JP2023105457A - 電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】スイッチング素子を確実に動作させて安全状態を継続する電力変換装置を提供する。【解決手段】電力変換装置１００は、上アームのスイッチング素子及び下アームのスイッチング素子より構成され、直流電源２００より供給された直流電力を交流電力に変換するインバータ回路１０７と、スイッチング素子をスイッチング動作させてインバータ回路１０７に接続された電動機４００を駆動制御する駆動制御部と、を備える。安全状態への移行指令を受けた場合に、スイッチング素子のゲート端子に過電圧を印加して、スイッチング素子の短絡状態を継続し、インバータ回路１０７を３相短絡又は上下アーム短絡させる。【選択図】図１

Description

本発明は、電力変換装置に関する。

ハイブリッド自動車や電気自動車等の車両には、電動機を制御する電力変換装置が搭載されている。電力変換装置は、直流電源より供給された直流電力をインバータ回路により交流電力に変換して電動機を駆動する。また、電動機が外力によって回転された場合には、電動機は発電機として機能し、交流電力を直流電力に変換する。このような、電力変換装置を搭載した車両においては、車両の事故や故障等が発生した時に電力変換装置を安全状態に移行させる必要がある。

例えば、安全状態への移行において、インバータ回路を構成するスイッチング素子を三相短絡して電動機による発電を停止する場合には、スイッチング素子を制御して三相短絡するための電源を確保する必要がある。また、例えば、インバータ回路の高電位側のスイッチング素子と低電位側のスイッチング素子とを同時にオン状態にすることで、インバータ回路の入力側に並列接続されているコンデンサの蓄積電荷を放電する場合に、スイッチング素子の制御のための電源を確保する必要がある。

特許文献１には、電力変換回路を操作することでキャパシタの充電電圧を規定電圧以下に放電制御する放電制御手段による放電制御の異常の有無を診断する放電制御装置が記載されている。

特開２０１１－２４４５２０号公報

特許文献１に記載の装置では、スイッチング素子を確実に動作させて安全状態を継続することに課題があった。

本発明による電力変換装置は、上アームのスイッチング素子及び下アームのスイッチング素子より構成され、直流電源より供給された直流電力を交流電力に変換するインバータ回路と、前記スイッチング素子をスイッチング動作させて前記インバータ回路に接続された電動機を駆動制御する駆動制御部と、を備え、安全状態への移行指令を受けた場合に、前記スイッチング素子のゲート端子に過電圧を印加して、前記スイッチング素子の短絡状態を継続し、前記インバータ回路を３相短絡または上下アーム短絡させる。

本発明によれば、スイッチング素子を確実に動作させて安全状態の継続を可能にすることができる。

電力変換装置の回路構成図である。 短絡制御回路の動作を示すフローチャートである。

以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。以下の記載および図面は、本発明を説明するための例示であって、説明の明確化のため、適宜、省略および簡略化がなされている。本発明は、他の種々の形態でも実施する事が可能である。特に限定しない限り、各構成要素は単数でも複数でも構わない。

図面において示す各構成要素の配置、範囲などは、発明の理解を容易にするため、実際の配置、範囲などを表していない場合がある。このため、本発明は、必ずしも、図面に開示された配置、範囲などに限定されない。

また、以下の説明では、プログラムを実行して行う処理を説明する場合があるが、プログラムは、プロセッサ（例えばＣＰＵ、ＧＰＵ）によって実行されることで、定められた処理を、適宜に記憶資源（例えばメモリ）および／またはインターフェースデバイス（例えば通信ポート）等を用いながら行うため、処理の主体がプロセッサとされてもよい。同様に、プログラムを実行して行う処理の主体が、プロセッサを有するコントローラ、装置、システム、計算機、ノードであってもよい。プログラムを実行して行う処理の主体は、演算部であれば良く、特定の処理を行う専用回路（例えばＦＰＧＡやＡＳＩＣ）を含んでいてもよい。

プログラムは、プログラムソースから計算機のような装置にインストールされてもよい。プログラムソースは、例えば、プログラム配布サーバまたは計算機が読み取り可能な記憶メディアであってもよい。プログラムソースがプログラム配布サーバの場合、プログラム配布サーバはプロセッサと配布対象のプログラムを記憶する記憶資源を含み、プログラム配布サーバのプロセッサが配布対象のプログラムを他の計算機に配布してもよい。また、以下の説明において、２以上のプログラムが１つのプログラムとして実現されてもよいし、１つのプログラムが２以上のプログラムとして実現されてもよい。

