JP2016119732A - 電力変換装置および車両 - Google Patents

Abstract

【課題】インバータの信頼性を担保する電力変換装置および車両を提供する。【解決手段】電力変換装置はゲート駆動信号を出力するＰＷＭ駆動回路１１０と、第１スイッチＳｕおよび第２スイッチＳｘの第２端子に流れる電流を検出し、第１スイッチＳｕのゲート駆動信号が第１レベルであって、第２スイッチＳｘのゲート駆動信号が第２レベルであって、かつ、電流検出回路ＩＨ、ＩＬにおいて第２スイッチＳｘの第２端子に流れる電流が所定値未満であるときに、第１スイッチＳｕに第１レベルのゲート駆動信号を印加し、第２スイッチＳｘのゲート駆動信号が第１レベルであって、第１スイッチＳｕのゲート駆動信号が第２レベルであって、かつ、電流検出回路ＩＨ、ＩＬにおいて第１スイッチＳｕの第２端子に流れる電流が所定値未満であるときに、第２スイッチＳｘの駆動端子に第１レベルのゲート駆動信号を印加する保護回路と、を備える。【選択図】図２

Description

本発明の実施形態は、電力変換装置および車両に関する。

インバータは、直流負荷に接続した直流ラインと、高電位側の直流ラインと低電位側の直流ラインとの間に直列に接続した一対のスイッチング素子と、スイッチング素子間と交流負荷との間に接続した交流ラインと、を有している。

インバータは、スイッチング素子の接続状態を切替えて、直流電流と交流電流とを相互に変換して出力する。インバータの直流ライン間には高電圧が印加されるため、一対のスイッチング素子が同時にオンすると、直流ライン間が導通してスイッチング素子に大電流が流れてスイッチング素子が劣化する。最悪の場合には、耐圧以上の電圧がスイッチング素子に印加されると、スイッチング素子が破壊されてしまう。

そのため、スイッチング素子の接続を切り替える際には、通常、両方のスイッチング素子がオフとなるデットタイムを設けて、一対のスイッチング素子の両方が同時にオンすることを回避している。

特開２００６−３４０７７ 特開２００２−２７２１３１ 特開２００２−１９９７４１

しかしながら、デッドタイムを設けてインバータを駆動すると、高電位側と低電位側との両方のスイッチング素子がオフしている時間が存在することとなり、インバータの運転効率が低下する懸念があった。また、一方のスイッチング素子のゲート電圧をモニタして、他方のスイッチング素子を制御する方法では、スイッチング素子に実際に流れている電流をモニタしていないために、一方のスイッチング素子のゲートオフ指令からエミッタ端子に流れる電流が遮断されるまでの時間を考慮することが困難であった。

本発明の実施形態は、上記事情を鑑みて成されたものであって、インバータの運転効率を低下させることなく信頼性を担保する電力変換装置および車両を提供することを目的とする。

実施形態によれば、外部から入力されたトルク指令の値を実現するゲート駆動信号を出力するＰＷＭ駆動回路と、第１端子が高電位側の直流ラインと電気的に接続し第２端子が交流ラインと電気的に接続し、駆動端子に印加される前記ゲート駆動信号により駆動される第１スイッチと、第１端子が前記交流ラインと電気的に接続し第２端子が低電位側の直流ラインと電気的に接続し、駆動端子に印加される前記ゲート駆動信号により駆動される第２スイッチと、前記第１スイッチの第２端子および前記第２スイッチの第２端子に流れる電流を検出し、前記第１スイッチを駆動するための前記ゲート駆動信号が第１レベルであって、前記第２スイッチを駆動するための前記ゲート駆動信号が第２レベルであって、かつ、前記電流検出回路において前記第２スイッチの第２端子に流れる電流が所定値未満であるときに、前記第１スイッチの駆動端子に第１レベルの前記ゲート駆動信号を印加し、前記第２スイッチを駆動するための前記ゲート駆動信号が第１レベルであって、前記第１スイッチを駆動するための前記ゲート駆動信号が第２レベルであって、かつ、前記電流検出回路において前記第１スイッチの第２端子に流れる電流が所定値未満であるときに、前記第２スイッチの駆動端子に第１レベルの前記ゲート駆動信号を印加する保護回路と、
を備えた電力変換装置が提供される。

図１は、実施形態の電力変換装置および車両の構成例を説明するための図である。 図２は、実施形態の電力変換装置のゲート駆動回路の構成例を説明するための図である。 図３は、実施形態の電力変換装置のゲート駆動回路の動作例を説明するための図である。

