JP5470960B2 - 電力変換装置及び電力変換装置の放電方法 - Google Patents

Description

本発明は、直流電圧を交流電圧に変換する電力変換装置及び電力変換装置の放電方法に関する。

従来より、直流電源から供給された直流電力をインバータにより交流電力に変換して、交流モータを駆動する技術が知られている（下記の特許文献１を参照）。この特許文献１には、インバータの保守、点検又は修理の前に、平滑用コンデンサに蓄えられた電荷を交流モータの巻線抵抗に流して放電させることが記載されている。

特開平９−７０１９６号公報

しかしながら、上述した技術においては、交流モータをインバータから切り離している場合や、交流モータの巻線が断線している場合に、平滑用コンデンサに蓄えられた電荷を放電することができないという問題があった。

そこで、本発明は、上述した実情に鑑みて提案されたものであり、電力変換装置に電動機が接続されているか否かに拘わらず蓄電手段の電荷を放電することを目的とする。

本発明は、直流電源に接続された蓄電手段と、前記蓄電手段の正端子及び負端子にそれぞれ接続された一対のスイッチング素子を複数備えたスイッチング手段と、前記スイッチング素子に対して各々並列に接続された整流素子と、前記各スイッチング素子の状態を通電状態と遮断状態との間で切り換えるスイッチング動作をさせ、前記直流電源から供給された直流電力を交流電力に変換させる制御手段とを備える。本発明は、上述の課題を解決するために、制御手段により、一対のうち一方のスイッチング素子を飽和領域にて通電させた状態で保持し、一対のうち他方のスイッチング素子を通電状態と遮断状態とを繰り返してスイッチング動作させて、蓄電手段の放電動作を行わせる。

本発明によれば、一対のうち一方のスイッチング素子を飽和領域にて通電させた状態で保持し、一対のうち他方のスイッチング素子を通電状態と遮断状態とを繰り返してスイッチング動作させるので、当該電力変換装置に電動機が接続されているか否かに拘わらず蓄電手段の電荷を放電することができる。

本発明の第１実施形態として示す電動機制御装置の構成を示すブロック図である。 本発明の第１実施形態として示す電動機制御装置におけるモータコントローラの構成を示すブロック図である。 本発明の第１実施形態として示す電動機制御装置におけるゲート駆動回路の構成を示す回路図である。 本発明の第１実施形態として示す電動機制御装置の停止時動作を示すフローチャートである。 本発明の第１実施形態として示す電動機制御装置における各部の動作を示すタイミングチャートである。 本発明の第１実施形態として示す電動機制御装置におけるゲート電圧とコレクタ電流との関係を示す図である。 本発明の第１実施形態として示す電動機制御装置において、スイッチング素子に対する電圧印加時間を変更した時のコレクタ電流とゲート電圧との関係を示す図である。 本発明の第２実施形態として示す電動機制御装置の停止時動作を示すフローチャートである。 本発明の第２実施形態として示す電動機制御装置における各部の動作を示すタイミングチャートである。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。

［第１実施形態］
本発明の第１実施形態として示す電動機制御装置は、例えば図１に示すように構成されている。この電動機制御装置は、例えば車両に搭載され、電気車の車軸に結合した三相交流モータ１により車両が走行するためのトルクを発生させる。電動機制御装置は、電動機としての三相交流モータ１，直流電源２，リレー回路３，電力変換装置としてのインバータ回路（スイッチング手段）４を有する。

三相交流モータ１は、例えば同期モータを用いることが望ましい。なお、三相交流モータ１は、３相２相変換により、当該三相交流モータ１を励磁する励磁電流成分とトルクを付与するトルク電流成分に従って制御されるモータであれば良い。この三相交流モータ１には、インバータ回路４と３相ハーネスを介して接続されている。三相交流モータ１には、インバータ回路４から供給されたＵ相、Ｖ相、Ｗ相に対応した３相電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗが供給される。この３相電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗは、それぞれ３相の電流センサ６Ｕ，６Ｖ，６Ｗに検出される。

また、三相交流モータ１には、当該三相交流モータ１における回転子位置（モータ絶対角）を検出する回転子位置検出器７が設けられている。回転子位置検出器７は、例えばレゾルバ等からなり、回転子位置［θ］をモータコントローラ１０に出力する。

なお、三相交流モータ１は、インバータ回路４の点検・修理時などに、平滑コンデンサ５の電荷を放電する必要がある。この場合、三相交流モータ１は、インバータ回路４から切り離されていても、後述する動作により、平滑コンデンサ５を放電できる。また、三相交流モータ１の巻線が断線していて、電動機制御装置の点検・修理するときでも、後述する動作により、平滑コンデンサ５の放電を実現できる。

直流電源２は、車両のバッテリ等により構成されている。この直流電源２には、その両端に接続された正極母線及び負極母線を介してリレー回路３が接続されている。

リレー回路３は、車両コントローラ１１により開閉状態が切り換えられる。リレー回路３は、直流電源２の直流電力をインバータ回路４に供給する場合及びインバータ回路４からの回生電力を直流電源２に供給する場合に、開状態に制御される。

インバータ回路４は、複数のスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６及び当該三相交流モータ１の通電方向と逆方向が通電方向とされた整流素子としてのダイオードＤ１〜Ｄ６とを有している。このインバータ回路４は、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６を制御して、直流電源２から直流電力を交流電力に変換し、三相交流モータ１に供給する。なお、図２には、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６としてＩＧＢＴを示したが、ＩＧＢＴに限定するものではなく、電流の通電、遮断の機能を有するものであれば良い。

