JP2021036738A - 電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】低速牽引時などの高圧電圧値が低い状況でも、意図しないＨＶセンサ誤作動を防ぐことを主な目的とする。【解決手段】インバータ回路に印加される高電圧を検出するＨＶセンサ回路は、低電圧電源から供給される電力により動作するとともに、低電圧電源の喪失時には、高電圧電源から低電圧に変換して出力する冗長電源から供給される電力により動作する。【選択図】図５

Description

本発明は、電力変換装置に関し、特に電動車両を駆動するための電力変換装置に関する。

ハイブリッド自動車などの電動車両は、駆動用モータに交流電力を供給するためのインバータ装置（電力変換装置）を備える。このような電力変換装置は、数十〜数百Ｖにも及ぶ高電圧の電源（バッテリ）から供給される電力によって動作する一方、インバータ装置を制御するための制御回路は、１２Ｖ程度の比較的低電圧の電源によって動作する。

例えば特許文献１には、電源や電源生成回路等の電源供給経路を冗長化し、システムの異常発生時には保護動作を行う電力変換装置が記載されている。特許文献１に係る電力変換装置では、低圧電源が喪失した場合でも装置の保護動作を行うため、高圧電源から低電圧を生成し、保護動作回路に電力を供給するバックアップ電源を備えている。保護動作回路による保護動作の一例としては、高圧電源側の電圧が所定の閾値（例えば６０Ｖ）を超えないように、インバータ回路の上下いずれかのアームを三相短絡する制御などである。

国際公開第２０１８／０３０３８１号パンフレット

高圧電源の電圧は、ＨＶセンサ回路によって監視される。高圧電源が０Ｖの状態も検知することができるよう、低圧電源からＨＶセンサ回路に電力を供給する電源回路を備える。さらに当該電源回路は、低圧電源喪失時にも装置の保護動作を行うことができるよう、高圧電源から低圧の電力を生成するバックアップ電源からも電力供給されることができる。

ここで、低圧電源喪失時に、車両が牽引されることでモータが回転すると、モータ起電力によって高圧電源側の電圧が上昇する。安全上の理由から、異常発生時には高圧電源側の電圧が所定の閾値を超えないように、保護動作回路によって保護動作が行われる必要がある。すなわち、低圧電源喪失時であっても、保護動作回路にバックアップ電源から駆動に必要な電力が供給され、高圧電源側の電圧に応じた保護動作が確実に実行されることが求められる。

しかし、低速の牽引時には、回生により生じる電圧上昇が低く、バックアップ電源に安定した電力を供給できない場合がある。このため、供給電圧が不安定となったＨＶセンサ回路が誤動作を起こすおそれがある。ＨＶセンサ回路の誤動作は、例えば保護動作の一つである三相短絡制御を意図せず実行してしまい、所定の閾値を超えるような高電圧をもたらしてしまうおそれがある。

本発明は、このような低速牽引時などの高圧電圧値が低い状況でも、意図しないＨＶセンサ誤作動を防ぐことを主な目的とする。

本発明に係る電力変換装置は、高電圧電源からの直流電力を交流電力に変換するインバータ回路と、低電圧電源から供給される電力により動作し、前記インバータ回路の駆動を制御する駆動回路と、前記高電圧電源からの直流電力を変換して前記駆動回路に供給することができるバックアップ電源回路と、前記インバータ回路に印加される高電圧を検出する電圧センサを備え、前記電圧センサは、前記低電圧電源から前記駆動回路に供給される電圧が所定値以上の場合に前記低電圧電源から供給される電力により動作するとともに、前記低電圧電源から前記駆動回路に供給される電圧が所定値未満の場合に前記バックアップ電源から供給される電力により動作することができるように構成されていることを特徴とする。

本発明によれば、高圧電圧値が低い状況でも、ＨＶセンサ誤動作による、安全動作の誤動作を防ぐことができる。

電力変換装置の構成図である。 比較例に係る電源構成における正常時における電源供給ラインを示す図である。 比較例に係る電源構成における低圧電源喪失時における電源供給ラインを示す図である。 比較例に係る電源構成における低速牽引時のタイムチャートである。 本発明に係る電源構成を示す図である。 本発明に係る電源構成における正常時における電源供給ラインを示す図である。 本発明に係る電源構成における低圧電源喪失時における電源供給ラインを示す図である。 本発明に係る電源構成における低速牽引時のタイムチャートである。