図１は、電力変換装置１００の回路構成図である。
電力変換装置１００は、高電圧直流電源２００より供給される高電圧直流電力を、交流電力に変換して電動機４００を駆動する。また、電力変換装置１００は、電動機４００が外力により回転されて発電機として機能した場合に、発電された交流電力を高電圧直流電力に変換して高電圧直流電源２００を充電する。

電動機４００は内部に三相の巻線を有した三相同期電動機である。電力変換装置１００より出力される三相の交流電流Ｕｉ、Ｖｉ、Ｗｉが電動機４００の各相の巻線に流れる。

高電圧直流電源２００は、例えば充放電可能なバッテリである。高電圧とは、例えば、約４００Ｖの直流電圧である。低電圧直流電源５００は、電力変換装置１００内の駆動制御回路１０１、短絡制御回路１０３へ動作電源を供給する。

外部ＥＣＵ６００は、車両の通常動作時には電力変換装置１００へ通常の動作指令、例えばトルク指令を出力する。一方、加速度センサより車両の衝突検知信号を受信した場合など、車両を安全状態に移行する必要がある場合は、外部ＥＣＵ６００は、安全状態への移行指令を電力変換装置１００へ出力する。

電力変換装置１００は、駆動制御回路１０１、短絡制御回路１０３、電圧検出器１０４、インバータ回路１０７を備える。

駆動制御回路１０１は、外部ＥＣＵ６００から通常の動作指令を受信している場合は、ゲート駆動回路１０８を介してインバータ回路１０７の動作を制御し、高電圧直流電源２００より供給された直流電力を交流電力に変換して電動機４００を駆動制御する。また、電動機４００により発電された交流電力を直流電力に変換して高電圧直流電源２００に充電する、所謂、回生制御を行う。

短絡制御回路１０３は、外部ＥＣＵ６００から安全状態への移行指令を受信した場合に、電圧検出器１０４で検出された直流電源からの正極電源線Ｐと負極電源線Ｎとの間の電圧を参照して、安全状態への移行を実施する。安全状態では、詳細は後述するが、インバータ回路１０７を下アーム三相短絡もしくは上アーム三相短絡し、電動機４００による発電を停止する。または、インバータ回路１０７の特定の相の上下アーム短絡を行って、正極側電源線Ｐと負極側電源線Ｎとの間で電力放電を実施する。

インバータ回路１０７は、平滑コンデンサＣと６つのスイッチング素子Ｓ１～Ｓ６を有する。正極側電源線Ｐと負極側電源線Ｎの間には平滑コンデンサＣが設けられている。さらに、正極側電源線Ｐと負極側電源線Ｎの間には三相分のスイッチングレグＲｕ、Ｒｖ、Ｒｗが接続されている。各スイッチングレグＲｕ、Ｒｖ、Ｒｗは、上アームＵａのスイッチング素子Ｓ１、Ｓ３、Ｓ５及び下アームＬａのスイッチング素子Ｓ２、Ｓ４、Ｓ６より構成される。スイッチング素子Ｓ１～Ｓ６は、パワー半導体素子と、パワー半導体素子と並列に設けられたダイオードとを有している。パワー半導体素子は、例えば、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）やＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect２Transistor）である。スイッチング素子Ｓ１～Ｓ６は、ゲート駆動回路１０８からのゲート信号によりスイッチング動作する。通常動作時には、正極側電源線Ｐと負極側電源線Ｎより供給された直流電圧は三相交流電流に変換され、スイッチングレグＲｕ、Ｒｖ、Ｒｗから各相の交流出力線を介して、交流電流Ｕｉ、Ｖｉ、Ｗｉが電動機４００の各相の巻線に流れる。