インバータ回路４は、当該平滑コンデンサ５の正端子及び負端子にそれぞれ接続された複数のスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６と、各スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６に対して並列接続された整流素子であるダイオードＤ１〜Ｄ６とを有する。スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６は、平滑コンデンサ５の両端に接続された一対のスイッチング素子として、Ｑ１とＱ２、Ｑ３とＱ４、Ｑ５とＱ６、といった複数対のスイッチング素子で構成されている。また、インバータ回路４は、リレー回路３とインバータ回路４との間に、直流電源２に接続された蓄電手段としての平滑コンデンサ５を備える。平滑コンデンサ５は、直流電源２に対して並列に接続されている。平滑コンデンサ５は、直流電力を平滑化する。この平滑コンデンサ５の両端電圧は、電圧センサ８により検出されて、電圧センサ信号としてゲート駆動回路９に読み取られる。

このようなインバータ回路４は、当該インバータ回路４による電力変換動作を制御するゲート駆動回路９を備える。このゲート駆動回路９は、三相交流モータ１の各相に接続された複数のスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６を制御して、三相交流モータ１の各相に３相電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗを供給させる。

ゲート駆動回路９は、モータコントローラ１０から供給された信号に基づいて、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６を導通状態と遮断状態との間で切り換える。ゲート駆動回路９は、各スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６のゲート端子と、信号線ＧＵＰ，ＧＵＮ，ＧＶＰ，ＧＶＮ，ＧＷＰ，ＧＷＮを介して接続されている。ゲート駆動回路９は、各スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６を導通状態にする場合には所定のゲート電圧Ｖｇｅを各ゲート端子に印加する。ゲート駆動回路９は、各スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６を遮断状態にする場合には所定のゲート電圧Ｖｇｅの印加を停止する。これにより、ゲート駆動回路９は、各スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６をオンオフ制御して、スイッチング動作をさせる。

また、ゲート駆動回路９は、平滑コンデンサ５の電圧センサ信号を入力し、モータコントローラ１０が認識できる波形レベルに変換し、コンデンサ電圧として出力する。

モータコントローラ１０は、ゲート駆動回路９を制御することにより、インバータ回路４の動作を制御する。モータコントローラ１０は、車両コントローラ１１から供給されたトルク指令Ｔ^＊に基づき、パルス変調（ＰＷＭ）信号を生成する。モータコントローラ１０は、生成したＰＷＭ信号に従って、ゲート駆動回路９によりインバータ回路４を構成する各スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６をオンオフ制御させる。

また、モータコントローラ１０は、インバータ回路４における平滑コンデンサ５を放電させる制御をする。平滑コンデンサ５の放電時には、一対のうち一方のスイッチング素子を飽和領域で通電状態とさせ、一対のスイッチング素子のうち他方のスイッチング素子をスイッチング動作させる。なお、スイッチング素子の飽和状態とは、後述の図６に示すゲート電圧Ｖｇｅを低くした時にコレクタ電流Ｉｃが飽和する領域のことである。すなわち、スイッチング素子に対するゲート電圧Ｖｇｅを低く調整して、当該スイッチング素子を飽和状態とする。

このとき、モータコントローラ１０は、他方のスイッチング素子を通電状態に固定するゲート電圧切替信号ＧＶ＿ＣＨＧを、ゲート駆動回路９に出力する。これに応じて、ゲート駆動回路９は、各スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６の過熱異常や過電流異常状態を検出した場合には、スイッチング素子（ＩＧＢＴ）異常信号をモータコントローラ１０へ出力する。

また、モータコントローラ１０は、平滑コンデンサ５を放電させる制御を行う。このとき、モータコントローラ１０は、三相交流モータ１に付設された回転子位置検出器７から供給された回転子位置［θ］、インバータ回路４から三相交流モータ１に供給される各３相電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗのフィードバック信号や、コンデンサ電圧を入力する。

車両コントローラ１１は、三相交流モータ１の制御に必要な各種信号を取得する。この例において、車両コントローラ１１は、車両における図示しない車両起動用のキースイッチから出力されたキースイッチ信号、シフトレバーから供給されたシフトポジション信号、アクセルペダルから供給されたアクセル信号、ブレーキペダルから供給されたブレーキ信号が供給される。そして、車両コントローラ１１は、供給されたキースイッチ信号及びシフトポジション信号に基づいて、三相交流モータ１の起動又は停止の判断とリレー回路３の開閉制御を行う。これにより、リレー回路３は、キースイッチ信号のオン／オフに連動して、開閉が切り換えられる。また、車両コントローラ１１は、アクセル信号及びブレーキ信号に基づいて三相交流モータ１のトルク指令値Ｔ^＊を演算する。そして車両コントローラ１１は、モータコントローラ１０に対して、三相交流モータ１の起動要求又は停止要求、リレー開閉情報、トルク指令値Ｔ^＊を供給する。

このような電動機制御装置は、平滑コンデンサ５の電力を放電する時に、Ｑ１とＱ２、Ｑ３とＱ４、Ｑ５とＱ６、といった一対のうち一方のスイッチング素子を飽和領域にて通電させた状態で保持し、一対のうち他方のスイッチング素子を通電状態と遮断状態とを繰り返して切り換えさせる放電動作を行わせる。これにより、電動機制御装置は、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６の許容電力以下で、平滑コンデンサ５とスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６間を流れる飽和電流Ｉｃａｐを生じさせることで、平滑コンデンサ５からの放電を行う。

なお、本例では、３組の一対のスイッチング素子が存在するが、後述する放電動作では、スイッチング素子Ｑ２を通電状態で固定子、スイッチング素子Ｑ１をスイッチング動作させる場合について説明する。

「モータコントローラ１０の構成」
つぎに、上述した電動機制御装置におけるモータコントローラ１０の構成について、図２を参照して説明する。

モータコントローラ１０は、電流指令値算出部２１、電流制御部２２、ｄ−ｑ／３相変換部２３、ＰＷＭ信号生成部２４、３相／ｄ−ｑ変換部２５、位相（θ）演算部２６、回転数（電気角速度）演算部２７、及び放電制御部２８を有する。

