JP4418318B2

JP4418318B2 - 電力変換装置及びそれを用いた電気車

Info

Publication number: JP4418318B2
Application number: JP2004216758A
Authority: JP
Inventors: 政道名和; 光一八幡
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2004-07-26
Filing date: 2004-07-26
Publication date: 2010-02-17
Anticipated expiration: 2024-07-26
Also published as: JP2006042459A

Description

本発明は、新規な電力変換装置及びそれを用いた電気車に関する。

特許文献１には、インバータ入力段に設けられた平滑コンデンサを放電させる放電回路の例が示されている。引用文献１に示されている放電回路は、直流電源に電圧が予め設定された電圧より低下したかどうかを検出し、その状況により放電させている。又、特許文献２には電気自動車のインバータに設けた平滑コンデンサの電圧を測定し、コンタクタの異常を判定し、放電回路が故障したかどうかを判定している。

特開２０００−１８８８２８号公報特開平１０−２５７７７８号公報

特許文献１及び２いずれにおいても、放電の原理は、コンタクタが熱などにより溶着し、直流電源と放電抵抗が直接接続された状態において、放電抵抗に過大な電流が流れることによる放電抵抗の保護について考慮されていない。しかし、放電抵抗並びに放電回路を保護するためには、正確な判定をした上で放電抵抗に流れる電流を制御する必要がある。従って、コンタクタが溶着してしまった時に放電回路を破損することないようにすれば、放電回路の修理をする必要はなくなる。

本発明の目的は、使用者が誤って電力変換装置のインバータ筐体を開けた時、コンデンサの電荷を急速に放電し感電を防ぐことができ、又、コンタクタが熱などにより故障し溶着した時、過電流による放電抵抗と制御回路の破損を防ぐことができる電力変換装置及びそれを用いた電気車を提供することにある。

本発明は、直流電源から供給される直流電流を交流電流に変換して負荷へ供給する変換部と、
該変換部の直流側に設けられた平滑コンデンサと、該平滑コンデンサと並列に設けられた第１放電抵抗と、第２放電抵抗を有し該第２放電抵抗に流す電流を制御する放電制御回路と、該放電制御回路に放電指示を与えるインターロック回路と、前記変換部への前記直流電流の供給及び遮断を行うコンタクタを制御する制御ユニットと、を有する電力変換装置において、
前記放電制御回路は、
前記第２放電抵抗と電気的に直列に接続され、且つ、スイッチング動作に応じて前記平滑コンデンサの放電を制御する放電用スイッチング素子と、
前記放電用スイッチング素子に伝達されるゲート信号が、当該放電用スイッチング素子がオン状態となるための立ち上がり信号と当該放電用スイッチング素子がオフ状態となるための立ち下がり信号とを周期的に繰り返すように当該ゲート信号を出力するタイマ回路部と、
前記平滑コンデンサの端子電圧の変化に基づいて、前記放電用スイッチング素子のオン状態となる時間を制御する放電用スイッチング素子制限回路部とを有することを特徴とする電力変換装置にある。

即ち、本発明は、インターロック回路が外れた時、コンタクタが作動したか否かを検査するため、平滑コンデンサの直流電圧の変動を検知すると共に、第２放電抵抗が耐え得る範囲でスイッチングし、第２放電抵抗に流れる電流を放電制御回路によって制御するものである。

前記放電制御回路は前記インターロック回路が作動した時に前記コンタクタが外れたかどうかを判断する判断手段を有すること、又、前記判断手段が前記平滑コンデンサの端子電圧の変化を検知する微分回路であること、更に前記電流制御手段は、前記第２放電抵抗に流れる電流を制御するスイッチング回路であることが好ましい。

又、本発明は、直流電源から供給された電力を変換する電力変換装置と、該電力変換装置の出力を受けて駆動する動力部とを有する電気車において、前記電力変換装置は前述に記載の電力変換装置からなることを特徴とする。

