JP2013240238A - Power conversion device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、直流電源から供給され又は該直流電源に供給される電力を変換する電力変換装置に関する。 The present invention relates to a power conversion device that converts power supplied from or supplied to a DC power supply.
従来、このような電力変換装置は、周波数、電圧等の変換や、直流電力及び交流電力相互間の変換を行う。例えば、ハイブリッド車や電気自動車では、バッテリとモータとの間で直流電力と交流電力との変換を行う電力変換装置が用いられている。 Conventionally, such a power converter performs conversion of frequency, voltage, etc., and conversion between DC power and AC power. For example, in a hybrid vehicle or an electric vehicle, a power conversion device that converts DC power and AC power between a battery and a motor is used.
このような電力変換装置として、特許文献1に記載のものは、直流電源と交流モータとの間でスイッチング素子により電力を変換するスイッチング回路としてのインバータと、直流電源とインバータとの接続を開閉する開閉器と、直流電源とインバータとの間を流れる電流の電流値を出力する電流センサと、パルス幅変調信号を付与してインバータのスイッチング素子を駆動する駆動部とを備える。
As such a power converter, the one described in
この電力変換装置においては、直流電源をインバータに接続するメインの開閉器に対して並列に、別の開閉器と抵抗との直列回路が設けられている。また、直流電源とインバータとの間には、直流電圧を安定化させるための平滑コンデンサが設けられている。 In this power converter, a series circuit of another switch and a resistor is provided in parallel to the main switch that connects the DC power supply to the inverter. Further, a smoothing capacitor for stabilizing the DC voltage is provided between the DC power supply and the inverter.
直流電源をインバータに接続する際には、インバータへ瞬間的に流れる大電流である突入電流を回避するために、まず、該直列回路の開閉器を閉じることにより平滑コンデンサが充電される。充電の完了後、メインの開閉器が閉じられ、該直列回路の開閉器が開かれる。 When connecting the DC power source to the inverter, in order to avoid an inrush current that is a large current that flows instantaneously to the inverter, first, the smoothing capacitor is charged by closing the switch of the series circuit. After charging is complete, the main switch is closed and the series circuit switch is opened.
したがって、直列回路は、その開閉器が閉塞不能となる開故障を生じている場合には、正常に機能せず、突入電流を回避できない。このため、直流電源をインバータに接続する際には、上述の平滑コンデンサの充填に先立ち、直列回路の開閉器における開故障の有無が検出される。 Therefore, the series circuit does not function normally and cannot avoid an inrush current when an open failure occurs in which the switch cannot be closed. For this reason, when connecting the DC power source to the inverter, the presence or absence of an open failure in the series circuit switch is detected prior to filling the smoothing capacitor.
この検出は、直列回路に比較的小さな電圧を印加し、所定の電流が流れるかどうかに基づいて行われる。開故障を生じていないと判明した場合に、上述の手順により、直流電源がインバータに接続される。 This detection is performed based on whether or not a predetermined current flows by applying a relatively small voltage to the series circuit. When it is determined that an open failure has not occurred, the DC power source is connected to the inverter by the above-described procedure.
しかしながら、上述の特許文献1の技術においては、メインの開閉器における開故障については何ら対策がなされていない。このため、メインの開閉器により直流電源がインバータに接続されているとき、交流モータから大きな回生電力が直流電源に回生される強回生時に開閉器の開故障が発生した場合には、その後のインバータの動作によるスイッチングサージ等によりインバータ内の電圧が上昇する。
However, in the technique of the above-mentioned
上昇した電圧が、直流電源とインバータとの間の平滑コンデンサやインバータ内のスイッチング素子等の許容耐圧値を超えると、これらの素子を破損するおそれがある。これを回避するためには、スイッチング素子として許容耐圧値の高いものを使用したり、平滑コンデンサの容量を大きくしたりする必要がある。このことは、装置のコストや、重量、大きさを増大させる。 If the increased voltage exceeds an allowable withstand voltage value such as a smoothing capacitor between the DC power source and the inverter or a switching element in the inverter, these elements may be damaged. In order to avoid this, it is necessary to use a switching element having a high allowable withstand voltage value or to increase the capacity of the smoothing capacitor. This increases the cost, weight and size of the device.