以下、図面を参照して、本発明に係る電力変換装置の実施の形態について説明する。なお、各図において同一要素については同一の符号を記し、重複する説明は省略する。

図１に、電力変換装置の一例であるモータ駆動用電力変換装置２００の構成を示す。電力変換装置２００の入力側には高圧バッテリ９０１、出力側にはモータ９００が接続される。高圧バッテリ９０１と電力変換装置２００との間には、コンタクタ９０２が設けられる。

電力変換装置２００は、コントローラ１００aと、ドライバ回路１００bと、電力変換用の半導体装置３００と、電圧平滑用キャパシタ５００と、を備える。図示しない上位コントローラがトルクや回転指令などのモータを駆動するための指令をコントローラ１００aに与える。コントローラ１００aは、指令に応じたＰＷＭ信号をドライバ回路１００bに与える。ドライバ回路１００bは、ＰＷＭ信号に応じて、電力変換用の半導体装置３００をスイッチング制御し、高圧バッテリ９０１からの直流電圧（ＤＣ電圧）を、モータ９００を駆動するための交流電圧（ＡＣ電圧）に変換する機能を有している。電圧平滑用キャパシタ５００は、電力変換時に変動する印加電圧を平滑する。

半導体装置３００からモータ９００に出力される交流電流は、電流センサ２０によって検出される。電力変換装置２００は、電流センサ２０によって検出された電流値に基づいて電流フィードバック制御を行い、モータ９００のトルクを制御する。

さらに、ドライバ回路１００ｂの駆動用電源を生成するＧＤ電源１１０が備えられる。ＧＤ電源１１０は、コントローラ１００ａ経由で、低圧バッテリ１０から供給される電圧（１２Ｖ）で電源を生成する。また、低圧バッテリ１０からの供給が停止した場合に備えて、冗長電源１２０が備えられる。冗長電源１２０は、高圧バッテリ９０１から供給される電圧を変換し、コントローラ１００ａに電源を供給する。

放電回路１３０は、電力変換装置２００が停止した際に、装置内の高圧バッテリ９０１を放電抵抗１３１で放電し、電圧を安全な値まで低下させるための回路である。ＨＶセンサ回路１４０は、高圧バッテリ９０１に接続し、電圧を検知する。検知した情報は、コントローラ１００aに送信される。

以下では、本発明の特徴である電源の構成を示す前に、比較例となる電源構成について説明する。

図２は、比較例となる電力供給の系統を示している。図１における半導体装置３００のスイッチング素子を駆動するゲートドライバ回路は、１２Ｖの低圧バッテリ電源から供給される電源により駆動する。ゲートドライバ回路は、ＰＷＭ制御に基づく駆動信号をインバータ回路に出力することで、高圧バッテリ電源の直流電力を交流電力に変換してモータに供給したり、逆にモータ回転に基づく回生電力を高圧バッテリ電源に充電したりする。さらに回生エネルギーが大きい状態でコンタクタ９０２がオフされた場合には、インバータ回路の上アームまたは下アームを全相でオンする三相短絡制御を行い、平滑用コンデンサに過度な電圧が加わることから保護するように、安全制御回路によって制御される。

また、放電回路１３０は、アクティブ放電電源が生成する電源により駆動する。アクティブ放電電源は、低圧バッテリ電源から供給される電圧を昇圧し、高圧回路部にある放電回路を駆動するための電源を供給する。なお、本実施例におけるアクティブ放電電源は、フライバック方式により低圧から高圧に変換する電源回路であるが、電源回路の方式は特にこれに限られる必要はない。また、放電回路による放電動作は、ＨＶセンサ回路１４０が検出するＨＶ電圧に基づき、制御される。ＨＶセンサ回路の駆動電源も、同じくアクティブ放電電源により供給される。ＨＶセンサ回路が検出したＨＶ電圧検出値は、アイソレータを介して安全制御回路へと出力される。安全制御回路は、ＨＶセンサ回路の検出値をもとに演算を行い、ゲートドライバ回路または放電回路に対して、制御信号を出力する。