本発明によれば、使用者が誤って電力変換装置のインバータ筐体を開けた時、コンデンサの電荷を急速に放電し感電を防ぐことができ、又、コンタクタが熱などにより故障し溶着した時、過電流による放電抵抗と制御回路の破損を防ぐことができる電力変換装置及びそれを用いた電気車を提供することができる。

図１は本実施例の電力変換装置を有する電気自動車のシステムブロック図である。本システムは、電力変換装置2と、車両制御ユニット5と、バッテリー3により供給される直流電源と、走行モータ4と、車輪6とを有するものである。

電力変換装置2は、直流電源からの電力を車両制御ユニット5及び電力変換制御ユニット12を用いて制御し、直流から交流に変換するPWM（パルス幅変調）電力変換モジュール13と、放電制御回路11と、インターロック回路21と、インターロック回路21に接続されたフォトカプラ22と、車両制御ユニット5によって制御されるコンタクタ24とを有し、インバータ筐体に設置されている。又、電力変換装置2の高電位入力端子及び低電位入力端子間に、電解コンデンサよりなる平滑コンデンサ23と第１放電抵抗25が並列に接続される。第１放電抵抗25は、放電制御回路11の故障時に平滑コンデンサ23の電荷を放電する。

バッテリー3により供給される直流電源の電力は、PWM（パルス幅変調）電力変換モジュール13において直流から交流に変換し、走行モーター4を駆動させ、車輪6を回転させている。又、走行モータ4の非駆動時(回生時)には走行モータ4が発電した三相交流電力を直流電力に変換してバッテリ3に供給する。

図２は本実施例の放電制御回路並びにインターロック回路の詳細を示す回路図である。図１の平滑コンデンサ23と第１放電抵抗25は図２の平滑コンデンサ41と第１放電抵抗46と同じものである。インターロック回路30は電力変換装置2のインバータ筐体に接続され、インバータ筐体を開いた時はインターロック回路30が外れ、インターロック回路30が遮断される。インターロック回路30が遮断されると、フォトカプラ33に供給されていた電流がオフになり、絶縁された側のトランジスタT3がオンとなる。又、同時に微小な遅れで高圧電源となるバッテリ42と平滑コンデンサ41を繋ぐコンタクタ32が外れる。コンタクタ32が開いた瞬間に放電を開始するよう、抵抗R2とコンデンサC1により、インターロック用スイッチ31が外れてからコンタクタ32が外れるまでの時間差を設定する。

タイマ回路35と Delay回路36の電圧は電源ＩＣ 34により供給される。 Delay回路36はＮＯＴゲート43により逆の論理波形となる。トランジスタT1はフォトカプラ33がオンの時はオンになり、タイマ回路35は作動していない状況にある。又、コンタクタ32の高圧電源の差分を抵抗R4、R5により取り込み、微分回路37で電圧が変化したがどうかを検出する。更に、１ショット回路38を用いてパルスを生成し、Delay回路36とＮＯＴゲート43と共にＡＮＤゲート44に取り込まれる。トランジスタT2はスイッチング用ＭＯＳＦＥＴ45にタイマ回路35に生成された連続的なパルスを挿入するか、ＡＮＤゲート44後のパルスにより連続的なパルスを途中で止める役割がある。第１放電抵抗46は高電圧に耐えるが抵抗値は比較的小さく、ゆるやかに放電する。第２放電抵抗40は比較的抵抗値が高いものを選ぶのが良い。

