JP2015171246A - 電力変換器 - Google Patents

Abstract

【課題】本明細書は、昇降圧コンバータ回路のスイッチング素子が短絡故障した場合にバッテリの短絡を防止しつつインバータ回路からの出力を継続することができる電力変換器を、低コストで実現することができる技術を提供する。【解決手段】本明細書が開示する電力変換器２は、昇降圧動作を行う電圧コンバータ回路３と走行用のモータに電力を供給するインバータ回路４ａを含んでいる。この電力変換器２は、インバータ回路の上アーム用の３個のスイッチング素子を収容する第１パワーカードＰＣ１と、インバータ回路の下アーム用の３個のスイッチング素子を収容する第２パワーカードＰＣ２と、電圧コンバータ回路の降圧用のスイッチング素子と昇圧用のスイッチング素子と昇圧用のスイッチング素子への電流を遮断する電流遮断用のスイッチング素子を収容している第３パワーカードＰＣ３を備えている。これらパワーカードは複数の冷却器２１と交互に積層されている。【選択図】図２

Description

本発明が開示する技術は、電動車両に搭載される電力変換器に関する。ここで、「電動車両」とは、走行用のモータを備えるがエンジンは備えない電気自動車のほか、走行用のモータとともにエンジンを備えるハイブリッド車及び燃料電池車を含む。

電動車両の電力変換器は、バッテリからの直流電力を交流電力に変換し走行用の三相交流モータに交流電力を供給するインバータ回路を備える。電動車両の電力変換器の中には、インバータ回路だけでなく、バッテリの電圧を昇圧してインバータ回路に供給する電圧コンバータ回路も備えるタイプがある（例えば特許文献１）。電動車両では回生電力でバッテリを充電するため、上記の電圧コンバータ回路は、バッテリの電圧を昇圧してインバータ回路に供給する昇圧動作と、インバータ回路から供給される回生電力を降圧してバッテリに供給する降圧動作を行えるようになっている。なお、特許文献１の電圧コンバータは、チョッパ型の昇降圧コンバータ回路である。

インバータ回路や電圧コンバータ回路は、多数のスイッチング素子を備える。また、走行用のモータに電力を供給する電力変換器は、扱う電流が大きいため発熱量が大きい。そのため、複数のスイッチング素子を集約して効率よく冷却するユニットが例えば特許文献２に開示されている。特許文献２ではスイッチング素子を収容した複数のパワーカードと平板状の複数の冷却器を交互に積層した積層ユニットを採用している。

特開２０１３−１８８１０６号公報 特開２００６−２１０６０５号公報

前述したように電動車両の電力変換器は扱う電力が大きい。トランジスタには大きな電流が流れ、その負荷は大きい。そのため、トランジスタが故障する虞がある。特に、チョッパ型の昇降圧コンバータ回路は、バッテリにリアクトルとスイッチング素子が直列に接続されているため、スイッチング素子が短絡故障すると、バッテリが短絡してしまう。そのような場合、単純に電力変換器をバッテリから切り離してしまえばよいが、それではバッテリを使用した走行ができなくなってしまう。スイッチング素子が短絡故障した場合、走行性能が低下してもバッテリを使用して走行を続けれられることが望ましい。

本明細書は、チョッパ型の昇降圧コンバータ回路を含む電動車両用の電力変換器に関し、昇降圧コンバータ回路のスイッチング素子が短絡故障した場合にバッテリの短絡を防止しつつインバータ回路からの出力も継続することができる電力変換器を提供する。しかも本明細書が開示する技術は、スイッチング素子を収容した複数のパワーカードと平板状の複数の冷却器を交互に積層した積層ユニットの構造を巧みに利用し、低コストで上記した機能を実現する。

チョッパ型の昇降圧コンバータ回路は、２個のスイッチング素子の直列回路と、一端がその直列回路の中間点に接続されているリアクトルを有する。リアクトルの他端は、昇降圧コンバータ回路のバッテリ側の高電位端に繋がっている。昇降圧コンバータ回路は、直列回路の高電位側のスイッチング素子の導通と遮断を繰り返すことでインバータ回路から送られる電力を降圧する。一方、直列回路の低電位側のスイッチング素子の導通と遮断を繰り返すことでバッテリの電圧を昇圧する。本明細書が開示する技術は、この低電位側のスイッチング素子と直列に別のスイッチング素子を挿入する。以下、説明の便宜上、そのスイッチング素子を緊急遮断スイッチング素子と称する。緊急遮断スイッチング素子は、通常は導通状態（オン状態）に保持される。低電位側のスイッチング素子が短絡故障した場合、緊急遮断スイッチング素子を開放状態（オフ状態）に切り換える。そうすると、昇降圧コンバータは機能しなくなるが、バッテリとインバータ回路が直結状態となり、バッテリの電力がそのままインバータ回路へと供給される。こうして昇降圧コンバータの低電位側のスイッチング素子が短絡故障した場合にバッテリの短絡を防ぐとともに、モータに供給する電力をインバータ回路から出力できる。

先に述べたように、電力変換器は、スイッチング素子を効率よく冷却するために、スイッチング素子を収容した複数のパワーカードと平板状の複数の冷却器を交互に積層した積層ユニットが採用される。既存の積層ユニットに上記した緊急遮断スイッチング素子を組み込む場合、緊急遮断スイッチング素子を収容した新たなパワーカードを追加するのではコストが嵩む上、積層ユニットの体格も大型化する。そこで、本明細書が開示する技術は、次の構成の新しい積層ユニットを採用する。

上記した電圧コンバータ回路（昇降圧コンバータ回路）は、３個のスイッチング素子の直列回路を含むことになる。他方、３相交流モータに交流電力を供給するインバータ回路は、上アーム用の３個のスイッチング素子と、下アーム用の３個のスイッチング素子の合計６個のスイッチング素子を含む。昇降圧コンバータ回路の３個と併せて電力変換器は９個のスイッチング素子を含むことになる。そこで、本明細書が開示する技術は、一つのパワーカードに３個のスイッチング素子を収容することで、３枚のパワーカードにスイッチング素子を過不足なく収容し、上記した電圧コンバータ回路とインバータ回路を実現する。緊急遮断スイッチ用の独立したパワーカードを備える必要がないので、低コストであり、また、積層ユニットの体格もコンパクトにすることができる。さらに、パワーカードの数を多くしないことは、複数のパワーカード間を接続するバスバを短くできることになる。このことは、バスバのインダクタを小さくすることに貢献する。