以下、実施形態の電力変換装置および車両について、図面を参照して説明する。
図１は、本実施形態の電力変換装置および車両の構成例を説明するための図である。
本実施形態の車両は、直流電源（直流負荷）ＢＴと、電力変換装置と、交流電動機と、車軸２００を介して交流電動機Ｍの動力が伝達される車輪ＷＬ、ＷＬと、を備えている。電力変換装置は、インバータＩＮＶと、昇圧器ＢＳＴと、交流電動機（交流負荷）Ｍと、ゲート駆動回路１００と、を備えている。

直流電源ＢＴは、例えばリチウムイオン電池、ニッケル水素電池等の蓄電池を含む。直流電源ＢＴから出力された直流電力はインバータＩＮＶへ供給されるとともに、直流電源ＢＴはインバータＩＮＶを介して接続された負荷、例えば交流電動機Ｍが発電する電気エネルギーを充電する。

昇圧器ＢＳＴは、スイッチＳａ、Ｓｂと、コイルＬと、コンデンサＣ２と、を備えている。スイッチＳａとスイッチＳｂとは、直流ラインＬＩＮＫ（Ｈ）、ＬＩＮＫ（Ｌ）間で互いに直列に接続するとともに、後述するインバータＩＮＶの複数のスイッチＳｕ〜Ｓｚと並列に接続している。スイッチＳａとスイッチＳｂ間はコイルＬを介して直流電源ＢＴの正極と電気的に接続している。コンデンサＣ２は、直流電源ＢＴおよびスイッチＳｂと並列に接続している。

昇圧器ＢＳＴと直流電源ＢＴとは、図示しない遮断手段により接続あるいは開放されてもよい。その場合、遮断手段は、直流ラインＬＩＮＫ（Ｈ）、ＬＩＮＫ（Ｌ）それぞれに設けられる。遮断手段は、例えば上位制御装置（図示せず）からの制御信号に従って直流ラインＬＩＮＫ（Ｈ）、ＬＩＮＫ（Ｌ）の開閉動作を行う手段であって、例えば電磁接触器である。

インバータＩＮＶは、昇圧器ＢＳＴから供給された直流電力を３相交流電力に変換する３相インバータである。インバータＩＮＶは、複数のスイッチＳｕ、Ｓｘ、Ｓｖ、Ｓｙ、Ｓｗ、Ｓｚと、平滑コンデンサＣと、を備えている。インバータＩＮＶは、後述するゲート駆動回路１００からのゲート駆動信号に従って、複数のスイッチＳｕ、Ｓｘ、Ｓｖ、Ｓｙ、Ｓｗ、Ｓｚが開閉することにより、交流電動機Ｍへ３相交流電流を供給する。

インバータＩＮＶは、直流電源ＢＴと負荷との間に接続し、昇圧器ＢＳＴからの電流を供給する直流ラインＬＩＮＫ（Ｈ）、ＬＩＮＫ（Ｌ）間に直列に接続した一対のスイッチを備えた複数のスイッチ回路を備えている。Ｕ相のスイッチ回路はスイッチＳｕ、Ｓｘを含み、Ｖ相のスイッチ回路はスイッチＳｖ、Ｓｙを含み、Ｗ相のスイッチ回路はスイッチＳｗ、Ｓｚを含む。各相のスイッチ回路は互いに並列に接続している。各相において、一対のスイッチが直列に接続し、一対のスイッチの間には交流ラインの一端が電気的に接続している。交流ラインの他端は交流電動機Ｍに電気的に接続している。例えば、Ｕ相において、一対のスイッチＳｕ、Ｓｘは直列に接続し、一対のスイッチＳｕ、Ｓｘ間において交流ラインを介して交流電動機Ｍと電気的に接続している。

スイッチＳａ、Ｓｂ、Ｓｕ、Ｓｘ、Ｓｖ、Ｓｙ、Ｓｗ、Ｓｚは、例えば、ＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ：Insulated Gate Bipolar Transistor）、ＦＥＴ（Field-Effect Transistor）、ＧＴＯ（gate turn-off thyristor）、トランジスタなどの電気的に開閉制御することができるスイッチである。本実施形態では、スイッチＳａ、Ｓｂ、Ｓｕ、Ｓｘ、Ｓｖ、Ｓｙ、Ｓｗ、Ｓｚとして、ＩＧＢＴを採用しているものとする。

