、時刻５０９で放電制御信号３２８をハイレベルからローレベルにし、放電を中止する。
ここで、図５に示す電圧低下特性５０３は、直流電源平滑用コンデンサー３２６を放電抵抗器３２４を介して放電させた場合における、放電時間に対するコンデンサー電圧の低下を示す特性曲線であり、放電時間が長くなるにしたがってコンデンサー電圧が指数関数的に低下する。この電圧低下特性５０３は、コンデンサー３２６の容量Ｃと放電抵抗器３２４の抵抗値Ｒに基づいて演算により求めることができるが、コンデンサー３２６やスイッチング素子３２５の内部抵抗を考慮して演算するか、実測するのが望ましい。
図６は、放電制御回路３００のマイコン３１９による保護動作を示すＰＡＤである。ステップ６０１において、放電制御回路３００はモーターコントローラー１７０から放電指令信号３１４を受信するとこの保護動作を開始し、その後、放電指令信号３１４を受信している間は所定時間Ｔごとに保護動作を繰り返し実行する。まず、ステップ６０２で、保護動作の繰り返し回数を計数するカウンターｉを０にリセットする。放電指令信号３１４を受信中はＴ時間ごとに保護動作を繰り返すので、(ｉ・Ｔ)が放電時間になる。続くステップ６０３で直流電源平滑用コンデンサー３２６の初期電圧Ｖ０を測定した後、ステップ６０４で放電制御信号３２８をハイレベルにしてスイッチング素子３２５をオンし、放電を開始する。
ステップ６０５において、時間Ｔごとにステップ６０６〜６１５の処理を繰り返す。まず、Ｔ時間後のステップ６０６でカウンターｉをインクリメントし、続くステップ６０７で時刻Ｔｉにおけるコンデンサー３２６の電圧Ｖｉを測定する。ステップ６０８において、図５に示すように、時刻Ｔｉにおけるコンデンサー電圧Ｖｉが電圧低下特性５０３を越えているか否かを次式により判別する。
Ｖｉ＞Ｋ＾ｉ・Ｖ０ ・・・(１)
(１)式において、“＾”はべき乗を表わす。また、Ｋは時刻Ｔｉにおける電圧低下特性を決める係数Ｋであり、放電用抵抗器３２４の抵抗値をＲ、コンデンサー３２６の容量をＣとすると、Ｋ≒exp(−Ｔ／ＲＣ)で表される。exp(−Ｔ／ＲＣ)は、容量Ｃのコンデンサーに充電された電荷を抵抗値Ｒの抵抗器で放電した場合の放電時間Ｔにおけるコンデンサー電圧Ｖｉの初期電圧Ｖ０に対する比である。つまり、容量Ｃのコンデンサーに充電された電荷を抵抗値Ｒの抵抗器で放電した場合の放電時間Ｔｉにおけるコンデンサー電圧をＶideal(Ti)とすると、Ｖideal(Ti)≦K^ｉ・Ｖ０となる。
なお、ステップ６０８において、実際のＫは、マイコン３１９の電圧測定誤差を考慮してＫ≧exp(−Ｔ／ＲＣ)に設定するのが望ましい。また、(Ｋ＾ｉ)も毎回べき乗計算をするのではなく、前回の結果（Ｋ＾(i-1)）を記憶しておき、これとＫの積をとれば計算が節約できる。また、ここでは(１)式により時刻Ｔｉにおけるコンデンサー電圧Ｖｉが電圧低下特性５０３を越えているか否かを判別する例を示すが、予め図５に破線で示すような電圧低下特性５０３の特性曲線を記憶しておき、時刻Ｔｉにおける電圧低下特性を読み出して測定値Ｖｉと比較するようにしてもよい。
ところで、放電中に何らかの理由でコンタクター３０４がオンになると、直流電源平滑用コンデンサー３２６の両端にはバッテリー１３６の端子電圧が印加されることになるため、コンデンサー電圧Ｖｉが急激に増大し、Ｖｉ＞Ｋ＾ｉ・Ｖ０となる。ステップ６０８において判別式(１)を満たす場合はステップ６０９へ進み、放電制御信号３２８をローレベルにしてスイッチング素子３２５をオフし、放電を停止する（放電中止）。そしてステップ６１０で、所定時間Ｔintvの間休止する。この休止時間は放電抵抗器３２４の温度が十分に低下するまでの待ち時間である。休止時間Ｔintv経過後のステップ６１１で初期状態に戻る。