本明細書が開示する新たな電力変換器の一態様は次の通りである。その電力変換器は、電気回路としては、バッテリの電力を昇圧する昇圧動作と走行用の三相交流モータが発生した回生電力を降圧する降圧動作を行うチョッパ型の電圧コンバータ回路と、電圧コンバータ回路によって昇圧された電力を交流に変換して上記三相交流モータに供給するインバータ回路を含む。その電力変換器は、ハードウエアとしては、夫々が３個のスイッチング素子を収容した第１、第２、及び、第３パワーカードと、それらのパワーカードと交互に積層されている複数の冷却器を備える。第１パワーカードには、インバータ回路の上アーム用の３個のスイッチング素子が収容される。第２パワーカードには、インバータ回路の下アーム用の３個のスイッチング素子が収容される。そして、第３パワーカードには、電圧コンバータ回路の３個のスイッチング素子が収容される。この３個のスイッチング素子は、電圧コンバータ回路の降圧用のスイッチング素子と昇圧用のスイッチング素子とその昇圧用のスイッチング素子への電流を遮断するスイッチング素子（緊急遮断スイッチング素子）である。

なお、２個の三相交流モータに電力を供給する電力変換器を実現する場合には、第２モータのインバータ回路のために、上記した第１及び第２パワーカードと同じ構造のパワーカードを積層ユニットに追加すればよい。

各パワーカードの構成の一例を概説する。上アーム用のスイッチング素子を収容する第１パワーカードは、それら３個のスイッチング素子の高電位側の電極に共通に接続している正極端子と、各スイッチング素子の低電位側の電極に個別に接続している３個の出力端子を備える。下アーム用のスイッチング素子を収容する第２パワーカードは、それら３個のスイッチング素子の低電位側の電極に共通に接続している負極端子と、各スイッチング素子の高電位側の電極に個別に接続している３個の出力端子を備える。第３パワーカードは、収容されている３個のスイッチング素子が内部で直列回路を構成し、その直列回路の高電位端と低電位端に夫々接続している正極端子と負極端子を備える。

緊急遮断スイッチング素子を含むチョッパ型の電圧コンバータ回路を概説する。説明の便宜のため、第３パワーカードの直列に接続された３個のスイッチング素子を、高電位側から、第１、第２、第３スイッチング素子と称する。第１スイッチング素子は降圧用のスイッチング素子であり、第２と第３のスイッチング素子の一方が昇圧用のスイッチング素子であり他方が上記した緊急遮断スイッチング素子である。説明の便宜のため、第２スイッチング素子を昇圧用スイッチング素子とし、第３スイッチング素子を緊急遮断スイッチング素子とする。電圧コンバータ回路は、上記の直列回路に加え、一端が第１、第２スイッチング素子の中間点に接続し、他端がバッテリ側の高電位端に接続するリアクトルも備える。なお、電力変換器のバッテリ側の低電位端とインバータ回路側の低電位端は直結しており、その線をグランド線と称する。また、電圧コンバータ回路のバッテリ側の高電位端と低電位端の間にはコンデンサが接続され、インバータ回路側の高電位端と低電位端の間にもコンデンサが接続される。前者のコンデンサをフィルタコンデンサと称し、後者のコンデンサを平滑コンデンサと称する。電力変換器はさらにコントローラを備えており、そのコントローラは、第３スイッチング素子（緊急遮断スイッチング素子）を導通状態に保持したまま、第２スイッチング素子の導通と遮断を切り換えてバッテリの電圧を昇圧する。また、コントローラは、第２スイッチング素子（昇圧用スイッチング素子）が短絡故障した場合には、第３スイッチング素子を導通状態から遮断状態に切り換える。第３スイッチング素子を遮断状態とすることで、バッテリとインバータ回路が直結状態となり、バッテリの短絡が防げるとともに、インバータ回路がモータに電力を供給し続けることができる。

なお、第３パワーカードの第２スイッチング素子と第３スイッチング素子は機能を逆にしてもよい。また、パワーカード内の全てのスイッチング素子に逆流用のダイオードが逆並列に接続されている。

本明細書が開示する技術によれば、昇降圧コンバータ回路のスイッチング素子が短絡故障した場合にバッテリの短絡を防止しつつインバータ回路からの出力を継続することができる電力変換器を、低コストで実現することができる。本明細書が開示する技術の詳細とさらなる改良は以下の「発明を実施するための形態」にて説明する。

実施例の電力変換器を備えた電動車両の電力系のブロック図である。 電力変換器に備えられる積層ユニットの斜視図である。 インバータ回路の上アームに用いられるパワーカード内部の回路配線図を含む模式的正面図である。 インバータ回路の下アームに用いられるパワーカード内部の回路配線図を含む模式的正面図である。 電圧コンバータ回路に用いられるパワーカード内部の回路配線図を含む模式的正面図である。 電圧コンバータ回路に用いられるパワーカード内部の端子板を示した模式的断面図である。 電力変換器における電圧コンバータ回路に用いられるパワーカード内部の１つの端子板を示す正面図である。 電力変換器における電圧コンバータ回路に用いられるパワーカード内部の他の端子板を示す正面図である。 電力変換器のシステム起動時のフローチャート図である。 電力変換器が実施する短絡チェック処理のフローチャート図である。

図面を参照して実施例の電力変換器２を説明する。図１に、実施例の電力変換器２を搭載する電動車両４００の電力系のブロック図を示す。電動車両４００は、２個の走行用モータ７ａ、７ｂを備えている。そのため、電力変換器２は、２個のインバータ回路４ａ、４ｂを備えている。なお、２個のモータ７ａ、７ｂの出力は、動力分配機構５で合成または分配され車軸６（即ち駆動輪）へ伝達される。