平滑コンデンサＣは、高電位側の直流ラインＬＩＮＫ（Ｈ）と低電位側の直流ラインＬＩＮＫ（Ｌ）との間に接続し、直流電源ＢＴとインバータＩＮＶとの間において、複数のスイッチＳｕ、Ｓｘ、Ｓｖ、Ｓｙ、Ｓｗ、Ｓｚ、および、直流電源ＢＴと並列に接続している。平滑コンデンサＣは、インバータＩＮＶが運転することにより、直流ラインＬＩＮＫ（Ｈ）、ＬＩＮＫ（Ｌ）の電圧が変動することを抑制する。

抵抗器Ｒは、高電位側の直流ラインＬＩＮＫ（Ｈ）と低電位側の直流ラインＬＩＮＫ（Ｌ）との間に接続している。抵抗器Ｒは、例えば回生抵抗器であって、交流電動機Ｍの回生電力を消費する。また抵抗器Ｒは、コンデンサＣに充電された電荷を放電するための放電抵抗である。

交流電動機（交流負荷）Ｍは、インバータＩＮＶから供給された交流電流によりトルクを発生する。交流電動機Ｍの出力軸には、負荷装置が接続されて発生したトルクが伝達される。また、交流電動機Ｍは、負荷装置の運動エネルギーを電力に変換して回生運転する。交流電動機Ｍの回生運転による電力はインバータＩＮＶで直流電力へ変換されて、直流電源ＢＴに充電される。本実施形態では、交流電動機Ｍの出力軸には、車軸２００が接続されて発生したトルクが車軸２００を介して車輪ＷＬへ伝達される。また、交流電動機Ｍは、車軸２００を介して伝達された車輪ＷＬの運動エネルギーを電力に変換して回生運転する。

ゲート駆動回路１００は、例えば、直流ラインＬＩＮＫ（Ｈ）、ＬＩＮＫ（Ｌ）間の電圧、交流ラインに流れる電流、交流電動機Ｍのロータの回転角度などの磁極位置情報、および、トルク指令を受け取り、交流電動機Ｍがそのトルクを出力するように、昇圧器とインバータとのＰＷＭ変調率指令を演算する。一般的な方法として、ゲート駆動回路１００は、あらかじめ、所望のトルクを実現するための電流指令値を記憶させておき、その電流指令値と電流情報との差分からＰＩ（比例・積分）制御を使い、３相電圧指令を演算する。ゲート駆動回路１００は、演算した３相電圧指令と直流電圧値とを用いて、ＰＷＭ変調率指令を演算する。ここで演算するＰＷＭ変調率指令はデューティ比［％］である。ゲート駆動回路１００は、ＰＷＭ変調率指令に対応したゲート駆動信号（ＰＷＭ信号）を用いて、昇圧器ＢＳＴおよびインバータＩＮＶのスイッチを駆動する。

図２は、実施形態の電力変換装置のゲート駆動回路の構成例を説明するための図である。
図２では、Ｕ相のスイッチＳｕ、Ｓｘのゲートを駆動する構成のみを例示しているが、昇圧器のスイッチＳａ、Ｓｂおよび他相のスイッチＳｖ、Ｓｙ、Ｓｗ、Ｓｚを駆動する構成も同様である。
ゲート駆動回路１００は、ＰＷＭ駆動回路１１０と、保護回路１２０と、を有している。

ＰＷＭ駆動回路１１０は、Ｕ相の保護回路１２０へ、コレクタ端子（第１端子）と高電位側の直流ラインＬＩＮＫ（Ｈ）とが電気的に接続しエミッタ端子（第２端子）と交流ラインとが電気的に接続し、ゲート端子（駆動端子）に印加されるゲート駆動信号により駆動するスイッチＳｕ（第１スイッチ）を駆動するためのゲート駆動信号ＰＷＭＨＩＮを出力する出力端子ＵＨと、コレクタ端子（第１端子）と交流ラインとが電気的に接続し、エミッタ端子（第２端子）と低電位側の直流ラインＬＩＮＫ（Ｌ）とが電気的に接続し、ゲート端子（駆動端子）に印加されるゲート駆動信号により駆動するスイッチＳｘ（第２スイッチ）を駆動するためのゲート駆動信号ＰＷＭＬＩＮを出力する出力端子ＵＬとを有する。