電流指令値算出部２１は、車両コントローラ１１により算出されたトルク指令値Ｔ^＊と、回転数演算部２７により演算された三相交流モータ１の回転速度ωとに基づいて、ｄ軸電流指令値Ｉｄ^＊及びｑ軸電流指令値Ｉｑ^＊を算出する。ここで、ｄ軸電流とは、三相交流モータ１に流れる３相電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗの励磁電流成分である。ｑ軸電流とは、モータ１に流れる３相電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗのトルク電流成分である。

電流制御部２３は、ｄ軸電流指令値Ｉｄ^＊及びｑ軸電流指令値Ｉｑ^＊と、後述する３相／ｄ−ｑ変換部２５から入力されるｄ軸電流Ｉｄ及びｑ軸電流Ｉｑとに基づいて、ｄ軸電圧指令値Ｖｄ^＊及びｑ軸電圧指令値Ｖｑ^＊を算出する。具体的には、ｄ−ｑ／３相変換部２３は、ｄ軸電流指令値Ｉｄ^＊及びｑ軸電流指令値Ｉｑ^＊と、ｄ軸電流Ｉｄ及びｑ軸電流Ｉｑとの偏差（Ｉｄ^＊−Ｉｄ、Ｉｑ^＊−Ｉｑ）をそれぞれ演算する。ｄ−ｑ／３相変換部２３は、演算した偏差に対して、ＰＩ（比例・積分）演算を行うことにより、ｄ軸電圧指令値Ｖｄ^＊及びｑ軸電圧指令値Ｖｑ^＊を算出する。

ｄ−ｑ／３相変換部２３は、電流制御部２３により算出されたｄ軸電圧指令値Ｖｄ^＊及びｑ軸電圧指令値Ｖｑ^＊と、後述する位相演算部２６で算出される位相θとに基づいて、ｄ軸電圧指令値Ｖｄ^＊及びｑ軸電圧指令値Ｖｑ^＊を３相交流電圧指令値Ｖｕ^＊、Ｖｖ^＊、Ｖｗ^＊に変換する。ｄ−ｑ／３相変換部２３は、変換した３相交流電圧指令値Ｖｕ^＊、Ｖｖ^＊、Ｖｗ^＊を、ＰＷＭ信号生成部２４に出力する。

ＰＷＭ信号生成部２４は、３相交流電圧指令値Ｖｕ^＊、Ｖｖ^＊、Ｖｗ^＊と、三角波信号（キャリア信号）とに基づいて、インバータ回路４を制御するためのＰＷＭ信号を生成する。ＰＷＭ信号生成部２４は、生成したＰＷＭ信号をゲート駆動回路９に供給し、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６をオンオフ制御させる。

３相／ｄ−ｑ変換部２５は、電流センサ６Ｕ，６Ｖ，６Ｗから供給された電流センサ信号としての３相電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗを、ｄ軸電流Ｉｄ及びｑ軸電流Ｉｑに変換する。３相／ｄ−ｑ変換部２５は、変換したｄ軸電流Ｉｄ及びｑ軸電流Ｉｑを、電流制御部２２に出力する。

位相演算部２６は、回転子位置検出器７からの回転子位置［θ］に基づき、三相交流モータ１の回転位相θを演算する。回転数演算部２７は、回転位相θを微分演算することで三相交流モータ１の回転数（電気角速度）ωを演算する。回転数演算部２７は、回転速度ωを電流指令値算出部２１及び放電制御部２８に出力する。

放電制御部２８は、車両コントローラ１１からリレー回路３のオフに伴う停止指令信号及びリレー遮断情報を入力したことに応じて、平滑コンデンサ５に蓄電された電荷を放電するスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６の駆動条件を設定する。ここで、放電制御部２８は、トルク電圧成分であるｑ軸電圧指令値Ｖｑ^＊及び励磁電圧成分であるｄ軸電圧指令値Ｖｄ^＊を、ともに０［Ｖ］に設定する。なお、モータ電流制御時と放電制御時の各ｄ軸電圧指令値Ｖｄ^＊及びｄ軸電圧指令値Ｖｄ^＊は、Ｖｄ^＊・Ｖｑ^＊切替信号により切り替え選択できるように構成する。放電制御部２８は、平滑コンデンサ５の放電時間を短縮し、所定のスイッチング素子に飽和電流を通電できるようなゲート電圧を各スイッチング素子に印加させるゲート電圧切替信号ＧＶ＿ＣＨＧをゲート駆動回路９に出力する。これにより、放電制御部２８は、平滑コンデンサ５の電荷放電時に、各スイッチング素子が破壊されることなくす。

「ゲート駆動回路９の構成」
つぎに、上述した電動機制御装置におけるゲート駆動回路９の構成について、図３を参照して説明する。

ゲート駆動回路９は、モータコントローラ１０のＰＷＭ信号用出力ポート及びゲート電圧切替信号ＧＶ＿ＣＨＧ用出力ポートを介して接続されている。ゲート駆動回路９は、各スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６を駆動するためのＰＷＭ信号（ＰＷＭ＿ＵＰ、ＰＷＭ＿ＵＮ、ＰＷＭ＿ＶＰ、ＰＷＭ＿ＶＰ、ＰＷＭ＿ＶＮ、ＰＷＭ＿ＷＰ、ＰＷＭ＿ＷＮ）が供給される。