電力変換器２は、システムメインリレー１３を介してバッテリ１４と接続されている。電力変換器２は、バッテリ１４の電圧を昇圧するチョッパ型の電圧コンバータ回路３と、昇圧後の直流電力を交流に変換する２セットのインバータ回路４ａ、４ｂを含んでいる。電力変換器２を介して変換された電力によりモータ７ａ、７ｂが駆動する。また、モータ７ａ、７ｂからの回生電力を電力変換器２を介してバッテリ１４に蓄電することもできる。この場合、電圧コンバータ回路３は、降圧回路として動作する。つまり、モータ７ａ、７ｂからの回生電力がインバータ回路４ａ、４ｂにより直流電力に変換された後、電圧コンバータ回路３により降圧され、バッテリ１４に蓄電される。

電圧コンバータ回路３の回路構成について説明する。電圧コンバータ回路３の高電位側のラインにおける出力側と入力側の間には、リアクトル１２及びスイッチング素子Ｔ７が接続されている。そして、低電位側のラインは、電圧コンバータ回路３の入力側と出力側を直結している。以下、低電位側のラインをグランド線Ｇと称する。即ち、電圧コンバータ回路３の入力側（バッテリ１４側）の低電位端と出力側（インバータ回路４ａ、４ｂの側）の低電位端を直結するラインがグランド線Ｇに相当する。リアクトル１２の一端は、入力側（バッテリ１４側）の高電位端に接続され、その他端（出力側）にはスイッチング素子Ｔ７が接続されている。また、電圧コンバータ回路３は、スイッチング素子Ｔ８、Ｔ９の直列回路を含んでいる。その直列回路の一端は、リアクトル１２とスイッチング素子Ｔ７の間（リアクトル１２の出力側）に接続され、他端は、グランド線Ｇに接続されている。つまり、電圧コンバータ回路３には、３個のスイッチング素子Ｔ７、Ｔ８、Ｔ９の直列回路が備えられており、リアクトル１２がスイッチング素子Ｔ７とＴ８の接続点に接続されている。夫々のスイッチング素子の動作及び機能については後述する。また、リアクトル１２の入力側とグランド線Ｇの間には、フィルタコンデンサ８が接続されている。他方、電圧コンバータ回路３のインバータ回路側の高電位端とグランド線Ｇの間には平滑コンデンサ９が接続されている。なお、各スイッチング素子Ｔ７、Ｔ８、Ｔ９には、逆並列にダイオードＤ７、Ｄ８、Ｄ９が接続されている。また、電圧コンバータ回路３の各スイッチング素子には、コントローラ１５からパルス信号が送られ、各スイッチング素子のオンオフが制御される。ここで、スイッチング素子を「オン」の状態にするとは、スイッチング素子を「導通状態」にすることを示し、「オフ」の状態にするとは、スイッチング素子を「遮断状態」にすることを示す。

従来のチョッパ型の昇降圧コンバータ回路は、高電位側と低電位側に２個のスイッチング素子が有れば十分にその機能を得ることができる。本明細書で開示する電圧コンバータ回路３は、従来のチョッパ型の昇降圧コンバータ回路の低電位側のスイッチング素子と直列に別のスイッチング素子を挿入したものである。別言すれば、電圧コンバータ回路３において、スイッチング素子Ｔ９を取り除き、その取り除いた箇所を短絡すれば、従来のチョッパ型の昇降圧コンバータ回路と同様の回路構成となる。挿入された１個のスイッチング素子を後述する緊急遮断スイッチとして利用することで、電圧コンバータ回路に新しい機能を追加することができる。その新しい機能についても後述する。

インバータ回路４ａの回路構成について説明する。インバータ回路４ａは、三相交流モータ７ａに電力を供給すべく、三相交流を出力する。それゆえ、インバータ回路４ａは、２個のスイッチング素子の直列回路が３セット並列に接続された構成を有している（Ｔ１とＴ４、Ｔ２とＴ５、Ｔ３とＴ６）。各スイッチング素子にはダイオードが逆並列に接続されている。３セットの直列回路の高電位側がインバータ回路４ａの高電位側の入力端に接続されており、３セットの直列回路の低電位側がインバータ回路４ａの低電位側の入力端に接続されている。３セットの直列回路の中点から三相交流（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）が出力される。

インバータ回路において、直流電力の高電位入力側からモータまでの電流経路は上アームと呼ばれており、モータから直流電力の低電位入力側までの電流経路は下アームと呼ばれている。つまり、インバータ回路４ａの上アームは電圧コンバータ回路３の高電位側の出力端と接続され、インバータ回路４ａの下アームは電圧コンバータ回路３のグランド線Ｇと接続される。図１のスイッチング素子Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３は「上アーム」に含まれ、スイッチング素子Ｔ４、Ｔ５、Ｔ６は「下アーム」に含まれる。なお、以下では、説明の便宜のため、インバータ回路４ａ、４ｂの高電位側のラインと、電圧コンバータ回路３の出力側高電位端とを結ぶ線を高電位ラインＰＬと称する。反対に、インバータ回路４ａ、４ｂの低電位側のラインと、電圧コンバータ回路３のグランド線Ｇとを結ぶ線を低電位ラインＮＬと称する。

インバータ回路４ｂは、三相交流モータ７ｂに電力を供給すべく、三相交流を出力する。インバータ回路４ｂの回路構成は、インバータ回路４ａの回路構成と同じであるため、図１では具体的な回路の図示は省略している。インバータ回路４ｂも、インバータ回路４ａと同様に、２個のスイッチング素子の直列回路が３セット並列に接続された構成を有している。コンバータ回路４ａ、４ｂの各スイッチング素子には、電圧コンバータ回路３と同様にコントローラ１５からパルス信号が送られ、各スイッチング素子のオンオフが制御される。なお、インバータ回路４ａ、４ｂの動作はよく知られている技術であるので、説明は省略する。

スイッチング素子Ｔ１からＴ９としては、トランジスタが利用される。本実施例では、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）が用いられる。しかし、このトランジスタは、他のトランジスタ、例えば、ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）であってもよい。あるいは、将来的には異なるタイプのスイッチング素子が電力変換器に用いられるかもしれない。本明細書が開示する技術は、スイッチング素子のタイプに依存しない。