ＰＷＭ駆動回路１１０は、他の相についても同様に、コレクタ端子（第１端子）と高電位側の直流ラインＬＩＮＫ（Ｈ）とが電気的に接続しエミッタ端子（第２端子）と交流ラインとが電気的に接続し、ゲート端子（駆動端子）に印加されるゲート駆動信号により駆動するスイッチＳｖ、Ｓｗ、Ｓａ（第１スイッチ）を駆動するためのゲート駆動信号を各相の保護回路１２０へ出力する出力端子ＶＨ、ＷＨ、ＢＨと、コレクタ端子（第１端子）と交流ラインとが電気的に接続し、エミッタ端子（第２端子）と低電位側の直流ラインＬＩＮＫ（Ｌ）とが電気的に接続し、ゲート端子（駆動端子）に印加されるゲート駆動信号により駆動するスイッチＳｙ、Ｓｚ、Ｓｂ（第２スイッチ）を駆動するためのゲート駆動信号を各相の保護回路１２０へ出力する出力端子ＶＬ、ＷＬ、ＢＬとを備える。

以下、Ｕ相の保護回路１２０の構成および動作について説明する。Ｖ相、Ｗ相、および、昇圧器ＢＳＴの保護回路１２０についても以下の構成および動作と同様である。
保護回路１２０は、スイッチＳｘのエミッタ端子に流れる電流を検出し、スイッチＳｕを駆動するためのゲート駆動信号がハイ（Ｈ）レベル（第１レベル）であって、スイッチＳｘを駆動するためのゲート駆動信号がロー（Ｌ）レベル（第２レベル）であって、かつ、後述する電流検出回路ＩＬにおいてスイッチＳｘのエミッタ端子に流れる電流が検出されていないときに、スイッチＳｕのゲート端子（駆動端子）にハイレベルの信号を印加する。

保護回路１２０は、スイッチＳｕのエミッタ端子に流れる電流を検出し、スイッチＳｘを駆動するためのゲート駆動信号がハイレベルであって、スイッチＳｕを駆動するためのゲート駆動信号がローレベルであって、かつ、後述する電流検出回路ＩＨにおいてスイッチＳｕのエミッタ端子に流れる電流が検出されていないときに、スイッチＳｘのゲート端子にハイレベルの信号を印加する。
保護回路１２０は、レベル判定回路ＸＯＲと、論理積回路Ａ１〜Ａ４と、電流検出回路ＩＨ、ＩＬと、フォトカプラＰＨ１、ＰＨ２と、否定回路Ｎ１、Ｎ２とを有している。

レベル判定回路ＸＯＲは、ＰＷＭ駆動回路ＵＨ、ＵＬから出力するスイッチＳｕを駆動するためのゲート駆動信号とスイッチＳｘを駆動するためのゲート駆動信号とのが互いに異なるレベルであるときにハイレベルの信号を出力する。

電流検出回路ＩＨ、ＩＬは、スイッチＳｕのエミッタ端子およびスイッチＳｘのエミッタ端子に流れる電流を電圧に変換して出力する。

フォトカプラＰＨ１、ＰＨ２は絶縁回路である。フォトカプラＰＨ１は電流検出回路ＩＨの出力を異なる接地電位に基づく値に変換して出力し、フォトカプラＰＨ２は、電流検出回路ＩＬの出力を異なる接地電位に基づく値に変換して出力する。なお、絶縁回路はフォトカプラに限定されるものではなく、例えば、デジタルアイソレータであってもよい。

否定回路Ｎ１、Ｎ２は、スイッチＳｕおよびスイッチＳｘのそれぞれについて絶縁回路の出力信号を反転して出力する否定回路である。

論理積回路Ａ１、Ａ２（第１論理積回路）は、スイッチＳｕおよびスイッチＳｘのそれぞれについて否定回路Ｎ１、Ｎ２の出力信号とレベル判定回路ＸＯＲの出力信号との論理積演算をする。

論理積回路Ａ３、Ａ４（第２論理積回路）は、スイッチＳｕについての論理積回路Ａ１の出力信号ＶＬＯ２とスイッチＳｕを駆動するためのゲート駆動信号との論理積演算をして得た信号をスイッチＳｘのゲート端子に印加し、スイッチＳｕについての論理積回路Ａ２の出力信号ＶＨＯ２とスイッチＳｕを駆動するためのゲート駆動信号との論理積演算をして得た信号をスイッチＳｕのゲート端子に印加する。