ステップ６０８において判別式(１)を満たさない場合、つまりコンデンサー電圧Ｖｉが時刻Ｔｉにおける電圧低下特性(Ｋ＾ｉ・Ｖ０)以下の場合には、コンタクター３０４はオフしたままであると判断し、放電を続ける。この場合にはステップ６１２へ進み、コンデンサー電圧Ｖｉが予め設定した放電目標電圧に達したか否かを判別し、放電目標電圧に達していればステップ６１３へ進み、放電制御信号３２８をローレベルにしてスイッチング素子３２５をオフし、放電を停止する（放電完了）。その後、ステップ６１４で所定時間Ｔintvの間休止する。この休止時間は放電抵抗器３２４の温度が十分に低下するまでの待ち時間である。休止時間Ｔintv経過後のステップ６１４で初期状態に戻る。
図６のステップ６０８における判別式(１)に代えて、図７のステップ７０１に示す判別式(２)により、コンデンサー電圧Ｖｉが時刻Ｔｉにおける電圧低下特性を越えるか否かを判別するようにしてもよい。
Ｖｉ／Ｖi-1＞Ｋ ・・・(２)
(２)式において、Ｖｉは時刻Ｔｉにおけるコンデンサー電圧測定値、Ｖi-1は時刻Ｔi-1におけるコンデンサー電圧測定値である。また、Ｋは時刻Ｔｉにおける電圧低下特性を決める係数であり、放電抵抗器３２４の抵抗値をＲ、コンデンサー３２６の容量をＣとすると、Ｋ≒exp(−Ｔ／ＲＣ)で表される。(２)式による判別結果が肯定される場合には、コンタクター３０４が何らかの理由によりオンしたと判断し、放電を中止する。なお、図７においてステップ７０１以外のステップについては図６に示す処理と同様であり、説明を省略する。
ところで、マイコン３１９による電圧測定には誤差があり、測定電圧が低いほど誤差の影響が大きくなる。そこで、コンデンサー電圧が低くなるほど測定時間間隔を長くし、コンデンサー電圧の変化が測定誤差より大きくなるようにした保護動作を説明する。図８は、放電制御回路３００のマイコン３１９による保護動作の他の実施例を示すＰＡＤである。図８において、図６に示す処理と同様な処理を行うステップに対しては同一のステップ番号を付して相違点を中心に説明する。図６に示す保護動作では、直流電源平滑用コンデンサー３２６の電圧Ｖｉを一定時間間隔Ｔで測定したのに対し、図８に示す保護動作では、放電によりコンデンサー３２６の電圧が低くなっていくに従って電圧を測定する時間間隔を長くしていく。この保護動作では、コンデンサー電圧Ｖｉの測定時間間隔Ｔdeltaを、
Ｔdelta＝−ＲＣ・ln(exp(−Ｔｉ／ＲＣ)−Ｖerror／Ｖ０) ・・・(３)
とする。(３)式において、ｌnは自然対数、Ｖerrorは測定誤差である。
コンデンサー電圧の前回と今回の差が測定誤差Verrorとなる時間間隔をＴdeltaとすると、
Ｖerror＝Ｖi+1−Ｖｉ＝Ｖ０(exp(−(Ｔｉ＋Ｔdelta)／ＲＣ)−exp(−Ｔｉ／ＲＣ)) ・・・(４)
となり、これをＴdeltaについて解くと、
Ｔdelta＝−ＲＣ・ln(exp(−Ｔｉ／ＲＣ)-Ｖerror／Ｖ０) ・・・(５)
となる。そこで、図６のステップ６０５の代わりに図８のステップ８０１では時間によらず以降の判定処理を繰り返すことにし、ステップ６１２の後に新たにステップ８０２を設けてＴdelta時間だけ待機する。
図９は、放電指令信号の受信時にコンタクター３０４がオン（閉路）状態にある場合の放電保護動作を示すタイミングチャートである。時刻４０５で放電指令信号３１４がローレベルからハイレベルになったのにともない、時刻４０７で放電制御信号３２８をハイレベルにして放電を開始するが、コンタクター制御信号４０２がハイレベル（オン）のままになっており、コンタクター３０４がオン（閉路）したままである。上述したように、放電時にコンタクター３０４が閉路すると、直流電源平滑用コンデンサー３２６の電圧が正常時のように低下せず（時刻４０８）、図５に示す電圧低下特性５０３を越えるため、時刻９０２でマイコン３１９が放電制御信号３２８をハイレベルからローレベルに戻して放電を中止する。