電圧コンバータ回路３の動作について説明する。電圧コンバータ回路３は、バッテリ１４の電圧を昇圧してインバータ回路４ａ、４ｂに電力を供給する昇圧動作と、インバータ回路４ａ、４ｂから入力された直流電力を降圧してバッテリ１４に電力を供給する降圧動作の双方を行うことができる。典型的なチョッパ型の昇降圧コンバータ回路は、グランド線Ｇとリアクトル１２の間に接続されるスイッチング素子は一つである。本明細書で開示する電圧コンバータ回路３をその昇降圧コンバータ回路と同様の動作を行うようにするためには、グランド線Ｇとリアクトル１２の間に接続されたスイッチング素子Ｔ８、Ｔ９のどちらかを常時オンの状態にする。以下の説明では、スイッチング素子Ｔ９を常時オンの状態にする。スイッチング素子Ｔ９を常時オンの状態とし、コントローラ１５のパルス信号によりスイッチング素子Ｔ８のオンオフ（導通と遮断）を切り換えることにより、典型的な昇圧コンバータ回路と同様の昇圧動作をすることができる。また、スイッチング素子Ｔ７のオンオフを切り換えることにより典型的な降圧コンバータ回路の降圧動作をすることができる。つまり、スイッチング素子Ｔ８を昇圧用のスイッチング素子として利用し、スイッチング素子Ｔ７を降圧用のスイッチング素子として利用すれば、典型的な昇降圧コンバータ回路と同様の昇圧動作及び降圧動作をすることができる。その昇圧動作及び降圧動作はよく知られた技術であるので、本明細書ではその説明を省略する。なお、スイッチング素子Ｔ８、Ｔ９のどちらか一方を常時オンとし、他方のオンオフを切り換えても電圧コンバータ回路３は同様の動作をすることができることに留意されたい。また、常時オンの状態とするスイッチング素子Ｔ９のことを、説明の便宜上、以下では緊急遮断スイッチＴ９（あるいは、緊急遮断スイッチング素子Ｔ９）と称する場合がある。

上記の電圧コンバータ回路３の短絡故障時の動作について概説する。上記の電圧コンバータ回路３において、昇圧用のスイッチング素子Ｔ８が短絡故障した場合、そのスイッチング素子Ｔ８を介してバッテリ１４が短絡してしまう。その際、緊急遮断スイッチＴ９をオフ（遮断状態）に切り替える。そうすると、短絡故障したスイッチング素子Ｔ８により導通状態となったリアクトル１２とグランド線Ｇの間が遮断される。よって、バッテリ１４の短絡を防止することができる。また、緊急遮断スイッチＴ９をオフにすると電圧コンバータ回路３は昇圧動作ができなくなる。しかし、バッテリ１４とインバータ回路４ａ、４ｂが直結状態となり、バッテリ１４の電力がそのままインバータ回路４ａ、４ｂへと供給される。よって、インバータ回路４ａ、４ｂからモータ７ａ、７ｂへの電力供給が継続され、電動車両４００のバッテリ１４を使用した走行を維持することが可能となる。なお、電圧コンバータ回路３の短絡故障時の動作アルゴリズムについては、図９、１０を参照して後述する。また、緊急遮断スイッチＴ９にはダイオードが逆並列に接続されているが、そのダイオードは、アノードがバッテリ１４の低電位端に接続しており、カソードがバッテリ１４の高電位端に接続しているので電流が流れることがない。スイッチング素子Ｔ９とダイオードの逆並列回路はバッテリ１４の短絡を防止するスイッチとして機能する。

実施例の電力変換器２のハードウエア構成について説明する。電動車両４００に搭載される走行用モータ７ａ、７ｂに電力を供給するため、電力変換器２に備えられるスイッチング素子には大電流が流れ、その発熱量も大きい。複数のスイッチング素子を効率よく冷却するため、電力変換器２は、５個のパワーカードＰＣ１からＰＣ５と複数の冷却器２１を交互に積層した積層ユニット２００を備える。図２に積層ユニット２００の模式的斜視図を示す。ここで、パワーカードとは、複数のスイッチング素子を樹脂でモールドしたパッケージである。そのパッケージには、その内部に収容されたスイッチング素子を外部の素子と接続するための端子が設けられている。なお、各端子は図１に示す回路構成となるように互いに接続されるが、図２では、その接続構造が省略されていることに留意されたい。また、リアクトル１２、フィルタコンデンサ８、平滑コンデンサ９の図示が省略されていることに留意されたい。

図２に示されるように、各パワーカードはその両側を冷却器２１により挟まれている。各冷却器２１の内部は冷媒が通る空洞である。各冷却器２１の長手方向（図中のＸ軸方向）の両側に孔が設けられており、隣接する冷却器２１が連結管２４ａ、２４ｂで連結されている。積層方向の端に位置する冷却器２１には冷媒供給管２２と冷媒排出管２３が接続されている。冷媒供給管２２から供給された冷媒は、連結管２４ａを通じて全ての冷却器２１に分配される。冷媒は、各冷却器２１の内部を通過する間に隣接するパワーカードの熱を吸収し、他方の連結管２４ｂを通じて冷媒排出管２３へと送られる。なお、冷媒は、液体であり、例えば、水、あるいは、ＬＬＣ（Long Life Coolant）である。

実施例の電力変換器２では、図１の破線で囲んだように、３個のスイッチング素子を１セットとして収容する５セットのパワーカードＰＣ１からＰＣ５が備えられる。１つのパワーカードには、３個のスイッチング素子とこれに付随する３個のダイオードが収容されている。具体的には、３個のスイッチング素子と３個のダイオードが樹脂で封止されており、その樹脂パッケージの内部でスイッチング素子が接続されていると共に、各スイッチング素子にダイオードが逆並列に接続されている。スイッチング素子のパワーカード内部での接続は、各パワーカードにより異なる。