本発明の目的は、かかる従来技術の問題点に鑑み、メインの開閉器の開故障による素子の破損を経済的に防止できる電力変換装置を提供することにある。 An object of the present invention is to provide a power conversion device that can economically prevent damage to elements due to an open failure of a main switch, in view of the problems of the prior art.
本発明の電力変換装置は、直流電源から車両の走行用モータに供給され又は該走行用モータから該直流電源に回生される電力についてスイッチング素子の開閉動作により電力変換を行うスイッチング回路と、前記電力変換時に前記直流電源と前記スイッチング回路とを接続する開閉器と、前記直流電源と前記スイッチング回路との間を流れる電流の電流値を出力する電流センサと、前記スイッチング素子を駆動するための所定キャリア周波数のパルス幅変調信号を生成するPWM制御部と、前記電流センサが出力する電流値を前記キャリア周波数よりも高い周波数でサンプリングするサンプリング部と、前記サンプリング部によるサンプリング値に基づいて前記開閉器の開故障をリアルタイムで検出する開故障検出部と、前記開故障検出部により開故障が検出されたことに応答して前記スイッチング回路の動作を停止させる動作停止部とを備えることを特徴とする。 The power conversion device of the present invention includes a switching circuit that performs power conversion by switching operation of a switching element for power supplied from a DC power source to a vehicle driving motor or regenerated from the driving motor to the DC power source, and the power A switch for connecting the DC power supply and the switching circuit at the time of conversion, a current sensor for outputting a current value of a current flowing between the DC power supply and the switching circuit, and a predetermined carrier for driving the switching element A PWM control unit that generates a pulse width modulation signal of a frequency, a sampling unit that samples a current value output from the current sensor at a frequency higher than the carrier frequency, and a switch based on a sampling value by the sampling unit. An open fault detector that detects open faults in real time and the open fault detector Ri opening failure is characterized by comprising an operation stopping unit for stopping the operation of the switching circuit in response to being detected.
ここで、上記の開故障が車両の走行中に発生した場合には、車両の走行中に随時発生する回生電力を直流電源に回生できない状態となる。このとき、大きな回生電力が発生し、スイッチング回路の動作が継続されると、スイッチング回路の電圧が異常に上昇し、スイッチング素子等が損傷するおそれがある。 Here, when the above open failure occurs while the vehicle is traveling, the regenerative power that is generated at any time during the traveling of the vehicle cannot be regenerated to the DC power source. At this time, if a large amount of regenerative power is generated and the operation of the switching circuit is continued, the voltage of the switching circuit may rise abnormally and the switching element or the like may be damaged.
この点、本発明によれば、直流電源とスイッチング回路との間を流れる電流の電流値を、キャリア周波数よりも高い周波数でサンプリングし、そのサンプリング値に基づいて開閉器の開故障をリアルタイムで検出するようにしたので、開閉器の開故障が生じた場合には、スイッチング素子の開閉周期よりも短い時間でその開故障を検出し、直ちにスイッチング回路の動作を停止させることができる。 In this regard, according to the present invention, the current value of the current flowing between the DC power supply and the switching circuit is sampled at a frequency higher than the carrier frequency, and the open-circuit failure of the switch is detected in real time based on the sampled value. Therefore, when an open failure of the switch occurs, the open failure is detected in a time shorter than the switching cycle of the switching element, and the operation of the switching circuit can be stopped immediately.
すなわち、開故障が発生して回生電力を直流電源に回生できない状態に至った場合でも、これを極力早いタイミングで検知してスイッチング回路で生じ得る障害を予知し、スイッチング回路を停止させるので、スイッチング素子等が破損する事態を未然に防止することができる。 In other words, even when an open failure occurs and the regenerative power cannot be regenerated to the DC power supply, this can be detected at the earliest possible timing to predict a failure that may occur in the switching circuit and stop the switching circuit. It is possible to prevent the elements and the like from being damaged.