スイッチング素子Ｓ１～Ｓ６の各ゲート端子と正極側電源線Ｐとの間には、短絡用のスイッチＭ１～Ｍ６が設けられている。各スイッチＭ１～Ｍ６のオン／オフは短絡制御回路１０３からのゲート信号により制御される。なお、図１では、図面を簡単にするために、短絡制御回路１０３からのゲート信号線は１本で図示したが、各スイッチＭ１～Ｍ６に対応して６本のゲート信号線が導出されている。図示省略しているが、この６本のゲート信号線の中間に絶縁回路を設けてもよい。この絶縁回路は、例えば、フォトカプラーなどのように、発光素子と受光素子により構成され、短絡制御回路１０３からの信号を伝達するが、各スイッチＭ１～Ｍ６から短絡制御回路１０３への電圧の入力を遮断する。絶縁回路は、スイッチＭ１～Ｍ６が高電圧直流電源２００から高電圧を通すので、この高電圧の影響から短絡制御回路１０３を保護する。
短絡制御回路１０３は、外部ＥＣＵ６００から安全状態への移行指令を受信していない場合は、全てのスイッチＭ１～Ｍ６をオフしている。一方、外部ＥＣＵ６００から安全状態への移行指令を受信した場合に、短絡制御回路１０３は、インバータ回路１０７を下アーム三相短絡もしくは上アーム三相短絡するように、スイッチＭ１～Ｍ６を制御する。または、短絡制御回路１０３は、インバータ回路１０７の特定の相の上下アーム短絡するように、スイッチＭ１～Ｍ６を制御する。

なお、本実施形態では、短絡制御回路１０３は、駆動制御回路１０１と分離した構成で説明するが、駆動制御回路１０１の中に短絡制御回路１０３の機能を含めた構成であっても同様に実施できる。また、短絡制御回路１０３をマイコンで構成し、加速度センサより車両の衝突検知信号を受信した場合など、車両を安全状態に移行する必要がある場合に、外部ＥＣＵ６００によらず、スイッチＭ１～Ｍ６を制御するように構成してもよい。

平滑コンデンサＣは、スイッチング素子Ｓ１～Ｓ６のＯＮ／ＯＦＦによって生じる電流を平滑化し、高電圧直流電源２００から電力変換装置１００へ供給される直流電流のリップルを抑制する。この平滑コンデンサＣは、例えば電解コンデンサやフィルムコンデンサである。

図２は、短絡制御回路１０３の動作を示すフローチャートである。このフローチャートは、短絡制御回路１０３がプログラムを実行して行う処理を示す。このフローチャートは、短絡制御回路１０３が外部ＥＣＵ６００から安全状態への移行指令を受信した場合に、動作を開始する。

ステップＳ２０１で、短絡制御回路１０３は、電圧検出器１０４で検出された正極電源線Ｐと負極電源線Ｎとの間の電圧が所定電圧より降下しているかを判定する。所定電圧はインバータ回路１０７を通常動作させて、電動機４００を駆動制御している場合の電圧である。所定電圧より電圧が降下している場合は、車両の衝突等により高電圧直流電源２００に異常があると見做して、ステップＳ２０２の処理へ進む。

ステップＳ２０２で、短絡制御回路１０３は、特定の相の上下アーム短絡を行う。具体的には、スイッチＭ１～Ｍ２またはスイッチＭ３～Ｍ４またはスイッチＭ５～Ｍ６を数ｍ秒間オンにする。例えば、スイッチＭ１～Ｍ２をオンにした場合は、Ｕ相の上下アーム短絡であり、スイッチング素子Ｓ１～Ｓ２を導通状態にする。すなわち、スイッチング素子Ｓ１～Ｓ２のゲート端子またはスイッチング素子Ｓ３～Ｓ４のゲート端子またはスイッチング素子Ｓ５～Ｓ６のゲート端子に高電圧直流電源２００からの直流電圧を数ｍ秒間印加する。

この場合、スイッチング素子Ｓ１～Ｓ６のゲート定格（動作推奨）が、例えば約２０Ｖに対して、高電圧直流電源２００からの直流電圧約４００Ｖに近い過電圧がゲート端子に印加されるので、スイッチング素子Ｓ１～Ｓ６であるＩＧＢＴは短絡保持状態となる。なお、ゲート端子に過電圧を印加する時間はＩＧＢＴのゲート耐圧に応じて適宜設定されるものとする。このように、過電圧によりスイッチング素子Ｓ１～Ｓ６を一度短絡させると、以降はゲート端子に電圧を印加する必要はなく、スイッチング素子Ｓ１～Ｓ６は短絡状態を継続する。すなわち、スイッチング素子Ｓ１～Ｓ２またはスイッチング素子Ｓ３～Ｓ４またはスイッチング素子Ｓ５～Ｓ６の短絡状態が保持される。これにより、平滑コンデンサＣ等に蓄積している電荷を放電する。