パワーカードＰＣ１について説明する。図３にパワーカードＰＣ１の外形状と、内部の回路配線図を含む積層方向（Ｚ軸方向）から見た模式的正面図を示す。図３の回路配線と図１の回路配線を対比しつつ、説明する。図１において符号ＰＣ１が示す破線の範囲が、パワーカードＰＣ１に含まれる回路に相当する。パワーカードＰＣ１には、インバータ回路４ａの上アーム側に接続されるスイッチング素子Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３が収容されている。なお、図３では、各スイッチング素子に逆並列に接続されるダイオードの図示は省略している。以下、図４、図５においても同様に省略されている。パワーカードＰＣ１には、図１に示した高電位ラインＰＬと接続される正極端子Ｐ１、Ｐ２が設けられている。正極端子Ｐ１、Ｐ２には、スイッチング素子Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３の高電位側の電極（ＩＧＢＴのコレクタ側であり、ダイオードのカソード側）が接続されている。即ち、スイッチング素子Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３の高電位側の電極（ＩＧＢＴのコレクタ側であり、ダイオードのカソード側）は、正極端子Ｐ１、Ｐ２に対して共通に接続されている。また、パワーカードＰＣ１には、モータの各相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）と個別に接続される出力端子ＱＵ、ＱＶ、ＱＷが設けられている。出力端子ＱＵにはスイッチング端子Ｔ１の低電位側の電極（ＩＧＢＴのエミッタ側であり、ダイオードのアノード側）が接続されている。出力端子ＱＶ、ＱＷにも夫々、スイッチング素子Ｔ２、Ｔ３の低電位側の電極が接続されている。また、パワーカードＰＣ１の下側からは、各スイッチング素子Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３のゲート電極に通じる信号端子ＱＧが延出している。なお、次に説明するように、出力端子ＱＵ、ＱＶ、ＱＷと信号端子ＱＧという呼称は、他のパワーカードでも用いる。図３に示される各端子、Ｐ１、Ｐ２、ＱＵ、ＱＶ、ＱＷは、図２に示されるパワーカードＰＣ１の上面から突出する５本の端子に対応する。図２では、図面の見易さのため、正極端子Ｐ１、Ｐ２にハッチングを施してある。後述するパワーカードＰＣ２の負極端子Ｎ１、Ｎ２及びパワーカードＰＣ３の正極端子Ｐ、負極端子Ｎについても同様にハッチングを施してある。

パワーカードＰＣ２について説明する。図４にパワーカードＰＣ２の外形状と、内部の回路配線図を含む積層方向から見た模式的正面図を示す。図４の回路配線と図１の回路配線を対比しつつ、説明する。図１において符号ＰＣ２が示す破線の範囲が、パワーカードＰＣ２に含まれる回路に相当する。パワーカードＰＣ２には、インバータ回路４ａの下アーム側に接続されるスイッチング素子Ｔ４、Ｔ５、Ｔ６が収容されている。パワーカードＰＣ２には、インバータ回路４ａの下アームと接続される負極端子Ｎ１、Ｎ２が設けられている。負極端子Ｎ１、Ｎ２には、スイッチング素子Ｔ４、Ｔ５、Ｔ６の低電位側の電極（ＩＧＢＴのエミッタ側であり、ダイオードのアノード側）が接続されている。即ち、スイッチング素子Ｔ４、Ｔ５、Ｔ６の低電位側の電極（ＩＧＢＴのエミッタ側であり、ダイオードのアノード側）は、負極端子Ｎ１、Ｎ２に対して共通に接続されている。また、パワーカードＰＣ２には、モータの各相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）と個別に接続される出力端子ＱＵ、ＱＶ、ＱＷが設けられている。出力端子ＱＵにはスイッチング端子Ｔ１の高電位側の電極（ＩＧＢＴのコレクタ側であり、ダイオードのカソード側）が接続されている。出力端子ＱＶ、ＱＷにも夫々、スイッチング素子Ｔ２、Ｔ３の高電位側の電極が接続されている。図４に示すパワーカードＰＣ２は内部の回路構成が異なるが、各端子の構成は図３に示したＰＣ１の正極端子Ｐ１、Ｐ２を負極端子Ｎ１、Ｎ２に入れ替えたものと同じである。

インバータ回路４ｂのスイッチング素子もインバータ回路４ａと同様に、上アームに接続される３個のスイッチング素子がパワーカードＰＣ４の中に収容され、下アームに接続される３個のスイッチング素子がパワーカードＰＣ５の中に収容される。パワーカードＰＣ４、ＰＣ５の構成は、夫々パワーカードＰＣ１、ＰＣ２と同様であり、パワーカードＰＣ４、ＰＣ５の出力端子は夫々モータ７ｂの各相に接続されている。

パワーカードＰＣ３について説明する。図５にパワーカードＰＣ３の外形状と、内部の回路配線図を含む積層方向から見た模式的正面図を示す。図５の回路配線と図１の回路配線を対比しつつ、説明する。図１において符号ＰＣ３が示す破線の範囲が、パワーカードＰＣ３に含まれる回路に相当する。パワーカードＰＣ３には、スイッチング素子Ｔ７、Ｔ８、Ｔ９が収容されている。スイッチング素子Ｔ７、Ｔ８、Ｔ９は高電位側からこの順番に直列に接続されている。パワーカードＰＣ３には、電圧コンバータ回路３の出力側高電位端と接続される正極端子Ｐと、グランド線Ｇと接続される負極端子Ｎと、リアクトル１２の出力側と接続される中間端子Ｌが設けられている。正極端子Ｐはスイッチング端子Ｔ７の高電位側の電極（ＩＧＢＴのコレクタ側であり、ダイオードのカソード側）と接続されている。負極端子Ｎはスイッチング素子Ｔ９の低電位側の電極（ＩＧＢＴのエミッタ側であり、ダイオードのアノード側）と接続されている。そして、中間端子Ｌはスイッチング素子Ｔ７の低電位側の電極とスイッチング端子Ｔ８の高電位側の電極の間の接続点に接続されている。なお、正極端子Ｐと中間端子Ｌの間、及び負極端子Ｎの隣に別の端子が存在する。これはパワーカードＰＣ３が、各パワーカードＰＣ１等と同様の工程により製造されることによるダミーの端子であり本実施例では使用していない。また、パワーカードＰＣ３の下側にはパワーカードＰＣ１等と同様に信号端子ＱＧが３個延出している。各信号端子ＱＧは、各スイッチング素子Ｔ７、Ｔ８、Ｔ９のゲート電極に夫々接続されている。

