JP2016158381A - 電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、電力変換装置に係り、バイパス経路により昇圧コンバータの下アームスイッチング素子のショート故障時の電池からインバータへの電力供給を確保しつつ、低コストで基準電位線とバイパス経路との切替点の存在に起因するサージ電圧の上昇を低く抑えることにある。
【解決手段】電力変換装置は、電池の負側端子を第１のコンデンサ、昇圧コンバータ、第２のコンデンサ、インバータ、及び負荷の順に接続させる基準電位線と、昇圧コンバータの下アームスイッチング素子のショート故障時に、基準電位線上における、負側端子と第１のコンデンサとの間の第１位置及び昇圧コンバータと第２のコンデンサとの間の第２位置のうち少なくとも何れか一方を含む位置の切断により経路形成され、負側端子を昇圧コンバータの下アームスイッチング素子をバイパスしてインバータに接続させるバイパス経路と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、電力変換装置に係り、特に、電池から昇圧コンバータを介してインバータへ電力供給を行うことが可能な電力変換装置に関する。

従来、故障に対するフェールセーフ機能が付与された電源装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。この特許文献１記載の電源装置は、電池と負荷との間のメインパワーライン上に介在するスイッチと、そのスイッチをバイパスするバイパス経路と、を備えている。スイッチは、メインパワーライン上における電池と負荷との通電及び遮断を切り替えるものである。また、バイパス経路は、上記のスイッチが故障した場合にそのスイッチをバイパスして電池と負荷とを接続させるパワーラインである。かかる電源装置によれば、上記のスイッチが故障した場合でも、バイパス経路が電池と負荷とを接続させるので、電池から負荷への電力供給を確保することができる。

特開２０１２−１３０１０８号公報

ところで、電池から負荷へ電力供給を行うシステムとしては、上アームのスイッチング素子と下アームのスイッチング素子とが直列接続された昇圧コンバータを用いたものがある。かかるシステムにおいては、昇圧コンバータの下アーム素子のスイッチング素子がショート故障を起こした場合に電池から負荷やインバータへの電力供給を確保すべく、電池と負荷やインバータとを接続させるバイパス経路を設けることが考えられる。この場合、電池と負荷やインバータとの間のパワーラインをメインパワーラインとバイパス経路との間で切り替える切替点を設けることが必要である。

しかしながら、上記の切替点を設けると、パワーラインでのインダクタンスの増加が必然的に発生する。このため、その切替点が設けられる箇所によっては、サージ電圧が昇圧コンバータやインバータの耐電圧を超えて高くなるおそれがあり、また、そのサージ電圧の上昇を抑えるためのコストが高くなるおそれがある。

本発明は、上述の点に鑑みてなされたものであり、バイパス経路により昇圧コンバータのショート故障時の電池からインバータへの電力供給を確保しつつ、低コストでメインパワーラインとバイパス経路との切替点の存在に起因するサージ電圧の上昇を低く抑えることが可能な電力変換装置を提供することを目的とする。

本発明の一態様は、電池と、前記電池に並列に接続される第１のコンデンサと、前記電池及び前記第１のコンデンサに接続される昇圧コンバータと、前記昇圧コンバータに並列に接続される第２のコンデンサと、前記昇圧コンバータ及び前記第２のコンデンサに並列に接続されるインバータと、前記インバータに接続される負荷と、前記電池の負側端子を前記第１のコンデンサ、前記昇圧コンバータ、前記第２のコンデンサ、前記インバータ、及び前記負荷の順に接続させる基準電位線と、前記昇圧コンバータを構成する下アームスイッチング素子がショート故障した場合に、前記基準電位線上における、前記負側端子と前記第１のコンデンサとの間の第１位置及び前記昇圧コンバータと前記第２のコンデンサとの間の第２位置のうち少なくとも何れか一方を含む位置の切断により経路形成され、前記負側端子を前記昇圧コンバータの前記下アームスイッチング素子をバイパスして前記インバータに接続させるバイパス経路と、を備える電力変換装置である。

本発明によれば、バイパス経路により昇圧コンバータの下アームスイッチング素子のショート故障時の電池からインバータへの電力供給を確保しつつ、低コストで基準電位線とバイパス経路との切替点の存在に起因するサージ電圧の上昇を低く抑えることができる。

本発明の一実施例である電力変換装置の構成図である。 本実施例の電力変換装置において実行される制御ルーチンの一例のフローチャートである。 本発明の変形例である電力変換装置の要部構成図である。

以下、図面を用いて、本発明に係る電力変換装置の具体的な実施の形態について説明する。

図１は、本発明の一実施例である電力変換装置１０の構成図を示す。

本実施例の電力変換装置１０は、例えば、電気自動車やハイブリッド車両に搭載されるシステムであって、車載電池の出力電力を昇圧変換した高圧の電力を走行駆動用のモータに供給してそのモータを駆動するものである。尚、電力変換装置１０は、更に、モータの発生した電力を降圧変換した低圧の電力を車載電池に供給してその車載電池を充電するものであってもよい。