例えば、ＨＶセンサ回路による検出したＨＶ電圧値が所定の閾値以上の場合には、放電回路に対して放電を指示する信号を出力し、ＨＶ電圧値が所定の閾値を下回った場合には放電を停止するように指示することができる。または、上アーム側または下アーム側のゲートドライバ回路に対して三相短絡の指示を出し、電力変換装置の保護動作を実行する。なお、低圧側に回路に配置される安全制御回路は、ゲートドライバ回路と同じく、低圧バッテリ電源からの供給電源により駆動する。

ここで、１２Ｖの低圧バッテリ電源からの電源供給が喪失した場合、コンタクタ９０２がオープンされ、高圧バッテリ電源と電力変換装置の間を切り離す保護動作が行われ、その後速やかにアクティブ放電が実行される。アクティブ放電は、放電回路１３０を制御し、放電抵抗１３１に電流を流すことで、平滑用キャパシタ５００に蓄えられた高電圧を放電するものである。安全上の理由から、例えば５秒以内に６０Ｖ未満となるように、放電が実行される必要がある。

低圧バッテリ電源の喪失時であっても確実に放電回路１３０を駆動し保護動作を実行するため、アクティブ放電電源は、冗長電源１２０からも電源供給されるように構成されている。冗長電源１２０は、高圧バッテリ９０１からの電圧、またはコンタクタ９０２がオープンの場合には平滑用キャパシタ５００に残存する電圧を降圧することにより、ＬＶ側の電源を供給するものである。なお、本実施形態における冗長電源は、フライバック方式の電源回路により構成される。フライバック型電源回路は、絶縁トランスの一次側巻線に直列に接続されたスイッチング素子を制御ＩＣによってオン・オフ制御することで、トランスに流れる電流を制御し、トランスの二次側回路に電力を伝達する。また、冗長電源のトランスは、3次巻線を備えており、冗長電源が立ち上がり後、電源回路自身の電源を供給し、出力をＶＣＣ＿ＦＢとして図示している。低圧バッテリ電源喪失時の電源供給の系統は、図３において示される。

ここで、低圧バッテリ電源からの電源供給がなく、かつコンタクタ９０２がオープンにより、高圧バッテリ電源９０１とインバータ２００が接続されていない状態において、車両が低速で牽引された場合を考える。牽引が開始されると、モータの回転による誘起電圧が発生し、平滑用キャパシタ５００の電圧は、０Ｖから徐々に上昇する。なお、車両牽引時だけでなく、車両が惰性運転をしている場合や、下り坂などでもモータが回転して誘起電圧を発生させる場合がある。上述した通り、低圧バッテリ電源の失陥時には、冗長電源からの電源供給によりアクティブ放電が実行されるが、平滑用キャパシタ５００の電圧がまだ低い状態では、冗長電源１２０は安定した電力を供給することができない。アクティブ放電電源に十分な電圧が供給できない場合、ＨＶセンサ回路が駆動するのに必要な電源が供給されないため、ＨＶセンサ回路の動作が不安定となり誤動作してしまう可能性がある。安全動作の動作判断基準となるＨＶセンサ回路が誤作動したことによって、三相短絡が実行されるべき電圧以下でゲートドライブ回路が誤動作し、意図しない電圧の上昇をもたらすおそれがある。

このことについて、図４を用いて詳細を説明する。図４は、低圧バッテリ電源の供給が停止し、かつコンタクタがオープン状態における、低速牽引時の各電源電圧のタイムチャートを示す。

停止状態から牽引のスピードが上昇すると、モータの回転数（速度）に合わせて、モータの誘起電力によりインバータの電圧平滑用キャパシタの電圧（ＨＶＤＣ）が上昇する。上述の通り、冗長電源１２０は、ＨＶＤＣに基づいて、ＬＶ電圧を生成（変換）する。ＨＶＤＣが１０Ｖを超えたあたりから、冗長電源１２０の制御ＩＣ電源へと電圧が入力される。冗長電源１２０の制御ＩＣの入力電圧が５Ｖを超えたあたりから、冗長電源１２０が動作を開始し、ＬＶ側の電圧を出力し始める。冗長電源１２０の出力電圧が立ち上がる過程において、ＧＤ電源と、ＨＶセンサ電圧が立ち上がる。