このような構成により、電圧コンバータ回路３の３個のスイッチング素子、インバータ回路４ａの上アーム側に接続される３個のスイッチング素子、下アーム側に接続される３個のスイッチング素子を夫々１枚のパワーカードに収容することができる。よって、３個のスイッチング素子が収容されたパワーカードを３枚備えることで、電圧コンバータ回路３及びインバータ回路４ａに必要なスイッチング素子を過不足なく各パワーカードに収容することができる。つまり、電圧コンバータ回路に用いられるスイッチング素子を３個としても、従来の昇降圧コンバータ回路から追加されたスイッチング素子に対応して独立したパワーカードを備える必要がない。したがって、積層ユニット２００の体格をコンパクトにすることができ、低コスト化にも寄与することができる。さらに、パワーカードの数を多くしないことは、複数のパワーカード間を接続するバスバを短くできることになる。このことは、バスバのインダクタを小さくすることに貢献する。

なお、インバータ回路４ｂの上アーム用の３個のスイッチング素子及び下アーム用の３個のスイッチング素子が２枚のパワーカードＰＣ４、ＰＣ５に収容されている。したがって、電圧コンバータ回路３とインバータ回路４ａのスイッチング素子にインバータ回路４ｂのスイッチング素子を加えても、３個のスイッチング素子が収容されたパワーカードを５枚備えることで過不足なくすべてのスイッチング素子を電力変換器２で活用することができる。

図６から図８を参照して、パワーカードＰＣ３内部の回路配線を物理的に実現する端子板について説明する。他のパワーカードＰＣ１からＰＣ４も、以下で説明するような端子板の構成により回路配線が構成されるが、代表してＰＣ３について説明する。なお、端子板は、典型的には銅製である。図６は、積層方向（Ｚ軸方向）から見たパワーカードＰＣ３の断面図であり、パワーカードＰＣ３のモールドされた樹脂部分のみを断面で表している。図６に示すように、各スイッチング素子Ｔ７、Ｔ８、Ｔ９及び夫々のスイッチング素子に対応したダイオードＤ７、Ｄ８、Ｄ９は、薄板状のチップであり、その表面に電極が露出している。各スイッチング素子とダイオードは、２枚の端子板に挟まれるように接続される。図６において、紙面奥側（Ｚ軸負方向側）に位置する端子板を並べた図が図７であり、紙面手前側（Ｚ軸正方向側）に位置する端子板を並べた図が図８である。図７に示すように紙面奥側の端子板としては、各スイッチング素子と対応するダイオードが接続されている端子板３枚と、それ以外の端子板２枚が存在する。説明の便宜上、各スイッチング素子の紙面奥側の表面がコレクタ電極（高電位側の電極）に相当し、紙面手前側の表面がエミッタ電極（低電位側の電極）に相当すると仮定する。各ダイオードは、紙面奥側の表面がカソード電極に相当し、紙面手前側の表面がアノード電極に相当する。また、各スイッチング素子のコレクタ電極が接続されている紙面奥側の端子板を第１端子板と称し、スイッチング素子に接続されていない紙面奥側の端子板を第２端子板と称する。符号３１ａが付された第１端子板には、スイッチング素子Ｔ７とそのスイッチング素子Ｔ７に逆並列に接続されているダイオードＤ７が接続されている。同様に第１端子板３１ｂには、スイッチング素子Ｔ８とこのスイッチング素子Ｔ８に対応するダイオードＤ８が接続されており、第１端子板３１ｃには、スイッチング素子Ｔ９とこのスイッチング素子Ｔ９に対応するダイオードＤ９が接続されいる。第１端子板と第２端子板は夫々、パワーカードＰＣ３の上方に一端が延伸しており、その延伸した部分がパワーカードＰＣ３の上面に突出する各種端子（正極端子Ｐ、負極端子Ｎ、中間端子Ｌ）となる。なお、パワーカードＰＣ３の下側には信号端子ＱＧが３個延出しており、各信号端子ＱＧが各スイッチング素子と一対一で対応している。図中では、各スイッチング素子と各信号端子ＱＧの接続構造が省略されていることに留意されたい。

一方、図６に示すように、紙面手前側に位置する端子板にも、各スイッチング素子（そのエミッタ電極）とこれらスイッチング素子に対応するダイオード（そのアノード電極）が接続されている。紙面手前側に位置する端子板を第３端子板と称する。符号３３ａが付された第３端子板には、スイッチング素子Ｔ７とそのスイッチング素子Ｔ７に逆並列に接続されているダイオードＤ７が接続されている。同様に第３端子板３３ｂには、スイッチング素子Ｔ８とこのスイッチング素子Ｔ８に対応するダイオードＤ８が接続されており、第３端子板３３ｃには、スイッチング素子Ｔ９とこのスイッチング素子Ｔ９に対応するダイオードＤ９が接続されいる。

上述したように、各スイッチング素子の高電位側の電極（コレクタ電極）は各第１端子板に接続されており、各スイッチング素子の低電位側の電極（エミッタ電極）は各第３端子板に接続されている。一方、各ダイオードＤ７、Ｄ８、Ｄ９のカソード電極は各第１端子板に接続されており、アノード電極は各第３端子板に接続されている。よって、図１に示す回路配線の通り、各ダイオードＤ７、Ｄ８、Ｄ９は各スイッチング素子Ｔ７、Ｔ８、Ｔ９に逆並列に接続されることになる。