電力変換装置１０は、電池１２と、昇圧コンバータ１４と、インバータ１６と、モータ１８と、を備えている。電池１２は、充放電可能なリチウムイオン電池やニッケル水素電池などであって、例えば２４０ボルトの直流電圧を出力することが可能な高圧バッテリである。電池１２の正側端子には、基準電位線としての正側パワーライン２０が接続されている。また、電池１２の負側端子には、基準電位線としての負側パワーライン２２が接続されている。

正側パワーライン２０上には、リレースイッチ２４が設けられている。また、負側パワーライン２２上には、リレースイッチ２６が設けられている。リレースイッチ２４，２６は、正側パワーライン２０及び負側パワーライン２２の、電池１２と昇圧コンバータ１４との間を電気的に導通／遮断する機能を有し、コントローラからの指令に従ってオン／オフされる。

正側パワーライン２０と負側パワーライン２２との間には、コンデンサ２８が接続されている。すなわち、電池１２には、コンデンサ２８が並列に接続されている。コンデンサ２８は、パワーライン２０，２２における、リレースイッチ２４，２６に対する昇圧コンバータ１４側に接続されている。コンデンサ２８は、電池１２の出力電圧を平滑化する回路であって、電池１２から昇圧コンバータ１４に印加する電圧を安定化させるコンデンサである。

尚、正側パワーライン２０と負側パワーライン２２との間には、ＤＣ−ＤＣコンバータ３０やエアコン装置３２などの負荷が接続されることとしてもよい。この場合、ＤＣ−ＤＣコンバータ３０及びエアコン装置３２はそれぞれ、一端が正側パワーライン２０におけるリレースイッチ２４とコンデンサ２８の接続点との間に接続され、かつ、他端が負側パワーライン２２におけるリレースイッチ２６とコンデンサ２８の接続点との間に接続されるように構成される。

ＤＣ−ＤＣコンバータ３０は、各種電気機器に所定電圧（例えば１２ボルトなど）で電力を供給する補機バッテリ３４などの負荷に接続される。ＤＣ−ＤＣコンバータ３０は、コイルやスイッチング素子などにより構成される。ＤＣ−ＤＣコンバータ３０は、電池１２の出力電圧を降圧して補機バッテリ３４に電力供給することが可能であって、コントローラからの指令に従って動作する。また、エアコン装置３２は、電池１２から電力供給されることにより動作することが可能である。

電池１２及びコンデンサ２８には、パワーライン２０，２２を介して昇圧コンバータ１４が接続されている。昇圧コンバータ１４は、電池１２及びコンデンサ２８からパワーライン２０，２２を介して供給される直流電圧を所定の直流電圧（例えば、６５０ボルト）まで昇圧する回路である。昇圧コンバータ１４は、コイル４０と、上アーム素子４２と、下アーム素子４４と、を有している。

コイル４０は、正側パワーライン２０上に設けられている。コイル４０は、一端が電池１２の正側端子（具体的には、コンデンサ２８の一端及びリレースイッチ２４）に接続されかつ他端が上アーム素子４２及び下アーム素子４４同士の共通接続点に接続されるように構成されている。コイル４０は、電池１２側とインバータ１６側との間で電圧変換を行う際に電力を蓄積すると共にその蓄積した電力を放出する機能を有する。

上アーム素子４２及び下アーム素子４４は、高圧側パワーライン４８と負側パワーライン２２との間で直列接続された一対の素子である。上アーム素子４２及び下アーム素子４４はそれぞれ、パワー半導体素子からなる。上アーム素子４２及び下アーム素子４４同士の共通接続点は、上記の正側パワーライン２０（具体的には、コイル４０の他端）に接続されている。

上アーム素子４２は、絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）５０と、ダイオード５２と、を有している。ＩＧＢＴ５０は、コレクタが高圧側パワーライン４８に接続されかつエミッタが上記した上アーム素子４２及び下アーム素子４４同士の共通接続点すなわちコイル４０の他端に接続されるように構成されている。ＩＧＢＴ５０は、後述のコントローラからの指令に従ってオン／オフされてスイッチング動作するスイッチング素子である。ダイオード５２は、ＩＧＢＴ５０のコレクタ−エミッタ間に逆並列接続されている。ダイオード５２は、ＩＧＢＴ５０のエミッタからコレクタへの電流の流れのみを許容するダイオードである。