図３は、実施形態のゲート駆動回路の動作例を説明するための図である。
ＰＷＭ駆動回路ＵＨは、Ｕ相の高電位側のスイッチＳｕのゲートを駆動するゲート駆動信号ＰＷＭＨＩＮを出力する。ＰＷＭ駆動回路ＵＬは、Ｕ相の低電位側のスイッチＳｘのゲートを駆動するゲート駆動信号ＰＷＭＬＩＮを出力する。ＰＷＭ駆動回路１１０は、演算されたＰＷＭ変調指令に応じたゲート駆動信号を出力する。

レベル判定回路ＸＯＲは、排他的論理和回路を有している。排他的論理和回路には、ゲート駆動信号ＰＷＭＨＩＮ、ＰＷＭＬＩＮが入力される。排他的論理和回路は、ゲート駆動信号ＰＷＭＨＩＮ、ＰＷＭＬＩＮの値が互いに異なる場合にハイレベルの信号ＰＷＭＨＬを出力し、ゲート駆動信号ＰＷＭＨＩＮ、ＰＷＭＬＩＮの値が同じ場合にローレベルの信号ＰＷＭＨＬを出力する。

電流検出回路ＩＨは、スイッチＳｕのエミッタ端子に流れる電流を検出する。すなわち、電流検出回路ＩＨは、スイッチＳｕを介して高電位側の直流ラインＬＩＮＫ（Ｈ）と交流ラインとの間に流れる電流を電圧に変換して出力する。電流検出回路ＩＨは、シャント抵抗ＲＨと、シャント抵抗ＲＨの両端の電位差ＶＨＩを出力する比較器ＣＯＭ１と、を有している。シャント抵抗ＲＨは、スイッチＳｕのエミッタ端子と交流ラインとの間に直列に挿入されている。比較器ＣＯＭ１は、シャント抵抗ＲＨの両端の電位差ＶＨＩを、接地電位を基準とした値として出力する。なお、電流検出回路ＩＨの接地電位は交流ラインの接地電位と同じである。

フォトカプラＰＨ１は、電流検出回路ＩＨとゲート駆動回路１００の他の回路とを絶縁している。すなわち、フォトカプラＰＨ１は、電流検出回路ＩＨの比較器ＣＯＭ１から出力された電位差を、異なる接地電位を基準とした信号ＩＣＨとして出力する。

なお、フォトカプラＰＨ１の出力信号ＩＣＨは、例えば、電流検出回路ＩＨの出力信号が所定の閾値以上のときにハイレベルとなり、所定の閾値未満のときにローレベルとなる。すなわち、フォトカプラＰＨ１は、スイッチＳｕを介して直流ラインＬＩＮＫ（Ｈ）と交流ラインとの間に流れる電流が所定値以上のときにハイレベルとなり、所定値未満であるときにローレベルとなる。フォトカプラＰＨ１の出力信号ＩＣＨが切り替わる閾値は、直流ラインＬＩＮＫ（Ｈ）と交流ラインとの間に流れる電流がゼロであるときに対応する電流検出回路ＩＨの出力信号の電圧値に限らず、直流ラインＬＩＮＫ（Ｈ）と交流ラインとの間に流れる電流値がスイッチＳｕをオフしているものと定義可能である範囲であればよく、スイッチＳｕの耐圧に応じて設定されてもよい。

否定回路Ｎ１は、フォトカプラＰＨ１から出力された信号ＩＣＨの値を反転して出力する。したがって、否定回路Ｎ１の出力信号ＶＨＯ１は、直流ラインＬＩＮＫ（Ｈ）から交流ラインへ電流が流れている（あるいは電流値が所定値以上である）ときにはローレベルとなり、直流ラインＬＩＮＫ（Ｈ）から交流ラインへ電流が流れていない（あるいは電流値が所定値未満である）ときにはハイレベルとなる。

論理積回路Ａ２には、レベル判定回路ＸＯＲの出力信号ＰＷＭＨＬと、否定回路Ｎ１の出力信号ＶＨＯ１とが入力される。論理積回路Ａ２は、レベル判定回路ＸＯＲの出力信号ＰＷＭＨＬの値と、否定回路Ｎ１の出力信号ＶＨＯ１の値との両方がハイレベルであるときのみ、ハイレベルの信号ＶＨＯ２を出力し、その他の場合にはローレベルの信号ＶＨＯ２を出力する。したがって、論理積回路Ａ２は、ゲート駆動信号ＰＷＭＨＩＮ、ＰＷＭＬＩＮの値が互いに異なる場合であって、かつ、直流ラインＬＩＮＫ（Ｈ）から交流ラインへ電流が流れていない（あるいは電流値が所定値未満である）ときにのみハイレベルの信号ＶＨＯ２を出力する。