その後、時間Ｔintvの間休止した後、放電指令信号３１４を受信した時点の処理に戻るが、放電指令信号３１４はハイレベルのままであり、ふたたび放電制御信号３２８をハイレベルにして放電を開始する。しかし、コンタクター３０４が閉路したままであるため、コンデンサー電圧は低下せず、ふたたびコンデンサー電圧が電圧低下特性５０３を越えるため、放電制御信号３２８をハイレベルからローレベルに戻して前回と同様に放電を中止する。この動作をコンタクター３０４が閉路している間、繰り返す。休止時間Ｔintv中の時刻９０１においてコンタクター制御信号４０２がローレベルになり、コンタクター３０４がオフ（開路）されると、休止時間Ｔintv後の時刻９０４でコンデンサー電圧が正常に低下し（９０５）、放電が完了する。
図１０は、放電指令信号の受信時にコンタクター３０４が閉路状態にある場合の放電保護動作の他の実施例を示すタイミングチャートである。自動車によってはシステムが正常であってもコンタクター制御信号４０２が放電指令信号３１４よりわずかに遅れることが想定される。このような場合に図９に示す放電保護動作では、１回目の放電は異常判定で放電中止となり、時間Ｔintvの間休止した後、２回目の放電で正常に放電が行われるため、放電指令信号３１４が出されてから放電が完了するまでの時間は休止時間Ｔintv以上に増大する。しかし、放電回路としては放電指令信号３１４が出されてから放電が完了するまでの時間は短い方が望ましい。
そこで、図１０に示す放電保護動作では、１回目の放電における休止時間に上記休止時間Ｔintvより短い休止時間Ｔintv0を設定する。図１０に示す放電保護動作では、時刻４０５において放電指令信号３１４がローレベルからハイレベルになり、時刻４０７で放電制御信号３２８もローレベルからハイレベルになるが、コンタクター制御信号４０２がまだハイレベルのままであり、放電を中止する。ところが、その直後の時刻４０９でコンタクター制御信号４０２がハイレベルからローレベルになった場合に、図９に示す放電保護動作では、図１０に破線で示すように休止時間Ｔintvの後の時刻１００４で放電制御信号３２８が出され、放電を開始してコンデンサー電圧が破線１００５で示すように低下する。これに対し図１０に示す放電保護動作では、短い休止時間Ｔintv0後の時刻１００２で放電制御信号３２８が出され、放電を開始してコンデンサー電圧が実線１００３で示すように低下する。つまり、図１０に示す放電保護動作では、図９に示す放電保護動作に比べて早く２回目の放電を開始することができ、早く放電を完了することができる。
実際に、直流電源平滑用コンデンサー３２６の容量Ｃを２０００μＦ、放電抵抗器３２４の抵抗値Ｒを４００Ω、係数Ｋを０．９、放電初期電圧Ｖ０を３００Ｖ、放電目標電圧Ｖgoalを５０Ｖ、電圧測定誤差 Ｖerrorを５Ｖとしたシステムでは、例えば休止時間Ｔintvを１０秒、休止時間Ｔintv0を１秒とする。
以上説明したように、放電中にコンタクター３０４が閉路しても放電を中止するので、放電抵抗器３２４に電流が流れ続けることはなく、放電回路を破損から保護することができる。
直流電源平滑用コンデンサー３２６の充電電荷を放電抵抗器３２４を介して放電中に、コンタクター３０４が閉路するなどの異常が発生した場合には、スイッチング素子３２５をオフして放電を中止するが、スイッチング素子３２５にショートモード故障が発生するとオフできなくなり、放電抵抗器３２４を介して放電電流が流れ続ける。そこで、図１１に示すように、スイッチング素子３２５と直列に第２のスイッチング素子１１０１を接続し、第１のスイッチング素子３２５のショートモード故障のバックアップを行う実施例を説明する。なお、図１１では、図３に示す放電制御回路３００の内のこの実施例に関係する部分のみを示す。この実施例では、図３に示す放電制御回路３００のスイッチング素子３２５のエミッターとグランドとの間に、第２のスイッチング素子１１０１としてＭＯＳＦＥＴを直列に接続する。さらに、マイコン３１９から第２のスイッチング素子１１０１をオン、オフする制御信号１１０３を出力し、バッファー１１０２を介して第２のスイッチング素子１１０１を制御する。