ゲート駆動回路９は、直流電源２の正端子側の上アームに接続されたスイッチング素子Ｑ１，Ｑ３，Ｑ５を制御する駆動回路９ＵＰ，９ＶＰ，９ＷＰと、直流電源２の負端子側の下アームに接続されたスイッチング素子Ｑ２，Ｑ４，Ｑ６を制御する駆動回路９ＵＮ，９ＶＮ，９ＷＮとを有する。また、ゲート駆動回路９は、モータコントローラ１０からゲート電圧切替信号ＧＶ＿ＣＨＧを入力する制御回路９ＣＨＧを有する。なお、図３では、スイッチング素子Ｑ１に接続された駆動回路９ＵＰと、スイッチング素子Ｑ２に接続された駆動回路９ＵＮ、制御回路９ＣＨＧのみを示しているが、駆動回路９ＶＰ，９ＷＰ、駆動回路９ＶＮ，９ＷＮは、駆動回路９ＵＰ，９ＵＮと同様に構成されているものとする。

駆動回路９ＵＰ，９ＵＮは、モータコントローラ１０からのＰＷＭ信号が、抵抗Ｒ１及びフォトカプラＴｒ３の入力側ＧＮＤ−Ｃに印加される。該フォトカプラＴｒ３のコレクタ端子は、抵抗Ｒ２を介してゲート用電源Ｖｃｃへプルアップ接続され、プッシュプル構成されたトランジスタＴｒ１及びトランジスタＴｒ２のベース端子に接続されている。プッシュプル構成のトランジスタＴｒ１、トランジスタＴｒ２より、ゲート抵抗Ｒ３、Ｒ４、Ｒ５と、ダイオードＤ１１、Ｄ１２を介してスイッチング素子Ｑ１，Ｑ２におけるゲート端子での充放電を行わせる。

制御回路９ＣＨＧは、モータコントローラ１０からＨｉレベル又はＬｏレベルのゲート電圧切替信号ＧＶ＿ＣＨＧが供給される。モータコントローラ１０による放電制御動作により、ゲート電圧切替信号（ＧＶ＿ＣＨＧ）がＨｉレベルからＬｏレベルとなると、制御回路９ＣＨＧは、フォトカプラＴｒ４がオフとされ、ゲート用電源Ｖｃｃより抵抗Ｒ６を介して、ＭＯＳＦＥＴ（Ｔｒ５）がオンとなる。これにより、抵抗Ｒ８を介してスイッチング素子Ｑ２におけるゲート端子を当該スイッチング素子Ｑ２のエミッタと同電位であるＧＮＤ端子へ地絡させる。

「電動機制御装置の停止時動作」
つぎに、上述した電動機制御装置において、三相交流モータ１の動作を停止させる動作について、図４を参照して説明する。

車両コントローラ１１は、キースイッチ信号が「オフ」となったことを検出したことにより、三相交流モータ１を停止させて電動車の走行を終了すると判断して、停止要求をモータコントローラ１０に供給する。これに応じてモータコントローラ１０は、ステップＳ１以降の処理を開始する。

ステップＳ１では、モータコントローラ１０は、車両コントローラ１１から入力されるリレー開閉情報に基づいて、リレー回路３の遮断が完了したか否かを判定する。リレー回路３の遮断が完了していないと判定した場合には、リレー回路３の遮断が完了した情報を受信するまで待機する。一方、モータコントローラ１０は、車両コントローラ１１からリレー回路３の遮断が完了したリレー開閉情報を受信した場合には、ステップＳ２に処理を進める。

ステップＳ２において、モータコントローラ１０は、三相交流モータ１の回転数（電気角速度）ωが、所定値（ゼロ近傍）よりも低いか否かを判定する。三相交流モータ１の回転速度ωが所定値よりも低くない場合には、当該回転速度ωが所定値よりも低い値となるまで待機する。一方、三相交流モータ１の回転速度ωが所定値よりも低くなった場合には、ステップＳ３に処理を進める。

ステップＳ３において、モータコントローラ１０は、インバータ回路４の各スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６を駆動するＰＷＭ信号の停止命令を解除して、ステップＳ４に処理を進める。

ステップＳ４において、モータコントローラ１０は、上アームに接続されたスイッチング素子Ｑ１，Ｑ３，Ｑ５及び下アームに接続されたスイッチング素子Ｑ２，Ｑ４，Ｑ６を交互に駆動する周波数であるキャリア周波数ｆｓｗを設定する。すなわち、ＰＷＭ信号生成部２４に供給する三角波信号の周波数を設定する。このとき、モータコントローラ１０は、キャリア周波数を、三相交流モータ１を回転駆動する通常の電流制御時のキャリア周波数よりも高く設定する。これにより、一方のスイッチング素子が許容電力以内で飽和領域での通電ができるように予め設定されたスイッチング周期及び通電時間にて後述のスイッチング動作を行わせる。

また、モータコントローラ１０は、放電制御部２８から出力されるｄ軸電圧指令値Ｖｄ^＊及びｑ軸電圧指令値Ｖｑ^＊を「０Ｖ」に設定する。これにより、モータコントローラ１０は、三相交流モータ１における励磁電圧成分の指令値（Ｖｄ^＊）及びトルク電圧成分の指令（Ｖｑ^＊）を零に設定した状態で放電動作を行う。

更に、モータコントローラ１０は、スイッチング素子に印加される電力を所定値以下とするために、当該スイッチング素子を駆動するデューティ比を設定する。このとき、モータコントローラ１０は、上アームのスイッチング素子Ｑ１，Ｑ３，Ｑ５の通電期間と下アームのスイッチング素子Ｑ２，Ｑ４，Ｑ６の通電期間とが重複しないように空白期間（デッドタイム、ＤｅａｄＴｉｍｅ）を大きくする設定することが望ましい。これによりモータコントローラ１０は、上アームのスイッチング素子Ｑ１，Ｑ３，Ｑ５と、下アームのスイッチング素子Ｑ２，Ｑ４，Ｑ６とが共に通電状態とならないようにする。このように、モータコントローラ１０は、スイッチング動作において、一対のうち一方のスイッチング素子が通電状態となる期間と一対のうち他方のスイッチング素子が通電状態となる期間との間に、一対のスイッチング素子が共に遮断状態となる空白期間を設けることができる。