論理積回路Ａ４には、ゲート駆動信号ＰＷＭＬＩＮと論理積回路Ａ２の出力信号ＶＨＯ２とが入力される。論理積回路Ａ４は、ゲート駆動信号ＰＷＭＬＩＮと論理積回路Ａ２の出力信号ＶＨＯ２との両方がハイレベルであるときのみ、ハイレベルの信号ＰＷＭＬを出力し、その他の場合にはローレベルのゲート駆動信号ＰＷＭＬを出力する。したがって、論理積回路Ａ４は、ゲート駆動信号ＰＷＭＨＩＮがローレベルでゲート駆動信号ＰＷＭＬＩＮがハイレベルであって、かつ、直流ラインＬＩＮＫ（Ｈ）から交流ラインへ電流が流れていない（あるいは電流値が所定値未満である）ときにのみハイレベルのゲート駆動信号ＰＷＭＬを出力する。

論理積回路Ａ４が出力するゲート駆動信号ＰＷＭＬはスイッチＳｘのゲート端子へ印加される。スイッチＳｘは、ゲートにハイレベルの信号が印加された時に導通する。したがって、スイッチＳｘは、ゲート駆動信号ＰＷＭＨＩＮがローレベルでゲート駆動信号ＰＷＭＬＩＮがハイレベルであって、かつ、直流ラインＬＩＮＫ（Ｈ）から交流ラインへ電流が流れていない（あるいは電流値が所定値未満）ときにのみ導通し、スイッチＳｕを介して直流ラインＬＩＮＫ（Ｈ）から交流ラインへ電流が流れている（あるいは電流値が所定値以上である）ときには導通しないこととなる。

電流検出回路ＩＬは、スイッチＳｘのエミッタ端子に流れる電流を検出する。すなわち、電流検出回路ＩＬは、スイッチＳｘを介して低電位側の直流ラインＬＩＮＫ（Ｌ）と交流ラインとの間に流れる電流を電圧に変換して出力する。電流検出回路ＩＬは、シャント抵抗ＲＬと、シャント抵抗ＲＬの両端の電位差ＶＬＩを出力する比較器ＣＯＭ２と、を有している。シャント抵抗ＲＬは、スイッチＳｘのコレクタ端子と交流ラインとの間に直列に挿入されている。なお、スイッチＳｘのコレクタ端子と交流ラインとの間に流れる電流はスイッチＳｘのエミッタ端子に流れる電流と略同一であるため、本実施形態では、スイッチＳｘのエミッタ端子に流れる電流を検出するためにシャント抵抗ＲＬをスイッチＳｘのコレクタ端子と交流ラインとの間に挿入している。比較器ＣＯＭ２は、シャント抵抗ＲＬの両端の電位差ＶＬＩを、接地電位を基準とした値として出力する。なお、電流検出回路ＩＬの接地電位は交流ラインの接地電位と同じである。

フォトカプラＰＨ２は、電流検出回路ＩＬとゲート駆動回路１００の他の回路とを絶縁している。すなわち、フォトカプラＰＨ２は、電流検出回路ＩＬの比較器ＣＯＭ２から出力された電位差を、異なる接地電位を基準とした信号ＩＣＬとして出力する。

なお、フォトカプラＰＨ２の出力信号ＩＣＬは、例えば、電流検出回路ＩＬの出力信号が所定の閾値以上のときにハイレベルとなり、所定の閾値未満のときにローレベルとなる。すなわち、フォトカプラＰＨ２は、スイッチＳｘを介して直流ラインＬＩＮＫ（Ｌ）と交流ラインとの間に流れる電流が所定値以上のときにハイレベルとなり、所定値未満であるときにローレベルとなる。フォトカプラＰＨ２の出力信号ＩＣＬのレベルが切り替わる閾値は、直流ラインＬＩＮＫ（Ｌ）と交流ラインとの間に流れる電流がゼロであるときに対応する電流検出回路ＩＬの出力信号の電圧値に限らず、直流ラインＬＩＮＫ（Ｌ）と交流ラインとの間に流れる電流値がスイッチＳｘをオフしているものと定義可能である範囲であればよく、スイッチＳｘの耐圧に応じて設定されてもよい。