ＨＶセンサに入力される電源は、図３のアクティブ放電電源から供給されるが、当該アクティブ放電電源は、入力される電圧、すなわち冗長電源の出力電圧が５Ｖを超えたあたりから起動し、電圧を出力し始める。なお、図４において斜線でハッチングした領域は、電圧が低いため動作が不安定な領域であることを示している。ＧＤ電源は、冗長電源の出力電圧が４Ｖを超えたあたりから立ち上がる。

ＨＶセンサ回路の電源は、図４の時刻ｔ４から供給され始め、安定的に動作をすることができる電圧を得られる時刻ｔ５までの期間においては、電源電圧が不足しているため動作が不安定となっている。そのため、この間に三相短絡をすべきとの閾値を超えたとの誤判定が発生する場合がある（安全制御回路は、例えばＨＶＤＣが３９Ｖを超えた場合に三相短絡を行うようにゲートドライバ回路を制御する）。誤判定が発生した時点で、ＧＤ電源に入力される電圧がある程度まで立ち上がっていた場合、ゲートドライバ回路が三相短絡を実行すべく、インバータ回路の上アームまたは下アームのスイッチング素子に対して駆動信号が出力される。その結果、瞬間的にキャパシタ電圧（ＨＶＤＣ）が跳ね上がってしまい、キャパシタ電圧が６０Ｖを超えてしまうおそれがある。

本発明では、上記の課題への対策として、図５に示す電源構成とした。図２に示す比較例としての電源構成からの変更点として、ＨＶセンサ回路は、ＬＶ側からのアクティブ放電電源だけでなく、冗長電源のトランスの３次巻線からの電源供給によっても動作することができるようにした。ここでは、ＨＶセンサ回路の入力段において、アクティブ放電電源と、冗長電源とのいずれかから電源を供給することができるよう、ダイオードを介して接続されている。

低圧バッテリ電源が正常に動作している場合は、図２と同様に、アクティブ放電電源を介してＨＶセンサ回路に電源が供給される（図６を参照）。また、低圧バッテリ電源が喪失している場合であっても、ＨＶＤＣが十分に安定している場合（ＨＶＤＣ＞４０Ｖ）は、やはり図３と同様、冗長電源からの電力供給により、アクティブ放電電源を介してＨＶセンサ回路に電力を供給することができる（図７を参照）。

低圧バッテリ電源からの電源供給がなく、かつコンタクタ９０２がオープン状態において、車両が低速で牽引された場合は、図４で説明した通り、アクティブ放電電源やゲートドライブ回路への供給電源である冗長電源の出力電圧は、ＨＶＤＣが約３０Ｖになるまで安定しない。ここで本発明では、冗長電源の３次巻線出力電圧は、時刻ｔ３において５Ｖに達し比較的早期に安定領域に入ることに着目し、冗長電源の３次巻線の出力電力をＨＶセンサ回路の電源へ入力する構成とした。この場合のタイムチャートについて図８を用いて説明する。

図４と同様に、ＨＶＤＣは牽引動作によって０Ｖから徐々に上昇する。そして、冗長電源の制御ＩＣ電源への入力電圧が５Ｖを超えたあたりから、冗長電源の３次巻線から電圧が出力され始める。この３次巻線出力電圧は、図５の電源切替回路と示したダイオードを開始、ＨＶセンサ回路に入力される。ＨＶセンサに入力される電源電圧がまだ低い間（５Ｖ未満の領域）では、ＨＶセンサ回路の動作は不安定であるため、ＨＶＤＣの電圧値を誤検知し、三相短絡閾値を超えていると判定してしまう場合がある。しかし、この時点ではまだ、冗長電源から十分な電圧が供給されておらず、ＧＤ電源が立ち上がっていない。そのため、ＨＶセンサ回路が三相短絡閾値を超えたと誤検知したとしても、ゲートドライバ回路による三相短絡制御は実行されない。

その後時刻ｔ３以降ではＨＶセンサ電源には動作するのに十分な電源が供給され、安定動作領域に入る。ＧＤ電源の立ち上がりは、ＨＶセンサの動作が安定した後に開始されるため、本発明によれば、三相短絡の誤動作を防止することができる。結果、誤動作による三相短絡は起こらず、６０Ｖ手前の安全動作が正常に機能する。