そして、モータコントローラ１０は、ｄ−ｑ／３相変換部２３により、回転子位相θに基づいて、「０Ｖ」に設定したｄ軸電圧指令値Ｖｄ^＊及びｑ軸電圧指令値Ｖｑ^＊を３相交流電圧指令値Ｖｕ^＊、Ｖｖ^＊、Ｖｗ^＊に変換する。その後、モータコントローラ１０は、ＰＷＭ信号生成部２４により、３相交流電圧指令値Ｖｕ^＊、Ｖｖ^＊、Ｖｗ^＊及び設定したキャリア周波数の三角波信号に基づいてＰＷＭ信号を生成してゲート駆動回路９に出力する。

次のステップＳ５において、モータコントローラ１０は、所定のスイッチング素子Ｑ２を導通状態（オン）に保持させる。このとき、モータコントローラ１０は、当該所定のスイッチング素子Ｑ２についてのＰＷＭ信号を固定して一定値にする。同時に、モータコントローラ１０は、当該一定値のＰＷＭ信号にて駆動するスイッチング素子Ｑ２のゲート電圧を低下させるゲート電圧切替信号ＧＶ＿ＣＨＧを出力する。具体的には、モータコントローラ１０は、導通状態で固定されるスイッチング素子に接続された駆動回路９ＵＮへのＰＷＭ信号（ＰＷＭ＿ＵＮ）を、Ｌｏレベルにする。また、制御回路９ＣＨＧに出力するゲート電圧切替信号ＧＶ＿ＣＨＧを、Ｌｏレベルにする。

これにより、モータコントローラ１０は、平滑コンデンサ５の電力を放電する時に、一対のうち一方のスイッチング素子Ｑ２を飽和領域にて通電させた状態で保持し、一対のうち他方のスイッチング素子Ｑ１を通電状態と遮断状態とを繰り返して切り換えさせる放電動作を行わせる。

次のステップＳ６において、モータコントローラ１０は、放電制御部２８により、平滑コンデンサ５の電圧が、所定の放電完了電圧よりも低くなったか否かを判定する。この放電完了電圧は、電動機制御装置の設計時に設定される。平滑コンデンサ５の電圧が所定の放電完了電圧よりも低くない場合には待機する。一方、平滑コンデンサ５の電圧が所定の放電完了電圧よりも低い場合にはステップＳ７に処理を進める。

ステップＳ７において、モータコントローラ１０は、インバータ回路４の各スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６を駆動するＰＷＭ信号を停止させ、平滑コンデンサ５の放電処理を終了する。

なお、リレー回路３が溶着（閉）している場合には、放電処理を開始してから一定時間（例えば１秒）経過しても、所定電圧（例えば、６０Ｖ）以下に下がらない可能性がある。したがって、ステップＳ７において、モータコントローラ１０は、平滑コンデンサ５の電圧値に基づいて放電が完了したか否かを判定するのではなく、放電継続時間が所定の規定時間を越えたか否かを判定する。これにより、リレー回路３が溶着している場合でも放電を中止することができる。この場合、図示しない報知装置により異常が発生している旨をドライバへ報知することが望ましい。

つぎに、上述した電動機制御装置の停止時動作における各部の動作を、図５を参照して説明する。

電動機制御装置は、スイッチング素子Ｑ２を導通状態で固定するために、図５（ｂ）に示すように、ＰＷＭ信号（ＰＷＭ＿ＵＮ）をＨｉ状態で維持する。これにより、図５（ｈ）のように、信号線ＧＵＮを介してゲート駆動回路９に接続されたスイッチング素子Ｑ２を、ゲート用電源Ｖｃｃの中間電圧（≒Ｖｃｃ×２／３）状態を保持しながら導通状態に固定させる。

一方、図５（ａ）、（ｃ）〜（ｆ）のように、他のスイッチング素子Ｑ１，Ｑ３，Ｑ４，Ｑ５，Ｑ６については、ＰＷＭ制御する。これにより、図５（ｇ）のように、信号線ＧＵＮ以外の信号線ＧＵＰ，ＧＶＰ，ＧＶＮ，ＧＷＰ，ＧＷＮには、所定期間ごとにゲート用電源Ｖｃｃから電圧が印加される。

これにより、図５（ｉ）のように、スイッチング素子Ｑ１が導通状態となる所定期間ごとに、スイッチング素子Ｑ２を介して平滑コンデンサ５から定電流Ｉｃａｐを持ち出す。また、図５（ｊ）、（ｋ）、（ｌ）のように、三相交流モータ１のＵ相、Ｖ相、Ｗ相に接続されるハーネスに印加される電圧Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗ（図３参照）は次第に低くなり、平滑コンデンサ５の両端電圧Ｖｃａｐも段階的に低くなる。

このように、電動機制御装置は、平滑コンデンサ５から電荷を放電させて、平滑コンデンサ５の両端電圧を低下させることが可能となる。

このような電動機制御装置において、スイッチング素子のコレクタ電流Ｉｃとコレクタ−エミッタ間電圧Ｖｃｅとの関係は、図６に示すようになる。図６より、スイッチング素子のゲート端子に印加するゲート電圧Ｖｇｅを低下させると、コレクタ電流Ｉｃが飽和する（飽和状態）。ここで、図３で説明したゲート電圧切替信号ＧＶ＿ＣＨＧ出力時において、ゲート電圧Ｖｇｅを低くして、スイッチング素子Ｑ２を飽和領域で通電することができる。スイッチング素子Ｑ２へ印加されるゲート電圧Ｖｇｅは、次式１で表すことができる。