図３はコンタクタが正常に外れた時の各リレー、抵抗、トランジスタ、ＭＯＳＦＥＴ及びコンデンサの動作を示すタイミングチャートである。本タイミングチャートでは、コンタクタ32がインターロック回路21の解除と共に外れた場合を想定する。コンタクタ32が切れた瞬間、フォトカプラ33のトランジスタT3がオフとなり、抵抗R2の電圧Vinの電圧がオンとなる。抵抗R2と平滑コンデンサC1に微小の遅れを生成した後、スイッチング用ＭＯＳＦＥＴ45のＧＡＴＥ端子の電圧Vgのタイマー回路35がオンし、それにより、第２放電抵抗40のスイッチング用ＭＯＳＦＥＴ45がオンする。又、その瞬間、コンタクタ32が外れて平滑コンデンサ41の放電が始まり、VcのＲＣ特性波形になる。その電圧の変化を微分すると立ち上がりのエッジが検出され、その立ち上がりエッジをトリガーとして1shotの波形が生成される。Delay回路36とＮＯＴゲート43により生成された電圧VcheckはVgの立ち上がりエッジより数ms遅れて立ち上がりタイマー回路35が数ms遅れた波形になる。Vcheckの遅れはコンタクタ32が外れていない時に第２放電抵抗40が耐えうることができる時間に設定され、ＡＮＤ理論ゲート44に取り込まれた時に1shot３８がオフならばトランジスタT2に変化はない。よってトランジスタT2はオフのまま第２放電抵抗40に電流が流れ、平滑コンデンサ41の電荷は放電される。Iinはインターロック回路30に流れる電流である。

図４は、コンタクタが溶着によって正常にしばらくオフしなかった時の各リレー、抵抗、トランジスタ、ＭＯＳＦＥＴ及びコンデンサの動作を示すタイミングチャートである。図４に示すように、コンタクタ32が熱などの要因により溶着し、電源42と第２放電抵抗40が直接繋がってしまった場合、本実施例の放電制御回路11により第２放電抵抗40が破損しないようなタイミングで第２放電抵抗40に流れる電流を調節することができる。

インターロック用スイッチ31が外れると同時にフォトカプラ33のトランジスタT3の電圧がオンになり、抵抗R2とコンデンサC1に微小の遅れを生成した後、抵抗Ｒ２の電圧Vinのタイマー回路35がオンし、それにより、第２放電抵抗40のスイッチング用ＭＯＳＦＥＴ45がオンする。しかし、コンタクタ32が外れていない為、放電が始まらず平滑コンデンサ41の電圧は前回と変わらない。微分回路37は平滑コンデンサ41の電圧の変化分を検知しないので電圧の立ち上がりはない。

よって、1shot回路38もパルスを生成しない。故に１ショット回路38の出力V１shotとVcheckをＡＮＤゲート44により統合しトランジスタT2のゲートに掛かる電流Vshutはオフになり、スイッチング用ＭＯＳＦＥＴ45にはVgのタイマー回路35がオンオフを繰り返す波形が挿入される。スイッチング用ＭＯＳＦＥＴ45のオンオフによりその時間、第２放電抵抗40に流れる電流は制限され、第２放電抵抗40の破損を防ぐ。又、この動作中、コンタクタ32が正常にオフするとVgの立ち上がりと、微分回路37と1shotによって生成されたパルスによりトランジスタT2はオフになり第２放電抵抗40に電流が流れ、平滑コンデンサ41の電荷は放電される。尚、前述の説明では放電用スイッチング素子にスイッチング用MOSFET45を用いたが、IGBTなどのスイッチング素子も適応できる。

本実施例によれば，電力変換装置2のインバータ筐体を誤って開けたとき、インターロック回路30が起動し、同時に平滑コンデンサ41の電荷を検知する回路を設けることにより、インバータ筐体を開けたという条件とコンタクタ32の溶着により平滑コンデンサ41の電荷が下がらないという条件を判断し、第２放電抵抗40に流す電流を制御する放電制御回路11を平滑コンデンサ41付近に設けることにより第２放電抵抗40の破損を防ぐことができる。

又、高電圧の直流電源を有する電力変換装置において、最も重要な課題は安全性にある。本実施例における電力変換装置は、そのインバータ筐体を開けた時、急速に放電できる第２放電抵抗40に流れる電流を制御する放電制御回路11を平滑コンデンサ41の回路付近で制御するため、第２放電抵抗40の損失をなくし、迅速に放電が出来るようになる。これは使用者が誤って電力変換装置2のインバータ筐体を開けた時、平滑コンデンサ41に電荷が溜まっていない状態となり感電を防ぐことが出来る。