通常、マイコン３１９からの制御信号１１０３は第２のスイッチング素子１１０１をオン状態にするように出力される。しかし、放電を停止させなければならない時に、第１のスイッチング素子３２５がショートモード故障に陥ってできなくなった場合には、第２のスイッチング素子１１０１をオフにすることによって、放電を停止させる。なお、第１のスイッチング素子３２５がショートモード故障に陥れば、マイコン３１９はコレクター電圧検知回路３２２によってそれを感知することができる。マイコン３１９が第１のスイッチング素子３２５がオフとなるような制御信号３２８を出力しているのに、コレクター電圧検知回路３２２がローレベルを送信していれば、第１のスイッチング素子３２５はオン状態のまま、すなわちショートモード故障状態にあることがわかる。
このように、第１のスイッチング素子３２５がショートモード故障に陥っても、第２のスイッチング素子１１０１によって放電を確実に停止させることができるので、放電中にコンタクター３０４が何らかの原因でオン（閉路）した場合でも、放電抵抗器３２４に電流が流れ続けるのを防止でき、放電回路を破損から保護することができる。
一般に、抵抗値Ｒの放電抵抗器Ｒによって容量Ｃのコンデンサーに充電された電荷を放電する場合、コンデンサー電圧Ｖは時定数ＲＣで低下する。つまり、初期電圧Ｖ0、時間ｔに対して放電中の電圧Ｖは、
Ｖ＝Ｖ0exp(−ｔ／ＲＣ) ・・・(６)
となる。ここで電圧Ｖの下がり方は時間が経過して電圧Ｖが低くなるほど緩やかになる。つまり、電圧Ｖが低くなるほど電圧低下の時間的効率が悪くなり、放電時間が長期化してしまう。
そこで、電圧Ｖの下がり方が緩やかになったら放電抵抗器の抵抗値を下げて放電時間を短縮するようにした実施例を説明する。図１２にこの実施例の放電回路を示す。なお、図１２では、図３の示す放電制御回路３００の内のこの実施例に関係する部分のみを示す。この実施例では、図３に示す放電制御回路３００に対して、第２の放電抵抗器１３０１、第２のスイッチング素子１２０２、第２のバッファー１２０３、第２のコレクター電圧検知回路１２０４を新たに設ける。これらの第２の放電機器の動作は、第１の放電抵抗器３２４、第１のスイッチング素子３２５および第１のバッファー３２３からなる第１の放電機器の動作と同様であるが、第１の放電機器とは別個に独立してマイコン３１９の制御を受ける。第２の放電抵抗器１３０１の抵抗値Ｒ２は、
Ｒ２＝｛(Ｖmax＋Ｖgoal)／２Ｖmax｝^２・Ｒ１ ・・・(７)
程度とし、第１の放電抵抗器３２４の抵抗値Ｒ１よりも低い値とするのが望ましい。なお、(７)式においてＶmaxは放電最高電圧である。
図１３は、図１２に示す放電回路の放電波形を示す図である。まず、第１のスイッチング素子３２５をオンして第１の放電抵抗器３２４だけで放電を開始すると、直流電源平滑用コンデンサー３２６の電圧は実線１３０１に沿って低下する。そして、コンデンサー３２６の電圧がＶsw＝(Ｖmax＋Ｖgoal)／２になったら、第２のスイッチング素子１２０２をオンして第２の放電抵抗器１３０１による放電を開始する。これ以降、第１の放電抵抗器３２４と第２の放電抵抗器１３０１による放電が行われ、コンデンサー３２６の電圧は実線１３０２に沿って低下する。なお、破線１３０３は第１の放電抵抗器３２４だけで最後まで放電した場合の電圧波形を示す。実線で示す電圧波形１３０１，１３０２と破線で示す電圧波形１３０３とを比較すると、この実施例により放電時間が短縮されていることがわかる。
なお、第２の放電抵抗器１３０１に第１の放電抵抗器３２４と同じ定格電力の抵抗器を使うとすれば、第２の放電抵抗器１３０１の抵抗値Ｒ２は、両放電抵抗器３２４、１３０１の最大電力を等しいと仮定して、
Ｖmax^２／Ｒ１＝｛(Ｖmax＋Ｖgoal)／２｝＾２／Ｒ２
∴ Ｒ２＝｛(Ｖmax＋Ｖgoal)／２｝・Ｒ１／Ｖmax^２ ・・・(８)
が得られる。なお、放電最大電圧Ｖmaxを６００Ｖ、コンデンサー３２６の容量Ｃを２０００μＦ、放電目標電圧Ｖgoalを５０Ｖとした場合、例えば、第１の放電抵抗器３２４の抵抗値Ｒ１が４００Ω、第２の放電抵抗器１３０１の抵抗値Ｒ２が１２０Ωとなる。
図１２、図１３に示す実施例によれば、定格電力の大きな、大型の放電抵抗器を使わなくても放電時間を短縮することができる。