ステップＳ２０３で、短絡制御回路１０３は、電圧検出器１０４で検出された正極電源線Ｐと負極電源線Ｎとの間の電圧が所定電圧以下になったかを判定する。所定電圧以下でなければ、所定電圧以下になるまで待機する。正極電源線Ｐと負極電源線Ｎとの間の所定電圧以下になったと判定された場合は、次のステップＳ２０４の処理へ進む。なお、所定電圧とは、安全とみなされる電圧である。

ステップＳ２０４で、短絡制御回路１０３は、特定の相の上下アーム短絡を終了する。具体的には、上下アーム短絡の処理を終了して、正極電源線Ｐと負極電源線Ｎとの間の電圧が低下して安全な状態になったことを図示省略した報知部に通知する。ユーザ等はこの報知部の報知により安全な状態になったことを知ることができる。

このように、上下アーム短絡により、正極電源線Ｐと負極電源線Ｎとの間の電圧が安全な電圧に低下するまで、スイッチング素子を確実に動作させて安全状態の継続を可能にすることができる。

ステップＳ２０１で、正極電源線Ｐと負極電源線Ｎとの間の電圧が所定電圧より降下していないと判定された場合は、次のステップＳ２１２の処理へ進む。

ステップＳ２１２で、短絡制御回路１０３は、三相短絡を行う。具体的には、スイッチＭ１、Ｍ３、Ｍ５またはスイッチＭ２、Ｍ４、Ｍ６をオンする。スイッチＭ１、Ｍ３、Ｍ５をオンした場合は、上アームの三相短絡であり、スイッチＭ２、Ｍ４、Ｍ６をオンした場合は下アームの三相短絡である。すなわち、スイッチング素子Ｓ１、Ｓ３、Ｓ５のゲート端子またはスイッチング素子Ｓ２、Ｓ４、Ｓ６のゲート端子に高電圧直流電源２００からの直流電圧を数ｍ秒間印加する。

この場合、スイッチング素子Ｓ１～Ｓ６のゲート定格（動作推奨）が、例えば約２０Ｖに対して、高電圧直流電源２００からの直流電圧約４００Ｖの過電圧がゲート端子に印加されるので、スイッチング素子Ｓ１～Ｓ６であるＩＧＢＴは短絡保持状態となる。なお、ゲート端子に過電圧を印加する時間はＩＧＢＴのゲート耐圧に応じて適宜設定されるものとする。このように、過電圧によりスイッチング素子Ｓ１～Ｓ６を一度短絡させると、以降はゲート端子に電圧を印加する必要はなく、スイッチング素子Ｓ１～Ｓ６は短絡状態を継続する。すなわち、スイッチング素子Ｓ１、Ｓ３、Ｓ５またはスイッチング素子Ｓ２、Ｓ４、Ｓ６の短絡状態が保持される。これにより、電動機４００による発電を停止する。

次のステップＳ２１３で、短絡制御回路１０３は、電圧検出器１０４で検出された正極電源線Ｐと負極電源線Ｎとの間の電圧が所定電圧以下になったかを判定する。所定電圧以下でなければ、電圧が所定電圧以下になるまで待機する。正極電源線Ｐと負極電源線Ｎとの間の電圧が所定電圧以下になったと判定された場合は、次のステップＳ２１４の処理へ進む。なお、所定電圧とは、安全とみなされる電圧である。

ステップＳ２１５で、短絡制御回路１０３は、三相短絡を終了する。具体的には、三相短絡の処理を終了して、正極電源線Ｐと負極電源線Ｎとの間の電圧が低下して安全な状態になったことを図示省略した報知部に通知する。ユーザ等はこの報知部の報知により安全な状態になったことを知ることができる。

このように、三相短絡により、正極電源線Ｐと負極電源線Ｎとの間の電圧が安全な電圧に低下するまで、スイッチング素子を確実に動作させて安全状態の継続を可能にすることができる。

なお、ステップＳ２０３、Ｓ２１３では、正極電源線Ｐと負極電源線Ｎとの間の電圧を検出しているが、これに替えてインバータ回路１０７から電動機４００へのＵ、Ｖ、Ｗ相の交流出力線の電圧を電圧検出器により検出してもよい。そして、短絡制御回路１０３は、検出した電圧の値を判定して、電圧が所定電圧以下になるまで待機する。