図５の回路配線と図６の端子板の構造を表す図とを比較しつつ、スイッチング素子Ｔ７、Ｔ８、Ｔ９の直列回路と各端子板の構成との対応関係を、この直列回路の高電位側から低電位側の並びに沿って説明する。図６に示すようにパワーカードＰＣ３の正極端子Ｐは、第１端子板３１ａの一端が延伸して構成されている。そして、第１端子板３１ａにはスイッチング素子Ｔ７の高電位側の電極（コレクタ電極）が接続されている。よって、正極端子Ｐとスイッチング素子Ｔ７の高電位側の電極が接続されている。つまり、図５の符号３１ａを付した破線で囲んだ結線が第１端子板３１ａに相当する。さらに、スイッチング素子Ｔ７の低電位側の電極（エミッタ電極）と第１端子板３１ｂの一端が第３端子板３３ａにより接続されている。図６に示すように、第３端子板３３ａの一端と第１端子板３１ｂの一端が符号Ｗ１で示す箇所で接合される。典型的には溶接により接合される。上記のようにスイッチング素子Ｔ８の高電位側の電極は第１端子板３１ｂに接続されている。したがって、スイッチング素子Ｔ７とスイッチング素子Ｔ８が直列接続される。つまり、図５の符号３３ａを付した破線で囲んだ結線が第３端子板３３ａに相当する。さらに、スイッチング素子Ｔ８の低電位側の電極と第１端子板３１ｃの一端が第３端子板３３ｂにより接続されている。図６に示すように、第３端子３３ｂのスイッチング素子Ｔ９が位置する側の一端と第１端子板３１ｃの一端が符号Ｗ２で示す箇所で接合される。上記のようにスイッチング素子Ｔ９の高電位側の電極は第１端子板３１ｃに接続されている。したがって、スイッチング素子Ｔ８とスイッチング素子Ｔ９が直列接続されている。つまり、図５の符号３３ｂを付した破線で囲んだ結線が第３端子板３３ｂに相当する。さらに、図６に示すようにパワーカードＰＣ３の負極端子Ｎは、第２端子板３２ｂの一端が延伸して構成されている。図６に示すように第３端子板３３ｃの一端と第２端子板３２ｂの一端が符号Ｗ３で示す箇所で接合されている。上記のようにスイッチング素子Ｔ９の低電位側の電極は第３端子板３３ｃに接続されている。したがって、スイッチング素子Ｔ９の低電位側の電極と負極端子Ｎが接続されている。つまり、図５の符号３３ｃを付した破線で囲んだ結線が第３端子板３３ｃに相当する。この構成により、スイッチング素子Ｔ７、Ｔ８、Ｔ９が正極端子Ｐから負極端子Ｎの間で直列に接続される。

また、パワーカードＰＣ３は、リアクトル１２に接続するための中間端子Ｌを備えている。図６に示すように、中間端子Ｌは、スイッチング素子Ｔ８の高電位側の電極が接続されている第１端子板３１ｂの一端が延伸して構成されている。上記のように第１端子板３１ｂには第３端子板３３ａによりスイッチング素子Ｔ７の低電位側の電極が接続されている。したがって、中間端子Ｌは、スイッチング素子Ｔ７の低電位側の電極とスイッチング素子Ｔ８の高電位側の電極の間に接続される。つまり、図５の符号３１ｂを付した破線で囲んだ結線が第１端子板３１ｂに相当する。

上記の説明の通り、図６から図８に示す端子板の構成により、図５に示すスイッチング素子の回路配線を実現することができる。なお、第１端子板３１ｃの一端が延伸して設けられる端子と第２端子板３２ａの一端が延伸して設けられる端子は、共にパワーカードＰＣ３では使用していないダミーの端子である。

このように、パワーカード内部では、３個のスイッチング素子が短い端子板で接続されるので、スイッチング素子間の結線に寄生するインダクタンスが小さい。

図９、図１０のフローチャートを参照して、実施例のハードウエア構成で得られる電力変換器２において、緊急遮断スイッチＴ９を利用することで、バッテリ１４の短絡を防止する具体的なアルゴリズムについて説明する。

図９を参照して、電力変換器２のシステム起動時に短絡故障が検出されたときの動作について説明する。先ず、電動車両４００が停止している状態で、システムメインリレー１３がオンされる（Ｓ１）。これにより、電力変換器２にバッテリ１４から電力が供給される。次に、コントローラ１５は、スイッチング素子Ｔ９（緊急遮断スイッチ）をオンにする（Ｓ２）。次に、コントローラ１５は、昇圧用のスイッチング素子Ｔ８が短絡しているか否かを確認する（Ｓ３）。なお、トランジスタであるスイッチング素子の短絡は、トランジスタに設けられた電流検出用端子により検出される。実施例で用いられるトランジスタであるＩＧＢＴには、典型的には電流検出用端子として、センスエミッタ端子が設けられている。このセンスエミッタ端子を用いて短絡を検出することができる。この技術はよく知られているので詳細な説明は省略する。以下、スイッチング素子Ｔ８が短絡しているか否かで緊急遮断スイッチの動作を切り替える。

スイッチング素子Ｔ８が短絡していない場合、緊急遮断スイッチのオン状態は継続される（Ｓ４）。その後、電圧コンバータ回路３は上記で説明したように通常の昇降圧動作を行う（Ｓ５）。これにより、電動車両４００は、通常の走行状態となる（Ｓ６）。

一方、スイッチング素子Ｔ８が短絡している場合、緊急遮断スイッチをオフにする（Ｓ７）。これにより、リアクトル１２の出力側とグランド線Ｇの間は遮断される。したがって、スイッチング素子Ｔ８が短絡していても、バッテリ１４の短絡が回避される。そして、電動車両４００は、フェール走行のモードに設定される（Ｓ８）。ここで、フェール走行とは、バッテリ１４の電力を昇圧しないで電動車両４００を走行させる状態のことをいう。具体的には、アクセル開度等に基づいてモータの出力を決定するコントローラが、バッテリ１４の出力電圧で対応可能な範囲にモータの出力を制限する。

緊急遮断スイッチをオフにした場合、高電位ラインＰＬに接続されたスイッチング素子Ｔ７に逆並列に接続されたダイオードにより、電圧コンバータ回路３の出力側には、バッテリ１４の電力がダイレクトに出力することになる。したがって、バッテリ１４の電圧により電動車両４００の走行を継続することができる。