又、コンタクタ32が溶着してしまった時に第２放電抵抗40が破損しない程度の電流を第２放電抵抗40に流す制御を行うので、第２放電抵抗40並びに放電制御回路11自体を破損することなく、過電流による抵抗の焼き切れを防止し、第２放電抵抗40の焼け切れによる火災を防ぐことができる。

更に、コンタクタ32の故障時に第２放電抵抗40に流れる電流が制限され、第２放電抵抗40及び放電制御回路11が壊れることを防止できるので、高価な回路部品の修理に要する費用を削減できる。又、本実施例の強制的な放電制御回路11は車両制御ユニット5と別の位置に設けることにより、車両制御ユニットが故障した場合でも、放電の制御ができる。

本実施例は、バッテリと平滑コンデンサを実装した電気推進車において利用可能であり、又、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の設計変更を行うことが可能である。

本発明に係る電気自動車用システムブロック図である。本発明に係る放電制御回路図である。コンタクタが正常に外れた時の各リレー、抵抗、トランジスタ、ＭＯＳＦＥＴ及びコンデンサの動作を示すタイミングチャートである。コンタクタがしばらくオフしなかった時の各リレー、抵抗、トランジスタ、ＭＯＳＦＥＴ及びコンデンサの動作を示すタイミングチャートである。

符号の説明

1…電気自動車用システム、2…電力変換装置、3、42…バッテリ、4…走行モータ、5…車両制御ユニット、6…車輪、11…放電制御回路、12…電力変換制御ユニット、13…PWM電力変換モジュール、21、30…インターロック回路、22、33…フォトカプラー、23、41…平滑コンデンサ、31…インターロック用スイッチ、24、32…コンタクタ、34…電源IC、35…タイマ回路、36…Delay回路、37…微分回路、38…1ショット、25、46…第１放電抵抗、40…第２放電抵抗、43…ＮＯＴゲート43、44…ＡＮＤゲート、45…スイッチング用MOSFET、C1…平滑コンデンサ、T1、T2…トランジスタ、Iin…インターロック回路に流れる電流、Vin…Ｒ２の電圧、Vg…スイッチング用ＭＯＳＦＥＴのＧＡＴＥ端子の電圧、V1shot…１ショット回路の出力、Vcheck…Delay回路とバッファーにより生成された電圧、Vshut…V１shortとVcheckをＡＮＤゲートにより統合しトランジスタ２のゲートに掛かる電流。

Claims

直流電源から供給される直流電流を交流電流に変換して負荷へ供給する変換部と、
該変換部の直流側に設けられた平滑コンデンサと、
該平滑コンデンサと並列に設けられた第１放電抵抗と、
第２放電抵抗を有し該第２放電抵抗に流す電流を制御する放電制御回路と、
該放電制御回路に放電指示を与えるインターロック回路と、
前記変換部への前記直流電流の供給及び遮断を行うコンタクタを制御する制御ユニットと、を有する電力変換装置において、
前記放電制御回路は、
前記第２放電抵抗と電気的に直列に接続され、且つ、スイッチング動作に応じて前記平滑コンデンサの放電を制御する放電用スイッチング素子と、
前記放電用スイッチング素子に伝達されるゲート信号が、当該放電用スイッチング素子がオン状態となるための立ち上がり信号と当該放電用スイッチング素子がオフ状態となるための立ち下がり信号とを周期的に繰り返すように当該ゲート信号を出力するタイマ回路部と、
前記平滑コンデンサの端子電圧の変化に基づいて前記放電用スイッチング素子のオン状態となる時間を制御する放電用スイッチング素子制限回路部とを有する
ことを特徴とする電力変換装置。
請求項１において、前記放電制御回路は、前記インターロック回路が作動した時に前記コンタクタが外れたかどうかを判断する判断手段を有することを特徴とする電力変換装置。
請求項２において、前記判断手段が、前記平滑コンデンサの端子電圧の変化を検知する微分回路であることを特徴とする電力変換装置。
直流電源から供給された電力を変換する電力変換装置と、該電力変換装置の出力を受けて駆動する動力部とを有する電気車において、前記電力変換装置は請求項１〜３のいずれかに記載の電力変換装置からなることを特徴とする電気車。