JP5353791B2 - 電力変換装置 - Google Patents

Description

本発明は、ハイブリッド自動車、電気自動車及び燃料電池車等の車両に搭載されるインバータ及びシリーズレギュレータを有する電力変換装置に関する。

従来、図１に示すように車両用の電力変換装置１は、直流のバッテリ１０が接続されたコンバータ２０と、例えばモータジェネレータＭＧを駆動制御するインバータ３０と、シリーズレギュレータ４０と、駆動制御部５０とを備え、更に、コンバータ２０とインバータ３０の間の正極側配線と負極側配線との間に、蓄電の役割も有するサージ電圧吸収用の平滑コンデンサ６０が並列に接続され、この平滑コンデンサ６０に対して放電抵抗器６２が並列にされて構成されている。また、コンバータ２０及びインバータ３０は１つのケースに収容され、シリーズレギュレータ４０はプリント基板に構成され、この基板がそのケースに搭載されて電力変換装置１を成す構成となっている。

バッテリ１０はコンバータ２０に直流電力を供給すると共に、コンバータ２０から回生される直流電力を蓄電する。コンバータ２０は、バッテリ１０から供給された直流電力を昇圧してインバータ３０へ出力し、またインバータ３０から出力された直流電力を降圧してバッテリ１０へ出力する。モータジェネレータＭＧは、インバータ３０に接続されており、バッテリ１０から供給される電力により駆動する。発電機として働く場合は、交流電力をインバータ３０に出力する。

平滑コンデンサ６０は、コンバータ２０で昇圧された直流電圧を平滑化し、高電圧の電荷を蓄電する。シリーズレギュレータ４０は、コンバータ２０に接続された平滑コンデンサ６０に対して抵抗器Ｒを介して複数のトランジスタＴ１〜Ｔ４がドレイン側とソース側とが直列に接続された降圧のみ可能な定電流直流電源回路であり、平滑コンデンサ６０に蓄電された高電圧を降圧して駆動制御部５０に定電圧を出力する。なお、各トランジスタＴ１〜Ｔ４は、ＭＯＳ（Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）型トランジスタであるとする。

更に、シリーズレギュレータ４０は、直列接続された最降段のトランジスタＴ４のソース側が駆動制御部５０に接続されると共に、コンデンサＣ１を介してコンバータ２０の負極側配線に接続されており、各トランジスタＴ１〜Ｔ４のゲート側が、コンバータ２０の正極側配線と負極側配線との間に直列接続された複数のバランス抵抗器Ｒ１〜Ｒ４の間に接続されている。但し、最降段のバランス抵抗器Ｒ４とコンバータ２０の負極側配線との間にツェナーダイオードＴＤが接続されており、最降段のトランジスタＴ４のゲート側はバランス抵抗器Ｒ４とツェナーダイオードＴＤとの間に接続されている。また、ＶＨはシリーズレギュレータ４０への印加電圧を示す。

インバータ３０は、Ｕ相、Ｖ相及びＷ相からなり、Ｕ相、Ｖ相及びＷ相はコンバータ２０に並列に接続され、このコンバータ２０によって昇圧された直流電力を三相交流に変換して、モータジェネレータＭＧに出力する。また、モータジェネレータＭＧが発電機として働く場合は、モータジェネレータＭＧから出力される交流電力を直流に変換してコンバータ２０に出力する。

インバータ３０のＵ相は、高圧側の半導体素子の上アーム用のスイッチング素子３４と高圧ＧＮＤ側の半導体素子の下アーム用のスイッチング素子３５とが直列に接続されてなる。同様に、Ｖ相は上アーム用のスイッチング素子３６と下アーム用のスイッチング素子３７、Ｗ相は上アーム用のスイッチング素子３８と下アーム用のスイッチング素子３９が直列に接続されてなる。

各スイッチング素子３４〜３９のコレクタ−エミッタ間には、エミッタ側からコレクタ側へ電流を流すダイオードＤ３〜Ｄ８がそれぞれ接続されている。ＵＶＷ各相の中間点は、モータジェネレータＭＧの各相コイル（図示略）の各相端に接続されている。ここで、コンバータ２０及びインバータ３０にそれぞれ含まれるスイッチング素子は、ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）等のパワーデバイスが用いられているとする。