否定回路Ｎ２は、フォトカプラＰＨ２から出力された信号ＩＣＬの値を反転して出力する。したがって、否定回路Ｎ２の出力信号ＶＬＯ１は、交流ラインから直流ラインＬＩＮＫ（Ｌ）へ電流が流れている（あるいは電流値が所定値以上である）ときにはローレベルとなり、交流ラインから直流ラインＬＩＮＫ（Ｌ）へ電流が流れていない（あるいは電流値が所定値未満である）ときにはハイレベルとなる。

論理積回路Ａ１には、レベル判定回路ＸＯＲの出力信号ＰＷＭＨＬと、否定回路Ｎ２の出力信号ＶＬＯ１とが入力される。論理積回路Ａ１は、レベル判定回路ＸＯＲの出力信号ＰＷＭＨＬの値と、否定回路Ｎ２の出力信号ＶＬＯ１の値との両方がハイレベルであるときのみ、ハイレベルの信号ＶＬＯ２を出力し、その他の場合にはローレベルの信号ＶＬＯ２を出力する。したがって、論理積回路Ａ１は、ゲート駆動信号ＰＷＭＨＩＮ、ＰＷＭＬＩＮの値が互いに異なる場合であって、かつ、交流ラインから直流ラインＬＩＮＫ（Ｌ）へ電流が流れていない（あるいは電流値が所定値未満である）ときにのみハイレベルの信号ＶＬＯ２を出力する。

論理積回路Ａ３には、ゲート駆動信号ＰＷＭＨＩＮと論理積回路Ａ１の出力信号ＶＬＯ２とが入力される。論理積回路Ａ３は、ゲート駆動信号ＰＷＭＨＩＮと論理積回路Ａ１の出力信号ＶＬＯ２との両方がハイレベルであるときのみ、ハイレベルのゲート駆動信号ＰＷＭＨを出力し、その他の場合にはローレベルのゲート駆動信号ＰＷＭＨを出力する。したがって、論理積回路Ａ３は、ゲート駆動信号ＰＷＭＨＩＮがハイレベルでゲート駆動信号ＰＷＭＬＩＮがローレベルであって、かつ、交流ラインから直流ラインＬＩＮＫ（Ｌ）へ電流が流れていない（あるいは電流値が所定値未満である）ときにのみハイレベルのゲート駆動信号ＰＷＭＨを出力する。

論理積回路Ａ３が出力するゲート駆動信号ＰＷＭＨは、スイッチＳｕのゲート端子へ印加される。スイッチＳｕは、ゲートにハイレベルの信号が印加された時に導通する。したがって、スイッチＳｕは、ゲート駆動信号ＰＷＭＨＩＮがハイレベルでゲート駆動信号ＰＷＭＬＩＮがローレベルであって、かつ、交流ラインから直流ラインＬＩＮＫ（Ｌ）へ電流が流れていない（あるいは電流値が所定値未満である）ときにのみ導通し、スイッチＳｘを介して交流ラインから直流ラインＬＩＮＫ（Ｌ）へ電流が流れている（あるいは電流値が所定値以上である）ときには導通しないこととなる。

また、ＰＷＭ駆動回路ＵＨ、ＵＬから出力したゲート駆動信号ＰＷＭＨＩＮ、ＰＷＭＬＩＮがともにハイレベル又はローレベルとなっているときは、レベル判定回路ＸＯＲの出力信号ＰＷＭＨＬがローレベルとなるため、論理積回路Ａ３の出力信号ＰＷＭＨおよび論理積回路Ａ４の出力信号ＰＷＭＬはローレベルとなり、スイッチＳｕ、Ｓｘはともにオフされる。

昇圧器ＢＳＴのスイッチＳａ、Ｓｂ、Ｖ相のスイッチＳｖ、Ｓｙ、および、Ｗ相のスイッチＳｗ、ＳｚもＵ相と同様に駆動制御される。
上記のように、本実施形態のゲート駆動回路および車両では、各相の一対のスイッチングの一方が導通している場合には、他方のスイッチングが導通することはない。したがって、直流ラインＬＩＮＫ（Ｈ）と直流ラインＬＩＮＫ（Ｌ）とが短絡することがなく、昇圧器ＢＳＴおよびインバータＩＮＶのスイッチが故障あるいは破壊されることを回避することができる。

また、本実施形態のゲート駆動回路および車両では、一対のスイッチの接続状態が切り替わる際に、両方のスイッチがオフされている期間を設ける必要がなくなるため、インバータの運転効率が低下することもない。