Ｖｇｅ＝（Ｖｃｃ−Ｖｂｅ−Ｖｆ）×Ｒ８／（Ｒ３＋Ｒ８） （式１）
この式１において、Ｖｂｅは下アームのスイッチング素子Ｑ２に接続された駆動回路９ＵＮにおけるトランジスタＴｒ１のベース−エミッタ間電圧である。また、Ｖｆは下アームのスイッチング素子Ｑ２に接続された駆動回路９ＵＮ，ＶＮ，ＷＮにおけるダイオードＤ１１の順方向電圧である。

このように、制御回路９ＣＨＧにより、上記式１に示したゲート電圧Ｖｇｅを安定して出力して、スイッチング素子Ｑ２を導通状態に固定できる。ここで、ゲート電圧Ｖｇｅを低くする動作は、制御回路９ＣＨＧにより行う。しかし、図６に示すように、ゲート電圧Ｖｇｅを低めに一定にできたとしても、スイッチング素子の個々のばらつきにより、コレクタ電流Ｉｃを一定にできないことがわかる。

また、図７に示すように、各スイッチング素子は、ゲート電圧Ｖｇｅの印加時間ｔごとに導通する許容電力が変更される。なお、図７には、ゲート電圧Ｖｇｅの印加時間が１０μｓｅｃ、２００μｓｅｃ、常用領域におけるコレクタ電流Ｉｃとコレクタ−エミッタ間電圧Ｖｃｅとの関係を示している。このように、電動機制御装置は、スイッチング素子ごとのコレクタ電流Ｉｃのばらつきを考慮しながら、図７に示した常用域近傍となるようにスイッチング素子に供給される電力を制御する。すなわち、ゲート電圧切替対象以外のＰＷＭ信号について、
Ｐ＝Ｉｃ×Ｖｃｅ×デューティ比＜許容電力線
となるように、スイッチング素子Ｑ１のＰＷＭ信号のデューティ比を設定する。

「第１実施形態の効果」
以上説明したように、電動機制御装置によれば、平滑コンデンサ５の電力を放電する時に、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の一対のうち一方のスイッチング素子を飽和領域にて通電させた状態で保持する。これに対し、一対のうち他方のスイッチング素子を通電状態と遮断状態とを繰り返して切り換えさせる。これにより、他方のスイッチング素子の導通状態時に、平滑コンデンサ５の電力を放電する放電動作を実現できる。このように、インバータ回路４（電力変換装置）に三相交流モータ１（電動機）が接続されているか否かに拘わらず、スイッチング素子を飽和状態として平滑コンデンサ５の電荷を放電することができる。すなわち、この電動機制御装置によれば、スイッチング素子の許容電流よりも低い電流を通電させることができる。

また、この電動機制御装置によれば、三相交流モータ１の巻線を利用しないので、三相交流モータ１の脱離時の放電が可能となる。また、他方のスイッチング素子を通電状態と遮断状態との間で繰り返すので、スイッチング素子の許容電力以下で、飽和電流を通電することが可能となるため、短時間での放電放電が可能となる。

また、この電動機制御装置によれば、通電状態で固定される一方のスイッチング素子が許容電力以内で飽和領域での通電ができるように予め設定されたスイッチング周期及び通電時間にてスイッチング動作を行わせる。これにより、電動機制御装置は、スイッチング素子の許容電力以下となる電圧までスイッチング素子へ過剰な負荷を与えることなく放電を行い、その後、飽和電流を通電することが可能となるので、短時間で平滑コンデンサ５を放電させることが可能となる。

また、この電動機制御装置によれば、インバータ回路４に三相交流モータ１が接続されており、三相交流モータ１における励磁電圧成分の指令値（Ｖｄ^＊）及びトルク電圧成分の指令（Ｖｑ^＊）を零に設定した状態で放電動作を行う。これにより、電動機制御装置は、平滑コンデンサ５の放電時に三相交流モータ１のトルクが発生することを確実に回避できる。

更に、この電動機制御装置によれば、他方のスイッチング素子を導通状態と遮断状態との間で切り換えるスイッチング動作において、一対のうち一方のスイッチング素子が通電状態となる期間と一対のうち他方のスイッチング素子が通電状態となる期間との間に、一対のスイッチング素子が共に遮断状態となる空白期間を設けている。これにより、電動機制御装置によれば、各スイッチング素子に過度の電流を流すことを回避できる。

［第２実施形態］
つぎに、第２実施形態として示す電動機制御装置について説明する。なお、上述の第１実施形態と同様の部分については同一符号を付することによりその詳細な説明を省略する。

第２実施形態として示す電動機制御装置は、図８に示す停止時動作を行う点で、第１実施形態として示した電動機制御装置とは異なる。この停止時動作は、ステップＳ４の後のステップＳ１１において、平滑コンデンサ５の電圧がしきい値よりも低くなったか否かを判定する。

すなわち、ステップＳ５にて、一方のスイッチング素子Ｑ２を飽和領域で通電させ、他方のスイッチング素子Ｑ１をスイッチング動作させる前の前動作を行う。具体的には、モータコントローラ１０は、ステップＳ５の放電動作を行う前に、一方のスイッチング素子Ｑ２が許容電力以内の飽和領域で通電ができるように、平滑コンデンサ５の両端電圧が所定電圧以下となるまで、一対のスイッチング素子が共に通電状態となる期間が重ならないよう各スイッチング素子を所定周波数にて交互に通電状態とするスイッチング動作を行わせる。そして、モータコントローラ１０は、当該スイッチング動作時のスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６及びダイオードＤ１〜Ｄ６の寄生容量成分を流れる電流によって平滑コンデンサ５から電荷を放出させて当該平滑コンデンサ５の両端電圧を低下させる前動作を行わせる。