このような構成の電力変換装置１によれば、駆動制御部５０によるインバータ３０の各スイッチング素子３４〜３９のスイッチング制御によって、コンバータ２０で昇圧されたバッテリ１０の直流電力がインバータ３０で三相交流に変換され、この三相交流でモータジェネレータＭＧが駆動される。一方、モータジェネレータＭＧが発電機として働く場合は、モータジェネレータＭＧから出力される交流電力がインバータ３０で直流電力に変換され、更にコンバータ２０で降圧されてバッテリ１０に回生される。

ところで、車両の衝突時は平滑コンデンサ６０の蓄積電荷が危険なため、衝突後短時間でそれを抜く規定の定めが有る。このため平滑コンデンサ６０の電荷を抜くために平滑コンデンサ６０に並列に放電抵抗器６２が接続されている。

また、上記の電力変換装置１としては例えば特許文献１に記載のものがあり、シリーズレギュレータ４０としては特許文献２に記載のものがある。

特開２００５−２５３２７６号公報 特開２００７−２５７１０４号公報

しかし、上述した従来の電力変換装置１においては、平滑コンデンサ６０の電荷を抜くために放電抵抗器６２が接続されているが、この放電抵抗器６２は大電力用であるため、抵抗値が大きく体積が非常に大きいセメント抵抗器が用いられている。また、シリーズレギュレータ４０の各トランジスタＴ１〜Ｔ４のゲート側に接続される複数のバランス抵抗器Ｒ１〜Ｒ４は、抵抗値が小さいとトランジスタＴ１〜Ｔ４が安定動作するが、この場合、発熱が増加するため、各バランス抵抗器Ｒ１〜Ｒ４として例えば４００ｋΩのような大容量のものが用いられており、このため各バランス抵抗器Ｒ１〜Ｒ４が大きくなる。これらのことから、電力変換装置１が大型化となる問題があった。

なお、放電抵抗器６２をシリーズレギュレータ４０の基板に搭載することも考えられるが、この場合も大型の専用の抵抗器を搭載しなければならないので基板が大型となり電力変換装置１の大型化に繋がる。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、平滑コンデンサが接続されているインバータの制御用電源にシリーズレギュレータが用いられた電力変換装置の小型化を図ることができる電力変換装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するためになされた請求項１に記載の発明は、直流電圧を昇圧するコンバータと、前記コンバータでの昇圧電圧を交流電圧に変換するインバータと、これらコンバータとインバータとの間に並列接続され、当該コンバータで昇圧された直流電圧を平滑化し、電荷を蓄電する平滑コンデンサと、この平滑コンデンサの蓄積電荷を放電する放電抵抗器と、前記平滑コンデンサに対して負荷を介して各々のドレイン側とソース側とが直列に接続され、前記平滑コンデンサに対して直列接続されている複数の抵抗器間に各ゲート側が接続された複数のトランジスタを有し、当該複数のトランジスタで降圧された前記平滑コンデンサの蓄積電圧を前記インバータの制御用電圧とするシリーズレギュレータとを備える電力変換装置において、前記放電抵抗器を無くし、前記シリーズレギュレータの複数の抵抗器の合成抵抗値を、前記平滑コンデンサの蓄積電荷を所定時間で放電するに必要な抵抗値としたことを特徴とする。

この構成によれば、放電抵抗器は抵抗値が大きく体積が非常に大きいが、この放電抵抗器を無くしたので、電力変換装置の小型化を図ることができる。また、シリーズレギュレータにおいて各トランジスタのゲート側が接続される抵抗器の合成抵抗値を、平滑コンデンサの蓄積電荷を所定時間で放電するに必要な抵抗値、即ち放電抵抗器の放電抵抗値としたので、個々の抵抗器の抵抗値が従来構成の場合よりも小さくなり、これによって各トランジスタを安定動作させることが出来る。

請求項２に記載の発明は、前記シリーズレギュレータから出力される制御用電圧によって前記インバータを制御する駆動制御手段を更に備える際に、前記シリーズレギュレータは、前記制御用電圧を前記駆動制御手段へ出力状態又は非出力状態とするスイッチング手段を更に備えることを特徴とする。