また、これにより、スイッチング素子等として許容耐圧値の高いものを用いる必要が無くなる。また、電流センサとしては回生電力等の計測のために従来備わっていたものをそのまま用いことができる。さらに、サンプリング部は、プログラムの変更等を行うだけで構成することができる。したがって、廉価な構成により経済的にスイッチング素子等の破損を防止することができる。 This eliminates the need to use a switching element having a high allowable withstand voltage value. As the current sensor, a conventional sensor for measuring regenerative power or the like can be used as it is. Furthermore, the sampling unit can be configured only by changing the program. Therefore, damage to the switching element and the like can be prevented economically with an inexpensive configuration.
本発明においては、前記開故障検出部による開故障の検出は、前記サンプリング部によるサンプリング値に所定の大きな時間変化が生じたかどうかに基づいて行われてもよい。 In the present invention, the detection of an open failure by the open failure detection unit may be performed based on whether a predetermined large time change has occurred in a sampling value by the sampling unit.
ここで、開閉器の開故障が生じた場合には、直流電源とスイッチング回路との間を流れる電流の電流値が急激に減少するので、この電流のサンプリング値も急激に変化する。したがって、このサンプリング値に所定の大きな時間変化が生じたかどうかに基づいて、容易に開閉器の開故障を検出することができる。 Here, when an open failure of the switch occurs, the current value of the current flowing between the DC power supply and the switching circuit decreases rapidly, so that the sampling value of this current also changes abruptly. Therefore, it is possible to easily detect an open failure of the switch based on whether or not a predetermined large time change has occurred in the sampling value.
また、本発明においては、前記開故障検出部による開故障の検出は、前記サンプリング部によるサンプリング値を順次所定値と比較することにより行われてもよい。 In the present invention, the detection of the open failure by the open failure detection unit may be performed by sequentially comparing the sampling value by the sampling unit with a predetermined value.
上述のように、開閉器の開故障が生じた場合には、直流電源とスイッチング回路との間を流れる電流の電流値が急激に減少する。このとき、電流値は、正常時の最小値を超えて減少する。したがって、サンプリング値を適切な所定値と順次比較することにより、サンプリング値が所定値以下となったとき、開故障が発生したと判定することができる。 As described above, when an open failure of the switch occurs, the current value of the current flowing between the DC power supply and the switching circuit is rapidly reduced. At this time, the current value decreases beyond the normal minimum value. Therefore, by sequentially comparing the sampling value with an appropriate predetermined value, it can be determined that an open failure has occurred when the sampling value becomes equal to or less than the predetermined value.
以下、図面を用いて本発明の実施形態を説明する。図1は、本発明の一実施形態に係る電力変換装置を適用したモータ駆動装置の構成を示すブロック図である。図1に示すように、このモータ駆動装置は、直流電源としてのバッテリ1と、バッテリ1から電力が供給され又はバッテリ1に電力を回生するモータ2と、バッテリ1とモータ2との間で電力変換を行う電力変換装置3とを備える。モータ2は、車両走行用の三相交流モータであり、車両の駆動輪を駆動する。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of a motor drive device to which a power conversion device according to an embodiment of the present invention is applied. As shown in FIG. 1, the motor drive device includes a
電力変換装置3は、バッテリ1から供給され又はバッテリ1に回生される電力を変換するスイッチング回路としてのインバータ4と、インバータ4による電力変換時にバッテリ1とインバータ4とを接続する開閉器としてのメインコンタクタ5と、バッテリ1とインバータ4との間を流れる電流の電流値を出力する電流センサ6と、インバータ4を駆動するプリドライバ7と、装置各部を制御する制御部8とを備える。
The
インバータ4は、IGBT等のスイッチング素子により構成され、スイッチング素子の開閉動作により電力変換を行う。すなわち、インバータ4は、バッテリ1から供給される直流電流を交流電力に変換してモータ2に供給し、あるいはモータ2から回生される交流電力を直流電力に変換してバッテリ1に供給する機能を備える。