また、下アーム素子４４は、ＩＧＢＴ５４と、ダイオード５６と、を有している。ＩＧＢＴ５４は、コレクタが上記した上アーム素子４２及び下アーム素子４４同士の共通接続点すなわちコイル４０の他端に接続されかつエミッタが負側パワーライン２２に接続されるように構成されている。ＩＧＢＴ５４は、後述のコントローラからの指令に従ってオン／オフされてスイッチング動作するスイッチング素子である。ダイオード５６は、ＩＧＢＴ５４のコレクタ−エミッタ間に逆並列接続されている。ダイオード５６は、ＩＧＢＴ５４のエミッタからコレクタへの電流の流れのみを許容するダイオードである。

また、高圧側パワーライン４８と負側パワーライン２２との間には、コンデンサ５８が接続されている。すなわち、コンデンサ５８は、昇圧コンバータ１４に並列に接続されている。コンデンサ５８は、高圧側パワーライン４８と負側パワーライン２２との間の電圧すなわち昇圧コンバータ１４の出力電圧を平滑化する回路であって、昇圧コンバータ１４からインバータ１６に印加する電圧を安定化させるコンデンサである。

高圧側パワーライン４８と負側パワーライン２２との間には、インバータ１６が接続されている。インバータ１６は、昇圧コンバータ１４及びコンデンサ５８に並列に接続されている。インバータ１６は、昇圧コンバータ１４から供給される高圧側パワーライン４８と負側パワーライン２２との間の高圧の直流電圧を交流電圧に変換する回路である。

インバータ１６には、モータ１８が接続されている。モータ１８は、インバータ１６から供給される交流電力により動力（例えば、駆動輪を回転させる動力）を発生する三相交流モータである。尚、モータ１８は、例えば駆動輪側からの回転駆動により発電可能なモータジェネレータであってもよい。インバータ１６は、変換して得た交流電圧をモータ１８に印加することでモータ１８を駆動させる。

インバータ１６は、上アーム素子６０と、下アーム素子６２と、を有している。上アーム素子６０及び下アーム素子６２は、高圧側パワーライン４８と負側パワーライン２２との間で直列接続された一対の素子である。上アーム素子６０及び下アーム素子６２はそれぞれ、モータ１８の各相（Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相）ごとに対応して設けられている。各相の上アーム素子６０及び下アーム素子６２はそれぞれ、パワー半導体素子からなる。

各相の上アーム素子６０は、ＩＧＢＴ６４と、ダイオード６６と、を有している。ＩＧＢＴ６４は、コレクタが高圧側パワーライン４８に接続されかつエミッタが当該相の上アーム素子６０及び下アーム素子６２同士の共通接続点に接続されるように構成されている。ＩＧＢＴ６４は、後述のコントローラからの指令に従ってオン／オフされてスイッチング動作するスイッチング素子である。ダイオード６６は、ＩＧＢＴ６４のコレクタ−エミッタ間に逆並列接続されている。ダイオード６６は、ＩＧＢＴ６４のエミッタからコレクタへの電流の流れのみを許容するダイオードである。

また、各相の下アーム素子６２は、ＩＧＢＴ６８と、ダイオード７０と、を有している。ＩＧＢＴ６８は、コレクタが当該相の上アーム素子６０及び下アーム素子６２同士の共通接続点（具体的には、上アーム素子６０のＩＧＢＴ６４のエミッタ）に接続されかつエミッタが負側パワーライン２２に接続されるように構成されている。ＩＧＢＴ６８は、後述のコントローラからの指令に従ってオン／オフされてスイッチング動作するスイッチング素子である。ダイオード７０は、ＩＧＢＴ６８のコレクタ−エミッタ間に逆並列接続されている。ダイオード７０は、ＩＧＢＴ６８のエミッタからコレクタへの電流の流れのみを許容するダイオードである。

以下適宜、Ｕ相、Ｖ相、及びＷ相の上アーム素子６０、下アーム素子６２、ＩＧＢＴ６４，６８、及びダイオード６６，７０に添え字Ｕ，Ｖ，Ｗを付し、上アーム素子６０Ｕ，６０Ｖ，６０Ｗ、下アーム素子６２Ｕ，６２Ｖ，６２Ｗ、ＩＧＢＴ６４Ｕ，６４Ｖ，６４Ｗ，６８Ｕ，６８Ｖ，６８Ｗ、及びダイオード６６Ｕ，６６Ｖ，６６Ｗ，７０Ｕ，７０Ｖ，７０Ｗとする。

上記した負側パワーライン２２は、電池１２の負側端子を、リレースイッチ２６、コンデンサ２８、昇圧コンバータ１４（具体的には、下アーム素子４４のＩＧＢＴ５４のエミッタ）、コンデンサ５８、インバータ１６（具体的には、下アーム素子６２のＩＧＢＴ６８のエミッタ）、及びモータ１８の順に接続させるように配策されている。尚、負側パワーライン２２は、電池１２の負側端子を、リレースイッチ２６とコンデンサ２８との間においてＤＣ−ＤＣコンバータ３０及びエアコン装置３２の順或いはその逆の順に接続させるように配策されることとしてもよい。