本実施形態によれば、スイッチング素子Ｓ１～Ｓ６を上下アーム短絡または三相短絡に保持するための特別の電源を必要とせず、正極電源線Ｐと負極電源線Ｎとの間の電圧を利用して、インバータ回路を上下アーム短絡または三相短絡に確実に保持できて、安全状態の継続を可能にすることでできる。また、スイッチング素子Ｓ１～Ｓ６を上下アーム短絡または三相短絡するために、スイッチング素子Ｓ１～Ｓ６のゲート端子に、過電圧を印加することにより、以降はゲート端子に電圧を印加する必要はなく、スイッチング素子Ｓ１～Ｓ６の短絡状態を継続する。

以上説明した実施形態によれば、次の作用効果が得られる。
（１）電力変換装置１００は、上アームのスイッチング素子Ｓ１、Ｓ３、Ｓ５及び下アームのスイッチング素子Ｓ２、Ｓ４、Ｓ６より構成され、高電圧直流電源２００より供給された直流電力を交流電力に変換するインバータ回路１０７と、スイッチング素子Ｓ１～Ｓ６をスイッチング動作させてインバータ回路１０７に接続された電動機４００を駆動制御する駆動制御回路１０１と、を備え、安全状態への移行指令を受けた場合に、スイッチング素子Ｓ１～Ｓ６のゲート端子に過電圧を印加して、スイッチング素子Ｓ１～Ｓ６の短絡状態を継続し、インバータ回路１０７を３相短絡または上下アーム短絡させる。これにより、スイッチング素子を確実に動作させて安全状態の継続を可能にすることができる。

本発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の特徴を損なわない限り、本発明の技術思想の範囲内で考えられるその他の形態についても、本発明の範囲内に含まれる。

１００・・・電力変換装置、１０１・・・駆動制御回路、１０３・・・短絡制御回路、１０４・・・電圧検出器、１０７・・・インバータ回路、１０８・・・ゲート駆動回路、２００・・・高電圧直流電源、４００・・・電動機、５００・・・低電圧直流電源、６００・・・外部ＥＣＵ、Ｃ・・・平滑コンデンサ、Ｓ１～Ｓ６・・・スイッチング素子、Ｍ１～Ｍ６・・・スイッチ、Ｐ・・・正極側電源線、Ｎ・・・負極側電源線。

Claims (5)

1. 上アームのスイッチング素子及び下アームのスイッチング素子より構成され、直流電源より供給された直流電力を交流電力に変換するインバータ回路と、前記スイッチング素子をスイッチング動作させて前記インバータ回路に接続された電動機を駆動制御する駆動制御部と、を備え、
   安全状態への移行指令を受けた場合に、前記スイッチング素子のゲート端子に過電圧を印加して、前記スイッチング素子の短絡状態を継続し、前記インバータ回路を３相短絡または上下アーム短絡させる電力変換装置。
2. 請求項１に記載の電力変換装置において、
   前記安全状態への移行指令を受けた場合に、前記過電圧を前記直流電源から印加して、前記スイッチング素子の短絡状態を継続し、前記インバータ回路を３相短絡または上下アーム短絡させる電力変換装置。
3. 請求項２に記載の電力変換装置において、
   前記直流電源からの正極電源線と前記スイッチング素子のゲート端子との間に設けられたスイッチと、前記スイッチのオン/オフを制御する短絡制御回路とを備え、
   前記短絡制御回路は、前記安全状態への移行指令を受けた場合に、前記インバータ回路を３相短絡又は上下アーム短絡させるために、前記スイッチを所定時間オンして前記スイッチング素子の短絡状態を継続する電力変換装置。
4. 請求項３に記載の電力変換装置において、
   前記短絡制御回路は、前記安全状態への移行指令を受けた場合に、かつ前記直流電源からの正極電源線と負極電源線との間の電圧に異常が検知されなかった場合に、前記インバータ回路の上アームまたは下アームの前記スイッチング素子のゲート端子と前記正極電源線との間に設けられた前記スイッチをオンして、前記インバータ回路を３相短絡する電力変換装置。
5. 請求項３に記載の電力変換装置において、
   前記短絡制御回路は、前記安全状態への移行指令を受けた場合に、かつ前記直流電源からの正極電源線と負極電源線との間の電圧に異常が検知された場合に、前記インバータ回路の１相分の上アームおよび下アームの前記スイッチング素子のゲート端子と前記正極電源線との間に設けられた前記スイッチをオンして、前記インバータ回路を上下アーム短絡する電力変換装置。

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