The inverter 4 is configured by a switching element such as an IGBT and performs power conversion by an opening / closing operation of the switching element. That is, the inverter 4 has a function of converting the direct current supplied from the
インバータ4とメインコンタクタ5との間において、正負の電力ライン間に平滑コンデンサ9が接続される。また、メインコンタクタ5に対して並列に、プリチャージコンタクタ10と抵抗11との直列回路が設けられる。
A
図2は、制御部8の構成を示すブロック図である。図2に示すように、制御部8は、メインコンタクタ5及びプリチャージコンタクタ10を制御するコンタクタ制御部12と、プリドライバ7に所定キャリア周波数のパルス幅変調信号を供給するPWM制御部13と、電流センサ6が出力する電流値を該キャリア周波数よりも高い周波数でサンプリングするサンプリング部14とを備える。
FIG. 2 is a block diagram showing a configuration of the
制御部8は、マイコンやロジック回路により構成される。プリドライバ7は、PWM制御部13からのパルス幅変調信号に基づいてインバータ4を駆動する。
The
また、制御部8は、サンプリング部14によるサンプリング値に基づいてメインコンタクタ5の開故障をリアルタイムで検出する開故障検出部15と、開故障検出部15により開故障が検出されたことに応答してインバータ4の動作を停止させる動作停止部16とを備える。インバータ4の動作の停止は、PWM制御部13からのパルス幅変調信号の供給を停止させることにより行われる。
Further, the
図3は、制御部8による処理の一部を示すフローチャートである。制御部8は、モータ駆動装置の起動時に図3の制御を開始する。詳細には、制御部8は、コンタクタ制御部12により、平滑コンデンサ9のプリチャージを行い、バッテリ1とインバータ4とを接続する(ステップS1〜S4)。
FIG. 3 is a flowchart showing a part of processing by the
すなわち、プリチャージコンタクタ10を閉(オン)状態とする(ステップS1)ことにより、平滑コンデンサ9のプリチャージが開始される。プリチャージが完了すると(ステップS2)、メインコンタクタ5を閉(オン)状態とし(ステップS3)、プリチャージコンタクタ10を開(オフ)状態とする(ステップS4)。
That is, when the
次に、制御部8は、PWM制御部13により、プリドライバ7に対する所定キャリア周波数のパルス幅変調信号の送出を開始する。これにより、プリドライバ7によるインバータ4の各スイッチング素子に対する開閉信号の供給が開始される。すなわち、インバータ4の駆動による電力変換が開始される(ステップS5)。
Next, the
インバータ4の駆動開始後、制御部8は、メインコンタクタ5の開故障の有無を監視する(ステップS6〜S9)。この監視は、メインコンタクタ5に流れる電流に基づいて行われる。
After the drive of the inverter 4 is started, the
すなわち、制御部8は、サンプリング部14により、サンプリングのタイミングが周期的に到来する毎に(ステップS6)、電流センサ6が出力する電流値をサンプリングする(ステップS7)。サンプリングの周期は、PWM制御部13が出力するパルス幅変調信号のキャリア周波数の周期より十分短い値に設定される。
That is, the
このサンプリングが行われる毎に、制御部8は、開故障検出部15により、今回得られたサンプリング値と前回得られたサンプリング値との差を取得し(ステップS8)、得られた差が所定値以上であるか否かを判定する(ステップS9)。所定値以上でないと判定した場合には、メインコンタクタ5に開故障が生じていないものとみなし、ステップS5へ戻り、ステップS6〜S9の処理を繰り返す。
Each time this sampling is performed, the
一方、得られた差が所定値以上であると判定した場合には(ステップS9)、メインコンタクタ5に開故障が発生したものとみなし、動作停止部16により、PWM制御部13によるパルス幅変調信号の送出を停止する。この場合、プリドライバ7及びインバータ4の動作が停止する(ステップS10)。これにより、図3の処理が終了する。
On the other hand, when it is determined that the obtained difference is equal to or greater than the predetermined value (step S9), it is considered that an open failure has occurred in the
この図3の処理によれば、モータ2からの強い回生電力がインバータ4に入力されているときにメインコンタクタ5の開故障が発生したとしても、開故障の発生とほぼ同時にインバータ4の動作が停止する。これにより、開故障後もインバータ4のスイッチング素子が開閉動作を継続することによる昇圧やサージ電圧によってインバータ4内の回路の電圧が異常に上昇することが回避される。したがって、許容耐圧を超えた電圧の印加によるインバータ4のスイッチング素子や平滑コンデンサ9の損傷が防止される。
According to the process of FIG. 3, even if an open failure of the
図4は、インバータ4の駆動時に電流センサ6が出力する電流値の波形を示す。図4(a)では、メインコンタクタ5に開故障が生じていない正常時の波形が示されている。図4(b)では、途中でメインコンタクタ5が開故障した場合の波形が示されている。
FIG. 4 shows a waveform of a current value output from the
図4(a)に示すように、正常時には、電流値の波形は、インバータ4を構成するスイッチング素子の開閉周波数(スイッチング周波数)に対応した周期Tでほぼ同一の波形を繰り返す。開閉周波数は、通常はキャリア周波数に一致し、キャリア周波数より大きくなることはない。 As shown in FIG. 4A, in the normal state, the waveform of the current value repeats substantially the same waveform with a period T corresponding to the switching frequency (switching frequency) of the switching elements constituting the inverter 4. The switching frequency usually matches the carrier frequency and never becomes higher than the carrier frequency.