電力変換装置１０は、また、バイパス経路７２を備えている。バイパス経路７２は、負側パワーライン２２に対して昇圧コンバータ１４の下アーム素子４４をバイパスする通路である。バイパス経路７２は、銅などにより形成された剛性バスバーや電力線などにより構成される。尚、バイパス経路７２は、寄生インダクタンスの低減やインダクタンスのばらつき低減の観点から、剛性バスバーによる平行平板配線であることが望ましい。

バイパス経路７２は、その一端が負側パワーライン２２におけるコンデンサ２８に対する一次側である電池１２側（具体的には、リレースイッチ２６（更には、ＤＣ−ＤＣコンバータ３０又はエアコン装置３２でもよい。）とコンデンサ２８との間）の接続点αに接続され得る通路である。また、バイパス経路７２は、その他端が負側パワーライン２２における昇圧コンバータ１４に対する二次側であるインバータ１６側かつコンデンサ５８に対する一次側である昇圧コンバータ１４側（具体的には、昇圧コンバータ１４とコンデンサ５８との間）の接続点βに接続され得る通路である。

電力変換装置１０は、また、２つの切替スイッチ７４，７６を備えている。切替スイッチ７４は、一端が上記の接続点αに接続されるスイッチであって、負側パワーライン２２におけるコンデンサ２８に対する一次側である電池１２側（具体的には、リレースイッチ２６（更には、ＤＣ−ＤＣコンバータ３０又はエアコン装置３２でもよい。）とコンデンサ２８との間）に設けられている。また、切替スイッチ７６は、一端が上記の接続点βに接続されるスイッチであって、負側パワーライン２２における昇圧コンバータ１４に対する二次側であるインバータ１６側かつコンデンサ５８に対する一次側である昇圧コンバータ１４側（具体的には、昇圧コンバータ１４とコンデンサ５８との間）に設けられている。

切替スイッチ７４，７６は共に、電池１２の負側端子をインバータ１６に接続させる接続経路を、昇圧コンバータ１４を介したメインの負側パワーライン２２と、昇圧コンバータ１４をバイパスするバイパス経路７２と、で切り替えるスイッチである。尚、切替スイッチ７４，７６は、リレーの接点切替によるものであっても、機械式の接点切替によるものであってもよい。また、リレーは機械式リレーでも半導体式リレーでもよいが、サージ抑制のためのインダクタンス低減のためには、半導体式リレーによる接点切替が有効である。

切替スイッチ７４，７６はそれぞれ、コントローラからの指令に従ってオン／オフされ、具体的には、上記の接続経路を負側パワーライン２２とすべき場合はオフされ、上記の接続経路をバイパス経路７２とすべき場合にオンされる。切替スイッチ７４と切替スイッチ７６とは、互いに同期してオン／オフされる。

電力変換装置１０は、更に、コントローラ８０を備えている。コントローラ８０は、リレースイッチ２４、昇圧コンバータ１４のＩＧＢＴ５０，５４、インバータ１６のＩＧＢＴ６４Ｕ，６４Ｖ，６４Ｗ，６８Ｕ，６８Ｖ，６８Ｗ、及び切替スイッチ７４，７６に接続されている。コントローラ８０は、リレースイッチ２４、昇圧コンバータ１４のＩＧＢＴ５０，５４、インバータ１６のＩＧＢＴ６４Ｕ，６４Ｖ，６４Ｗ，６８Ｕ，６８Ｖ，６８Ｗ、及び切替スイッチ７４，７６それぞれのオン／オフを制御する。

コントローラ８０は、電池１２の出力電力を変換してモータ１８へ供給するうえでのシャットダウン事由（例えば、高温など）が無いか否かを判別し、そのシャットダウン事由が無いと判別した場合は、リレースイッチ２４，２６をオンする。この場合、コントローラ８０は、昇圧コンバータ１４のＩＧＢＴ５０，５４をＰＷＭ駆動するようにそのゲートにゲート信号を出力すると共に、インバータ１６の各相のＩＧＢＴ６４Ｕ，６４Ｖ，６４Ｗ，６８Ｕ，６８Ｖ，６８ＷをＰＷＭ駆動するようにそのゲートにゲート信号を出力する。

また、コントローラ８０は、各種の状態（電圧や電流など）に基づいて各種の故障を検出することが可能である。特に、コントローラ８０は、昇圧コンバータ１４の下アーム素子４４のＩＧＢＴ５４のショート故障（すなわち、コレクタ−エミッタ間の短絡故障）を検出することが可能である。尚、このＩＧＢＴ５４のショート故障の検出は、ＩＧＢＴ５４のコレクタ側の電圧とエミッタ側の電圧との比較結果に基づいて行われるものとすればよい。コントローラ８０は、ＩＧＢＴ５４のショート故障の有無に基づいて、切替スイッチ７４，７６のオン／オフを制御する。

