JP2014217131A - 電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】放電抵抗への通電を許容または遮断する切替装置の短絡異常が発生したとしても、放電抵抗の破損を防止するとともに、回転電機の駆動を可能にする。
【解決手段】放電抵抗４２と半導体スイッチ４１は、ＤＣ−ＤＣコンバータ１５の正側出力端子１５ａと上下アーム１２，１３同士の接続点１６間に直列接続されている。電子制御装置５０は、半導体スイッチ４１の短絡異常が検知された場合は、ＤＣ−ＤＣコンバータ１５の上アーム１２をオン状態に固定し、且つ下アーム１３をオフ状態に固定することで、ＤＣ−ＤＣコンバータ１５での昇圧動作を停止する。
【選択図】図１

Description

本発明は、電力変換装置に関し、特に、ＤＣ−ＤＣコンバータの出力側に設けられた平滑コンデンサと、平滑コンデンサの電荷を放電するための放電抵抗と、放電抵抗への通電を許容または遮断する切替装置とを備える電力変換装置に関する。

下記特許文献１では、直列接続された放電抵抗及び切替装置を平滑コンデンサと並列に設け、車両の衝突が検知された場合は、切替装置をオンにすることで、平滑コンデンサの電荷の放電を行う。

特開２０１２−１８６８８７号公報 特開２００９−１４８１３９号公報 特開２０１０−１９３６９１号公報 特開２０１１−１２５１８３号公報

特許文献１では、切替装置の短絡異常が発生すると、放電抵抗に二次電池（直流電源）からの電圧が印加され続け、放電抵抗の破損の原因となる。二次電池からの電圧を放電抵抗に印加させないためにリレーをオフにすると、二次電池からの電力を利用して回転電機の駆動ができなくなり、車両が走行不能となる。

本発明は、放電抵抗への通電を許容または遮断する切替装置の短絡異常が発生したとしても、放電抵抗の破損を防止するとともに、回転電機の駆動を可能にすることを目的とする。

本発明に係る電力変換装置は、上述した目的を達成するために以下の手段を採った。

本発明に係る電力変換装置は、直流電源からの直流電力を電圧変換して出力するＤＣ−ＤＣコンバータと、前記ＤＣ−ＤＣコンバータの正側出力端子と負側出力端子間に設けられた平滑コンデンサと、前記平滑コンデンサの電荷を放電するための放電抵抗と、前記放電抵抗への通電を許容または遮断する切替装置と、前記切替装置の短絡異常を検知するための短絡異常検知手段と、を備え、前記ＤＣ−ＤＣコンバータからの出力電力を利用して回転電機を駆動可能な電力変換装置であって、前記ＤＣ−ＤＣコンバータは、上アームが前記正側出力端子に接続され、下アームが前記負側出力端子に接続されるように、当該正側出力端子と当該負側出力端子間に直列接続された上下アームと、前記ＤＣ−ＤＣコンバータの正側入力端子と前記上下アーム同士の接続点間に設けられたリアクトルと、を有し、前記放電抵抗と前記切替装置は、前記ＤＣ−ＤＣコンバータの正側出力端子と前記上下アーム同士の接続点間、または前記ＤＣ−ＤＣコンバータの正側入力端子と前記上下アーム同士の接続点間に直列接続され、前記短絡異常検知手段で前記切替装置の短絡異常が検知された場合は、前記上アームをオン状態に固定し、前記下アームをオフ状態に固定することを要旨とする。

本発明によれば、放電抵抗への通電を許容または遮断する切替装置の短絡異常が発生したとしても、直流電源の電圧をそのままＤＣ−ＤＣコンバータから出力することができるとともに、直流電源からの電圧が放電抵抗に印加されるのを防止することができる。したがって、切替装置の短絡異常が発生したとしても、放電抵抗の破損を防止することができるとともに、回転電機を駆動することができる。

本発明の実施形態に係る電力変換装置を備える電動機駆動システムの構成例を示す回路図である。 本発明の実施形態に係る電力変換装置の他の構成例を示す回路図である。 本発明の実施形態に係る電力変換装置の他の構成例を示す回路図である。