この構成によれば、スイッチング手段により駆動制御手段へシリーズレギュレータからの制御用電圧が非出力状態とされている場合は、駆動制御手段は制御停止状態である。一方、スイッチング手段により駆動制御手段へ制御用電圧が出力状態とされると、駆動制御手段が制御動作を行ない、この際の消費電流で複数のトランジスタに流れる電流量が増えるので、平滑コンデンサの電荷の放電がより速く行われるようになる。

請求項３に記載の発明は、前記駆動制御手段は、前記インバータへ所定速度よりも速く電流を流す急速放電手段を備え、前記シリーズレギュレータの複数のトランジスタの内、前記制御用電圧を出力する最降段のトランジスタが当該急速放電手段に接続されていることを特徴とする。

この構成によれば、急速放電手段による急速放電時に平滑コンデンサ両端のインピーダンスが下がるので、放電時の損失を下げることができ、これによって放電時間を早くすることができる。

従来の電力変換装置の構成を示す回路図である。 本発明の第１実施形態に係る電力変換装置の構成を示す回路図である。 本発明の第２実施形態に係る電力変換装置の構成を示す回路図である。 第２実施形態に係る電力変換装置の応用例の構成を示す回路図である。

以下、本発明の実施形態を、図面を参照して説明する。但し、本明細書中の全図において相互に対応する部分には同一符号を付し、重複部分においては後述での説明を適時省略する。

（第１実施形態）
図２は、本発明の第１実施形態に係る電力変換装置の構成を示す回路図である。

図２に示す電力変換装置１−１が、図１に示した従来の電力変換装置１と異なる点は、放電抵抗器６２を無くし、シリーズレギュレータ４０−１の各トランジスタＴ１〜Ｔ４のゲート側に接続されるバランス抵抗器Ｒ１１〜Ｒ１４を後述する抵抗値として放電抵抗器の役割も兼ねさせたことにある。

即ち、本実施形態ではバランス抵抗器Ｒ１１〜Ｒ１４の合成抵抗値Ｒｋを放電抵抗器６２の抵抗値（放電抵抗値Ｒｎ）とした。但し、バランス抵抗器Ｒ１１〜Ｒ１４の各抵抗値はＲ１１ｋ、Ｒ１２ｋ、Ｒ１３ｋ、Ｒ１４ｋであり、合成抵抗値Ｒｋ＝Ｒ１１ｋ＋Ｒ１２ｋ＋Ｒ１３ｋ＋Ｒ１４ｋと成る。

ここで、放電抵抗値Ｒｎを求める。平滑コンデンサ６０に蓄積される電気量をＣＶ（但し、Ｖはコンデンサ導体間の電位差）、単位時間ｔ当たりの放電電流をＩｔとした場合、ＣＶ＝Ｉｔ＝Ｖｔ／Ｒｎより、Ｒｎ＝ｔ／Ｃの式（１）と成る。この式（１）に例えばＣ＝２０００［μＦ］、ｔ＝６００［ｓｅｃ］を代入すると、Ｒｎ＝６００／（２０００×１０^−６）＝３００［ｋΩ］と成る。

Ｒｎ＝Ｒｋ＝Ｒ１１ｋ＋Ｒ１２ｋ＋Ｒ１３ｋ＋Ｒ１４ｋなので、４つのバランス抵抗器Ｒ１１〜Ｒ１４の抵抗値Ｒ１１ｋ＋Ｒ１２ｋ＋Ｒ１３ｋ＋Ｒ１４ｋは、３００ｋΩ／４＝７５ｋΩと成る。このバランス抵抗器Ｒ１１〜Ｒ１４によって、車両の衝突時に平滑コンデンサ６０の蓄積電荷が放電される。

このように第１実施形態の電力変換装置１−１によれば、シリーズレギュレータ４０−１の各トランジスタＴ１〜Ｔ４のゲート側に接続されるバランス抵抗器Ｒ１１〜Ｒ１４を、放電抵抗器６２としての役割を兼ねさせ、インバータ３０側の平滑コンデンサ６０に並列接続された体積の非常に大きい放電抵抗器６２を無くした。これによって、電力変換装置１−１の小型化を図ることができる。

また、各バランス抵抗器Ｒ１１〜Ｒ１４の合成抵抗値Ｒｋを放電抵抗値Ｒｎとしたので、個々のバランス抵抗器Ｒ１１〜Ｒ１４の抵抗値が従来構成の場合よりも小さくなる。これによって各トランジスタＴ１〜Ｔ４を安定動作させることができ、シリーズレギュレータ４０−１の降圧動作を安定させることができる。