すなわち、本実施形態によれば、インバータの運転効率を低下させることなく信頼性を担保するゲート駆動回路および車両を提供することができる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

例えば、上記実施形態において、ハードウエアとして説明された構成はソフトウエアとして構成されてもよく、ハードウエアとソフトウエアとの組み合わせにより構成されてもよい。
また、上述の実施形態では、インバータＩＮＶの前段に昇圧器ＢＳＴを有する構成について説明したが、昇圧器は省略してもよい。その場合でも上述の実施形態と同様の効果を得ることができる。

ＩＮＶ…インバータ、ＢＳＴ…昇圧器、ＬＩＮＫ（Ｈ）、ＬＩＮＫ（Ｌ）…直流ライン、ＢＴ…直流電源（直流負荷）、Ｍ…交流電動機（交流負荷）、ＷＬ…車輪、１００…ゲート駆動回路、１１０…ＰＷＭ駆動回路、１２０…保護回路、Ａ１〜Ａ４…論理積回路、ＩＨ、ＩＬ…電流検出回路、ＲＨ、ＲＬ…シャント抵抗、ＣＯＭ１〜ＣＯＭ２…比較器、Ｎ１〜Ｎ２…否定回路、ＰＨ１〜ＰＨ２…フォトカプラ（絶縁回路）、Ｓｕ〜Ｓｚ、Ｓａ〜Ｓｂ…スイッチ

Claims (3)

1. 外部から入力されたトルク指令の値を実現するゲート駆動信号を出力するＰＷＭ駆動回路と、
   第１端子が高電位側の直流ラインと電気的に接続し第２端子が交流ラインと電気的に接続し、駆動端子に印加される前記ゲート駆動信号により駆動される第１スイッチと、
   第１端子が前記交流ラインと電気的に接続し第２端子が低電位側の直流ラインと電気的に接続し、駆動端子に印加される前記ゲート駆動信号により駆動される第２スイッチと、
   前記第１スイッチの第２端子および前記第２スイッチの第２端子に流れる電流を検出し、前記第１スイッチを駆動するための前記ゲート駆動信号が第１レベルであって、前記第２スイッチを駆動するための前記ゲート駆動信号が第２レベルであって、かつ、前記電流検出回路において前記第２スイッチの第２端子に流れる電流が所定値未満であるときに、前記第１スイッチの駆動端子に第１レベルの前記ゲート駆動信号を印加し、前記第２スイッチを駆動するための前記ゲート駆動信号が第１レベルであって、前記第１スイッチを駆動するための前記ゲート駆動信号が第２レベルであって、かつ、前記電流検出回路において前記第１スイッチの第２端子に流れる電流が所定値未満であるときに、前記第２スイッチの駆動端子に第１レベルの前記ゲート駆動信号を印加する保護回路と、
   を備えたことを特徴とする電力変換装置。
2. 前記保護回路は、
   前記ＰＷＭ駆動回路から出力する前記第１スイッチを駆動するための前記ゲート駆動信号と前記第２スイッチを駆動するための前記ゲート駆動信号とのが互いに異なるレベルであるときに第１レベルの信号を出力するレベル判定回路と、
   前記第１スイッチの第２端子および前記第２スイッチの第２端子に流れる電流を電圧に変換して出力する電流検出回路と、
   前記電流検出回路の出力を異なる接地電位に基づく値に変換して出力する絶縁回路と、
   前記第１スイッチおよび前記第２スイッチのそれぞれについて前記絶縁回路の出力信号を反転して出力する否定回路と、
   前記第１スイッチおよび前記第２スイッチのそれぞれについて前記否定回路の出力信号と前記レベル判定回路の出力信号との論理積演算をする第１論理積回路と、
   前記第１スイッチについての前記第１論理積回路の出力信号と前記第２スイッチを駆動するための前記ゲート駆動信号との論理積演算をして得た信号を前記第２スイッチの駆動端子に印加し、前記第２スイッチについての前記第１論理積回路の出力信号と前記第１スイッチを駆動するための前記ゲート駆動信号との論理積演算をして得た信号を前記第１スイッチの駆動端子に印加する第２論理積回路と、
   を備えたことを特徴とする請求項１記載の電力変換装置。
3. 前記直流ラインに接続した直流電源と、
   請求項１又は請求項２記載の電力変換装置と、
   前記交流ラインに接続した交流電動機と、
   前記交流電動機の動力を車輪に伝達する車軸と、
   を備えたことを特徴とする車両。

Images