以下、本実施例の電力変換装置１０の動作について説明する。

電力変換装置１０において、例えば車両のイグニションオンなどによってモータ１８の駆動要求がなされている場合、コントローラ８０は、電池１２の出力電力を昇圧コンバータ１４で昇圧させ、かつ、その昇圧した直流電力をインバータ１６で交流電力に変換させてモータ１８へ供給させる。尚、この処理は、例えば車両のイグニションオフなどによってモータ１８の駆動要求が停止した場合に停止されることとすればよい。

具体的には、電池１２からコイル４０に電圧が印加されると、電池１２の正側端子→正側パワーライン２０→コイル４０→昇圧コンバータ１４の上アーム素子４２のダイオード５２→高圧側パワーライン４８→コンデンサ５８及びインバータ１６→負側パワーライン２２→電池１２の負側端子の順に電流が流通する。この場合は、コンデンサ５８が充電されると共に、コイル４０が充電される。

かかる状態から昇圧コンバータ１４の下アーム素子４４のＩＧＢＴ５４がオンされると、電池１２の正側端子→正側パワーライン２０→コイル４０→下アーム素子４４のＩＧＢＴ５４→負側パワーライン２２→電池１２の負側端子の順に電流が流通する。この場合は、かかる経路で流通する電流の量が時間の経過に伴って直線的に増加して、その電流量の増加に伴ってコイル４０が更に充電される。尚、この場合は、コンデンサ５８が放電されるので、インバータ１６への電力供給が維持される。

次に、下アーム素子４４のＩＧＢＴ５４がオフされると、電池１２の正側端子→正側パワーライン２０→コイル４０→昇圧コンバータ１４の上アーム素子４２のダイオード５２→高圧側パワーライン４８→インバータ１６（コンデンサ５８）→モータ１８→負側パワーライン２２→電池１２の負側端子の順に電流が流通する。この場合は、かかる経路で流通する電流の量が時間の経過に伴って直線的に減少して、その電流量の減少に伴ってコイル４０が放電される。

かかる処理が行われると、昇圧コンバータ１４の出力電圧が電池１２の出力電圧よりも高くなって昇圧され、その昇圧電圧までコンデンサ５８が充電されると共に、その昇圧電圧でのインバータ１６への電力供給が維持される。以後、下アーム素子４４のＩＧＢＴ５４のオン／オフが繰り返されることで、昇圧コンバータ１４から電池１２の出力電圧よりも高い電圧がインバータ１６に印加されつつ直流電力がそのインバータ１６に供給される状態が継続される。

また、インバータ１６は、三相の上下アーム素子６０，６２が位相を１２０°ずつずらしながら上アーム素子６０Ｕ，６０Ｖ，６０ＷのＩＧＢＴ６４Ｕ，６４Ｖ，６４Ｗと下アーム素子６２Ｕ，６２Ｖ，６２ＷのＩＧＢＴ６８Ｕ，６８Ｖ，６８Ｗとが交互にオン／オフされることにより、昇圧コンバータ１４側から入力される直流電圧を交流電圧に変換してモータ１８へ出力する。

かかる処理が行われると、昇圧コンバータ１４からモータ１８に高圧の電圧が印加されつつそのモータ１８に電池１２からの電力が供給されることで、そのモータ１８が駆動される。従って、本実施例によれば、電池１２からの電力でモータ１８を駆動させることができ、これにより、モータ１８が搭載される車両の駆動を確保することができる。

図２は、本実施例の電力変換装置１０において実行される制御ルーチンの一例のフローチャートを示す。図２に示すルーチンは、コントローラ８０においてモータ１８の駆動時に所定時間ごとに実行される。

電力変換装置１０において、コントローラ８０は、各種の状態に基づいて故障を検出する。特に、コントローラ８０は、昇圧コンバータ１４の下アーム素子４４のＩＧＢＴ５４がショート故障しているか否かを判別する（ステップ１００）。

そして、コントローラ８０は、上記ステップ１００でＩＧＢＴ５４がショート故障していないと判別した場合は、切替スイッチ７４，７６の双方をオフさせることにより、電池１２の負側端子を負側パワーライン２２を介してコンデンサ２８及び昇圧コンバータ１４に接続させる（ステップ１１０）。この場合は、電池１２の負側端子が負側パワーライン２２を介してコンデンサ２８及び昇圧コンバータ１４に接続されるので、その電池１２の負側端子がコンデンサ２８、昇圧コンバータ１４、及びコンデンサ５８を経由してインバータ１６に接続される。