このような前動作は、モータコントローラ１０によって、コンデンサ電圧に基づいて、スイッチング素子Ｑ２を導通状態で固定するゲート電圧切替信号ＧＶ＿ＣＨＧの出力条件を決定するためのものである。モータコントローラ１０は、コンデンサ電圧が所定しきい値よりも低い場合には、ステップＳ５に処理を進める。一方、コンデンサ電圧が所定しきい値よりも低くない場合には、待機して、平滑コンデンサ５の放電を継続させる。

これにより、平滑コンデンサ５の両端電圧が、図７で示した常用動作領域内となる所定しきい値電圧となるまでは、ステップＳ４までの平滑コンデンサ５からの変位電流Ｉｃａｐで放電させる動作を継続する。この変位電流Ｉｃａｐとは、スイッチング素子が遮断状態から導通状態になる際に、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６又はダイオードＤ１〜Ｄ６の接合容量Ｃｊと、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６のスイッチング速度を電圧変化量ｄＶ／ｄｔとの積で生じる変位電流（リカバリ電流）のことである。この変位電流Ｉｃａｐは、上アームのスイッチング素子Ｑ１，Ｑ３，Ｑ５及び下アームのスイッチング素子Ｑ２，Ｑ４，Ｑ６が交互に駆動する周波数、すなわち三角波信号のキャリア周波数ｆｓｗの２倍の周波数２＊ｆｓｗで発生する。このように、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６の駆動周波数を高くすることで、平滑コンデンサ５の放電時間を短縮することができる。

この平滑コンデンサ５の放電時間Ｔ＿dischargeは、下記の式２で算出できる。

Ｔ＿discharge＝Ｃ×Ｖｄｃ／（∫Ｉｃａｐ・ｄｔ×２×ｆｓｗ） （式２）
ここで、平滑コンデンサ５の電源Ｉｃａｐは、下記の式３にて算出される。

Ｉｃａｐ＝Ｃｊ×ｄＶ／ｄｔ （式３）
なお、平滑コンデンサ５の静電容量をＣ、バッテリ電圧をＶｄｃ、スイッチング素子のスイッチング速度をｄＶ／ｄｔとする。

ここで、平滑コンデンサ５の両端電圧に対する所定しきい値とは、図７で示す常用領域エネルギー量となる電圧を意味する。図６を参照して説明したとおり、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６の個々のばらつきにより、ゲート電圧Ｖｇｅを低くした時のコレクタ電流Ｉｃは制御することが難しい。このため、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６を飽和領域動作（飽和電流）させるためには、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６の両端電圧（Ｖｃｅ）を十分に低くする必要がある。

これらにより、信頼性を高く維持したまま、平滑コンデンサ５の放電時間を短時間とすることができる。なお、ゲート電圧Ｖｇｅを低下させるスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６を多く選択すれば、より短時間で放電処理が可能となる。

また、ゲート電圧切替信号ＧＶ＿ＣＨＧを出力して、ステップＳ５の放電動作を行う条件として、各スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６の温度を監視しても良く、各スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６の温度と連動して特性が変化するゲート電圧Ｖｇｅを監視しても良い。

すなわち、モータコントローラ１０は、前動作における平滑コンデンサ５のしきい値（所定電圧）を、各スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６の許容電力に基づく値に設定することが望ましい。この場合、モータコントローラ１０は、前動作における平滑コンデンサ５のしきい値（所定電圧）を、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６の温度に基づいて変更することができる。また、モータコントローラ１０は、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６に対するゲート電圧Ｖｇｅの変化量に基づいて前動作から放電動作に切り換えても良い。

このような停止時動作を行う電動機制御装置は、図９に示すタイミングチャートのように各部が動作する。ここで、前動作において、図９（ｂ）に示すように、ステップＳ５の放電動作にて通電状態に固定されるスイッチング素子Ｑ２をＰＷＭ制御する。これにより、図９（ｊ）に示すように、所定期間ごとに短期間だけ平滑コンデンサ５から電流Ｉｃａｐを取り出す。すると、図９（ｋ）、（ｌ）、（ｍ）、（ｎ）に示すように、次第に平滑コンデンサ５の両端電圧Ｖｃａｐが低下していく。その後、ステップＳ１１にてコンデンサ電圧がしきい値よりも低くなったことを判定すると、スイッチング素子Ｑ２を通電状態にて固定し、図９（ｊ）のように所定時間ごとに放電動作を行って、図９（ｋ）、（ｌ）、（ｍ）、（ｎ）に示すように、段階的に平滑コンデンサ５の両端電圧Ｖｃａｐを低下させる。

そして、コンデンサ電圧がしきい値よりも低くなると、図９（ｂ）、（ｈ）のようにスイッチング素子Ｑ２を通電状態に維持する。同時に、スイッチング素子Ｑ１をスイッチング動作させる、これにより、段階的に平滑コンデンサ５を放電させる（図９（ｊ）〜（ｎ））。

「第２実施形態の効果」
以上詳細に説明したように、本発明を適用した第２実施形態に係る電動機制御装置によれば、ステップＳ５の放電動作を行う前に、一方のスイッチング素子が許容電力以内の飽和領域で通電ができるように前動作（ステップＳ４，Ｓ１１）を行う。この前動作は、平滑コンデンサ５の両端電圧が所定電圧以下となるまで、一対のスイッチング素子が共に通電状態となる期間が重ならないよう各スイッチング素子を所定周波数にて交互に通電状態とするスイッチング動作を行わせる。これにより、当該スイッチング動作時のスイッチング素子及び整流素子の寄生容量成分を流れる電流によって平滑コンデンサ５から電荷を放出させて当該平滑コンデンサ５の両端電圧を低下させる。