以下、本発明を実施するための形態（以下実施形態という）を図面に従って説明する。

図１は、本発明の実施形態に係る電力変換装置を備える電動機駆動システムの構成例を示す回路図である。本実施形態に係る電動機駆動システムは、例えば車両の駆動システムに用いることができ、図示するように、充放電可能な直流電源としての二次電池２７と、二次電池２７からの直流電力を異なる電圧値の直流電力に電圧変換して出力するＤＣ−ＤＣコンバータ（昇圧コンバータ）１５と、ＤＣ−ＤＣコンバータ１５からの直流電力を交流に変換して出力するインバータ１７と、ＤＣ−ＤＣコンバータ１５の出力側（インバータ１７の入力側）に設けられた平滑コンデンサ２４と、インバータ１７からの交流電力を受けて回転駆動可能なモータジェネレータ（回転電機）２８と、を備える。

二次電池２７とＤＣ−ＤＣコンバータ１５間には、システムメインリレー３１，３２が設けられている。システムメインリレー３１は二次電池２７の正側端子とＤＣ−ＤＣコンバータ１５の正側入力端子１５ｃ間に設けられ、システムメインリレー３２は二次電池２７の負側端子とＤＣ−ＤＣコンバータ１５の負側入力端子１５ｄ間に設けられている。ＤＣ−ＤＣコンバータ１５の入力側（正側入力端子１５ｃと負側入力端子１５ｄ間）には、フィルタコンデンサ２２が設けられている。ＤＣ−ＤＣコンバータ１５の正側出力端子１５ａはインバータ１７の正側ライン（電源ライン）ＰＬに接続され、ＤＣ−ＤＣコンバータ１５の負側出力端子１５ｂはインバータ１７の負側ライン（アースライン）ＳＬに接続されている。平滑コンデンサ２４は、ＤＣ−ＤＣコンバータ１５の正側出力端子１５ａと負側出力端子１５ｂ間（インバータ１７の正側ラインＰＬと負側ラインＳＬ間）に設けられている。

ＤＣ−ＤＣコンバータ１５は、その正側出力端子１５ａと負側出力端子１５ｂ間に直列接続された上下アーム１２，１３と、ＤＣ−ＤＣコンバータ１５の正側入力端子１５ｃと上下アーム１２，１３同士の接続点１６間に設けられたリアクトル１４と、を備える。上アーム１２の正側端子はＤＣ−ＤＣコンバータ１５の正側出力端子１５ａに接続され、下アーム１３の負側端子はＤＣ−ＤＣコンバータ１５の負側出力端子１５ｂに接続され、上アーム１２の負側端子と下アーム１３の正側端子が接続されている。リアクトル１４の一端はＤＣ−ＤＣコンバータ１５の正側入力端子１５ｃに接続され、リアクトル１４の他端は上アーム１２の負側端子及び下アーム１３の正側端子に接続されている。上アーム１２は、スイッチング素子Ｑ１と、このスイッチング素子Ｑ１に逆並列接続されたダイオードＤ１とを含んで構成され、下アーム１３は、スイッチング素子Ｑ２と、このスイッチング素子Ｑ２に逆並列接続されたダイオードＤ２とを含んで構成される。

システムメインリレー３１，３２がオン状態である場合に、ＤＣ−ＤＣコンバータ１５の下アーム１３（スイッチング素子Ｑ２）をオンすると、二次電池２７とリアクトル１４とスイッチング素子Ｑ２とを結ぶ短絡回路が形成され、二次電池２７から流れる直流電流に応じてリアクトル１４にエネルギが一時的に蓄積される。この状態でスイッチング素子Ｑ２をオンからオフすると、リアクトル１４に蓄積されたエネルギは、ダイオードＤ１を介して平滑コンデンサ２４に蓄えられる。その際に、平滑コンデンサ２４の直流電圧（ＤＣ−ＤＣコンバータ１５の出力電圧）については、二次電池２７の直流電圧（ＤＣ−ＤＣコンバータ１５の入力電圧）よりも高くすることができる。したがって、ＤＣ−ＤＣコンバータ１５は、入力された二次電池２７からの直流電力を昇圧してインバータ１７へ出力する昇圧コンバータとして機能する。一方、ＤＣ−ＤＣコンバータ１５の上アーム１２（スイッチング素子Ｑ１）のオンオフにより、平滑コンデンサ２４の電荷を用いて二次電池２７を充電することも可能である。ＤＣ−ＤＣコンバータ１５の上下アーム１２，１３（スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２）のスイッチング動作は、電子制御装置（ＥＣＵ）５０により制御される。