なお、上述した実施例とそれらの変形例において、実施例どうし、または実施例と変形例とのあらゆる組み合わせが可能である。
上述した実施の形態によれば以下のような作用効果を奏することができる。まず、バッテリー１３６の直流電源をコンタクター（開閉器）３０４を介して直流電源平滑用コンデンサー３２６とインバーター装置１４０へ供給する電力変換装置２００に用いられる前記直流電源平滑用コンデンサー１３６の放電回路であって、コンデンサー３２６の電荷を放電する抵抗器３２４と、抵抗器３２４と直列に接続され、コンデンサー３２６から抵抗器３２４へ流れる放電電流の通電と遮断を行うスイッチング素子３２５と、コンデンサー３２６の端子電圧を測定する回路３１７、３１９と、スイッチ３２５の通電と遮断を制御するマイコン３１９とを備え、マイコン３１９は、スイッチング素子３２５を通電にして抵抗器３２４によるコンデンサー３２６の放電を開始した後の、測定回路３１７，３１９により測定されたコンデンサーの端子電圧が、予め設定された電圧低下特性を越えた場合に、スイッチング素子３２５を遮断にして抵抗器３２４によるコンデンサー３２６の放電を停止するようにしたので、抵抗器３２４によるコンデンサー３１６の放電中にコンタクター３０４が何らかの原因により閉路（オン）した場合でも、抵抗器３２４によるコンデンサー３１６の放電が確実に停止され、抵抗器３２４に放電電流が流れ続けるのを防止できる。
また、上述した実施の形態によれば、電圧低下特性を、抵抗器３２４によるコンデンサー３２６の放電特性に応じて設定するようにしたので、放電中のコンタクター３０４の閉路（オン）故障を正確に素早く検知することができる。
さらに、上述した実施の形態によれば、マイコン３１９は、測定回路３１７，３１９により測定されたコンデンサー３２６の端子電圧と電圧低下特性との比較に基づく放電の継続または停止の判定を予め定めた時間間隔で行うようにしたので、マイコン３１９の負担を軽減しながら放電中のコンタクター３０４の閉路（オン）故障を素早く検知することができる。
一実施の形態によれば、マイコン３１９によって、測定回路３１７，３１９により測定された放電開始前のコンデンサー３２６の端子電圧とコンデンサー３２６の容量および抵抗器３２４の抵抗値により決まる時定数とに基づいて電圧低下特性を演算により求め、演算結果の電圧低下特性と測定回路３１７，３１９により測定されたコンデンサー３２６の端子電圧とを比較して放電の継続または停止を判定するようにしたので、放電中のコンタクター３０４の閉路（オン）故障を正確に検知することができる。
なお、一実施の形態に示すように、マイコン３１９によって、測定回路３１７，３１９により前回測定されたコンデンサー３２６の端子電圧に対する今回測定されたコンデンサー３２６の端子電圧の比と、コンデンサー３２６の容量および抵抗器３２４の抵抗値により決まる時定数に基づき設定された係数とを比較して、放電の継続または停止を判定するようにしてもよい。これにより、電圧低下特性を演算により求める場合に比べ、マイコン３１９の負担を軽減しながら放電中のコンタクター３０４の閉路（オン）故障を正確に検知することができる。
一実施の形態によれば、マイコン３１９によって、放電を開始してからの経過時間に応じて放電の継続または停止の判定を行う時間間隔を長くするようにしたので、測定誤差を排除してコンデンサー３２６の電圧を正確に測定することができ、放電中のコンタクター３０４の閉路（オン）故障の発生を正確に判定することができる。
一実施の形態によれば、マイコン３１９によって、コンデンサー３２６の端子電圧が電圧低下特性を越えたとして抵抗器３２４によるコンデンサー３２６の放電を停止した場合には、所定時間Ｔintvが経過するまで放電を再開しないようにしたので、放電によりすでに温度が上昇している抵抗器３２４による放電を防止することができ、抵抗器３２４が十分に冷却してから放電を再開することができる。