かかる処理が行われると、電池１２の出力電圧が昇圧コンバータ１４により高い電圧へ昇圧されてその昇圧コンバータ１４からインバータ１６及びモータ１８へ高圧の電圧が印加されつつ、インバータ１６及びモータ１８に電池１２からの電力が供給される。このため、上記の処理によれば、モータ１８の駆動を高電圧下で行うことができ、これにより、車両を通常どおり走行駆動させることができる。

一方、コントローラ８０は、上記ステップ１００でＩＧＢＴ５４がショート故障していると判別した場合は、切替スイッチ７４，７６の双方をオンさせることにより、電池１２の負側端子をバイパス経路７２に接続させる（ステップ１２０）。この場合は、負側パワーライン２２の、リレースイッチ２６とコンデンサ２８との間の位置（接続点α）が切断（開放）されかつ昇圧コンバータ１４とコンデンサ５８との間の位置（接続点β）が切断（開放）される一方、電池１２の負側端子が昇圧コンバータ１４の下アーム素子４４をバイパスしてインバータ１６に接続されるバイパス経路７２が形成される。

かかる処理が行われると、ＩＧＢＴ５４がショート故障を起こした昇圧コンバータ１４の下アーム素子４４（具体的には、ＩＧＢＴ５４のエミッタ及びダイオード５６のアノード）が、電池１２の負側端子に接続する負側パワーライン２２から切り離される。この場合、ＩＧＢＴ５４のショート故障時に、昇圧コンバータ１４の上アーム素子４２と下アーム素子４４との共通接続点の電位が負側パワーライン２２の電位（すなわち、電池１２の負側端子の電位）と常に一致するのは回避される。このため、ＩＧＢＴ５４のショート故障時、電池１２の正側端子から出力された電流が正側パワーライン２０を流れた後に常に昇圧コンバータ１４の下アーム素子４４を介して負側パワーライン２２へ流れて電池１２の負側端子に戻るのを回避することができる。

また、上記の処理が行われると、電池１２の負側端子とインバータ１６との接続がバイパス経路７２を介して維持される。このため、上記の如く昇圧コンバータ１４の下アーム素子４４が、電池１２の負側端子に接続する負側パワーライン２２から切り離されたときにも、バイパス経路７２を用いてインバータ１６側から電池１２の負側端子へ戻る電流経路を確保することができる。

上記の如く下アーム素子４４が、電池１２の負側端子に接続する負側パワーライン２２から切り離された場合、電池１２の正側端子から出力された電流は、正側パワーライン２０→コイル４０→上アーム素子４２のダイオード５２→高圧側パワーライン４８→インバータ１６（コンデンサ５８）→モータ１８→負側パワーライン２２→接続点β→バイパス経路７２→接続点α→負側パワーライン２２の順に流通して電池１２の負側端子に戻る。

この場合は、電池１２の出力電圧を昇圧コンバータ１４で昇圧させることはできないので、所望の高電圧下でインバータ１６及びモータ１８に電池１２からの電力を供給することはできない。しかし、電池１２の出力電圧程度の低電圧をインバータ１６及びモータ１８に印加することができるので、インバータ１６及びモータ１８に低電圧下で電池１２からの電力を供給することができる。このため、ＩＧＢＴ５４のショート故障時でも、電池１２からインバータ１６及びモータ１８への電圧印加を確保することができるので、モータ１８の駆動を継続させることができる。これにより、通常よりも抑制された状態（すなわち低速）ではあるが、車両の走行駆動を確保することができる。

また、本実施例においては、ＩＧＢＴ５４のショート故障時、バイパス経路７２の一端が負側パワーライン２２における接続点αに接続されると共に、バイパス経路７２の他端が負側パワーライン２２における接続点βに接続されることにより、バイパス経路７２が経路形成される。すなわち、電池１２の負側端子をインバータ１６に接続させる接続経路は、正常時に対応した昇圧コンバータ１４を介したメインの負側パワーライン２２と、ＩＧＢＴ５４のショート故障時に対応した昇圧コンバータ１４をバイパスするバイパス経路７２と、で切り替わる。

バイパス経路７２は、接続点α及び接続点βで負側パワーライン２２に接続され得る経路である。接続点αは、コンデンサ２８に対する一次側である電池１２側（具体的には、リレースイッチ２６とコンデンサ２８との間）の点である。また、接続点βは、昇圧コンバータ１４に対する二次側であるインバータ１６側かつコンデンサ５８に対する一次側である昇圧コンバータ１４側（具体的には、昇圧コンバータ１４とコンデンサ５８との間）の点である。