これにより、電動機制御装置によれば、第１実施形態で示したように、インバータ回路４（電力変換装置）に三相交流モータ１（電動機）が接続されているか否かに拘わらず、スイッチング素子を飽和状態として平滑コンデンサ５の電荷を放電することができる。これに加えて、電動機制御装置は、ステップＳ５の放電動作を行った時に、導通状態で保持されるスイッチング素子が許容電力以内の飽和領域で通電ができるようにする。したがって、この電動機制御装置によれば、前動作によりスイッチング素子の許容電力以下となる電圧まで低下させるので、スイッチング素子へ過剰な負荷を与えることなく放電を行い、その後、飽和電流を通電することが可能となるため、短時間での放電が可能となる。

また、この電動機制御装置によれば、前処理における所定周波数を、インバータ回路４にて直流電力を交流電力に変換する場合の周波数よりも高くする。これにより、平滑コンデンサ５の両端電圧を低下させるための時間を短くできる。

更に、この電動機制御装置によれば、前動作における平滑コンデンサ５の所定電圧を、各スイッチング素子の許容電力に基づく値に設定する。また、電動機制御装置によれば、前動作における平滑コンデンサ５の所定電圧を、スイッチング素子の温度に基づいて変更する。更に、電動機制御装置は、スイッチング素子に対するゲート電圧の変化量に基づいて前動作から放電動作に切り換える。これにより、スイッチング素子の状態によって、放電動作ごとに一定の電力で平滑コンデンサ５からの放電を短時間で実現できる。

なお、上述の実施の形態は本発明の一例である。このため、本発明は、上述の実施形態に限定されることはなく、この実施の形態以外であっても、本発明に係る技術的思想を逸脱しない範囲であれば、設計等に応じて種々の変更が可能であることは勿論である。

１ 三相交流モータ
２ 直流電源
３ リレー回路
４ インバータ回路
５ 平滑コンデンサ
６Ｕ，６Ｖ，６Ｗ 電流センサ
７ 回転子位置検出器
８ 電圧センサ
９ ゲート駆動回路
１０ モータコントローラ
１１ 車両コントローラ
２１ 電流指令値算出部
２２ 電流制御部
２３ ｄ−ｑ／３相変換部２３
２４ ＰＷＭ信号生成部
２５ ３相／ｄ−ｑ変換部２５
２６ 位相演算部
２７ 回転数演算部
２８ 放電制御部

Claims (10)

1. 直流電源に接続された蓄電手段と、
   前記蓄電手段の正端子及び負端子にそれぞれ接続された一対のスイッチング素子を複数備えたスイッチング手段と、
   前記スイッチング素子に対して各々並列に接続された整流素子と、
   前記各スイッチング素子の状態を通電状態と遮断状態との間で切り換えるスイッチング動作をさせ、前記直流電源から供給された直流電力を交流電力に変換させる制御手段とを備え、
   前記制御手段は、一対のうち一方のスイッチング素子を飽和領域にて通電させた状態で保持し、一対のうち他方のスイッチング素子を通電状態と遮断状態とを繰り返してスイッチング動作させて、前記蓄電手段の放電動作を行わせることを特徴とする電力変換装置。
2. 前記制御手段は、前記放電動作を行う前に、前記蓄電手段の両端電圧が所定電圧以下となるまで、前記一対のスイッチング素子が共に通電状態となる期間が重ならないよう各スイッチング素子を所定周波数にて交互に通電状態とするスイッチング動作を行わせ、当該スイッチング動作時の前記スイッチング素子及び前記整流素子の寄生容量成分を流れる電流によって前記蓄電手段から電荷を放出させて当該蓄電手段の両端電圧を低下させる前動作を行わせることを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
3. 前記制御手段は、前記放電動作において、前記一方のスイッチング素子が許容電力以内で飽和領域での通電ができるように予め設定されたスイッチング周期及び通電時間にて前記一対のうち他方のスイッチング素子をスイッチング動作させることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の電力変換装置。
4. 前記制御手段は、前記前処理における所定周波数を、前記スイッチング手段にて直流電力を交流電力に変換する場合の周波数よりも高くすることを特徴とする請求項２に記載の電力変換装置。
5. 前記スイッチング手段に電動機が接続されており、
   前記制御手段は、前記電動機における励磁電圧成分の指令値及びトルク電圧成分の指令を零に設定した状態で放電動作を行うことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の電力変換装置。
6. 前記制御手段は、前記一対のうち一方のスイッチング素子が通電状態となる期間と前記一対のうち他方のスイッチング素子が通電状態となる期間との間に、前記一対のスイッチング素子が共に遮断状態となる空白期間を設けることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の電力変換装置。
7. 前記制御手段は、前記前動作における前記蓄電手段の所定電圧を、各スイッチング素子の許容電力に基づく値に設定すること特徴とする請求項２に記載の電力変換装置。
8. 前記制御手段は、前記前動作における前記蓄電手段の所定電圧を、前記スイッチング素子の温度に基づいて変更すること特徴とする請求項２に記載の電力変換装置。
9. 前記制御手段は、前記スイッチング素子に対するゲート電圧の変化量に基づいて前記前動作から前記放電動作に切り換えることを特徴とする請求項２に記載の電力変換装置。
10. 直流電源に接続された蓄電手段と、前記蓄電手段の正端子及び負端子にそれぞれ接続された一対のスイッチング素子を複数備えたスイッチング手段とを備え、前記各スイッチング素子の状態を通電状態と遮断状態との間で切り換えるスイッチング動作をして、前記直流電源から供給された直流電力を交流電力に変換させる電力変換装置の放電方法において、 一対のうち一方のスイッチング素子を飽和領域にて通電させた状態で保持し、一対のうち他方のスイッチング素子を通電状態と遮断状態とを繰り返して切り換えさせ、前記蓄電手段の放電動作を行わせることを特徴とする電力変換装置の放電方法。

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