一実施の形態によれば、マイコン３１９によって、コンデンサー３２６の端子電圧が電圧低下特性を越えたことによる放電停止が初回の場合は、所定時間Ｔintvより短い所定時間Ｔintv0が経過するまで放電の再開を待ち、放電停止が２回目以降の場合は、所定時間Ｔintvが経過するまで放電の再開を待つようにしたので、上位システムから送られるコンタクター３０４の開路指令信号４０２が放電開始指令３１４よりわずかに遅れた場合でも、長い所定時間Ｔintvの間、放電の再開ができなくなるのを防止でき、放電完了までの時間を短縮できる。
一実施の形態によれば、スイッチを第１のスイッチ３２５と第２のスイッチ１１０１を直列に接続して構成するとともに、第１のスイッチ３２５の短絡故障の発生を検知するコレクター電圧検知回路３２２を設け、マイコン３１９によっては、通常は第２のスイッチ１１０１を通電にしたまま第１のスイッチ３２５の通電と遮断により放電の開始と停止を行い、放電を停止するときにコレクター電圧検知回路３２２により第１のスイッチ３２５の短絡故障の発生が検知された場合には、第２のスイッチ１１０１を遮断にして放電を停止するようにしたので、第１のスイッチ３２５に短絡故障が発生した場合でも確実に放電を停止することができ、抵抗器３２４に放電電流が流れ続けるのを防止できる。
一実施の形態によれば、コンデンサー３２６の放電を行う抵抗器を、第１の抵抗値を有する第１の抵抗器３２４と、第１の抵抗値よりも低い第２の抵抗値を有する第２の抵抗器１３０１とにより構成するとともに、放電電流の通電と遮断を行うスイッチを、第１の抵抗器３２４と直列に接続されてコンデンサー３２６から第１の抵抗器３２４へ流れる放電電流の通電と遮断を行う第３のスイッチ３２５と、第２の抵抗器１３０１と直列に接続されてコンデンサー３２６から第２の抵抗器１３０１へ流れる放電電流の通電と遮断を行う第４のスイッチ１２０２とにより構成し、マイコン３１９によって、第３のスイッチ３２５を通電にして第１の抵抗器３２４によりコンデンサー３２６の放電を開始し、測定回路３１７，３１９により測定されたコンデンサー３２６の端子電圧が所定電圧Ｖsw以下になったら、第１の抵抗器３２４によるコンデンサー３２６の放電に加え、第４のスイッチ１２０２を通電にして第２の抵抗器１３０１によるコンデンサー３２６の放電を開始するようにしたので、小さい電力の第１の抵抗器３２４と第２の抵抗器１３０１を用いてコンデンサー３２６の放電時間を短縮することができる。
４３，１４０，１４１；インバーター装置、１４４；インバーター回路、２００；電力変換装置、３００；放電制御回路、３０４；コンタクター、３１７；分圧回路、３１９；マイコン、３２２；コレクター電圧検知回路、３２４，１３０１；放電抵抗器、３２５、１１０１，１２０２；スイッチング素子、３２６；直流電源平滑用コンデンサー

Claims (10)

  1. 直流電源を開閉器を介して直流電源平滑用コンデンサーとインバーターへ供給する電力変換装置に用いられる前記直流電源平滑用コンデンサーの放電回路であって、
    前記コンデンサーの電荷を放電する抵抗器と、
    前記抵抗器と直列に接続され、前記コンデンサーから前記抵抗器へ流れる放電電流の通電と遮断を行うスイッチと、
    前記コンデンサーの端子電圧を測定する測定回路と、
    前記スイッチの通電と遮断を制御する制御回路とを備え、
    前記制御回路は、前記スイッチを通電にして前記抵抗器による前記コンデンサーの放電を開始した後の、前記測定回路により測定された前記コンデンサーの端子電圧が、予め設定された電圧低下特性を越えた場合に、前記スイッチを遮断にして前記抵抗器による前記コンデンサーの放電を停止することを特徴とする直流電源平滑用コンデンサーの放電回路。
  2. 請求項１に記載の直流電源平滑用コンデンサーの放電回路において、
    前記電圧低下特性は、前記抵抗器による前記コンデンサーの放電特性に応じて設定されることを特徴とする直流電源平滑用コンデンサーの放電回路。
  3. 請求項２に記載の直流電源平滑用コンデンサーの放電回路において、