仮に、ＩＧＢＴ５４のショート故障対策としてのバイパス経路７２の他端が負側パワーライン２２に接続する接続点βが、コンデンサ５８に対する二次側（インバータ１６側）に設けられる構造では、その接続点βによって走行相の回路上でのインダクタンスが増加するので、その走行相でのサージ電圧が上昇してしまう。一方、かかる走行相でのサージ電圧の上昇を抑制するうえでは、走行相すべてのスイッチング素子（ＩＧＢＴ６４，６８）のスイッチング速度を遅くすること又は走行相の各アーム素子６０，６２それぞれの直近にコンデンサなどのスナバ回路を設けることが必要となるので、サージ対策コストが劇的に増加してしまう。

また、ＩＧＢＴ５４のショート故障対策としてのバイパス経路７２の他端が負側パワーライン２２に接続する接続点βが、昇圧コンバータ１４に対する二次側かつコンデンサ５８に対する一次側に設けられる構造では、その接続点βによって昇圧相の回路上でのインダクタンスが増加するので、その昇圧相でのサージ電圧が上昇する。しかし、かかる昇圧相でのサージ電圧の上昇を抑制するうえでは、接続点βに対する一次側かつ昇圧相に対する二次側にコンデンサなどのスナバ回路を設けること又は昇圧相のスイッチング素子（ＩＧＢＴ５０）のスイッチング速度を遅くすることとすれば十分である。

そこで、本実施例の構造においては、ＩＧＢＴ５４のショート故障対策としてのバイパス経路７２の他端が負側パワーライン２２に接続する接続点βが、昇圧コンバータ１４に対する二次側かつコンデンサ５８に対する一次側に設けられる。このため、本実施例の接続点βの位置によれば、接続点βがコンデンサ５８に対する二次側（インバータ１６側）に設けられる構造と比較して、サージ対策コストを抑えることができる。

また、本実施例の構造においては、ＩＧＢＴ５４のショート故障対策としてのバイパス経路７２の一端が負側パワーライン２２に接続する接続点αが、コンデンサ２８に対する一次側である電池１２側に設けられる。かかる接続点αの位置においては、その接続点αによる上記の如き走行相でのインダクタンス増加や上記の如き昇圧相でのインダクタンス増加は生じない。このため、本実施例の接続点αの位置によれば、走行相のサージ電圧の上昇を抑制することができると共に、昇圧相のサージ電圧の上昇を抑制することができる。

従って、本実施例の電力変換装置１０によれば、バイパス経路７２により昇圧コンバータ１４の下アーム素子４４のＩＧＢＴ５４のショート故障時に電池１２からインバータ１６への電力供給を確保することができる。また、負側パワーライン２２とバイパス経路７２とが接続される接続点α，βの存在に起因するサージ電圧の上昇を低く抑えることができると共に、そのサージ電圧の上昇を低コストで実現することができる。このため、低コストでサージ電圧をインバータ１６の耐電圧以下に抑えることができる。

尚、上記の実施例においては、コンデンサ２８が特許請求の範囲に記載した「第１のコンデンサ」に、コンデンサ５８が特許請求の範囲に記載した「第２のコンデンサ」に、モータ１８が特許請求の範囲に記載した「負荷」に、負側パワーライン２２が特許請求の範囲に記載した「基準電位線」に、昇圧コンバータ１４の下アーム素子４４のＩＧＢＴ５４が特許請求の範囲に記載した「下アームスイッチング素子」に、接続点αの位置が特許請求の範囲に記載した「第１位置」に、接続点βの位置が特許請求の範囲に記載した「第２位置」に、切替スイッチ７４，７６が特許請求の範囲に記載した「切替手段」に、コントローラ８０が図２に示すルーチン中ステップ１００の処理を実行することが特許請求の範囲に記載した「故障判別手段」に、コントローラ８０がステップ１２０の処理を実行することが特許請求の範囲に記載した「切替制御手段」に、それぞれ相当している。

ところで、上記の実施例は、ＩＧＢＴ５４のショート故障対策としてのバイパス経路７２の他端が、負側パワーライン２２における昇圧コンバータ１４に対する二次側かつコンデンサ５８に対する一次側（具体的には、昇圧コンバータ１４とコンデンサ５８との間）の接続点βに接続されるものとしているが、その接続点βの存在に起因する昇圧相のサージ電圧の上昇対策としてスナバ回路を設けるものとはしていない。

これに対して、上記した位置にある接続点βの存在に起因する昇圧相のサージ電圧の上昇対策として、図３に示す如きコンデンサ９０を設けるものとしてもよい。具体的には、このコンデンサ９０は、昇圧コンバータ１４に並列接続されるスナバ回路である。すなわち、このコンデンサ９０は、一端が負側パワーライン２２における接続点βの位置と昇圧コンバータ１４（具体的には、下アーム素子４４のＩＧＢＴ５４のエミッタ）との間に接続されると共に、他端が高圧側パワーライン４８に接続されるスナバ回路である。