なお、時刻ｔ５以降は、ＧＤ電源に供給される電圧も安定する。すなわち、低圧バッテリ電源が喪失した場合であっても、冗長電源によるバックアップ状態へと正常に移行できたこととなる。モータの回転数が上昇し続け、ＨＶＤＣが４０Ｖ付近となったタイミングでは、ＨＶセンサ電源は、正常に三相短絡閾値であることを検出し、ゲートドライバ回路は、三相短絡制御を実行し、ＨＶＤＣの過度な上昇を防ぐことができる。

以上のように、本発明に係る電力変換装置では、高圧バッテリ電源９０１からの直流電力を交流電力に変換するインバータ回路３００と、低圧バッテリ電源１０から供給される電力により動作し、インバータ回路３００の駆動を制御するゲートドライバ回路と、高圧バッテリ電源９０１からの直流電力を変換してゲートドライバ回路に供給することができる冗長電源１２０と、インバータ回路３００に印加される高電圧を検出するＨＶセンサ回路１４０と、を備え、ＨＶセンサ回路１４０は、低圧バッテリ電源からゲートドライバ回路に供給される電圧が所定値以上の場合（低圧バッテリ電源正常時）には、低圧バッテリ電源からアクティブ放電電源を介して供給される電力により動作するとともに、低圧バッテリ電源からゲートドライバ回路に供給される電圧が所定値未満の場合(低圧バッテリ電源喪失時)には、冗長電源１２０から供給される電力により動作することができるように構成されている。

さらに、低圧バッテリ電源から供給される電力により動作し、ゲートドライバ回路を制御する安全制御回路は、低圧バッテリ電源から供給される電圧が所定値未満の場合には、冗長電源から供給される電力により動作する。安全制御回路は、ＨＶセンサ回路が検出したＨＶＤＣに応じ、ゲートドライバ回路を制御し、三相短絡動作を実行させることができる。

１０：低圧バッテリ
２０：電流センサ
１００ａ：コントローラ
１００ｂ：ドライバ回路
１１０：ＧＤ電源
１２０：冗長電源（バックアップ電源）
１３０：放電回路
１３１：放電抵抗
１４０：ＨＶセンサ回路（電圧センサ）
２００：モータ駆動用電力変換装置
３００：電力変換用の半導体装置
５００：電圧平滑用キャパシタ
９００：モータ
９０１：高圧バッテリ
９０２：コンタクタ

Claims (4)

1. 高電圧電源からの直流電力を交流電力に変換するインバータ回路と、
   低電圧電源から供給される電力により動作し、前記インバータ回路の駆動を制御する駆動回路と、
   前記高電圧電源からの直流電力を変換して前記駆動回路に供給することができるバックアップ電源回路と、
   前記インバータ回路に印加される高電圧を検出する電圧センサを備え、
   前記電圧センサは、
   前記低電圧電源から前記駆動回路に供給される電圧が所定値以上の場合に前記低電圧電源から供給される電力により動作するとともに、
   前記低電圧電源から前記駆動回路に供給される電圧が所定値未満の場合に前記バックアップ電源から供給される電力により動作することができるように構成されている電力変換装置。
2. 請求項１に記載の電力変換装置において、
   前記低電圧電源から供給される電力により動作し、前記駆動回路を制御する制御回路を備え、
   前記低電圧電源から前記制御回路に供給される電圧が所定値未満の場合には、前記制御回路は、前記バックアップ電源回路から供給される電力により動作し、
   前記制御回路は、モータの回転による誘起電圧により、電力変換装置が故障しないよう、前記電圧センサにより検出された電圧に応じて、三相短絡を制御する電力変換装置。
3. 請求項１に記載の電力変換装置において、
   前記低電圧電源から供給される電圧を昇圧する昇圧回路を備え、
   前記電圧センサは、前記低電圧電源から前記駆動回路に供給される電圧が所定値以上の場合に前記昇圧回路から供給される電力により動作するとともに、前記低電圧電源から前記駆動回路に供給される電圧が所定値未満の場合に前記高電圧電源から供給される電力により動作することができるように構成されている電力変換装置。
4. 請求項１に記載の電力変換装置において、
   前記バックアップ電源から供給される電力によって前記駆動回路及び前記電圧センサが起動する場合に、前記電圧センサが起動する時点において前記バックアップ電源に供給される前記高電圧電源の電圧は、前記駆動回路が起動する時点において前記バックアップ電源に供給される前記高電圧電源の電圧よりも小さくなるように構成されている電力変換装置。

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