インバータ１７は、スイッチング素子と、スイッチング素子に対し逆並列接続されたダイオードとを備える公知の構成により実現可能であり、スイッチング素子のスイッチング動作により、入力されたＤＣ−ＤＣコンバータ１５からの直流電力を交流（例えば３相交流）に変換してモータジェネレータ２８のコイル（例えば３相コイル）へ供給する。これによって、ＤＣ−ＤＣコンバータ１５からの出力電力を利用して、モータジェネレータ２８を回転駆動することができる。モータジェネレータ２８が発生する動力は、車両の走行に用いられる。一方、このインバータ１７でモータジェネレータ２８のコイルの交流電力を直流に変換してＤＣ−ＤＣコンバータ１５へ供給することも可能である。インバータ１７のスイッチング素子のスイッチング動作は、電子制御装置５０により制御される。

放電抵抗４２は、平滑コンデンサ２４の電荷を放電するために設けられており、半導体スイッチ（切替装置）４１は、放電抵抗４２への通電（平滑コンデンサ２４の電荷の放電）を許容または遮断するために設けられている。半導体スイッチ４１のオンオフは、電子制御装置５０により制御される。電流センサ４３は、半導体スイッチ４１の短絡異常を検知するために設けられており、放電抵抗４２の電流を検出する。電子制御装置５０は、半導体スイッチ４１がオフ状態になるように制御しているにもかかわらず、電流センサ４３で電流が検出された場合は、半導体スイッチ４１が導通する短絡異常が発生していると判定することができる。また、半導体スイッチ４１の短絡異常を検知するために、放電抵抗４２の電圧を検出する電圧センサを設け、電子制御装置５０は、半導体スイッチ４１がオフ状態になるように制御しているにもかかわらず、電圧センサで電圧が検出された場合は、半導体スイッチ４１が導通する短絡異常が発生していると判定することも可能である。また、半導体スイッチ４１からのフェール信号によって半導体スイッチ４１の短絡異常を判定することも可能である。

半導体スイッチ４１の短絡異常が発生した場合に、放電抵抗４２に二次電池２７からの電圧が印加され続けると、放電抵抗４２の破損の原因となる。二次電池２７からの電圧を印加させないために、システムメインリレー３１，３２をオフにすると、二次電池２７からの電力を利用してモータジェネレータ２８の回転駆動ができなくなり、車両が走行不能となる。

これに対して本実施形態では、放電抵抗４２と半導体スイッチ４１が、ＤＣ−ＤＣコンバータ１５の正側出力端子１５ａ（正側ラインＰＬ）と上下アーム１２，１３同士の接続点１６間に直列接続されている。そして、電子制御装置５０は、半導体スイッチ４１の短絡異常が検知された場合は、ＤＣ−ＤＣコンバータ１５の上アーム１２（スイッチング素子Ｑ１）をオン状態に固定し、且つ下アーム１３（スイッチング素子Ｑ２）をオフ状態に固定することで、ＤＣ−ＤＣコンバータ１５での電圧変換動作（昇圧動作）を停止する。これによって、半導体スイッチ４１の短絡異常が発生したとしても、システムメインリレー３１，３２をオフにすることなく、二次電池２７からの電圧を昇圧せずにそのままＤＣ−ＤＣコンバータ１５の正側出力端子１５ａ（インバータ１７の正側ラインＰＬ）へ出力することができるとともに、二次電池２７からの電圧が放電抵抗４２に印加されるのを防止することができる。したがって、半導体スイッチ４１の短絡異常が発生したとしても、放電抵抗４２の破損を防止することができるとともに、インバータ１７のスイッチング動作によりモータジェネレータ２８を回転駆動して車両の走行（退避走行）を行うことができる。

また、本実施形態では、平滑コンデンサ２４の電荷の放電については、半導体スイッチ４１及びＤＣ−ＤＣコンバータ１５の下アーム１３（スイッチング素子Ｑ２）をオンにすることで行う。電子制御装置５０は、例えば車両の衝突がセンサで検知された場合は、半導体スイッチ４１及び下アーム１３（スイッチング素子Ｑ２）をオン状態に制御することで、平滑コンデンサ２４の電荷の放電を行う。その際には、半導体スイッチ４１、あるいは下アーム１３（スイッチング素子Ｑ２）をオンオフするデューティ駆動することで、平滑コンデンサ２４の電荷の放電速度を制御することも可能である。