このような電流値を、キャリア周波数の周期より十分小さな周期で、例えば、図4(a)に示すt1〜t6の時点でサンプリングしたとすると、各隣接するサンプリング値の差としては、波形の端部におけるt5とt6の時点でのサンプリング値の差が最も大きい値となる。 If such a current value is sampled at a period sufficiently smaller than the period of the carrier frequency, for example, at the time t1 to t6 shown in FIG. 4A, the difference between the adjacent sampling values is the end of the waveform. The difference between the sampling values at time t5 and t6 in the section is the largest value.
一方、図4(b)に示すように、時点t1の直前でメインコンタクタ5が開故障したとすれば、その直後では電流値が急激に低下するので、図4(b)のように、開故障直後のt1〜t6の時点におけるサンプリング値について隣接するサンプリング値同士の差を算出した場合、少なくとも開故障発生後の最初の時点t1及びその次の時点t2でのサンプリング値の差は、開故障発生後に電流値が低下するときのほぼ一定の時間勾配に対応した値となる。
On the other hand, as shown in FIG. 4B, if the
したがって、図3のステップS9の判定でサンプリング値の差と比較される所定値を、正常時における隣接するサンプリング値の差の最大値よりも大きく、かつ開故障発生直後の隣接するサンプリング値の差よりも小さい適切な値に設定しておくことにより、ステップS9において、開故障の発生を適切に判定することができる。 Therefore, the predetermined value compared with the difference between the sampling values in the determination in step S9 in FIG. 3 is larger than the maximum difference between the adjacent sampling values at normal time, and the difference between the adjacent sampling values immediately after the occurrence of the open failure. By setting an appropriate value smaller than that, it is possible to appropriately determine the occurrence of an open failure in step S9.
以上のように、本実施形態によれば、バッテリ1とインバータ4との間を流れる電流の電流値を、キャリア周波数よりも高い周波数でサンプリングし、そのサンプリング値に基づいてメインコンタクタ5の開故障をリアルタイムで検出するようにしたので(ステップS6〜S9)、メインコンタクタ5の開故障が生じた場合には、スイッチング素子の開閉周期よりも短い時間でその開故障を検出することができる。
As described above, according to the present embodiment, the current value of the current flowing between the
そして、開故障の検出に応答してプリドライバ7の動作を停止するようにしているので(ステップS10)、モータ2からの強い回生電力がインバータ4に入力されているときにメインコンタクタ5の開故障が発生したとしても、開故障の発生とほぼ同時にインバータ4の動作を停止させることができる。
Since the operation of the
すなわち、開故障が発生して回生電力をバッテリ1に回生できない状態に至った場合でも、これを極力早いタイミングで検知してインバータ4で生じ得る障害を予知し、インバータ4を停止させるので、開故障発生後におけるインバータ4のスイッチング素子の動作によりインバータ4の電圧がスイッチング素子等の許容耐圧値を超えてこれらの素子を損傷する事態を未然に防止することができる。
That is, even when an open failure occurs and the regenerative power cannot be regenerated in the
また、これにより、インバータ4のスイッチング素子等として許容耐圧値の高いものを用いる必要が無くなる。また、電流センサ6としては回生電力等の計測のために従来備わっていたものをそのまま用いることができる。さらに、サンプリング部14は、プログラムの変更等を行うだけで容易に構成することができる。したがって、廉価な構成により経済的にスイッチング素子等の破損を防止することができる。
This eliminates the need to use a switching element of the inverter 4 having a high allowable withstand voltage value. Further, as the
また、開故障検出部15による開故障の検出を、サンプリング部14によるサンプリング値に所定の大きな時間変化が生じたかどうかに基づいて行うようにしたので、容易にメインコンタクタ5の開故障を検出することができる。
Moreover, since the open failure detection by the open