（第２実施形態）
図３は、本発明の第２実施形態に係る電力変換装置の構成を示す回路図である。

図３に示す電力変換装置１−２が、図２に示した電力変換装置１−１と異なる点は、シリーズレギュレータ４０−２に、ツェナーダイオードＴＤをオン又はオフとする光カプラ等によるスイッチング回路６５を設けたことにある。なお、ツェナーダイオードＴＤ及びスイッチング回路６５によりスイッチング手段が構成されている。

スイッチング回路６５がオン状態では、ツェナーダイオードＴＤからスイッチング回路６５へ電流が流れるので、駆動制御部（駆動制御手段）５０への印加電圧は０Ｖとなる。この場合、駆動制御部５０は制御停止状態となる。

一方、スイッチング回路６５がオフとなると、ツェナーダイオードＴＤに例えば１５Ｖの電圧が掛かっている際に、最降段のトランジスタＴ４のゲート−ソース間に−３Ｖの電圧が印加されるとすると、駆動制御部５０には１２Ｖの電圧が印加される。この場合、駆動制御部５０が制御動作を行うが、この際の消費電流Ｉａも流れるので複数のトランジスタＴ１〜Ｔ４に流れる電流量が増えるので、平滑コンデンサ６０の電荷の放電がより速く行われるようになる。

また、図４に示すように、駆動制御部５０に、インバータ３０へ通常の所定速度よりも速く電流を流す急速放電回路（急速放電手段）５０ａを備え、シリーズレギュレータ４０の最降段のトランジスタＴ４のソース側が急速放電回路５０ａに接続された構成としてもよい。

この場合、急速放電回路５０ａによる急速放電時に平滑コンデンサ６０の両端のインピーダンスが下がるので、放電時の損失を下げることができ、これによって放電時間を早くすることができる。

１，１−１，１−２，１−３ 電力変換装置
１０ バッテリ
２０ コンバータ
３０ インバータ
３４〜３９ スイッチング素子
４０，４０−１，４０−２ シリーズレギュレータ
５０ 駆動制御部
５０ａ 急速放電回路
６０ 平滑コンデンサ
６２ 放電抵抗器
６５ スイッチング回路
Ｄ１〜Ｄ８ ダイオード
ＭＧ モータジェネレータ
Ｔ１〜Ｔ４ トランジスタ
Ｒ１〜Ｒ４，Ｒ１１〜Ｒ１４ バランス抵抗器
ＴＤ ツェナーダイオード

Claims (3)

1. 直流電圧を昇圧するコンバータと、前記コンバータでの昇圧電圧を交流電圧に変換するインバータと、これらコンバータとインバータとの間に並列接続され、当該コンバータで昇圧された直流電圧を平滑化し、電荷を蓄電する平滑コンデンサと、この平滑コンデンサの蓄積電荷を放電する放電抵抗器と、前記平滑コンデンサに対して負荷を介して各々のドレイン側とソース側とが直列に接続され、前記平滑コンデンサに対して直列接続されている複数の抵抗器間に各ゲート側が接続された複数のトランジスタを有し、当該複数のトランジスタで降圧された前記平滑コンデンサの蓄積電圧を前記インバータの制御用電圧とするシリーズレギュレータとを備える電力変換装置において、
   前記放電抵抗器を無くし、
   前記シリーズレギュレータの複数の抵抗器の合成抵抗値を、前記平滑コンデンサの蓄積電荷を所定時間で放電するに必要な抵抗値としたことを特徴とする電力変換装置。
2. 前記シリーズレギュレータから出力される制御用電圧によって前記インバータを制御する駆動制御手段を更に備える際に、前記シリーズレギュレータは、前記制御用電圧を前記駆動制御手段へ出力状態又は非出力状態とするスイッチング手段を更に備えることを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
3. 前記駆動制御手段は、前記インバータへ所定速度よりも速く電流を流す急速放電手段を備え、前記シリーズレギュレータの複数のトランジスタの内、前記制御用電圧を出力する最降段のトランジスタが当該急速放電手段に接続されていることを特徴とする請求項２に記載の電力変換装置。

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