かかる変形例の構成によれば、上記の接続点βが負側パワーライン２２における昇圧コンバータ１４に対する二次側かつコンデンサ５８に対する一次側に設けられる構造でも、昇圧相でのインダクタンス増加に伴うサージ電圧の上昇をスナバ回路としてのコンデンサ９０により確実に抑えることができる。尚、この変形例においては、コンデンサ９０が特許請求の範囲に記載した「第３のコンデンサ」に相当する。

また、上記の実施例においては、バイパス経路７２を、一端が負側パワーライン２２におけるコンデンサ２８に対する一次側である接続点αに接続され得ると共に、他端が負側パワーライン２２における昇圧コンバータ１４に対する二次側かつコンデンサ５８に対する一次側の接続点βに接続され得るものとし、ＩＧＢＴ５４のショート故障時に負側パワーライン２２におけるそれらの接続点α及び接続点βの双方を切断することとしている。しかしながら、本発明はこれに限定されるものではなく、バイパス経路７２を、上記の接続点α及び接続点βのうち少なくとも何れか一方を含む点に接続され得るものとし、ＩＧＢＴ５４のショート故障時に負側パワーライン２２におけるそれらの接続点α及び接続点βのうち少なくとも何れか一方を含む位置を切断することとすればよい。

すなわち、ＩＧＢＴ５４のショート故障時、例えば負側パワーライン２２における上記の接続点αが切断される場合は、負側パワーライン２２におけるコンデンサ５８に対する二次側（インバータ１６側）の位置が切断されることとしてもよい。また、例えば負側パワーライン２２における上記の接続点βが切断される場合は、負側パワーライン２２におけるコンデンサ２８と昇圧コンバータ１４との間の位置が切断されることとしてもよい。

また、上記の実施例においては、昇圧コンバータ１４及びインバータ１６のパワー半導体である上アーム素子４２，６０及び下アーム素子４４，６２が有するスイッチング素子としてＩＧＢＴ５０，５４，６４，６８を用いることとしている。しかし、本発明はこれに限定されるものではなく、かかるスイッチング素子としてパワーＭＯＳＦＥＴを用いることとしてもよい。

更に、上記の実施例においては、電力変換装置１０を電気自動車やハイブリッド車両に搭載するものとした。しかし、本発明はこれに限定されるものではなく、車両以外のものに搭載するものとしてもよい。

１０ 電力変換装置
１２ 電池
１４ 昇圧コンバータ
１６ インバータ
１８ モータ
２０ 正側パワーライン
２２ 負側パワーライン
２８，５８ コンデンサ
４０ コイル
４２，６０ 上アーム素子
４４，６２ 下アーム素子
４８ 高圧側パワーライン
５０，５４，６４，６８ ＩＧＢＴ
５２，５６，６６，７０ ダイオード
７２ バイパス経路
７４，７６ 切替スイッチ
８０ コントローラ
９０ コンデンサ

Claims (4)

1. 電池と、
   前記電池に並列に接続される第１のコンデンサと、
   前記電池及び前記第１のコンデンサに接続される昇圧コンバータと、
   前記昇圧コンバータに並列に接続される第２のコンデンサと、
   前記昇圧コンバータ及び前記第２のコンデンサに並列に接続されるインバータと、
   前記インバータに接続される負荷と、
   前記電池の負側端子を前記第１のコンデンサ、前記昇圧コンバータ、前記第２のコンデンサ、前記インバータ、及び前記負荷の順に接続させる基準電位線と、
   前記昇圧コンバータを構成する下アームスイッチング素子がショート故障した場合に、前記基準電位線上における、前記負側端子と前記第１のコンデンサとの間の第１位置及び前記昇圧コンバータと前記第２のコンデンサとの間の第２位置のうち少なくとも何れか一方を含む位置の切断により経路形成され、前記負側端子を前記昇圧コンバータの前記下アームスイッチング素子をバイパスして前記インバータに接続させるバイパス経路と、
   を備えることを特徴とする電力変換装置。
2. 前記バイパス経路は、前記下アームスイッチング素子がショート故障した場合に、前記基準電位線上における前記第２位置を含む位置の切断により経路形成されると共に、
   前記基準電位線上における前記昇圧コンバータと前記第２位置との間に一端が接続され、前記昇圧コンバータに並列に接続される第３のコンデンサを備えることを特徴とする請求項１記載の電力変換装置。
3. 前記負側端子を前記インバータに接続させる接続経路を、前記基準電位線と前記バイパス経路とで切り替える切替手段を備えることを特徴とする請求項１又は２記載の電力変換装置。
4. 前記下アームスイッチング素子がショート故障しているか否かを判別する故障判別手段と、
   前記故障判別手段により前記下アームスイッチング素子がショート故障していると判別された場合に、前記切替手段に対して前記接続経路を前記バイパス経路に切り替える指令を行う切替制御手段と、
   を備えることを特徴とする請求項３記載の電力変換装置。

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