以上、実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されない。例えば、電力変換装置は、スイッチング回路として、上述のインバータ4に加え、バッテリ1からインバータ4への供給電力を昇圧し及びバッテリ1への回生電力を降圧するDC−DCコンバータを備えていてもよい。
Although the embodiment has been described above, the present invention is not limited to this. For example, the power conversion device may include a DC-DC converter as a switching circuit that boosts the power supplied from the
また、開故障検出部15による開故障の検出は、電流センサ6の電流値についての隣接するサンプリング値の差と所定値とを比較することにより行っているが、これに代えて、各サンプリング値を所定の微分フィルタで処理した値と所定値とを比較することにより行うようにしてもよい。
Further, the detection of the open failure by the open
また、上記実施形態では、開閉器としてメインコンタクタ5を用いているが、これに代えて、リレーを用いてもよい。
Moreover, in the said embodiment, although the
また、開故障検出部15による開故障の検出は、サンプリング部14によるサンプリング値を順次所定値と比較し、サンプリング値が所定値以下となったとき、開故障が発生したと判定することにより行うようにしてもよい。
Further, the detection of the open failure by the open
すなわち、メインコンタクタ5の開故障が生じた場合には、図4(b)のように、バッテリ1とインバータ4との間を流れる電流の電流値が急激に減少する。このとき、電流値は、図4(a)で示される正常時における電流値の最小値を超えて減少する。したがって、サンプリング値を適切な所定値と順次比較することにより、サンプリング値が所定値以下となったとき、開故障が発生したと判定することができる。
That is, when an open failure of the
1…バッテリ(直流電源)、2…モータ、4…インバータ(スイッチング回路)、5…メインコンタクタ(開閉器)、6…電流センサ、8…制御部、13…PWM制御部、14…サンプリング部、15…開故障検出部、16…動作停止部。
DESCRIPTION OF
Claims (3)
前記電力変換時に前記直流電源と前記スイッチング回路とを接続する開閉器と、
前記直流電源と前記スイッチング回路との間を流れる電流の電流値を出力する電流センサと、
前記スイッチング素子を駆動するための所定キャリア周波数のパルス幅変調信号を生成するPWM制御部と、
前記電流センサが出力する電流値を前記キャリア周波数よりも高い周波数でサンプリングするサンプリング部と、
前記サンプリング部によるサンプリング値に基づいて前記開閉器の開故障をリアルタイムで検出する開故障検出部と、
前記開故障検出部により開故障が検出されたことに応答して前記スイッチング回路の動作を停止させる動作停止部とを備えることを特徴とする電力変換装置。 A switching circuit that performs power conversion by switching operation of a switching element for power supplied from a DC power source to a vehicle driving motor or regenerated from the driving motor to the DC power source;
A switch for connecting the DC power source and the switching circuit during the power conversion;
A current sensor that outputs a current value of a current flowing between the DC power source and the switching circuit;
A PWM controller that generates a pulse width modulation signal of a predetermined carrier frequency for driving the switching element;
A sampling unit that samples a current value output by the current sensor at a frequency higher than the carrier frequency;
An open failure detection unit that detects an open failure of the switch in real time based on a sampling value by the sampling unit;
An electric power conversion apparatus comprising: an operation stop unit that stops the operation of the switching circuit in response to detection of an open fault by the open fault detection unit.
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