本実施形態では、図２に示すように、放電抵抗４２と半導体スイッチ４１を、ＤＣ−ＤＣコンバータ１５の正側入力端子１５ｃと上下アーム１２，１３同士の接続点１６間に直列接続することも可能である。図２に示す構成例でも、半導体スイッチ４１の短絡異常が検知された場合は、ＤＣ−ＤＣコンバータ１５の上アーム１２（スイッチング素子Ｑ１）をオン状態に固定し、且つ下アーム１３（スイッチング素子Ｑ２）をオフ状態に固定する（昇圧動作を停止する）。これによって、半導体スイッチ４１の短絡異常が発生したとしても、システムメインリレー３１，３２をオフにすることなく、二次電池２７からの電圧を昇圧せずにそのまま正側ラインＰＬへ出力することができるとともに、二次電池２７からの電圧が放電抵抗４２に印加されるのを防止することができる。平滑コンデンサ２４の電荷の放電については、半導体スイッチ４１及びＤＣ−ＤＣコンバータ１５の下アーム１３（スイッチング素子Ｑ２）をオンにすることで行う。

さらに、図３に示すように、放電抵抗４２と半導体スイッチ４１の接続点と、二次電池２７の正側端子との間に、プリチャージリレー３３を設けることも可能である。図３に示す構成例において、フィルタコンデンサ２２及び平滑コンデンサ２４のプリチャージを行う場合は、プリチャージリレー３３とＤＣ−ＤＣコンバータ１５の上アーム１２（スイッチング素子Ｑ１）とシステムメインリレー３２をオンにする。その際には、二次電池２７からの電流が放電抵抗４２を流れて制限されることで、フィルタコンデンサ２２及び平滑コンデンサ２４に大電流が流れ込むのを抑制することができる。

以上、本発明を実施するための形態について説明したが、本発明はこうした実施形態に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々なる形態で実施し得ることは勿論である。

１２ 上アーム、１３ 下アーム、１４ リアクトル、１５ ＤＣ−ＤＣコンバータ、１５ａ 正側出力端子、１５ｂ 負側出力端子、１５ｃ 正側入力端子、１５ｄ 負側入力端子、１７ インバータ、２２ フィルタコンデンサ、２４ 平滑コンデンサ、２７ 二次電池、２８ モータジェネレータ、３１，３２ システムメインリレー、３３ プリチャージリレー、４１ 半導体スイッチ、４２ 放電抵抗、４３ 電流センサ、５０ 電子制御装置、Ｄ１，Ｄ２ ダイオード、Ｑ１，Ｑ２ スイッチング素子。

Claims (1)

1. 直流電源からの直流電力を電圧変換して出力するＤＣ−ＤＣコンバータと、
   前記ＤＣ−ＤＣコンバータの正側出力端子と負側出力端子間に設けられた平滑コンデンサと、
   前記平滑コンデンサの電荷を放電するための放電抵抗と、
   前記放電抵抗への通電を許容または遮断する切替装置と、
   前記切替装置の短絡異常を検知するための短絡異常検知手段と、
   を備え、
   前記ＤＣ−ＤＣコンバータからの出力電力を利用して回転電機を駆動可能な電力変換装置であって、
   前記ＤＣ−ＤＣコンバータは、
   上アームが前記正側出力端子に接続され、下アームが前記負側出力端子に接続されるように、当該正側出力端子と当該負側出力端子間に直列接続された上下アームと、
   前記ＤＣ−ＤＣコンバータの正側入力端子と前記上下アーム同士の接続点間に設けられたリアクトルと、
   を有し、
   前記放電抵抗と前記切替装置は、前記ＤＣ−ＤＣコンバータの正側出力端子と前記上下アーム同士の接続点間、または前記ＤＣ−ＤＣコンバータの正側入力端子と前記上下アーム同士の接続点間に直列接続され、
   前記短絡異常検知手段で前記切替装置の短絡異常が検知された場合は、前記上アームをオン状態に固定し、前記下アームをオフ状態に固定する、電力変換装置。

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