図１０を参照して通常走行時に短絡故障が生じてないか確認する処理（短絡チェック処理）について説明する。通常走行では、電圧変換器２の内部で過電流（予定されている電流よりも大きい電流が流れること）が生じていないかコントローラ１５が常に監視している。具体的には、コントローラ１５は、先に述べたセンスエミッタを流れる電流を定期的に計測している。コントローラ１５は、センスエミッタの電流値を計測し（Ｓ１１）、昇圧用のスイッチング素子Ｔ８が短絡しているか否かを確認する（Ｓ１２）。スイッチング素子Ｔ８が短絡していない場合、緊急遮断スイッチのオン状態は継続され（Ｓ１３）、電動車両４００の通常走行が継続される。一方で、スイッチング素子Ｔ８が短絡している場合、コントローラ１５は緊急遮断スイッチをオフにする（Ｓ１４）。上記と同様、リアクトル１２の出力側とグランド線Ｇの間は遮断される。また、バッテリ１４の電力は、ダイレクトに電圧コンバータ回路３の出力側に出力される。そして、電動車両４００はフェール走行のモードに移行する（Ｓ１５）。

上記のアルゴリズムを電圧コンバータ回路３に採用することで、昇圧用のスイッチング素子Ｔ８が短絡しても、バッテリ１４が短絡することが回避される。また、昇圧用のスイッチング素子Ｔ８が短絡しても、電動車両４００の走行は、バッテリを使用したフェール走行モードで継続することができる。この場合、バッテリ１４の電圧がダイレクトに出力されるため、バッテリを切り離すことなく、車両を走行させることができる。

実施例における「パワーカードＰＣ１」が「第１パワーカード」の一例であり、「パワーカードＰＣ２」が「第２パワーカード」の一例であり、「パワーカードＰＣ３」が「第３パワーカード」の一例である。また、実施例における「スイッチング素子Ｔ７」が「第１スイッチング素子」の一例であり、「スイッチング素子Ｔ８、Ｔ９」が「第２、第３スイッチング素子」の一例である。

以下、実施例で示した技術に関する留意点を述べる。実施例の電力変換器は、２個のインバータ回路を備えていたが、このような構成に限らない。本明細書で開示する技術は、１個のインバータ回路を備えた電力変換器若しくは３個以上のインバータ回路を備えた電力変換器に採用してもよい。インバータ回路が１個の場合、電力変換器に備えるインバータ回路用のパワーカードは２枚となる。インバータ回路が３個の場合、電力変換器に備えるインバータ回路用のパワーカードは６枚となる。

実施例の電力変換器では、リアクトルとグランド線の間に２個のスイッチング素子の直列回路を挿入し、一方のスイッチング素子の短絡故障が検知された場合、他方のスイッチング素子を開放してバッテリの短絡を防止する。２個のスイッチング素子が同じ性能を有する場合、一方のスイッチング素子が短絡故障したら他方のスイッチング素子のオンオフを繰り返すことにより昇圧を行うことも好適である。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

２：電力変換器
３：電圧コンバータ回路
４ａ、４ｂ：インバータ回路
５：動力分配機構
６：車軸
７ａ、７ｂ：モータ
８：フィルタコンデンサ
９：平滑コンデンサ
１２：リアクトル
１３：システムメインリレー
１４：バッテリ
１５：コントローラ
２１：冷却器
２２：冷媒供給管
２３：冷媒排出管
２４ａ、２４ｂ：連結管
３１ａ、３１ｂ、３１ｃ：第１端子板
３２ａ、３２ｂ：第２端子板
３３ａ、３３ｂ、３３ｃ：第３端子板
２００：積層ユニット
４００：電動車両
Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３、Ｔ４、Ｔ５、Ｔ６、Ｔ７、Ｔ８、Ｔ９：スイッチング素子
Ｄ７、Ｄ８、Ｄ９：ダイオード
ＰＣ１、ＰＣ２、ＰＣ３、ＰＣ４、ＰＣ５：パワーカード
Ｐ１、Ｐ２、Ｐ：正極端子
Ｎ１、Ｎ２、Ｎ：負極端子
ＱＵ、ＱＶ、ＱＷ：出力端子
Ｌ：中間端子
ＱＧ：信号端子
Ｇ：グランド線
ＰＬ：高電位ライン
ＮＬ：低電位ライン

Claims (3)

1. バッテリの電力を昇圧する昇圧動作と走行用の三相交流モータが発生した回生電力を降圧する降圧動作を行うチョッパ型の電圧コンバータ回路と、前記電圧コンバータ回路によって昇圧された電力を交流に変換して前記三相交流モータに供給するインバータ回路と、を含んでいる電動車両の電力変換器であって、
   ３個のスイッチング素子を収容している第１、第２、及び、第３パワーカードと、
   前記第１、第２、及び、第３パワーカードと交互に積層されている複数の冷却器と、
   を備えており、
   前記第１パワーカードは、前記インバータ回路の上アーム用の３個のスイッチング素子を収容しており、
   前記第２パワーカードは、前記インバータ回路の下アーム用の３個のスイッチング素子を収容しており、
   前記第３パワーカードは、前記電圧コンバータ回路の降圧用のスイッチング素子と昇圧用のスイッチング素子と前記昇圧用のスイッチング素子への電流を遮断する電流遮断用のスイッチング素子を収容している、
   ことを特徴とする電力変換器。
2. 前記第１パワーカードは、収容されている３個のスイッチング素子の高電位側の電極に共通に接続している正極端子と、各スイッチング素子の低電位側の電極に個別に接続している３個の出力端子を備えており、
   前記第２パワーカードは、収容されている３個のスイッチング素子の低電位側の電極に共通に接続している負極端子と、各スイッチング素子の高電位側の電極に個別に接続している３個の出力端子を備えており、
   前記第３パワーカードは、収容されている３個のスイッチング素子の直列回路の高電位端と低電位端に夫々接続している正極端子と負極端子を備えている、
   ことを特徴とする請求項１に記載の電力変換器。
3. 前記電圧コンバータ回路は、前記第３パワーカードに収容されている第１、第２、及び第３スイッチング素子がこの順序で高電位側から直列に接続している直列回路と、前記第１スイッチング素子と前記第２スイッチング素子の接続点に一端が接続しているリアクトルと、を含んでおり、
   前記電力変換器は、前記第２及び第３スイッチング素子の一方を導通状態に保持したまま、他方の導通と遮断を切り換えて前記バッテリの電圧を昇圧し、前記他方のスイッチング素子が短絡故障した場合に前記一方のスイッチング素子を導通状態から遮断状態に切り換えるコントローラを備えていることを特徴とする請求項１又は２に記載の電力変換器。

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