    前記制御回路は、前記測定回路により測定された前記コンデンサーの端子電圧と前記電圧低下特性との比較に基づく放電の継続または停止の判定を予め定めた時間間隔で行うことを特徴とする直流電源平滑用コンデンサーの放電回路。
  4. 請求項３に記載の直流電源平滑用コンデンサーの放電回路において、
    前記制御回路は、前記測定回路により測定された放電開始前の前記コンデンサーの端子電圧と前記コンデンサーの容量および前記抵抗器の抵抗値により決まる時定数とに基づいて前記電圧低下特性を演算により求め、演算結果の前記電圧低下特性と前記測定回路により測定された前記コンデンサーの端子電圧とを比較して放電の継続または停止を判定することを特徴とする直流電源平滑用コンデンサーの放電回路。
  5. 請求項３に記載の直流電源平滑用コンデンサーの放電回路において、
    前記制御回路は、前記測定回路により前回測定された前記コンデンサーの端子電圧に対する今回測定された前記コンデンサーの端子電圧の比と、前記コンデンサーの容量および前記抵抗器の抵抗値により決まる時定数に基づき設定された係数とを比較して、放電の継続または停止を判定することを特徴とする直流電源平滑用コンデンサーの放電回路。
  6. 請求項３〜５のいずれか一項に記載の直流電源平滑用コンデンサーの放電回路において、
    前記制御回路は、放電を開始してからの経過時間に応じて前記時間間隔を長くすることを特徴とする直流電源平滑用コンデンサーの放電回路。
  7. 請求項１〜６のいずれか一項に記載の直流電源平滑用コンデンサーの放電回路において、
    前記制御回路は、前記コンデンサーの端子電圧が前記電圧低下特性を越えたとして前記抵抗器による前記コンデンサーの放電を停止した場合には、第１の所定時間が経過するまで放電を再開しないことを特徴とする直流電源平滑用コンデンサーの放電回路。
  8. 請求項７に記載の直流電源平滑用コンデンサーの放電回路において、
    前記制御回路は、前記コンデンサーの端子電圧が前記電圧低下特性を越えたことによる放電停止が初回の場合は、前記第１の所定時間より短い第２の所定時間が経過するまで放電の再開を待ち、放電停止が２回目以降の場合は、前記第１の所定時間が経過するまで放電の再開を待つことを特徴とする直流電源平滑用コンデンサーの放電回路。
  9. 請求項１〜８のいずれか一項に記載の直流電源平滑用コンデンサーの放電回路において、
    前記スイッチは第１スイッチと第２スイッチが直列に接続されており、
    前記第１スイッチの短絡故障の発生を検知する検知回路を備え、
    前記制御回路は、通常は前記第２スイッチを通電にしたまま前記第１スイッチの通電と遮断により放電の開始と停止を行い、放電を停止するときに前記検知回路により前記第１スイッチの短絡故障の発生が検知された場合には、前記第２スイッチを遮断にして放電を停止することを特徴とする直流電源平滑用コンデンサーの放電回路。
  10. 請求項１〜８のいずれか一項に記載の直流電源平滑用コンデンサーの放電回路において、
    前記抵抗器は、第１の抵抗値を有する第１抵抗器と、前記第１の抵抗値よりも低い第２の抵抗値を有する第２抵抗器からなり、
    前記スイッチは、前記第１抵抗器と直列に接続されて前記コンデンサーから前記第１抵抗器へ流れる放電電流の通電と遮断を行う第３スイッチと、前記第２抵抗器と直列に接続されて前記コンデンサーから前記第２抵抗器へ流れる放電電流の通電と遮断を行う第４スイッチとからなり、
    前記制御回路は、前記第３スイッチを通電にして前記第１抵抗器により前記コンデンサーの放電を開始し、前記測定回路により測定された前記コンデンサーの端子電圧が所定電圧以下になったら、前記第１抵抗器による前記コンデンサーの放電に加え、前記第４スイッチを通電にして前記第２抵抗器による前記コンデンサーの放電を開始することを特徴とする直流電源平滑用コンデンサーの放電回路。
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